热管技术及工程应用

热管技术及工程应用HeatpipeTechnologyandEngineeringApplication黄建春2011.05.05主要内容一．绪论二．热管理论及设计三．热管制造过程简介四．热管换热器的设计五．热管及热管换热器的工程应用六．致谢七．参考文献一、绪论我国能源现状及节能意义热管的发展及现状热管的工作原理热管的基本特点热管的分类热管的相容性及寿命热管的关键技术1.1我国能源现状及节能意义1我国能源供需现状从20世纪90年代开始，随着全球经济一体化和世界产业转移的趋势不断加强，重工业化趋势日趋明显，带动了国内能源消费需求的增长。目前我国已成为世界上煤炭第一消费大国，石油和电力第二消费大国，我国也从能源输出国变成能源输入国。自2003年末以来全国性的煤、电、油等能源的全面紧张带来对能源问题的巨大担忧。其担忧主要表现在如下几个方面：2010年全国煤炭生产总能力约为12亿吨，与12.5亿吨的需求预测相比，供需基本平衡；到2020年，现有生产能力将下降至11.21亿吨，与14.5亿吨的需求预测相比有3.3亿的需求缺口；我国通过“气代油”等努力。2010年原油缺口0.9亿吨，2015年缺口1.2亿，形势极为严峻；第二、第三产业发展迅速，从三个产业产值占国内生产总值的比重看，第一产业产值比重持续下降趋势，而第二、三产业比重则持续上升，特别是第二产业产值比重上升更为明显，逐步发展成为拉动经济增长的主导产业。1990年三大产业比例分别为27:42:31，2000年为16:50:34，2004年为15:53:32。产业结构调整带来了对能源需求的大量增加，1999年到2004年，能源消费总量一直都超过了能源生产量，能源供应都出现了缺口。1.1我国能源现状及节能意义2我国工业能源利用现状从能源消费内部结构看，工业部门是能源消费大户，其能源消费占全国能源总量的比重一直保持在70%左右。特别是近几年，工业消费能源的比重逐年提高，2003年工业能源消费量达到80398.58万tce（1吨标准煤当量tonofstandardcoalequivalent），占当年全国能源消费总量的50%。其中，1990～2003年，钢铁、建材、有色金属的能源消费总量的比重分别上升6.4%、9.5%和0.5%，化工、造纸的能耗比重则分别下降2.4%和0.8%，以上几个高能耗行业能源消耗量占工业能源消费总量的比重，由1990年得66.9%上升到2003年的79.7%，重化工业特征在能源消费方面表现非常明显。由于产品能源消耗偏高，产出效率偏低，能源效率损失比较大，更加大了对能源的需求。从纵向来看，虽然我国产业结构调整是朝着能源消耗强度和污染强度更轻的方向发展，但是从目前整体情况来看，我国依是高投入、高能耗、高污染的粗放型经济增长方式，由此决定了能源消耗强度还比较高。我国单位产值能耗为世界平均水平的2.3倍，能耗强度仅为世界水平的14.3%，经计算，如果不考虑汇率、能源结构、气候条件等不可比因素，我国能耗强度为0.36美元/kgce，而日本高达5.28美元/kgce，印度也达0.72美元/kgce。在能源需求急剧增加和能源效率损失较大的双重影响下，我国除了加快能源的生产和开发新能源、可再生能源外，同时还必须注意“节流”，加强能源的节约和高效利用。能耗强度是国民经济在生产中的单位能耗水平，通常量化为生产单位国内生产总值所消耗的能源，它综合地反映了一个国家或地区的生产对能源的利用效率。1.1我国能源现状及节能意义3我国能源节约策略虽然近年来我国节能效果显著，但我国目前能源利用效率仅为31.2%，与发达国家相差约十个百分点，必须积极推进节能政策，能源节约策略如下：(1)建立节约型产业结构结合能源等条件的约束，我国应摒弃先进国家在此阶段的能耗大、污染大的发展老路子，走新型工业化道路。必须树立新的产业结构调整观，以信息化带动工业化，优先发展信息产业，大力发展高新技术产业，并坚持用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业，大力发展电子信息产业、装备制造业、精细化工业和第三产业等非能源密集型产业，控制和减少能源密集型的第二产业，限制高耗能行业的发展，坚决淘汰浪费能源、污染环境的落后工艺、技术、设备和产品，最终实现产业结构的优化升级。(2)加强节能的法制和标准建设进一步加强节能的法制建设。虽然早在上世纪80年代初，我国就提出了“开发与节约并重，把节约放在首位”的能源总方针，并颁布了多项节能法规和条例，但在全面建设小康社会的新时期和新形势下，这些法规和条例需要进一步健全和完善，以强制推进社会节约能源。1.1我国能源现状及节能意义3我国能源节约策略(3)做好终端消费的节能能源的终端消费主要有三方面：一是能源密集型工业部门用能；二是单位和家庭用户汽车用能；三是办公室用能。做好终端消费的节能工作，主要是提高电力在终端能源消费中的比重，这是工农业生产和社会生活现代化的重要标志，也是节能的重要措施。(4)倡导树立节能意思和习惯从可持续发展的观点看，能源是我国实现现代化的一个长期制约因素，需要几代人的努力才能解决。节约利用能源并不是消极地不用或者少用能源，而是在达到同样条件下耗能要少。政府应加大对节能工作的宣传力度，提高人们对节约利用能源及其必要性的认识，树立节约利用能源的思想，在社会中形成“珍惜资源、保护环境、节约能源”的文化氛围，加强人们节能的自觉性，形成节约能源的生活方式和消费习惯。1.1我国能源现状及节能意义3我国能源节约策略(5)发展节约能源新技术利用先进的科学技术，对现有的生产方式、生产流程、生产工艺、生产设备等进行改进或改造，是当今节能工作的主要内容，也取得了显著的效果。其新技术主要表现在以下几个方面：A采用先进的发电技术，提高发电效率。例如，采用超超临界蒸汽参数的常规蒸汽发电技术，其发电效率只能达到45%左右，采用煤气化联合循环发电(IGCC)技术，可使煤发电效率达到50%左右。B不同能量联供。如采用热电联产、集中供热等技术，提高热电机组的热效率，发展热能阶梯利用技术，热、电、冷联产技术和热、电、煤气三联供技术，全面提高热能的综合利用率。C余热利用。采用余热发电、余热供暖、余热助燃、热泵技术、热管技术等，可以合理利用各种余热。D实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，推广电机变频调速和各种电子节能技术。1.1我国能源现状及节能意义(5)发展节约能源新技术E推广洁净燃烧技术。发展和推广适合国内煤种的流化床燃烧、无烟煤燃烧和气化、液化等洁净煤技术，全面提高煤炭利用效率。F改造工艺。在化工领域，采用先进的合成工艺，优化化工流程控制，使用科学的化工材料设备，全面提高化工过程能源利用率。G采用节能新材料。改进建筑结构，采用新材料、新器具和新产品，提高保温隔热性能，减少采暖、制冷、照明的能耗，逐步开展建筑物的节能认证。H发展新型交通。采用先进汽车制造技术，降低汽车出厂能耗、运行能耗，实施汽车的能耗标识和节能认证制度。在城市大力推广公共交通、智能交通，适当发展轻轨铁路。3我国能源节约策略1.1我国能源现状及节能意义因此，为了更好地贯彻国家的能源政策，发展节约能源新技术已成了当前工作的重中之重，热管换热器正是适应这种新技术发展的结果。当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。具有良好导热性的材料有铝：[λ＝202W/m•℃]、柴铜：[λ＝385W/m•℃]、和银：[λ＝410W/m•℃]，但其导热系数只能达到（102W/m•℃）的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管的发明就解决了这一问题。热管的相当导热系数可达105W/m•℃的数量级．为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能．热管是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值4热管换热器的研究背景1.2热管的发展及现状热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司(TheGeneralMotorsCorporation,Ohio,U.S.A)的R.S.Gaugler于1944年在美国专利(US2350348)中提出。1962年L.Trefethen再次提出类似于Gaugler的传热元件用于宇宙飞船，但因这种建议并未经过实验证明，亦未能付诸实施。1967年一根不锈钢-水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功，从此吸引了很多科学技术工作人员从事热管研究。1970年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用范围从宇航扩大到了地面。1980年美国Q-Dot公司生产了热管废热锅炉，日本帝人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。1984年Cotter较完整地提出了微型热管的理论及展望，为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。1热管的发展1.2热管的发展及现状我国于1970年开始进行热管研制工作，首先是为航天技术发展的需要而进行的。1976年12月7日，在卫星上首次应用热管取得了成功，我国气象卫星也应用了热管，取得了预期的效果。2006年我国在青藏铁路冻土路基的加固上应用热管，取得了良好的效果。由于我国是一个发展中国家，能源的综合利用水平较低，因此自80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，相继开发了热管气-气换热器，热管余热锅炉、高温热管蒸气发生器，高温热管热风炉等各类热管产品。从1987到1991年．我国先后在四川、福建、北京、浙江、河北等地8台130t／h以上电站锅炉上应用了大型热管换热器，回收烟气余热加热锅炉鼓风空气。2我国热管的发展1.3热管的工作原理热管：是一种传热性极好的人工构件，常用热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（管壳），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管芯），管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理：1热管的组成同种物质的汽化潜热比显热高得多多孔毛细结构对液体的抽吸力可以使液体流动。在真空状态下，液体的沸点降低从传热状况来看，热管沿轴向可以分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分1.3热管的工作原理Atraditionalheatpipeisahollowcylinderfilledwithavaporizableliquid.A.Heatisabsorbedintheevaporatingsection.B.Fluidboilstovaporphase.C.Heatisreleasedfromtheupperpartofcylindertotheenvironment;vaporcondensestoliquidphase.D.Liquidreturnsbygravitytothelowerpartofcylinder(evaporatingsection).1热管的组成（国外资料）1.3热管的工作原理热管的管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。在材料的选择上必须考虑到热管在长期运行中管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。管壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属铌、钽或玻璃、陶瓷等。管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接受和放出热量，并承受管内外压力不等时所产生的压力差。1热管的组成热管的管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减小接触热阻，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。如右图所示为几种不同的管芯的结果示意图热管的工作液要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性。工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构。1.3热管的工作原理如图：当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热