高温热管应用研究进展与展望*

江浩文，刘起汉

（福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000）

0 引言

高温热管是一种能够在小温差下传递大量热量的装置，其工作原理是利用工质在蒸发段和凝结段之间的相变循环，高温热管具有高温、高效、等温、可靠等优点，可应用于多种高温场合。高温热管技术是一门涉及多学科的综合性技术，其研究内容包括热力学、流体力学、传热学、材料科学、结构力学等方面。

高温热管技术的发展历史可以追溯到20 世纪50年代，美国国家航空航天局（NASA）为了解决空间飞行器的热控制问题，开始研究利用相变传热原理的热管技术。随着空间探索和核能利用等领域的发展，对高温热管技术的需求也日益增加。20世纪70年代，美国、苏联等国家开始开展液态金属高温热管的研究，主要应用于空间核反应堆冷却系统[1]。20世纪80 年代，美国、日本等国家开始开展碳化硅高温热管的研究，主要应用于太阳能利用系统。20世纪90 年代以来，随着高超声速飞行器技术的发展，对高温热管技术的需求又有了新的提升，主要应用于飞行器的主动或被动式的热防护系统[2]。

1 高温热管介绍

1.1 高温热管的结构和原理

高温热管的结构通常由蒸发段、冷凝段、液池和毛细管等组成，高温热管是利用工质在蒸发段和凝结段之间的相变循环，实现热量的传递。高温热管结构及工作原理示意图如图1所示[3]。其中，蒸发段是高温热管的热源，冷凝段是高温热管的热汇，液池是工质在蒸发段和冷凝段之间传输的媒介，毛细管则起到液池和蒸发段之间传递工质的作用[4]。高温热管的壁材通常采用金属材料或陶瓷材料，以满足高温、高压、耐腐蚀等要求。高温热管的设计需要考虑多种因素，如工质种类、壁材材料、几何尺寸和布局方式等。

图1 高温热管结构及工作原理示意图

1.2 高温热管的性能及应用前景

捷曼等[5]提出了以钠钾合金作工质生产高温热管的思想，并通过启动特性，等温性和传热性能试验，证明了该高温热管的可行性和实用性。

高温热管的性能评价方法主要包括数值模拟和实验验证2 种方式[6]。数值模拟方法是通过建立高温热管的数学模型，采用计算机仿真技术，对高温热管的传热特性进行分析和预测。数值模拟方法可以快速、准确地预测高温热管的传热性能，为高温热管的设计和优化提供依据。实验验证方法是通过搭建高温热管实验平台，对高温热管的传热特性进行测试和验证。实验验证方法可以直接测量高温热管的传热性能，为数值模拟结果提供验证和修正[7]。

高温热管是一种具有极高传热性能的元件，它通过在全封闭真空体系内的液态金属连续蒸发、凝结来传递热量，具有较高的传热能力、优良的等温性，它在空间技术、聚光太阳能热利用及高温余热较高品位利用等领域都有很大的应用空间，由于高温热管具有良好的传热性能和均温性能，在高温热防护领域具有广泛的应用前景[8]。例如，它可以用于工业余热回收的热管换热器、太阳能集热器、电子器件的冷却、换热器、深冷手术器械、等温设备中的等温插件以及测试和标定设备温度等方面。随着能源需求和环境保护意识的不断增强，高温热管技术在提高能源利用效率和减少污染排放方面具有重要意义。因此，对高温热管技术的研究和应用具有重要的理论和实际价值。

2 高温热管应用技术分析

高温热管可以在高温环境下实现高效的热量转移，因此，高温热管在高超声速飞行器热防护、空间核反应堆冷却、太阳能利用等方面具有广阔的应用前景。

2.1 高温热管在高超声速飞行器热防护中的应用

高超声速飞行器在大气层内飞行时，会遇到极高的气动加热，导致飞行器表面温度升高，甚至发生烧蚀或熔化，高温热管在飞行器中的位置如图2所示。为了保护飞行器结构和内部设备，需要采用有效的热防护技术。利用高温热管传热是一种可行的方案，它可以将飞行器前缘的高温热量传输到其他部位，降低飞行器表面的温度和热应力[9]。高温热管在这一领域的应用需求是：具有高效的传热性能、高强度的结构强度、高稳定性的工作可靠性和高适应性的设计灵活性。高温热管在这一领域的设计方法主要包括选择合适的工质和壁材、确定合理的几何尺寸和布局方式、优化传热极限和传热效率等。高温热管在这一领域的性能评价主要依赖于数值模拟和地面实验，通过分析不同工况下的温度分布、压力损失、传热功率等参数，验证高温热管的可行性和有效性。高温热管在这一领域的技术特点是能够承受极端的环境条件，如高温、高压、高速等；技术难点是如何保证高温热管在复杂的流场中的稳定运行，避免出现干涸、泄漏、振动等故障。

图2 高温热管在飞行器中的位置示意图

高温热管在高超声速飞行器热防护中的应用是一个热门的研究领域。孙健和刘伟强[10-11]讨论了在高超声速飞行器中集成热管冷却前缘结构的问题。李金旺和王志强[12]研究了一种可重复利用的高超声速飞行器高温相变传热共形系统的解决方案，该系统可以对高超声速飞行器头锥、尖翼前缘等局部区域的高温部件进行热防护。论文中还讨论了不同加热位置、加热功率、放置倾角对传热性能的影响，并通过实验对比了高温相变传热共形系统与传统金属结构件的传热性能。结果表明，相对于金属结构件，高温相变传热共形系统的温度达到稳态的时间大幅度缩短，等温性能大幅度提高，并且该系统的传热性能随着热负荷的增加而增加。

2.2 高温热管在空间核反应堆冷却中的应用

空间核反应堆是一种利用核裂变原理产生电能和热能的装置，它可以为空间站、空间探测器等提供长期稳定的能源。空间核反应堆需要有效地冷却核芯，以保持核反应在临界状态，并将多余的热量排出到外部空间，在这一过程中可以利用高温热管优秀的传热性能实现，图3 为热管冷却反应堆示意图。

图3 热管冷却反应堆示意图

王永平等[13]讨论了高温热管是一种适合于空间核反应堆冷却的技术，它可以将核芯产生的高温热量传输到远离核芯的散热器上，实现核芯与散热器之间的有效隔离。高温热管在这一领域的应用需求是具有良好的传热性能、低质量和体积小、长寿命和安全可靠等。高温热管在这一领域的技术特点是能够适应空间环境的特殊要求，如低重力、高辐射、高可靠性等；技术难点是如何保证高温热管在空间环境中的长期稳定运行，避免出现干涸、泄漏、堵塞等故障。

2.3 高温热管在太阳能利用中的应用

太阳能是一种清洁、可再生的能源，它可以通过各种方式转化为电能、热能或化学能等。太阳能利用需要有效地收集和存储太阳辐射，以提高太阳能的利用效率和可用性。利用高温热管优秀的传热性能可以将太阳辐射收集器产生的高温热量传输到远离收集器的储热器或发电机上，实现收集器与储热器或发电机之间的有效隔离。

Xu 等[14]提出了一种用于集中式太阳能发电的热管太阳能集热器的热分析如图4所示。使用了数值模拟方法，对热管太阳能集热器的热性能进行了分析。Gang 等[15]还对热管太阳能集热器的不同参数进行了优化，以提高其效率。

图4 PV/T 面板太阳能接收器示意图

李文军等[16]介绍了工质充液率、工质性质、工作倾角和吸液芯结构等对高温热管传热性能的影响，并介绍了高温热管在太阳能、核工业和化工等领域的应用，通过分析热管材料及不凝性气体对传热性能的影响，总结了影响高温热管使用寿命的主要因素，为制备工作寿命长、性能优异的高温热管提供了一定的理论支持。高温热管在这一领域的技术特点是能够适应太阳辐射的变化，如日夜变化、季节变化、天气变化等；技术难点是如何保证高温热管在不同工况下的稳定运行。

在上述高温热管应用中的共性问题主要包括如何提高传热效率和可靠性、如何降低成本和维护、如何选择合适的工质和壁材等；在不同应用领域中的个性问题主要包括如何适应不同环境条件和工况变化、如何避免不同类型的故障发生等。

3 高温热管应用技术展望

3.1 提高高温热管的传热效率和可靠性

牛涛等[17]设计并制备了钠工质、高温合金管壳的丝网型高温热管，测试并分析了在辐射和自然对流散热条件下不同加热功率和不同倾角对热管启动特性和稳态工作后等温性能的影响。结果表明，钠高温热管在不同倾角下都可顺利启动，而且随着加热功率的增加，钠高温热管启动时间越短，但倾角对启动时间影响不大。在倒置45°和倒置90°倾角时，在较大功率下热管的蒸发段出现温度激增现象，分析认为是由于丝网吸液芯毛细力不足导致蒸发段出现工质干涸造成的，说明已经达到了热管的毛细极限。郭朝红等[18]对微型热管的不同形状尺寸、构造原理、工作环境以及应用等方面进行了研究，寻求高温热管的传热效率和可靠性。

提高高温热管的传热效率和可靠性是高温热管应用技术的核心问题，也是影响高温热管在各个领域中的性能和适用性的关键因素。为了提高高温热管的传热效率和可靠性，需要从多个方面进行研究和改进，例如，开发新型的工质和壁材，以适应不同的工作温度和环境条件，提高传热性能和抗腐蚀性；优化高温热管的结构设计和布局方式，以增加传热面积和减少压力损失；引入新型的传热增强技术，如脉动热管、振荡热管、电场促进热管等，以增强工质的流动和相变；建立完善的故障诊断和预防机制，如温度监测、压力控制、泄漏检测等，以及相应的故障处理措施。

3.2 降低高温热管的成本和维护

降低高温热管的成本和维护是高温热管应用技术的实用问题，也是影响高温热管在各个领域中推广和普及的重要因素。为了降低高温热管的成本和维护，需要从多个方面进行研究和改进，例如，简化高温热管的制造工艺和装配过程，以减少材料消耗和人力投入；提高高温热管的可拆卸性和可重复使用性，以方便更换和修复；制定合理的运行参数和维护规范，以延长高温热管的寿命和保持良好的工作状态；开发新型的节能技术，如回收利用多余的热量、利用太阳能或其他可再生能源驱动高温热管等，以降低能源消耗。

3.3 拓展高温热管的应用领域和范围

Huang 等[8]38介绍了一种新型热回收装置，用于回收压缩机壳体的能量，以提高空气源热泵的加热性能。作者设计了一种新型热回收装置，将压缩机壳体的热量回收到蒸发器中，以提高空气源热泵的加热性能。实验结果表明，该装置可以显著提高空气源热泵的加热性能，使其COP值提高了约20%。

陈军和肖文朝[19]提出了热管空气预热器在石油化工中的应用及设计，分析了热管空气预热器的优点和不足，并提出了改进措施。该文还介绍了热管空气预热器的设计方法和计算公式，为热管空气预热器的设计提供了一定的理论依据。

拓展高温热管的应用领域和范围是高温热管应用技术的创新问题，也是影响高温热管在各个领域中的竞争力和发展潜力的重要因素。为了拓展高温热管的应用领域和范围，需要从多个方面进行研究和改进，例如，探索新型的应用场景和需求，如生物医学、环境保护、农业生产等，以满足不同用户和行业的特殊需求；结合其他先进技术，如纳米技术、信息技术、智能技术等，以提高高温热管的功能和性能；发展新型的高温热管形式和类型，如柔性热管、微型热管、复合热管等，以适应不同的空间和形状；推动高温热管的标准化和规范化，以促进高温热管的交流和合作。

4 结论与展望

文章对高温热管应用技术进行了分析和展望，综合了国内外高温热管应用技术的最新研究成果和文献资料，系统地梳理了高温热管应用技术的现状、问题和趋势，为高温热管应用技术进一步发展提供了参考和启示。文章从多个应用领域出发，全面地分析了高温热管在各个领域中的应用需求、设计方法、性能评价和实验验证等方面的技术特点和难点，揭示了高温热管在不同应用场合下的优劣势和适用性，为高温热管的优化设计和选型提供了依据和指导。总结了高温热管应用技术的共性和个性问题，提出了一些具有创新性和前瞻性的思路和建议，如开发新型的工质和壁材、优化高温热管的结构设计和布局方式、引入新型的传热增强技术、建立完善的故障诊断和预防机制、简化高温热管的制造工艺和装配过程、提高高温热管的可拆卸性和可重复使用性、制定合理的运行参数和维护规范、开发新型的节能技术、探索新型的应用场景和需求、结合其他先进技术、发展新型的高温热管形式和类型、推动高温热管的标准化和规范化等，为高温热管应用技术的创新发展提供了思路和建议。