熱虹吸管

熱虹吸管是熱管的一種類型。它與普通熱管一樣，利用工質的汽化與凝結以及工質不需要外部動力而自動循環來傳輸熱量。它與普通熱管不同之處是管內沒有吸液芯，凝結液從凝結段回流到蒸發段不是依靠吸液芯所產生的毛細力，而是依靠凝結液自身的重力。所以熱虹吸管又稱為重力熱管或無芯熱管，或稱為兩相閉式熱虹吸管。

基本介紹

• 中文名：熱虹吸管
• 外文名：thermosiphon
• 別稱1：重力熱管
• 別稱2：無芯熱管
• 原理：依靠重力來使工質循環
• 套用：冶金、石油等

熱管簡介

熱管是一種高效的無源兩相傳熱元件，由蒸發段、絕熱管和冷凝段三部分組成。外部熱源通過蒸發段管壁向液態工質傳遞熱量，液態工質吸收潛熱轉變為氣態並穿過絕熱段到達冷凝段，氣態工質在冷凝段通過壁面向外部冷源放出潛熱凝結為液態，凝結液在毛細力、離心力、重力的作用下回流到蒸發段，進而繼續吸收潛熱不斷循環。重力熱管是熱管的重要類型之一，內部不含有吸液芯，依靠重力幫助凝結液回流到蒸發段，又稱為閉式熱虹吸管。閉式熱虹吸管有結構簡單易於製造、傳熱效率高、工作狀況穩定，工作溫度範圍廣、維護成本低等優點。工程中閉式熱虹吸管得到廣泛的套用，如：空氣調節、製冷及低溫工程、蓄熱裝置,、換熱與節能裝置、電子設備冷卻、太陽能集熱器、凍土保護、石油化工和工業廢熱回收、溫度控制等領域。

基本理論

內部傳熱流動過程基本理論重力熱管內部同時包括兩相流和相變過程，不僅涉及傳熱傳質學，還涉及熱力學的問題，故傳熱機理十分複雜。SHIRAISH等較早地提出了比較簡明的豎直重力熱管傳熱模型，並與實驗進行了驗證，大部分研究者都是以該模型對重力熱管進行研究的。如圖所示，該模型將重力熱管傳熱分為3個區域，並建立了相應的傳熱模型：
（1）冷凝段為飽和蒸汽的層流膜狀凝結，遵循Nusselt的豎直平板層流膜狀凝結理論；
（2）蒸發段液池內，當熱流密度較小時，液池內為自然對流蒸發當熱流密度較大時液池內為核態沸騰；
（3）蒸發段液池以上部分，當熱流密度較小時，冷凝液膜為層流膜狀蒸發；而熱流密度較大時，液膜為核態沸騰。

重力熱管工作示意圖

1.1冷凝段傳熱過程

對於重力熱管冷凝段的冷凝過程，一般認為是圖1閉式重力熱管飽和層流膜狀凝結，可以用Nusselt理論解釋其換熱機理。

1.2 絕熱段傳熱過程

絕熱段由於不參與換熱過程，一般認為與外界無熱量交換且徑向不存在任何熱質交換，絕熱段的液膜厚度與冷凝段出口液膜厚度相等，各個參數均為定值。

1.3 蒸發段傳熱過程

蒸發段傳熱過程對蒸發段換熱過程的研究多是根據實驗數據總結經驗關聯式，沒有由單純的理論分析得到的換熱關聯式，這些關聯式均有明確的套用條件。通常認為蒸發段存在液膜和液池兩部分，其中蒸發段液膜在頂端和液池表面之間保持連續，但在不同的工況下存在不同的分布形式，常見形式如圖2所示，主要包括：

（a）液膜局部乾涸；

蒸發段液膜和液池的分布示意圖

（b）液膜厚度達到最小值，無液膜局部乾涸現象發生；

（c）液膜和液池保持連續；

（d）液池充滿整個蒸發段。

對於液膜區的傳熱過程，當蒸發段傳熱率和其他參數（如工作壓力、工質種類等）不同時，可以分為層流膜狀蒸發、混合對流以及核態沸騰3種形式。不同的傳熱方式對應不同的換熱機理，研究表明，層流膜狀蒸發實質就是Nusselt膜狀凝結理論的逆過程，得到的關聯式與實驗吻合較好；混合對流過程是汽泡生成、長大和運動帶來的擾動及汽液界面的蒸發作用共同構成的換熱過程，該過程形成的汽泡相互之間幾乎沒有擾動，是層流膜狀蒸發到核態沸騰的過渡區間；核態沸騰由於大量汽泡的生成和擾動以及液滴的攜帶過程使液膜的核態沸騰換熱係數大大提高，甚至高於液池核態沸騰。

由於熱虹吸管是依靠重力來使工質循環的，所以它只能用於重力場中，並且在使用時必須將蒸發段置於凝結段的下方。若蒸發段置於凝結段的上方，重力對凝結液的回流會起阻礙作用，這時沒有動力使凝結液返回到燕發段，熱虹吸管就不能工作。所以熱虹吸管也是只能沿一個方向(由下向上)傳熱的熱二極體。

強化傳熱

近年來，隨著現代工業的發展及高新科技的需要，對熱管的傳熱效率和傳熱性能提出了越來越高的要求，對熱管的強化傳熱逐漸成為研究熱點。現有的重力熱管強化傳熱方式，主要可以分為兩大類：一類是從熱管內部傳熱機理出發，採用各種方式降低其本身的熱阻，達到強化傳熱的目的；另一類是針對熱管的傳熱限制因素，對影響其傳熱特性的各個因素進行綜合改進，最終達到強化傳熱的目的。重力熱管強化傳熱方式及主要機理歸納如表3所示。

重力熱管強化傳熱方式及主要機理

處理和外掛程式

1.內表面處理

目前，通過管壁內表面處理強化重力熱管換熱的研究主要集中在對某一種措施的實驗探究層面上，對其強化傳熱核心機理分析的相關文獻還較少。辛公明等對內螺紋重力熱管變功率的運行特性進行了實驗探究，結果表明，重力熱管熱阻與熱管的放置位置和加熱功率有關。田富中等對帶有交叉齒內螺紋重力熱管的傳熱特性進行了實驗探究，結果表明，水平放置下其傳熱極限有極大地提升，垂直放置狀態下則低於普通熱管。目前來說，如何使熱管內表面強化換熱達到最佳狀態及其套用方法還需進一步探究。

2.設定內外掛程式

設定內外掛程式可以大大強化重力熱管的換熱效果。何曙等提出了帶內循環管的新型重力熱管，分析表明，新型重力熱管蒸發段的熱導率和當量熱導率比常規重力熱管分別提高了11.5～13倍和356～563倍。徐曉萍等在閉式重力熱管中加內置管考察了其對傳熱性能的影響，結果表明，等效對流傳熱係數、冷凝段對流傳熱係數有所提高，對加熱段的對流傳熱影響相對較小。由於內外掛程式製造較為困難、成本較高，在工業上很難套用推廣，相關的研究文獻報導相對較少。

上述強化傳熱方式雖在一定程度上均增大了熱管傳熱係數，但仍存在設備防垢、除垢的問題，而採用高效流體工質不僅可以達到強化傳熱的目的，而且能夠較好地解決強化傳熱過程中的污垢問題，是最有套用前景的手段之一，同時也是目前的研究熱點。

高效流體工質

高效納米流體
納米流體是由CHOI在1995年提出的一種新型換熱工質，在熱管內加入了納米顆粒對其換熱性能進行了研究，結果表明，蒸發段的傳熱係數提高了47%～96%，軸向熱流率提高了7.6%～15%。之後，納米流體作為一種高效工質受到了各國學者的廣泛研究和關注。表4給出了近幾年採用高效納米流體工質對重力熱管強化傳熱的主要文獻。
從表4可以看出，納米流體多以水為基液，納米顆粒種類較多，其中Al₂O₃使用較多。大部分研究表明，納米流體能夠強化管內傳熱性能，而一些研究發現納米流體使管內傳熱性能惡化。大部分研究者認為納米材料能夠提高熱管傳熱性能的主要原因是增大了管內流體的熱導率和破壞了熱邊界層的穩定性，從而增強了內部流體流動擾動，提高了沸騰換熱係數。同時，納米顆粒的添加也會引發Marangoni流動，減小了汽泡產生的擾動，從而減弱了換熱；也有研究者認為由於納米流體致使汽化核心減少，從而換熱性能變差。納米流體對重力熱管強化結果取決於其濃度、熱物性、納米顆粒的量及粒徑和管壁表面的粗糙度等因素。
目前，對揭示納米流體對重力熱管強化傳熱機理的研究還僅僅停留在定性分析上，綜合各種因素建立成熟的強化傳熱機理還需進一步展開研究。

重力熱管採用納米流體強化傳熱的主要文獻

自潤濕流體

自濕潤液體是2003年ABE首次提出的另一種新型高效工質，初步研究表明，自濕潤流體能夠強化重力熱管的傳熱，但對其強化機理仍不明確。自濕潤流體實質是高碳醇水溶液，與普通的溶液不同，其表面張力隨溫度增大先減小後增大，這在一定程度緩解了受熱面因蒸乾而發生的惡化情況。目前，國內對自潤濕液體的研究文獻還比較少，這方面的研究成果主要集中在國外的一些學者，表5給出了近幾年自潤濕流體的國內、外研究文獻。SATO等通過實驗研究了添加納米顆粒稀溶液的自潤濕流體熱管的熱性能，以正丁醇自潤濕流體為傳熱工質，結果表明，添加納米流體後對自潤濕流體熱管起到了強化傳熱效應。SAVINO等提出了一種以自潤濕流體為工質的管式和平板式熱管，在低重力下表現的性能和正常重力條件下一樣。TIAN等實驗結果表明，在水平位置，自潤濕流體顯著增加了熱管燒乾極限，降低了熱阻和提高傳熱性能。辛公明等研製了兩種不同工質的內螺紋重力熱管，分別對其傳熱性能進行了實驗探究，結果表明，水平放置時，自濕潤流體相比於水顯著地提高了熱管燒乾極限。

重力熱管採用自潤濕流體強化傳熱的主要文獻

從文獻可以看出，研究者大都是以水和不同的自潤濕流體為工質，探究不同溶質濃度對熱管傳熱性能的影響。大部分研究結果表明，自潤濕流體可以提高熱管的沸騰極限和毛細極限，進而可以提高熱管換熱性能。自潤濕流體作為一種新工質尚處於初步探究階段，國內鮮有採用自潤濕流體對重力熱管強化傳熱研究的報導。

特點

熱虹吸管不需要吸液芯或毛細結構，這是它的重要特點。由此使熱虹吸管產生一系列的優點：製造工藝簡單；生產成本低廉，工作可靠，傳熱效率高和有較高的臨界熱流密度。在有芯熱管中，冷凝液回流時要通過吸液芯，受到較大的阻力，軸向熱流量受到較小的毛細極限的限制。在熱虹吸管中，這種流動阻力很小，儘管液池內的沸騰發生在狹窄的通道內，其臨界熱流密度比大容器沸騰要小一些，但研究已經表明，熱虹吸管的臨界熱流密度比有芯熱管大1.2~1.5倍。

套用

熱虹吸管具有上述經濟和技術上的優點，使它在地面上各種熱輸送和熱回收系統中可作為高效傳熱元件，其套用領域與日俱增。

1、在冶金工業中以回收熱風爐的廢熱來加熱空氣或煤氣，既可達到節能的目的，又能降低高爐煉鐵的焦比。

2、在石油化工工業中，可用於各種加熱爐的餘熱利用，並可作為反應過程中的吸熱或放熱元件。

3、在動力工業中，在各種噸位的工業鍋爐上可以用熱虹吸管作成熱管省煤器、熱管空氣預熱器和熱管餘熱鍋爐。

4、在紡織工業中可以用於定型烘燥設備中的節能裝置。甚至在蒸汽機車、輪船和載重汽車上均可套用熱虹吸管。

以上所舉，在我國均已有了成功的實例。