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导热冠军 - 热管

晨怡热管 《百科知识》2006年15期 韩吉辰 2008/3/5 23:15:41
青藏铁路通车了!青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路,沿线高寒缺氧,冻土广布,工程十分艰巨。为保证路基的稳固度,青藏铁路冻土段采用了一种“热管”来进行地基冷却,效果奇特而且特别安全。那么,这是什么新奇的技术呢?你可能想不到,“热管”原来是从航天技术“下凡”而来!

宇航器遇到的难题
在茫茫太空中航行的飞行器——人造卫星,太空航天站、宇宙飞船和航天飞机,都遇到一个共同的“冷热”难题:就是航天器面向太阳的一侧受到太阳的直接照射,而背向太阳的那一侧温度很低。由于太空里几乎没有空气,不可能通过空气来调节温度,因此,飞行器两侧的温度差可以达到275℃!尽管飞行器的材料是经过特殊处理的,但仍然承受不了这么大的温度差别,容易变形。这对飞行器来说,是极其危险的。尤其是航天器运动极快,不断变化方向,向阳面和背阴面也在变化,这种“冷热不均”的情况更加严重。
为了消除宇航器在太空温度差别的危险,科学家们经过长时间的研究,发明了一种神奇的“热管”换热器。通过热管,可以连续不断地把面向太阳一侧机身的热能,迅速引到背向太阳一侧的机身,使航天器两侧的温度差降到44℃以下。
“热管”的发明历史并不太长,1964年发明于美国洛斯·阿洛莫斯国家实验室。紧接着进入“热管”的理论研究高峰期,有千余篇论文发表。

“热管”的原理
如此神奇的“热管”,它的原理却并不深奥。医生给我们打针前,一定要用酒精消毒,涂在皮肤上的酒精很快就会蒸发掉,同时这块皮肤会感到十分凉爽,这是因为,液体蒸发时要从周围的物体吸收一定的热量。我们知道,液体达到沸点以后,如果继续吸收热量,本身温度也不再升高,所吸收的热量会使液体转变成气体。比如,l克100℃的水要变成100℃的蒸气,需要吸收539卡的热量。反过来,气体变为液体时也要放出热量。“热管”就是利用液体蒸发制冷和冷凝放热,使热量得以快速传导。
工作过程也不复杂:当热管一端受热时,吸液芯里的酒精等介质就会蒸发,这端就叫做“蒸发端”;酒精在汽化时会吸收大量的热,蒸气沿着热管中间的通道跑到另一端——冷凝端时,会遇冷凝结成酒精,放出同样多的热。而冷凝以后的液体酒精会很快渗进吸液芯里,由于毛细管作用,重又回到蒸发端。只要热管两端温度相差几度,酒精就可以在管内反复循环,将热量迅速地从蒸发端传到冷凝端。

“热管”的结构
热管是一个封闭的系统,它是一根密封的环形金属管,管壳内衬垫一层多孔材料——吸液芯,里面灌有酒精或别的容易蒸发的液体,叫做工作介质,常用的有酒精、氟里昂、氨水、联苯、水银等。需要抽去管内的空气,使管内没有空气的压力,这样,液体在受热时很容易变成蒸气。
在金属中铜和银的导热能力最强,而“热管”的导热效率更高,热传导系数比铜和银高1000倍呢!一根25毫米直径的热管(相当于普通自来水管粗细),传热的效果跟直径2.7米的铜棒差不多,是名副其实的导热冠军!
按照“热管”管内工作温度区分,为低温热管、常温热管、中温热管、高温热管等。结构依导热量及温度的不同而异。目前已制成的热管有用黄铜、镍、不锈钢、钨及其他合金做外壳的。热管工作液的种类更多,它包括钾、钠、铟、铯、锂、铋、水银、水、酒精、丙酮、冷冻剂(氟里昂等)、液态氮、液态氧及其他一些无机盐等。热管的外壳及其工作液的选择都视热管的应用情况而定。例如在摄氏一千度以上的高温时,热管内部多用钾、钠等液态金属,但热管用于零下190度时,则内部多用液态氮等。
它的体积小、重量轻、结构简单,形式及型体尺寸灵活多样,不用配备马达等动力传动设备,因此噪声低、使用寿命很长。热管的使用范围广泛,在-253°C低温到2300℃高温之间的环境中都可导热,甚至还可以在有毒的恶劣环境中默默地工作,这些优点几乎可使热管取代所有的热传导装置。

“热管”与节能
“热管”技术开始被应用在宇航行业,由于热管在空间应用的神奇功效,热管很快便如同仙女下凡一样,开始广泛地应用于冶金、化学、石化、电力、轻纺和机械等众多领域,尤其在节能和环保等领域大显身手。
1969年科学家研制成功“带翅片热管束。的空气加热器,用来回收工业排气中的热能。从而热管技术以其高效的传热性,为节能和环保找到了一条新路。使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式。在其他领域,热管也有越来越重要的作用。例如,现代电气化的主角——电动机的转速越来越高,产生的热量也越来越多,如果散热不及时,就有烧毁电动机的危险!普通电动机一般用气冷或水冷设备对转子进行冷却,效率低,冷却部件体积大,整个电机显得粗大笨重,而且往往噪声大污染环境。而利用“热管”对转子进行冷却,不但效率高,电动机的辅助设备的体积小,使用寿命延长了,成本也有所降低。
在生活和生产中离不开各种锅炉,最近一种“热管”锅炉异军突起,它将“热管”传热技术运用在常压热水锅炉上,炉体上方与超大型烟箱相通。超大型烟箱内设有超导“热管”换热器,可以充分利用二次热能,回收余热。
微型“热管”在电脑中的应用,由于高速处理器和越来越小的体积使得散热成为一个难题,热设计成了这些产品完整设计周期的一部分。台式电脑的设计人员依靠功率强大的风扇把热量转移到具有更大空间的周围环境中。先进的“热管”技术首先在笔记本电脑中被广泛应用,笔记本中的热管,热端置于CPU上方的散热片上,三根8字型的细小“热管”就是散热器的主体,带走热量的速度快,噪音低。

美好的远景
2005年11月在上海召开的第13届国际热管会议,代表热管最高水平的国际会议上,来自24个国家和地区的170多名代表围绕热管的7个研究方向,从基础理论、实验技术、先进材料与制造技术、空间应用、工业应用、微电子的冷却及热管的发展展望等方面进行了广泛的交流。人们也从中领略到了热管给航天器带来的重大影响和与人们生活休戚相关的种种鲜为人知的传奇。
我国的热管研究在闵桂荣院士的倡导下,从1970年开始起步,1976年首先应用在第二颗返回式卫星上,如今已成功应用在近60颗卫星和5艘飞船上。中国空间热管专家将一种先进的热管技术应用在2003年12月30日发射的探测一号卫星上,使舱内仪器保持了合适的温度。我国航天热管的研制能力已能达到热管在轨安全运行15年的性能需求。
热管还有很多潜在的用途,比如在冻土带进行建筑和工程应用方面,在本次会议的产品展览上,人们看到了为保证青藏公路路基的稳固度和安全使用,我国采用了大型热管来进行地基冷却。无独有偶,美国在阿拉斯加铺设输油管道时,也曾通过热管对冻土层实施保护。一些热管专家指出,利用热管调节温室温度,可以节约6.3%的电力。
随着对“热管”的进一步研究,导热冠军——“热管”还会更加广泛进入我们的日常生活呢!
责任编辑: banye 参与评论