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【摘 要】随着节能减排意识的增强以及国家政策的关注与倾斜，以节能环保为主的绿色环保运动正逐渐兴起，成为新建项目设计必须考虑的审批要素。在空调系统设计中，新风负荷作为全部负荷构成的大户，成为节能设计的重点。热管技术以其优秀的热传导特性得到了广泛的应用，在成功引入空调热回收领域后便发挥出十分优秀的应用价值。
【关键词】热管、热回收、节能、全热、显热、相变换热、热质交换
一、引述
所谓热管就是指封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
热管技术以前被主要应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，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，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。现在常见于cpu的散热器上，随即被引入空调行业，成为新风换气机组的热回收部件，获得了更广泛的应用。
二、热管构成及工作原理
典型的热管由管壳（管翅结构）、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×(10-1~10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：
（一）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－汽）分界面；（二）液体在蒸发段内的（液－汽）分界面上蒸发；（三）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；（四）蒸汽在冷凝段内的汽．液分界面上凝结：（五）热量从（汽－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：（七）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。
三、热管的基本特性
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。
（一）很高的导热性：热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。
（二）优良的等温性：热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
（三）热流密度可变性：热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。
（四）热流方向可逆性：一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。
（五）恒温特性(可控热管)：普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管——可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。
四、热管的相容性及寿命
热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。
影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体；工作液体热物性恶化；管壳材料的腐蚀、溶解。
（一）产生不凝性气体：由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。
（二）工作液体物性恶化：有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。
（三）管壳材料的腐蚀、溶解：工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。
以空调热回收领域的应用来说，其影响热管寿命的因素较少，热管寿命主要取决于热管生产企业自身的加工技术水平。根据实际工程记录来看，成熟的技术企业生产的热管换热器正常使用寿命均可超过10年，在有效维护下正常工作20年的工程案例也屡见不鲜，寿命期平均应用成本非常低廉。
五、空调热回收装置的比较
目前应用于空调机组内部的热回收装置结构主要包括三种形式，分别为热转轮结构、板式结构和热管式结构。三种形式热回收装置的特点比较概括如下：
结构形式
项目 热转轮 板式 热管式
换热原理 热质交换 热质交换/热传导 相变换热
换热类型 全热交换 全热交换/显热交换 显热交换
材质 金属 纸/金属 金属、相变液
实际热回收效率 70%以上 70%以上 70%以上
合理应用风量范围 10000m3/h以上 10000m3/h以下 不限
投资 较高 较低 较低
运行能耗 有能耗 无能耗 无能耗
安装体积 较大 较小 较小
运行维护 较繁琐 简便 简便
运行寿命 5年以下 5年以下 10年以上
环保特性 采用热质交换，存在回风与新风的污染问题，不能应用于如医疗、制药等对空气品质要求较高的场所 热质交换时如热转轮方式，热传导方式时如热管式 采用相变换热，不存在回风与新风的污染问题，应用场所不受限制
通过上表比较可以看出，热管技术在空调系统节能热回收领域的应用具有非常明显的技术优势和经济优势，尤其在工业空调项目的节能化改造中具有相当大的应用前景。
六、结论
通过上述内容对热管的历史、应用、构成、工作机理以及主要技术性能的对比分析我们不难看出，热管作为新兴节能部件的加入，对空调行业节能进程的深化将起到不同意义的影响，其具有的各种优势是显而易见的。但是，事物的存在必然存在正反两个方面，其应用中的缺陷也非常明显。以换热能量成分分析我们知道，热管的换热就本质而言仍然是显热换热，在高潜热环境中应用时其效果将会受到较大影响。与此同时，就设备重量和体积而言，在吊装设备中进行应用时需详细考虑设备吊装的空间，同时对检修位置进行预留计算。
总而言之，不论是优点还是缺点，热管技术诞生至今的五十年应用实践中我们可以看到其与众不同的精彩表现。在合适的场合进行合理的应用，热管技术必将给人们带来意想不到的惊喜。伴随着技术的不断发展和完善，热管技术应用的前景十分可观。
【参考文献】
[1]杨柳.长沙地区典型商业建筑空调系统能耗实测与分析(硕士学位论文)[D].长沙:湖南大学, 2002
[2]Shao L, Riffat S B, Gan G. Heat recovery with lowpressure loss for natural ventilation[ J]. Energy andBuildings, 1998, 28(2): 179-184
【关键词】热管、热回收、节能、全热、显热、相变换热、热质交换
一、引述
所谓热管就是指封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
热管技术以前被主要应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，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，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。现在常见于cpu的散热器上，随即被引入空调行业，成为新风换气机组的热回收部件，获得了更广泛的应用。
二、热管构成及工作原理
典型的热管由管壳（管翅结构）、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×(10-1~10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：
（一）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－汽）分界面；（二）液体在蒸发段内的（液－汽）分界面上蒸发；（三）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；（四）蒸汽在冷凝段内的汽．液分界面上凝结：（五）热量从（汽－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：（七）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。
三、热管的基本特性
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。
（一）很高的导热性：热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。
（二）优良的等温性：热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
（三）热流密度可变性：热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。
（四）热流方向可逆性：一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。
（五）恒温特性(可控热管)：普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管——可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。
四、热管的相容性及寿命
热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。
影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体；工作液体热物性恶化；管壳材料的腐蚀、溶解。
（一）产生不凝性气体：由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。
（二）工作液体物性恶化：有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。
（三）管壳材料的腐蚀、溶解：工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。
以空调热回收领域的应用来说，其影响热管寿命的因素较少，热管寿命主要取决于热管生产企业自身的加工技术水平。根据实际工程记录来看，成熟的技术企业生产的热管换热器正常使用寿命均可超过10年，在有效维护下正常工作20年的工程案例也屡见不鲜，寿命期平均应用成本非常低廉。
五、空调热回收装置的比较
目前应用于空调机组内部的热回收装置结构主要包括三种形式，分别为热转轮结构、板式结构和热管式结构。三种形式热回收装置的特点比较概括如下：
结构形式
项目 热转轮 板式 热管式
换热原理 热质交换 热质交换/热传导 相变换热
换热类型 全热交换 全热交换/显热交换 显热交换
材质 金属 纸/金属 金属、相变液
实际热回收效率 70%以上 70%以上 70%以上
合理应用风量范围 10000m3/h以上 10000m3/h以下 不限
投资 较高 较低 较低
运行能耗 有能耗 无能耗 无能耗
安装体积 较大 较小 较小
运行维护 较繁琐 简便 简便
运行寿命 5年以下 5年以下 10年以上
环保特性 采用热质交换，存在回风与新风的污染问题，不能应用于如医疗、制药等对空气品质要求较高的场所 热质交换时如热转轮方式，热传导方式时如热管式 采用相变换热，不存在回风与新风的污染问题，应用场所不受限制
通过上表比较可以看出，热管技术在空调系统节能热回收领域的应用具有非常明显的技术优势和经济优势，尤其在工业空调项目的节能化改造中具有相当大的应用前景。
六、结论
通过上述内容对热管的历史、应用、构成、工作机理以及主要技术性能的对比分析我们不难看出，热管作为新兴节能部件的加入，对空调行业节能进程的深化将起到不同意义的影响，其具有的各种优势是显而易见的。但是，事物的存在必然存在正反两个方面，其应用中的缺陷也非常明显。以换热能量成分分析我们知道，热管的换热就本质而言仍然是显热换热，在高潜热环境中应用时其效果将会受到较大影响。与此同时，就设备重量和体积而言，在吊装设备中进行应用时需详细考虑设备吊装的空间，同时对检修位置进行预留计算。
总而言之，不论是优点还是缺点，热管技术诞生至今的五十年应用实践中我们可以看到其与众不同的精彩表现。在合适的场合进行合理的应用，热管技术必将给人们带来意想不到的惊喜。伴随着技术的不断发展和完善，热管技术应用的前景十分可观。
【参考文献】
[1]杨柳.长沙地区典型商业建筑空调系统能耗实测与分析(硕士学位论文)[D].长沙:湖南大学, 2002
[2]Shao L, Riffat S B, Gan G. Heat recovery with lowpressure loss for natural ventilation[ J]. Energy andBuildings, 1998, 28(2): 179-184