康芹1，郭建利2
    （1.陜西理工學院機械學院；2.陜西理工學院計算機系，陜西西安723000）
    【摘要】介紹了熱管及熱管換熱器的結構；分析熱管換熱器的現有應用領域及優勢，并指出熱管換熱器應用過程中所存在的問題。為進一步改善熱管換熱器的性能和結構、拓寬其應用領域提供參考。
    【關鍵詞】熱管；超導熱性；熱管換熱器；應用
    【中圖分類號】TK22【文獻標識碼】A【文章編號】1003-773X（2010）05-0060-03
    0·引言
    熱管的超導熱性以及等溫性使它成為航空航天技術中控制溫度的理想工具，熱管換熱器由于具有傳熱效率高、結構緊湊、壓力損失小、有利于控制露點腐蝕等優點，也廣泛應用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機械、電子等行業中。
    1·熱管及熱管換熱器結構
    熱管是一種高效傳熱元件，其導熱能力比金屬高幾百倍至數千倍。其結構及工作原理示意圖見圖1。熱管通過管殼內工質的蒸發與凝結來傳遞熱量，因為利用了工質的相變換熱，使熱管具有極高的導熱性，良好的等溫性，冷熱兩側的傳熱面積可任意改變，可遠距離傳熱，可控制溫度等一系列優點。
             
    將熱管元件按一定行列間距布置，成束裝在框架的殼體內，用中間隔板將熱管的蒸發段和冷凝段隔開，構成熱管換熱器。
    2·熱管換熱器的優點
    熱管換熱器結構圖，見圖2，與一般換熱器相比具有許多優點：傳熱效率高，特別對氣—氣換熱器來說，由于冷熱兩側氣體都可以在管外流動，因此兩側都可以在熱管外加裝翅片增大換熱面積，此外還易于把換熱器設計成逆流、叉排等形式，以盡量提高換熱器的效率；壓力損失小，因為是管外流動，因此器內流阻小，壓力損失小，可降低風機的功率消耗；工作可靠，沒有運動部分，因而沒有附加的功率消耗；結構緊湊；沒有摻混污染，可用中間隔板將兩種流體有效地隔開；尺寸變化范圍大，可變換流體流動方向，使用方便；維護費少，沒有易損件，密封簡單可靠，容易清洗。熱管換熱器具有傳熱效率高、壓力損失小、工作可靠、結構緊湊、沒有摻混污染、有利于控制露點腐蝕等優點。
            
    3·熱管換熱器應用現狀
    熱管換熱器在航空系統[1]、空調系統、增壓柴油機、個人電腦、鐵路、工業鍋爐、內燃機尾氣余熱回收以及化工等9個領域的應用非常廣泛，現在我們分析一下在這些領域的應用現狀。
    3.1熱管換熱器在航空系統的應用
    航天器面向太陽的一側受到太陽的直射，而背向太陽的那一側溫度很低。由于太空里幾乎沒有空氣，不可能通過空氣來調節溫度，因此，飛行器兩側的溫差很高，可以達到275℃，使飛行器容易變形。熱管的超導熱性以及等溫性使它成為航空航天技術中控制溫度的理想工具。熱管在航天器中的應用主要有兩方面：1）用于衛星表面的等溫化[2]。美國一技術衛星的主體為1.5 m×1.5 m的圓柱，在未裝熱管前，向陽面與背陽面的溫差達145℃，而安裝了8根熱管后溫差減小到17℃。2）用于衛星內儀器設備的溫度控制。我國在一返回式衛星上使用了16根直徑為7 mm的鋁-氨熱管，用于控制直流穩壓電源等4個發熱元件及艙內3塊主電池的溫度，使之位于適宜的溫度范圍內。
    3.2熱管換熱器在空調系統的應用
    熱管式通風換熱器由數根熱管構成，室內的污濁空氣由換熱器的排風段排出；同時，室外新鮮空氣由新風段進入，通過熱管式通風換熱器，一方面向室內置換新鮮空氣，另一方面，排出的氣體和引進的新風之間進行著熱交換，采暖時可降低空調的采暖負荷。廣州大學張景玲對熱管在空調系統節能與室內熱舒適的應用進行了研究，得出常規一次回風集中空調系統可以通過降低室內相對濕度來滿足人體熱舒適的要求。
    華東大學陳潔對考慮室外溫度影響的空調用熱管換熱器進行了優化設計，研究了不同溫度頻率分布下熱管換熱器的最優結構，通過經濟性分析，得出了整個供暖(冷)季的最優結構和最佳經濟性能的熱管換熱器。
    3.3熱管換熱器在增壓柴油機中的應用
    增壓中冷作為提高發動機動力性、經濟性，降低發動機熱負荷、發動機排放的重要手段，越來越多的應用到新型發動機的開發中去。中冷器是實現進氣冷卻技術的關鍵性部件，其性能的好壞直接影響進氣量進而影響發動機的功率。對中冷器的要求是：冷卻效果明顯、結構緊湊、流動阻力小。熱管換熱器作為中冷器的高效導熱性能在內燃機增壓中冷技術的應用前景非常廣闊。
    3.4熱管換熱器在個人電腦中的應用在
    Pentium筆記型電腦中使用的熱管熱鍵盤的解決方案已成為主流的熱解決方案。板式熱管被設計成一個非常有效率的散熱片或散熱板，主要用于高端熱冷卻的要求。熱管還廣泛應用于筆記本電腦的芯片冷卻技術中。
    熱管熱流密度的可調節性使它可以用于高熱流密度的電子元器件，在散熱量較大的儀器儀表的密封柜內，安裝中型風扇，使發熱元件產生的熱氣體在殼體內部循環，傳遞給小型熱管換熱器的蒸發段。熱量通過熱管傳遞到殼體外部的冷凝段，并通過風扇散失到環境中去。
    3.5在自然能源方面的利用
    熱管式太陽能熱水器是一種高效太陽能熱水器；太陽能熱管散熱器，與制冷系統聯合循環，提高太陽能的利用效率;在許多有地熱源的地方，可以利用熱管換熱器將地熱傳送到地面上來加以利用;熱管風冷器是一種高效的蒸發冷凝設備，適用于大型電站透平背壓蒸汽的冷凝在缺水地區采用風冷方式的使用。
    3.6熱管換熱器在鐵路方面的應用
    凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質，含有豐富的地下冰。高原寒冷區凍土層地基的穩定性是青藏鐵路面臨的最大難題，我國科學家采用了一種“熱管”來進行地基冷卻，其作用是將路基的熱量導出來，從而使這個由凍土構成的路基不會融化。目前，青藏鐵路的線路和設備設施都保持了正常的運行狀態。
    3.7熱管換熱器在工業鍋爐中的應用
    陳敏[3]等對高溫熱管熱風爐在白碳黑噴霧干燥中的應用進行了研究，試驗表明高溫熱管熱風爐可有效提高熱風溫度，降低排煙溫度，使干燥塔干燥效率提高到81%。云南省小龍潭電廠1號爐[4]應用了熱管預熱器，應用前鍋爐效率約為87.42%，改造后約為89.74%，發電標準煤耗降低8.8%(kw.h)。
    工業排氣的溫度往往高達上百度，將熱管換熱器用于工業排氣的余熱回收中[5]，可回收余熱，使之加熱空氣作為助燃空氣使用或作為烘房的熱源；可以加熱水，用作鍋爐給水，或使水產生蒸汽供其他方面使用；也可以加熱排氣本身，避免腐蝕排煙設備。
    3.8熱管換熱器在內燃機尾氣余熱回收中的應用
    湘潭大學的袁勝利[6]設計了碳鋼-氨重力式熱管換熱器，用來回收汽車內燃機廢氣中的熱量。用于大型客車的乘員冬季取暖。吉林工業大學汽車工程學院的蘇俊林[7]等設計了工質為導熱姆的熱管換熱器，用來回收汽車內燃機排出廢氣中的熱量，用于大型客車冬季取暖問題。美國的幾艘海岸巡邏艇上安裝了換熱裝置，從內燃機廢氣、冷卻水中提取一部分熱量以提高水的溫度，供船員們洗澡、洗衣之用。
    3.9在化學工程方面的應用
    化學反應往往有熱效應相伴隨的，對于放熱反應，需要及時移走熱量，而對于吸熱反應，則需及時供給熱量才能維持化學反應的正常進行。利用熱管換熱器移走化學反應熱或供給化學反應熱[8]，可以把化學反應控制在理想的溫度范圍內進行，從而可以得到高質量的產品，提高產量。
    4·熱管換熱器存在的問題
    要想使熱管換熱器性能達到最佳，并應用于更多場合，還需要解決以下幾個問題：1）能夠找到一種適合各種工作溫度的工質，而不影響換熱器的效率和可靠性；2）熱管的直徑、翅片高、翅片厚度等結構尺寸的確定沒有準確的依據，而這些參數對熱管性能影響較大；3）灰塵較多的煙氣易加速熱管的磨損或使熱管易積灰，降低換熱能力；4）熱管散熱器結構相對較復雜，工藝性要求較高，成本較高[8]。
參考文獻
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[3]陳敏.高溫熱管熱風爐在白碳黑工業中的應用.[J].節能技術.，1999，17(94):11-12.
[4]趙寶珠.熱管空氣預熱器在電站鍋爐中的應用.[J].節能技術.，2008，26（2）：18-20.
[5]鄔守春.排氣熱回收器的應用[J].節能技術，1986（5）：46-48.
[6]袁勝利.利用汽車廢氣取暖的熱管換熱器[J].節能，1991(11):36-36.
[7]蘇俊林.熱管換熱器在工業節能中的作用[J].吉林工業大學學報，1985(4):121-130.
[8]莊駿.熱管換熱器在化學生產中的應用[J].化學工程，1983(4):26-29.