正島電器

1 標(biāo)準(zhǔn)熱管和重力熱管
　　
　　 熱管是依靠其內(nèi)部工質(zhì)在一個高真空的封閉殼體內(nèi)循環(huán)相變傳遞熱量的裝置。按傳熱工質(zhì)回流方式，熱管可分為標(biāo)準(zhǔn)熱管和重力熱管（兩相閉式熱虹吸管）。標(biāo)準(zhǔn)熱管內(nèi)部具有毛細(xì)吸液芯，工質(zhì)依靠吸液芯回流，使熱管可以向任何方向傳遞熱
量，這種熱管首先在空間技術(shù)領(lǐng)域使用。重力熱管內(nèi)部沒有毛細(xì)吸液芯，工質(zhì)靠重力回流，因此，結(jié)構(gòu)簡單，成本也較低，可以用于工業(yè)廢熱的回收。我國70年代以來，已有數(shù)千臺重力熱管式換熱器投入運行。目前，已經(jīng)制訂國家標(biāo)準(zhǔn)的有《鋁無管芯重力熱管》（GB9082.2-87），其它熱管有的也制訂了省級標(biāo)準(zhǔn)。
　　
2 重力熱管的特點和制造要求
　　
　　2.1 簡單原理
　　 如圖1所示，熱管由管殼1、工質(zhì)2構(gòu)成，管殼是一個內(nèi)部需要保持真空的密封容器。由于熱管初始真空度很高，管殼內(nèi)部的工質(zhì)處于氣液兩相共存的飽和狀態(tài)，且無不可凝氣體。工作時處于熱管下部的加熱段3內(nèi)的工質(zhì)吸熱汽化，產(chǎn)出蒸氣，此段又稱為汽化段，蒸氣分子流向上部，在放熱段4的冷壁面上凝結(jié)，釋放汽化潛熱，此段又稱為凝結(jié)段。隨后，凝結(jié)的工質(zhì)靠得力回流而下，重新吸熱汽化，循環(huán)不已。
　　
　　2.2 技術(shù)特征
　　(1) 具有很強的導(dǎo)熱能力。重力熱管利用工質(zhì)相變，其導(dǎo)熱能力比金屬大百倍以上。
　　(2) 優(yōu)良的均溫性。熱管工作時，工質(zhì)由吸熱段流至放熱段，壓降甚微，使熱管放熱段蒸氣空間內(nèi)，具有很好的溫度均一性。
　　(3) 傳熱方向不可逆性。因借助重力使工質(zhì)回流，決定了重力熱管必須是加熱段在下，而放熱段在上。
　　(4) 具有一定的工作溫度范圍。每一種工質(zhì)都有自己的工作溫度范圍，熱管在工作溫度內(nèi)，在真空狀態(tài)下，從低溫啟動工作，隨著工作溫度的提高，殼內(nèi)壓力上升。以水為例，其凝固點為0℃，臨界點為374.15℃，但當(dāng)水溫低于50℃時，蒸汽密度太小，傳熱量很低，使熱管性能變差；而當(dāng)溫度達(dá)到300℃時，相應(yīng)的飽和壓力已達(dá)到8.59Mpa，接受碳鋼殼體的強度上限。因此，水的實用溫度范圍規(guī)定為50～300℃。在這個范圍內(nèi)工作時，殼內(nèi)相應(yīng)的壓力則從初始壓力0.0123Mpa升至8.59Mpa。通常，增加加熱段熱量，使熱管進(jìn)入等溫工況的溫度稱為熱管的啟動溫度。對于初始真空條件為0.0123Mpa，水為工質(zhì)的熱管，其啟動溫度為50℃。
　　 按工作溫度范圍，熱管有低溫（-40～60℃）、常溫（0～300℃）、中溫（300～500℃）和高溫（＞500℃）之分。
　　 在將熱管應(yīng)用于實際時，必須了解在怎樣的條件下，熱管能順利地啟動，以及其實用工作溫度的范圍。
　　
　　2.3制造工藝要求和檢驗
　　(1)制造工序多且要求嚴(yán)格。熱管外殼必須具有良好的氣密性和承壓能力，一般用無縫鋼管制作；為保證氣密性和機械強度，往往需要采用重焊法。制造工藝是熱管質(zhì)量的關(guān)鍵。
　　
　　(2) 要保證工質(zhì)與殼體材料的相容性。工質(zhì)在殼體內(nèi)循環(huán)相變傳熱，因而要求在熱管的實用溫度范圍內(nèi)，工質(zhì)與殼體材料必須有良好的化學(xué)相容性。即在工作過程中，不會發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，也會產(chǎn)生不可凝氣體。如果選擇不當(dāng)，則可能產(chǎn)生固態(tài)物質(zhì)的沉積或不可凝氣體的阻塞，使熱管工作性能惡化，甚至失效。常見的工質(zhì)--材料搭配見表1。
　　表1 常溫工質(zhì)與殼體材料相容搭配舉例

　　(3)嚴(yán)格的性能檢驗。工業(yè)熱管產(chǎn)品，必須進(jìn)行嚴(yán)格的性能檢驗，包括工作性能試驗、相容性壽命試驗、極限傳熱能力試驗，以及安全性、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性和出廠檢驗等。
　　
3 熱管散熱器的開發(fā)

　　 為了提高我國鋼制散熱器的承壓能力，節(jié)約熱媒用量和解決容易出現(xiàn)的氧化化腐蝕問題，近年來，一些以熱管散熱器開發(fā)的一個新熱點，諸如"熱超導(dǎo)節(jié)能散熱器"、"熱超導(dǎo)散熱器"和"熱管節(jié)能散熱器"等。
　　
　　3.1基本型式
　　 熱管散熱器利用目前的鋼制柱型或板型散熱器為殼體，在散熱器底部穿入熱媒管，殼體內(nèi)注入工質(zhì)，并建立真空環(huán)境。這是一種常溫用重力式熱管。

　　 工作過程是：在散熱器底部，供熱系統(tǒng)通過熱媒管將殼體內(nèi)的工質(zhì)加熱，在工作溫度內(nèi)，工質(zhì)沸騰，蒸氣上升至散熱器上部凝結(jié)放熱，凝結(jié)液順散熱器殼體內(nèi)壁回流至加熱段。

　　3.2　熱管散熱器開發(fā)需要探討的幾個問題
　　 熱管是一種有效的傳熱元件，應(yīng)用前景廣闊，但不是萬能。一般當(dāng)導(dǎo)熱是主要矛盾時，采用熱管技術(shù)可能是合理而有效的。即使如此，也還要顧及開發(fā)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該將熱管與其它傳熱方案進(jìn)行科學(xué)而全面的對比論證。目前利用我國的鋼制柱子型（或板型）散熱器為外殼，制作熱管散熱器，用于集中供暖系統(tǒng)，就存在一些難以解決的問題，其可行性如何，還需要研究。
　　(1)外殼真空的建立和保持，是熱管生產(chǎn)中最難實現(xiàn)的一個關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。在我國散熱器廠目前的生產(chǎn)工藝條件下，沒有大的工藝成本投入和技術(shù)改造，要想利用簡單縫焊工藝制作的散熱器殼體，達(dá)到保持高真空的技術(shù)要求，是困難的；由于工藝和原材料的原因，散熱器初始真空度不夠，啟動溫度上移的情況最為常見。這種狀態(tài)下，在過渡季節(jié)供暖或熱媒溫度較低時，熱管散熱器就不能啟動，因而不能供暖。
　　(2) 工質(zhì)與散熱器殼體化學(xué)相容性不能保證。目前見到的一些熱管散熱器，多為無表面處理的鋼制外殼，因而在與工質(zhì)的相容性上存在問題較多。有的產(chǎn)品使用一段時間后，工質(zhì)渾濁變色，不凝氣體產(chǎn)生，工作性能惡化失效。
　　(3) 熱工性能并不優(yōu)越。從傳熱分析可知，常規(guī)鋼制散熱器傳熱主要取決于散熱器外表面熱阻的大小，而熱管散熱器的傳熱能力，主要取決于熱媒管內(nèi)的傳熱熱阻。這就是說，采用熱管后，總傳熱熱阻比以前增加，將使以散熱器外表面計算的總傳熱系數(shù)下降。目前有研究表明，增強管內(nèi)熱媒向管壁的傳熱，可以使散熱器總傳熱系數(shù)提高30%以上。但即使如此，強化后的熱管散熱器，在相同的熱媒條件下，其散熱量也低于同型的常規(guī)散熱器，這已為實驗所證明。
　　(4) 與現(xiàn)有鋼制散熱器相比，制造成本提高。熱管制造工藝要求嚴(yán)格，工藝成本大大高于原料成本，所以，嚴(yán)格按照工藝要求制造的熱管散熱器，其成本要高于一般散熱器。可以預(yù)見，隨著供暖管理的改善和制造工藝水平的提高，我國鋼制散熱器腐蝕問題的逐步解決，熱管散熱器成本高的弊病將更為突出。
　　
　　3.3　 熱管散熱器工程應(yīng)用實例
　　 某工程在40棟（約8萬m²）的住宅建筑中，使用鋼制柱型熱管散熱器5萬余片，價值100萬元。1994年11月首期供暖后，用戶普遍反映不熱，經(jīng)現(xiàn)場檢查，并采取改造供熱管網(wǎng)、提高供熱溫度和更換散熱器等一系列措施，情況仍無改善。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，1994年供暖開始時，散熱器失效率為13.8%，供暖結(jié)束時達(dá)到38%，至1995年供暖結(jié)束，失效率已達(dá)85%。值得注意的是，在此期間，一些用戶自行拆除熱管散熱器，改用普通散熱器，室內(nèi)溫度立即上升，供暖得以改善。這一情況，已經(jīng)引起強烈的社會反響。
　　
4 結(jié)論
　　
　　4.1 熱管是一種新型高效傳熱元件，適用于高效傳熱、恒溫控制、變熱流和工業(yè)余熱利用等方面，具有廣泛應(yīng)用價值。
　　4.2 我國目前開發(fā)制作的熱管散熱器，是利用現(xiàn)有鋼制散熱器為外殼，其成型、焊接工藝簡陋落后，難以保持真空。因
此，熱管散熱器熱工性能指標(biāo)不高，制造成本增加，使用可靠性差，不宜取代集中供暖系統(tǒng)的常規(guī)供暖散熱器。
　　4.3 一種新技術(shù)成果的應(yīng)用開發(fā)，需要考慮新技術(shù)的技術(shù)特征、使用條件和現(xiàn)有的工藝水平，而且應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格全面的科學(xué)實驗和分析，力戒僅僅通過一些實驗現(xiàn)象，得出片面的結(jié)論，以減少開發(fā)研究和技術(shù)決策中的盲目性，保證應(yīng)用開發(fā)的健康進(jìn)行。
　　
5 參考文獻(xiàn)
　　
　　1 MN伊凡諾夫斯基，VP索羅金，IV雅戈德金.熱管的物理原理.北京：中國石油化工出版社，1991.
　　2 靳明聰，陳遠(yuǎn)國.熱管及熱管換熱器.重慶：重慶大學(xué)出版社,1986.
　　3 屠傳經(jīng)，洪榮華，王鵬舉.重力熱管換熱器及其在余熱利用中的應(yīng)用.杭州:浙江大學(xué)出版社,1989.
　　4 雷亨順.暖通空調(diào)中的熱管--應(yīng)用與制作.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1981.