熱管在汽車工程中的應(yīng)用

冶兆年++盧慧泓++李惠++陳萌

摘 要：本文著重介紹了普通熱管、重力熱管、環(huán)路熱管、毛細(xì)泵環(huán)熱管、傾斜微槽道熱管、脈動熱管工作的基本原理，并描述了熱管的類型及技術(shù)發(fā)展方向，提供了利用熱管在汽車上進(jìn)行尾氣余熱回收以及其他部件散熱與能量管理的研究方向。

關(guān)鍵詞：熱管 汽車工程 原理 應(yīng)用

中圖分類號：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0031-02

熱管是在20世紀(jì)70年代發(fā)明的一種較為高效的傳熱器件，它可以在較小的面積下傳遞比傳統(tǒng)材料大的多的熱量。熱管除了因較高的傳熱效率被廣泛應(yīng)用外，其還擁有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、噪聲低、無傳動元件等獨(dú)到之處。如今，熱管已在計算機(jī)、汽車工程、醫(yī)藥、航天工程、交通工程等方面有著諸多的應(yīng)用，其已成為當(dāng)今主要節(jié)能減排利用工具之一。

1 熱管的分類與工作原理

從廣義上說，熱管的定義是：器皿的加熱段靠工作液從熱源接收熱能而汽化，攜帶熱能的蒸汽高速運(yùn)動到容器的凝結(jié)段，并將熱能釋放到冷源后凝結(jié)，凝結(jié)液并不需要外加動力設(shè)備的支持，憑借一些較為普通的物理方式如表面張力、地吸引力、離心力、極化電流體動力學(xué)力、電滲透壓力等其中的一種充當(dāng)動力，使凝結(jié)液回流到蒸發(fā)段進(jìn)而保持管內(nèi)液體的連續(xù)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)傳熱或維持溫度均一的部件。按照以上較為準(zhǔn)確的定義，熱管可以稱為“封閉兩相傳熱系統(tǒng)”，即在一個密閉的系統(tǒng)中，依靠液體狀態(tài)的改變來傳送熱量的器件。

（1）普通熱管工作原理。

常見的熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋三部分構(gòu)成，在將管內(nèi)抽成1.3*（10-1～10-4）Pa的負(fù)壓后加注一定的液體工質(zhì)，使吸液芯（緊貼管壁的多孔毛細(xì)材料）中充滿液體工質(zhì)后再將其密封起來。熱管在軸向上由蒸發(fā)段、冷凝段、絕熱段三個部分組成。熱管運(yùn)轉(zhuǎn)時，熱管靠近熱源的一端吸收熱量，使其內(nèi)部吸液芯中的液體工質(zhì)汽化并在微小壓力的推動下流至冷凝段，在冷凝段釋放熱量后又重新轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w后再沿著吸液芯憑借毛細(xì)力的作用重新回到到蒸發(fā)段，來實(shí)現(xiàn)整個傳熱傳質(zhì)循環(huán)。

（2）重力熱管工作原理。

重力熱管在其軸線方向上是由蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段組成，但在一些情況下可以沒有絕熱段。重力熱管在工作原理上與普通熱管有著一定的差異，因為它在管內(nèi)不具有毛細(xì)吸液芯的接口，所以他的蒸發(fā)段在冷凝段的下方，工質(zhì)在蒸發(fā)段加熱后氣化后變成氣態(tài)，氣態(tài)工質(zhì)再在冷凝段冷卻成液態(tài)，由于重力的作用，工質(zhì)又返回到蒸發(fā)段，工質(zhì)完成整個循環(huán)這也是其稱為重力熱管的原因。管內(nèi)工質(zhì)由于在蒸發(fā)段被加熱，上升到冷凝段放熱，又由于重力的作用回到蒸發(fā)段，這樣就可以實(shí)現(xiàn)熱量的流動。由于在汽化潛熱階段需要傳遞的熱量較多，顯熱方式所傳遞的熱量已經(jīng)無法滿足，因此，金屬棒在相同尺寸的的條件下，重力熱管表現(xiàn)出的傳熱能力就顯得十分優(yōu)越，所以它是一種高效的換熱元件[1]。

（3）環(huán)路熱管工作原理。

環(huán)路熱管是一種憑借毛細(xì)抽力來驅(qū)動工質(zhì)運(yùn)動的熱管，本質(zhì)上也是利用工質(zhì)的相變傳熱的進(jìn)行循環(huán)的環(huán)路系統(tǒng)，是由熱管衍變成的一種分體式傳熱裝置。相比于其他熱管，它的特別之處在于毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)只在蒸發(fā)器中存在，且蒸發(fā)器和冷凝器是并不是直接相連的，可以根據(jù)需要安放蒸汽管路和液體管路，因此環(huán)路熱管應(yīng)有更好的適應(yīng)性。另外，它還具有導(dǎo)熱能力強(qiáng)，等溫性好，有著較長的傳熱距離且安全系數(shù)較高等優(yōu)點(diǎn)，在宇宙飛船熱控以及電子元件散熱等方面得到了廣泛應(yīng)用，且在高熱流密度散方面域平板型環(huán)路熱管比傳統(tǒng)的圓柱型環(huán)路熱管有著更理想的效果[2]。

（4）脈動熱管工作原理。

脈動熱管也可以被稱為彎曲毛細(xì)管熱管、震蕩熱管、自激振蕩流熱管等，其在運(yùn)行原理和傳熱特性等方面與普通熱管有著較大的差異，取消了毛細(xì)芯依靠脈動波進(jìn)行冷凝液的回流，可以應(yīng)用于小空間高熱流密度的散熱，具有結(jié)構(gòu)簡單，廉價，傳熱性能優(yōu)越可適性強(qiáng)的優(yōu)勢。常見的脈動熱管有回路型、開路型、帶單向閥的回路型等，其中沒有閥門部件的回路型脈動熱管更具性價比。

（5）傾斜微槽道熱管工作原理。

傾斜微槽道熱管則因其槽道可以較好的加強(qiáng)傳熱能力[3]。按照工質(zhì)的差異其通常可以分為，以去離子水普通熱管、納米流體熱管和自濕潤流體熱管。去離子水熱管換熱性能是最為普通的熱管，其只可以通過結(jié)構(gòu)的改變?nèi)缂友b翅片等來改善熱管的換熱性能。納米材料的特殊性質(zhì)使納米流體熱管換熱性能得到了較大的提升，其按照溶質(zhì)的不同分為氧化鋅納米流體、二氧化硅納米流體、三氧化二鋁納米流體和二氧化鈦納米流體等。可以通過單步法或者兩步步法制作納米流體，單步法是在制備納米流體的過程中，將納米流體顆粒分散到液體中，納米粒子和納米流體同時制備完成，它適合制備在空氣中易變質(zhì)的材料，制備的納米流體體量較小且價格昂貴；兩步法是先得到納米粒子后再將納米粒子溶入液體中制備納米流體，這種方法的經(jīng)濟(jì)型較好且較為方便。

2 熱管技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

熱管作為一種新型的傳熱部件，其傳熱性能和傳熱極限均比普通材料優(yōu)越，在汽車發(fā)動機(jī)等諸多部件上可以起到很好的傳熱以及余熱利用效果。

（1）熱管在汽車尾氣排放中的應(yīng)用。

在發(fā)動機(jī)的尾氣中含有較高的熱量，熱管良好的散熱性可以在此利用，可將被尾氣攜帶的熱量收集后傳送到空調(diào)加熱器中，利用其熱量在寒冷天氣時對車內(nèi)空氣進(jìn)行加熱為車內(nèi)人員提供較舒適的乘車環(huán)境。燃料燃燒所產(chǎn)生總熱量的30%～40%被汽車發(fā)動機(jī)廢氣帶走，可以利用此熱量降低空調(diào)在加熱時的能耗。吉林大學(xué)王新竹研究了一種依靠汽車尾氣溫度變化大、流速較高、密度低而導(dǎo)致取熱困難、熱回收率低的特性設(shè)計了一種通過熱管利用汽車尾氣產(chǎn)生的溫差進(jìn)行發(fā)電的機(jī)器[4]，其熱回收效率可以達(dá)到13.3%。

（2）熱管在汽車相關(guān)部件散熱中的應(yīng)用。

除了發(fā)動機(jī)以外，在汽車各個零部件中還有許多部件需要進(jìn)行散熱處理。例如車用大功率發(fā)光二極管燈，它的散熱性能對其亮度和壽命有著較大的影響。羅靜在2011年對熱管在大功率汽車前照燈散熱設(shè)計應(yīng)用[5]中提出了較好的方案。在熱度較高的新能源汽車中，電池的熱管理系統(tǒng)也需要熱管提供幫助，這就需要熱管通過一系列程序?qū)﹄姵剡M(jìn)行溫度控制，以期達(dá)到最好的電池性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 于濤.重力熱管的制造及傳熱性能測試[D].山東大學(xué)，2008.

[2] 蓋東興.小型平板環(huán)路熱管的實(shí)驗研究與系統(tǒng)仿真[D].華中科技大學(xué)，2009.

[3] 鮑然，劉振華.傾斜微槽道熱管中納米流體的應(yīng)用[J].航空動力學(xué)報，2010（6）：38.

[4] 王新竹.基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置研究[D].吉林大學(xué)，2016.

[5] 羅靜.大功率LED汽車照燈散熱設(shè)計[J].汽車工程師， 2011（3）：28-29.endprint