淺析熱管在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用

【摘 要】隨著節(jié)能減排意識的增強以及國家政策的關(guān)注與傾斜，以節(jié)能環(huán)保為主的綠色環(huán)保運動正逐漸興起，成為新建項目設(shè)計必須考慮的審批要素。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，新風(fēng)負(fù)荷作為全部負(fù)荷構(gòu)成的大戶，成為節(jié)能設(shè)計的重點。熱管技術(shù)以其優(yōu)秀的熱傳導(dǎo)特性得到了廣泛的應(yīng)用，在成功引入空調(diào)熱回收領(lǐng)域后便發(fā)揮出十分優(yōu)秀的應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】熱管、熱回收、節(jié)能、全熱、顯熱、相變換熱、熱質(zhì)交換

一、引述

所謂熱管就是指封閉的管殼中充以工作介質(zhì)并利用介質(zhì)的相變吸熱和放熱進(jìn)行熱交換的高效換熱元件。熱管技術(shù)是1963年美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室的喬治格羅佛(George Grover)發(fā)明的，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。

熱管技術(shù)以前被主要應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計思路，擺脫了單純依靠高風(fēng)量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問題得到良好解決，開辟了散熱行業(yè)新天地。現(xiàn)在常見于cpu的散熱器上，隨即被引入空調(diào)行業(yè)，成為新風(fēng)換氣機組的熱回收部件，獲得了更廣泛的應(yīng)用。

二、熱管構(gòu)成及工作原理

典型的熱管由管殼（管翅結(jié)構(gòu)）、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3×(10-1~10-4)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己，熱量由熱管的一端傳至另—端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：

（一）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液－汽）分界面；（二）液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液－汽）分界面上蒸發(fā)；（三）蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；（四）蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽．液分界面上凝結(jié)：（五）熱量從（汽－液）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：（七）在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

三、熱管的基本特性

熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。

（一）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數(shù)量級的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，不可能違反熱力學(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)嵝院軓姡瑥较虿o太大的改善(徑向熱管除外)。

（二）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。

（三）熱流密度可變性：熱管可以獨立改變蒸發(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。

（四）熱流方向可逆性：一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細(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。

（五）恒溫特性(可控?zé)峁?：普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因此當(dāng)加熱量變化時，熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)展了另一種熱管——可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。

四、熱管的相容性及壽命

熱管的相容性是指熱管在預(yù)期的設(shè)計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容性在熱管的應(yīng)用中具有重要的意義。只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)用的可能性。

影響熱管壽命的因素很多，歸結(jié)起來，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：產(chǎn)生不凝性氣體；工作液體熱物性惡化；管殼材料的腐蝕、溶解。

（一）產(chǎn)生不凝性氣體：由于工作液體與管完材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到?jīng)_凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。

（二）工作液體物性惡化：有機工作介質(zhì)在一定溫度下，會逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有機工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與殼體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工作介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機工作液體易發(fā)生該類不相容現(xiàn)象。

（三）管殼材料的腐蝕、溶解：工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動，同時存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當(dāng)管殼被腐蝕后，引起強度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。這類現(xiàn)象常發(fā)生在堿金屬高溫?zé)峁苤小?/p>

以空調(diào)熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用來說，其影響熱管壽命的因素較少，熱管壽命主要取決于熱管生產(chǎn)企業(yè)自身的加工技術(shù)水平。根據(jù)實際工程記錄來看，成熟的技術(shù)企業(yè)生產(chǎn)的熱管換熱器正常使用壽命均可超過10年，在有效維護下正常工作20年的工程案例也屢見不鮮，壽命期平均應(yīng)用成本非常低廉。

五、空調(diào)熱回收裝置的比較

目前應(yīng)用于空調(diào)機組內(nèi)部的熱回收裝置結(jié)構(gòu)主要包括三種形式，分別為熱轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、板式結(jié)構(gòu)和熱管式結(jié)構(gòu)。三種形式熱回收裝置的特點比較概括如下：

結(jié)構(gòu)形式

項目熱轉(zhuǎn)輪板式熱管式

換熱原理熱質(zhì)交換熱質(zhì)交換/熱傳導(dǎo)相變換熱

換熱類型全熱交換全熱交換/顯熱交換顯熱交換

材質(zhì)金屬紙/金屬金屬、相變液

實際熱回收效率70%以上70%以上70%以上

合理應(yīng)用風(fēng)量范圍10000m3/h以上10000m3/h以下不限

投資較高較低較低

運行能耗有能耗無能耗無能耗

安裝體積較大較小較小

運行維護較繁瑣簡便簡便

運行壽命5年以下5年以下10年以上

環(huán)保特性采用熱質(zhì)交換，存在回風(fēng)與新風(fēng)的污染問題，不能應(yīng)用于如醫(yī)療、制藥等對空氣品質(zhì)要求較高的場所熱質(zhì)交換時如熱轉(zhuǎn)輪方式，熱傳導(dǎo)方式時如熱管式采用相變換熱，不存在回風(fēng)與新風(fēng)的污染問題，應(yīng)用場所不受限制

通過上表比較可以看出，熱管技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢，尤其在工業(yè)空調(diào)項目的節(jié)能化改造中具有相當(dāng)大的應(yīng)用前景。

六、結(jié)論

通過上述內(nèi)容對熱管的歷史、應(yīng)用、構(gòu)成、工作機理以及主要技術(shù)性能的對比分析我們不難看出，熱管作為新興節(jié)能部件的加入，對空調(diào)行業(yè)節(jié)能進(jìn)程的深化將起到不同意義的影響，其具有的各種優(yōu)勢是顯而易見的。但是，事物的存在必然存在正反兩個方面，其應(yīng)用中的缺陷也非常明顯。以換熱能量成分分析我們知道，熱管的換熱就本質(zhì)而言仍然是顯熱換熱，在高潛熱環(huán)境中應(yīng)用時其效果將會受到較大影響。與此同時，就設(shè)備重量和體積而言，在吊裝設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)用時需詳細(xì)考慮設(shè)備吊裝的空間，同時對檢修位置進(jìn)行預(yù)留計算。

總而言之，不論是優(yōu)點還是缺點，熱管技術(shù)誕生至今的五十年應(yīng)用實踐中我們可以看到其與眾不同的精彩表現(xiàn)。在合適的場合進(jìn)行合理的應(yīng)用，熱管技術(shù)必將給人們帶來意想不到的驚喜。伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，熱管技術(shù)應(yīng)用的前景十分可觀。

【參考文獻(xiàn)】

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