熱管換熱器(熱管換熱器)

熱管換熱器(熱管換熱器)第一頁，共66頁。3.5熱管換熱器熱管換熱器是一種新型、高效、節(jié)能換熱器，廣泛使用于航天航空業(yè)，并逐步用于加熱爐對(duì)流室煙氣余熱回收中。它是由數(shù)根熱管組成的。熱管外部裝有翅片以提高傳熱效果。熱管管束中間裝有隔板，冷、熱流體分別在隔板的兩側(cè)流動(dòng)，通過熱管進(jìn)行熱量傳遞。第二頁，共66頁。其工作原理為:當(dāng)熱管的兩端分別被加熱(與熱流體接觸)和冷卻(與冷流體接觸)時(shí)，被加熱的一端(稱為蒸發(fā)段)管中的液體吸熱蒸發(fā)成為蒸氣，蒸氣沿管中心通道流向另一端(稱為冷凝段)并在此冷凝放出熱量，由于多孔管芯毛細(xì)作用，冷凝下來的液體又會(huì)自動(dòng)地沿管芯流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)往復(fù)，通過工作介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝，將熱量由熱流體傳遞至冷流體。熱管換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。3.5.1工作原理和傳熱過程熱管工作原理簡圖第三頁，共66頁。六個(gè)傳熱步驟：1）熱量從熱源通過殼壁和充滿液體工質(zhì)的吸液芯傳遞到液汽分界面上2）液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)3）蒸汽通過蒸汽腔輸送到冷凝段4）蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上冷凝5）熱量從冷凝段內(nèi)的汽-液分界面通過吸液芯和殼壁傳給外熱匯（即冷源）6）冷凝液借助吸液芯的毛細(xì)作用從冷凝段返回蒸發(fā)段重新工作。第四頁，共66頁。3.5.2熱管的結(jié)構(gòu)熱管的結(jié)構(gòu)簡圖軸向分為三個(gè)區(qū)域：蒸發(fā)段（或稱熱源段、熱端）、蒸發(fā)輸送段（或稱絕熱段）、冷凝段（或稱熱匯段、冷端）徑向分為三個(gè)部分：密閉的管殼、毛細(xì)結(jié)構(gòu)（或稱吸液芯）、蒸汽通道（或稱蒸汽腔）第五頁，共66頁。1管殼1）作用：將熱管的工作部分封閉起來，在熱端和冷端接受和放出熱量，并承受管內(nèi)外壓力不等時(shí)所產(chǎn)生的壓力差2）要求：由高導(dǎo)熱率、耐壓、耐熱應(yīng)力的材料制造，材料的選擇必須首先考慮到與所要使用的工質(zhì)的相容性，即要求熱管在長期運(yùn)行中管殼無腐蝕，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生氣體。3）材料：以不銹鋼、銅、鋁、鎳等較多，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。2管芯管芯是一種緊貼管殼內(nèi)壁的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內(nèi)壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成。性能良好的管芯應(yīng)具有：足夠大的毛細(xì)抽吸壓頭較小的液體流動(dòng)阻力，即有較高的滲透率良好的傳熱特性，即有較小的徑向熱阻第六頁，共66頁。管芯的結(jié)構(gòu)1）緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)芯，圖3.66（a）2）燒結(jié)粉末管芯，圖3.66（b），它是由一定目數(shù)的金屬粉末或金屬絲網(wǎng)燒結(jié)在管內(nèi)壁面而成3）軸向槽道式管芯，圖3.66（c），它是在管殼內(nèi)壁開軸向細(xì)槽，以提供毛細(xì)壓頭及液體回流通道，槽的截面形狀可有矩形、梯形等多種4）組合管芯。一般管芯往往不能同時(shí)兼顧毛細(xì)抽吸力及滲透率，組合管芯既能兼顧毛細(xì)力和滲透率，從而獲得高的軸向傳熱能力，而且大多數(shù)管芯的徑向熱阻甚小。它基本上把管芯分成兩部分，一部分起毛細(xì)抽吸作用，一部分起液體回流通道作用。此類管芯有多種，圖3.66（d）為一種槽道覆蓋網(wǎng)式。它是在軸向槽道管芯表面覆蓋一層細(xì)孔網(wǎng)，槽道成為低阻力的液體回流通道，細(xì)孔網(wǎng)則提供高的毛細(xì)抽吸壓頭，因此可提高傳熱能力。但因網(wǎng)與槽不易貼合緊，其徑向熱阻較大。第七頁，共66頁。3）工作液對(duì)工作液的要求：要有較高的汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點(diǎn)，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性應(yīng)有較大的表面張力和潤濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)能對(duì)工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細(xì)力不能對(duì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)和管壁產(chǎn)生溶解作用，否則被溶解的物質(zhì)將積累在蒸發(fā)段破壞毛細(xì)結(jié)構(gòu)工作液的選用熱管內(nèi)的工作液體隨熱管內(nèi)部的工作溫度而定低溫（﹤100℃）：乙醇、丙酮、氟利昂、液氨、液氫等，在常溫條件下的工作液體一般為水中溫（100～500℃）：熱管內(nèi)部工作溫度高于280℃時(shí)，由于水的飽和蒸汽壓力較高，故應(yīng)考慮具有低飽和蒸汽壓的工作液體如聯(lián)苯、萘、汞等高溫（﹥500℃）：當(dāng)管內(nèi)工作溫度超過600℃以上時(shí)，可選用鉀、鈉或鉀鈉合金等液態(tài)金屬作為工作液體工作液在外殼封閉前裝入熱管，其數(shù)量應(yīng)使毛細(xì)結(jié)構(gòu)足夠飽和并稍有過量，若液體不足則有可能成為熱管破壞的原因之一（如蒸發(fā)段干涸）第八頁，共66頁。4）熱管的型式①

吸液芯熱管：冷凝的工作液體依靠毛細(xì)多孔材料（吸液芯）的毛細(xì)抽吸力返回到加熱段（蒸發(fā)段）②兩相熱虹吸管：工作液體的回流依靠其本身的重力作用第九頁，共66頁。③

旋轉(zhuǎn)熱管：工作液體的回流依靠離心力的分力作用④

重力輔助熱管：同時(shí)受到毛細(xì)力和重力作用使凝液回流。當(dāng)具有吸液芯的熱管處于冷凝段在加熱段上方位置時(shí)，熱管就將按重力輔助熱管方式運(yùn)行第十頁，共66頁。因?yàn)槲盒镜谋盟妥饔?.5.3熱管的工作特性蒸發(fā)段冷凝段（1）工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)的推動(dòng)力蒸發(fā)段內(nèi)，液體在液汽分界面上的逐漸蒸發(fā)使得分界面縮回到吸液芯里（如圖），產(chǎn)生彎月形氣液分界面（彎月面）；冷凝段內(nèi)，蒸汽在液汽分界面上的逐漸冷凝使得分界面高于吸液芯，且分界面基本上呈平面形狀，曲率半徑為無限大；蒸發(fā)和冷凝段的曲率半徑之差－－工質(zhì)（液體和蒸汽）循環(huán)流動(dòng)的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力（循環(huán)動(dòng)力）。第十一頁，共66頁。吸液芯內(nèi)的凹形液汽界面的形成屬于毛細(xì)現(xiàn)象，根據(jù)力學(xué)平衡原理，此時(shí)，蒸汽壓力大于液體壓力，液汽界面兩側(cè)存在著壓差Δp－－毛細(xì)頭；

對(duì)應(yīng)于毛細(xì)孔曲率半徑為r的任何彎月面的相間靜壓差為：

Δp=pg-pl=2σcosθ/r

pg、pl分別為汽、液相壓力，r—毛細(xì)孔半徑

σ為液汽分界面上的表面張力。θ—液面接觸角推動(dòng)力續(xù)第十二頁，共66頁。蒸發(fā)段有毛細(xì)頭ΔPe冷凝段有毛細(xì)頭ΔPc熱管兩端毛細(xì)頭壓差ΔPcap：其中，冷凝段，rc=∞，液汽相間無壓差；蒸發(fā)段，r最小處，循環(huán)驅(qū)動(dòng)力最大－－最大毛細(xì)壓差，第十三頁，共66頁。即在cosθe=1(θe=0°)，cosθc=0(θc=90°)時(shí)，ΔPcap：有最大值為：ΔPcap：是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動(dòng)力，用來克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的阻力降ΔPν、冷凝液體從冷凝段回流到蒸發(fā)段的壓力降ΔPl和重力對(duì)液體流動(dòng)引起的壓力降ΔPg（ΔPg可以是正值，負(fù)值，或零）。因此（2-11）這是熱管正常工作的必要條件第十四頁，共66頁。傳遞熱量的估算根據(jù)上述平衡關(guān)系式和阻力與工質(zhì)流量的關(guān)系，可估算出工質(zhì)的循環(huán)量，從而計(jì)算出每根熱管可能傳遞的熱量。

一般情況下，蒸氣流速不高，蒸氣流動(dòng)阻力忽略，并設(shè)熱管為水平放置，=0。液芯內(nèi)液體的流動(dòng)阻力可按Darcy給出的公式（達(dá)西公式）估算：第十五頁，共66頁。第十六頁，共66頁。（2）工質(zhì)的壓力分布情況a.蒸汽流動(dòng)

蒸發(fā)段：蒸汽通過蒸汽腔向冷凝段移動(dòng)，與多孔壁注入或吸出的管內(nèi)流動(dòng)相似，層流或紊流；蒸發(fā)段沿蒸汽流向不斷有蒸汽補(bǔ)充加入，是一個(gè)加速過程，壓力能部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；冷凝段：相反，即蒸汽的減速過程，使部分動(dòng)能回收，使氣流方向上壓力有所回升。整個(gè)蒸汽流動(dòng)過程，動(dòng)量變化所引起的壓力變化是相抵的，則從蒸發(fā)段到冷凝段的蒸汽壓差只表現(xiàn)為摩擦阻力Δpg，這一壓差較小，其所對(duì)應(yīng)的溫差較小；當(dāng)它所對(duì)應(yīng)的冷熱端飽和溫度之差小于0.56－1.2oC即近乎等溫流動(dòng)，被認(rèn)為正常工作，－－熱管工況。第十七頁，共66頁。b.液體流動(dòng)冷凝液通過毛細(xì)作用返回蒸發(fā)段內(nèi)的流動(dòng)為層流流動(dòng)，并主要受摩擦阻力支配，由動(dòng)量引起的壓差可以忽略，且受重力的影響（當(dāng)管不水平放置時(shí)）；無吸液芯的熱管即靠重力回流。整個(gè)熱管工作過程類似自然循環(huán)系統(tǒng)；通過正確選擇熱管材料、工質(zhì)和幾何參數(shù)，以使所產(chǎn)生的毛細(xì)壓差滿足循環(huán)的要求，并完全超過重力作用使熱管的安放和使用不受重力場方向和大小的影響。c.壓力分布第十八頁，共66頁。

熱管的傳熱量會(huì)受到一定的限制。這種限制完全受流動(dòng)過程的控制，達(dá)到這一極限值時(shí)傳熱量無法再增加，稱為“極限”。某些極限達(dá)到后，蒸汽的流速不再增加，除非改變工作溫度。而對(duì)于另一些極限，當(dāng)其達(dá)到后工作流體的循環(huán)中斷，熱管蒸發(fā)段局部燒干并出現(xiàn)過熱。圖2.8所示為熱管的傳熱極限曲線。3.5.4熱管的工作極限1)連續(xù)流動(dòng)極限對(duì)小熱管，如微型熱管，以及工作溫度很低的熱管，熱管管內(nèi)的蒸汽流動(dòng)可能處于自由分子狀態(tài)或稀薄、真空狀態(tài)。在這種情況下，由于不能獲得連續(xù)的蒸汽流，傳熱能力將受到限制；2)冷凍啟動(dòng)極限在從冷凍狀態(tài)啟動(dòng)過程中，蒸發(fā)端來的蒸汽可能在絕熱段或冷凝段再次冷凍，這將耗盡蒸發(fā)端來的工作介質(zhì)，導(dǎo)致蒸發(fā)段干涸，熱管無法正常啟動(dòng)工作3）粘性極限當(dāng)蒸汽的壓力由于粘性力的作用在熱管冷凝段的末端降為零，如液態(tài)金屬熱管，在這種條件下，熱管傳熱將受到限制。熱管的工作溫度低于正常工作溫度范圍時(shí)將遇到這種限制，它又被稱為蒸汽壓力極限第十九頁，共66頁。4)聲速極限熱管管內(nèi)蒸汽流動(dòng)，由于慣性力的作用，在蒸發(fā)段出口處蒸汽速度可能達(dá)到聲速或超聲速，而出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，這時(shí)的最大傳熱量被稱為聲速極限；5)攜帶極限當(dāng)熱管中的蒸汽速度足夠高時(shí)，液汽交界面存在的剪切力可能將吸液芯表面液體撕裂將其帶入蒸汽流。這種現(xiàn)象減少了冷凝回流液，限制了傳熱能力；6)毛細(xì)極限熱管中工作介質(zhì)的循環(huán)靠毛細(xì)吸液芯結(jié)構(gòu)與工作液體產(chǎn)生的毛細(xì)壓頭維持，由于毛細(xì)結(jié)構(gòu)為循環(huán)提供的毛細(xì)頭是有限的，這將使熱管的最大傳熱量受到限制，這種限制通常稱作毛細(xì)極限或流體動(dòng)力極限；7)冷凝極限熱管最大傳熱能力可能受到冷凝段冷卻能力的限制，不凝性氣體的存在將降低冷凝段的冷卻效率；8)沸騰極限如果徑向熱流或管壁溫度變得非常高，吸液芯中工質(zhì)的沸騰可能阻礙工作液體的循環(huán)而導(dǎo)致沸騰極限。第二十頁，共66頁。傳熱極限可用傳熱量和工作溫度（即管內(nèi)蒸汽平均溫度）為直角坐標(biāo)的兩軸來定性地表示。熱管的工作點(diǎn)必須選擇在包絡(luò)線1－2－3－4－5－6－7－8的下方。這些極限曲線的實(shí)際形狀隨工質(zhì)和吸液芯材料及熱管形狀等因素而變化。65431278第二十一頁，共66頁。3.5.5熱管換熱器的傳熱計(jì)算1.傳熱計(jì)算的基本方程傳熱計(jì)算基本方程式：傳熱方程式傳熱計(jì)算中所采用的傳熱面積F：可以是光管外表面積或熱管加熱段管外總面積或加熱段光管外表面積，因而就有相應(yīng)的傳熱系數(shù)。常用的以加熱段光管外表面積為基準(zhǔn)者居多。平均溫差?tm：根據(jù)冷熱流體的流向以及它們各自是否有橫向的混合，通過計(jì)算或從有關(guān)線圖查得。傳熱量Q應(yīng)取為熱流體放熱量Qh與冷流體吸熱量Qc的算術(shù)平均值，即第二十二頁，共66頁。2.熱管元件各傳熱環(huán)節(jié)熱阻典型的吸液芯熱管的傳熱過程可分解為以下各種傳熱環(huán)節(jié)，并構(gòu)成了總的熱阻。環(huán)節(jié)續(xù)1環(huán)境熱源與熱管加熱段外壁間2加熱段管壁導(dǎo)熱3蒸發(fā)段吸液芯－－液體組合層的傳熱4蒸發(fā)段液體界面的相變換熱5從蒸發(fā)段到凝結(jié)段蒸汽流動(dòng)換熱6凝結(jié)段液汽界面的相變換熱7凝結(jié)段吸液芯－－液體組合層的傳熱8凝結(jié)段管壁的導(dǎo)熱9凝結(jié)段外壁與環(huán)境冷源間的換熱10從蒸發(fā)段到冷凝段的軸向?qū)?1通過吸液芯的軸向?qū)岬诙?，?6頁。2.熱管元件各傳熱環(huán)節(jié)熱阻（1）環(huán)境熱源與熱管加熱段外壁間的換熱熱阻R1熱阻R1之值隨換熱條件不同而異，因而應(yīng)分清對(duì)流換熱、輻射換熱還是復(fù)合換熱，是受迫對(duì)流還是自然對(duì)流，熱管外壁是光管還是帶肋，熱管外壁與熱源的固體壁面有無接觸等有關(guān)問題，采用相應(yīng)的計(jì)算公式。環(huán)節(jié)續(xù)第二十四頁，共66頁。環(huán)節(jié)續(xù)第二十五頁，共66頁。環(huán)節(jié)續(xù)第二十六頁，共66頁。(2)加熱段管壁的導(dǎo)熱，熱阻R2(3)蒸發(fā)段吸液芯－－液體組合層的傳熱，熱阻R3環(huán)節(jié)續(xù)第二十七頁，共66頁。(4)蒸發(fā)段液體界面的相變換熱，熱阻R4(5)從蒸發(fā)段到凝結(jié)段蒸汽流動(dòng)換熱，熱阻R5環(huán)節(jié)續(xù)第二十八頁，共66頁。(6)凝結(jié)段液汽界面的相變換熱，熱阻R6(7)凝結(jié)段吸液芯－－液體組合層的傳熱，熱阻R7環(huán)節(jié)續(xù)第二十九頁，共66頁。(8)凝結(jié)段管壁的導(dǎo)熱，熱阻R8(9)凝結(jié)段外壁與環(huán)境冷源間的換熱，熱阻R9環(huán)節(jié)續(xù)第三十頁，共66頁。(10)從蒸發(fā)段到冷凝段的軸向?qū)?，熱阻R10(11)通過吸液芯的軸向?qū)?，熱阻R113對(duì)流換熱系數(shù)第三十一頁，共66頁。第三十二頁，共66頁。3.5.6熱管換熱器的流動(dòng)阻力計(jì)算第三十三頁，共66頁。第三十四頁，共66頁。3.5.7熱管換熱器的熱管工作安全性校驗(yàn)第三十五頁，共66頁。RcRc第三十六頁，共66頁。第三十七頁，共66頁。第三十八頁，共66頁。3.5.8熱管換熱器的熱力設(shè)計(jì)熱管換熱器的熱力設(shè)計(jì)可按常規(guī)的間壁式換熱器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。要注意的是，熱管換熱器的設(shè)計(jì)是在給定熱管元件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此在設(shè)計(jì)之前必須選定熱管元件。選擇熱管元件時(shí)，主要根據(jù)已知的流體工作溫度估計(jì)熱管的工作溫度，使設(shè)計(jì)后的熱管工作溫度在安全數(shù)值范圍內(nèi)。對(duì)于熱管形式，應(yīng)考慮使用場合的不同選擇合適的形式。如，用于余熱回收時(shí)，可多考慮應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、工作可靠的兩相閉式熱虹吸管。第三十九頁，共66頁。第四十頁，共66頁。第四十一頁，共66頁。第四十二頁，共66頁。第四十三頁，共66頁。第四十四頁，共66頁。第四十五頁，共66頁。第四十六頁，共66頁。為蒸發(fā)段換熱面的清潔度，取0.8~0.9第四十七頁，共66頁。第四十八頁，共66頁。第四十九頁，共66頁。第五十頁，共66頁。垂直兩相閉式熱虹吸管達(dá)攜帶極限時(shí)的最大熱流量第五十一頁，共66頁。第五十二頁，共66頁。3.5.9熱管的應(yīng)用熱管技術(shù)被公認(rèn)是一種很有價(jià)值的傳熱新技術(shù)，在空間技術(shù)、電器工業(yè)、核電工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、動(dòng)力機(jī)械、工業(yè)余熱回收等很多方面都得到了廣泛應(yīng)用。如:1、化工及石化領(lǐng)域2、建材及輕紡織工業(yè)領(lǐng)域3、冶金工業(yè)領(lǐng)域4、電力電子領(lǐng)域5、航空航天領(lǐng)域6、內(nèi)燃機(jī)7、其他領(lǐng)域第五十三頁，共66頁。1．熱管技術(shù)在化工及石化領(lǐng)域的應(yīng)用熱管及熱管換熱器近年來在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用已愈來愈受人們的重視，它具有體積緊湊、壓力降小、可以控制露點(diǎn)腐蝕、一段破壞不會(huì)引起兩相流互混等優(yōu)點(diǎn)，提高的設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性。它在石化領(lǐng)域的應(yīng)用可謂是無所不在，如下所示為熱管換熱器在該領(lǐng)域的部分應(yīng)用場合：

在合成氨工業(yè)中：

回收低溫余熱余熱助燃空氣，或生產(chǎn)低壓蒸汽作為原料；回收高溫余熱產(chǎn)生中壓蒸汽作原料蒸汽的補(bǔ)充，或生產(chǎn)高壓蒸汽作為生產(chǎn)的動(dòng)力源；控制固定床催化反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)溫度，使其向最佳反映溫度曲線無限逼近，從而提高合成氨的效率。在硫酸工業(yè)中：

沸騰焙燒爐沸騰層內(nèi)的余熱回收；沸騰焙燒爐沸騰層內(nèi)的余熱回收；SO2爐氣余熱回收；SO3氣體冷卻器；在鹽酸、硝酸工業(yè)中也同樣有大量的應(yīng)用在石化領(lǐng)域應(yīng)用更是廣泛：

熱管裂解爐；熱管乙苯脫氫反映器；熱管氧化反應(yīng)器；催化裂化再生取熱器；

…………

第五十四頁，共66頁。2．熱管技術(shù)在建材及輕紡織工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用建材行業(yè)如水泥、陶瓷等工業(yè)都要消耗大量的能量，以陶瓷為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，能源費(fèi)占生產(chǎn)總成本的40%以上。開發(fā)新型高效節(jié)能設(shè)備將極大的促進(jìn)此行業(yè)的發(fā)展。80年代國內(nèi)的許多單位應(yīng)用熱管換熱技術(shù)回收陶瓷、水泥生產(chǎn)中排放的余熱取得了良好的節(jié)能效果，90年代高溫?zé)峁芗夹g(shù)的工業(yè)開發(fā)應(yīng)用獲得成功，這些都為熱管技術(shù)的工業(yè)推廣打下了良好的基礎(chǔ)。如下是近年來熱管技術(shù)在建材、輕工業(yè)中成功應(yīng)用的一些實(shí)例：

高嶺土噴霧干燥熱風(fēng)爐； 十二醇硫酸鈉噴霧干燥； 玻璃窯爐的余熱回收； 水泥生產(chǎn)工業(yè)中的回轉(zhuǎn)窯冷卻機(jī)的余熱利用、廢尾氣余熱利用、懸浮預(yù)熱機(jī)、烘干機(jī)等熱工設(shè)備； 陶瓷窯爐的隧道窯煙道氣余熱利用； 電瓷廠遂道窯冷卻帶余熱利用； 紡織工業(yè)中的熱定型機(jī)余熱回收利用、漿紗機(jī)的余熱回收等。第五十五頁，共66頁。冶金工業(yè)也是耗能大戶，不論是有色冶金或黑色冶金工業(yè)都存在大量的節(jié)能問題。以鋼鐵企業(yè)為例，焦?fàn)t、高爐及煉鋼工序均有相當(dāng)數(shù)量的余熱未能回收利用。余熱的溫度最高可達(dá)1600oC，熱能的形態(tài)有固體、氣體、液體，其中最多的為間歇排放，因此給余熱回收帶來了一定的難度。由于熱管的眾多特點(diǎn)，特別適宜于上述場合的余熱回收利用，從70年代開始，國內(nèi)冶金界就有許多工程技術(shù)人員和熱管技術(shù)工作者進(jìn)行了卓有成效的合作開發(fā)，取得了良好的效果。目前已經(jīng)在燒結(jié)排氣顯熱和熱風(fēng)爐燃燒廢氣的余熱回收方面，達(dá)到了定性設(shè)計(jì)和系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的程度。高溫?zé)峁芗案邷責(zé)峁芸諝忸A(yù)熱器、高溫?zé)峁芸諝庹舭l(fā)器的開發(fā)運(yùn)行成功，又給冶金業(yè)帶來了新的希望。在冶金工業(yè)中大量應(yīng)用的熱管換熱器設(shè)備有：坯件加熱爐熱管空氣預(yù)熱器； 線材退火爐空氣預(yù)熱器； 軋鋼連續(xù)加熱爐空氣預(yù)熱器； 熱管余熱鍋爐； 熱管省煤器等。第五十六頁，共66頁。電子技術(shù)近年來迅速發(fā)展，電子器件的高頻、高速以及集成電路的密集和小型化，使得單位容積電子器件的發(fā)熱量快速提高，而電子器件正常工作必須在一定的溫度范圍之內(nèi)，電子器件的散熱成為了其發(fā)展的一個(gè)瓶頸，因此電子技術(shù)的發(fā)展需要有良好的散熱手段來保證。管式熱管散熱器示意圖

1為冷凝段2為蒸發(fā)段熱管問世以來，使電力電子裝置的散熱系統(tǒng)有了新的發(fā)展。熱管使自冷的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。因?yàn)闊峁茏岳渖嵯到y(tǒng)無需風(fēng)扇、沒有噪音、免維修、安全可靠，熱管風(fēng)冷甚至自冷可以取代水冷系統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關(guān)的輔助設(shè)備投資。此外，熱管散熱還能將發(fā)熱件集中，甚至密封，而將散熱部分移到外部或遠(yuǎn)處，能防塵、防潮、防爆，提高電器設(shè)備的安全可靠性和應(yīng)用范圍近年來，大功率電子器件的冷卻上采用了熱管，收到較好效果。如上圖所示，對(duì)于大功率的晶體管采用圓柱形熱管作為散熱元件。在解決CPU溫度的問題時(shí)，銅、純鋁制散熱器已經(jīng)成為最為普及的產(chǎn)品但其傳熱性能仍然遠(yuǎn)小于熱管散熱器。采用熱管技術(shù)的散熱器也越來越多，有些廠商甚至拿它作為賣點(diǎn)或者樹立品牌形象。在電力領(lǐng)域，熱管電機(jī)的出現(xiàn)及實(shí)用化成為了一個(gè)典型的代表。熱管電機(jī)中的主要應(yīng)用之一是用一根旋轉(zhuǎn)熱管來代替電機(jī)的傳動(dòng)軸，將電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量通過熱管傳到軸端的散熱部分，并用風(fēng)扇排至電機(jī)殼外。傳遞的功率顯著提高。第五十七頁，共66頁?！吧裰萏?hào)飛船的熱控制系統(tǒng)：熱控制系統(tǒng)用于保證飛船各艙儀器設(shè)備、結(jié)構(gòu)以及乘員所需要的環(huán)境溫度條件，合理調(diào)配飛船之間的熱量的傳輸，并排放到宇宙空間。他通常采用流體對(duì)流換熱方式。其傳熱回路可以采用泵驅(qū)動(dòng)液體回路、熱管輻射回路和毛細(xì)泵抽吸回路等。”——摘自《神舟圓夢》

“1979年，當(dāng)閔桂榮率領(lǐng)空間熱物理代表團(tuán)赴美參加美國宇航學(xué)會(huì)熱物理年會(huì)時(shí)，他的大會(huì)報(bào)告讓西方專家嚇了一跳。偌大的飯店里，因?yàn)橹袊韴F(tuán)所做報(bào)告產(chǎn)生轟動(dòng)效應(yīng)，其他兩個(gè)會(huì)議竟然暫停了下來。這是中國航天科技工作者首次在國際會(huì)議上進(jìn)行高水平的航天學(xué)術(shù)報(bào)告。與會(huì)的國外專家這才發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)的熱管、百葉窗等熱控技術(shù)在中國衛(wèi)星上的應(yīng)用竟然比歐洲、日本早了十年?！薄浴吨袊教靾?bào)》5．熱管在航天領(lǐng)域的應(yīng)用熱管適應(yīng)航天技術(shù)的發(fā)展的要求而發(fā)展的，所以熱管技術(shù)在航天領(lǐng)域得到了許多非常重要的應(yīng)用。由于航天領(lǐng)域中熱管運(yùn)行可靠性及其本身的各種性能都有嚴(yán)格的要求。這些要求也促進(jìn)了熱管技術(shù)的發(fā)展。下面是兩個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例，從中就可以看出熱管技術(shù)在航天領(lǐng)域的重要位置。第五十八頁，共66頁。6.熱管在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用1）

熱管在內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用

內(nèi)燃機(jī)的冷卻主要包括缸外水冷系統(tǒng)和機(jī)油冷卻系統(tǒng)，水冷效率已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，但機(jī)油冷卻還有很大的發(fā)展空間，機(jī)油冷熱效率不高，功率損失較大，因此適當(dāng)?shù)牟捎脽峁芗夹g(shù)可以克服這些缺點(diǎn)。但此項(xiàng)技術(shù)目前因?yàn)榧夹g(shù)水平有限，還未能得以實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)用還有待研究發(fā)展。Myidea:如右圖所示：為一種“新型”熱管。特點(diǎn)：蒸發(fā)段在冷凝段上部；適用范圍：高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件；尺寸：視使用場合具體確定。在內(nèi)燃機(jī)上可以安裝在活塞下部，用以給活塞冷卻，但是有很多問題需要解決：強(qiáng)度、尺寸、安裝方法、對(duì)內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響……2）熱管在內(nèi)燃機(jī)余熱回收中的應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)排氣余熱約占燃燒所產(chǎn)生熱量的34%，排氣溫度在300-500oC之間。回收這部分熱量，將會(huì)大大提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

目前已經(jīng)開發(fā)出柴油機(jī)熱管余熱鍋爐，在船用柴油機(jī)排氣余熱回收、發(fā)電機(jī)組余熱回收等方面起到了顯著的效果。第五十九頁，共66頁。熱管在核電工程中的應(yīng)用隨著熱管技術(shù)的成熟和核能技術(shù)的迅速發(fā)展，熱管技術(shù)在核電工程中的應(yīng)用顯得越來越重要。最早的開發(fā)在空間核電源中的應(yīng)用，已逐漸發(fā)展到地面核反應(yīng)堆及核廢料的散熱及事故預(yù)防等方面。在這個(gè)領(lǐng)域具體應(yīng)用有：空間核電源中的應(yīng)用、核廢料的冷卻、事故情況下的安全殼體保護(hù)、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管在太陽能利用中的應(yīng)用太陽能取之不盡、用之不盡的潔凈無污染的能源。廣泛利用太陽能將是未來世界能源利用中的重要途徑。由于熱管本身具有的特性，使得其在太陽能中的利用具有極其廣闊的應(yīng)用前景。我國的熱管太陽能應(yīng)用技術(shù)主要集中于民用熱水器的開發(fā)研究，但其制造價(jià)格昂貴，在采用新的技術(shù)后，其成本有了顯著降低，普及程度也得以大幅度的提高。此外，還有熱管太陽能灶、熱管太陽能電站也進(jìn)入了市場熱管在航天飛行技術(shù)中的應(yīng)用熱管最早就是應(yīng)航天技術(shù)的發(fā)展的要求而發(fā)展的，所以熱管航飛行器方面得到了大量的應(yīng)用，并隨著航天技術(shù)的發(fā)展得到了大幅度的發(fā)展。如：等溫蜂窩板、超音速熱管機(jī)翼、大型空間站熱管散熱器等。7．熱管在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用第六十頁，共66頁。3.5.10熱管及熱管換熱器的補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)1

（一）熱管依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱，具有以下基本特性。(1)很高的導(dǎo)熱性

熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)而言的，溫差總是存在的，不能違反熱力學(xué)第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓?qiáng)，徑向并無太大的改善(徑向熱管除外)。(2)優(yōu)良的等溫性

熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。

第六十一頁，共66頁。(3)熱流密度可變性

熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。

(4)熱流方向的可逆性

一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點(diǎn)可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)器及其