热管应用

热管技术的应用及课题进展情况介绍常规热管1在一个密闭结构中装有若干工质，借助于液体的蒸发、蒸汽输运后冷凝、然后靠毛细作用使冷凝液从冷凝段返回到蒸发段，用这种办法把热能从结构的一部分传递给另一部分，这样一种结构就称为热管。常规热管1热虹吸管（重力式热管）普通热管有所不同的是重力热管管内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重力，因此重力热管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须位于冷凝段的下方，这样才能使冷凝液靠自身的重力返回蒸发段。热管换热器环路热管环路热管：LoopHeatPipe（LHP）利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，实现小温差、长距离下传递大热量。最主要的特点：液体管路和气体管路分开连接蒸发器和冷凝器，从而形成环路环路热管环路热管主要有五部分组成：包括蒸发室（Evaporator）、储液室（CompensationChamber）、蒸汽段（VaporLine）、冷凝器（Condenser）以及液体段（LiquidLine）等各组件。蒸发室内有多孔毛细结构，是环路热管的吸液芯，蒸发室壁面或吸液芯上设有沟槽结构，作为加热时蒸气的流动通道。环路热管的毛细结构只存在于蒸发器内。环路热管环路热管结构环路热管环路热管应用最初的环路型热管主要应用于空间技术热控制方面。1995年，俄罗斯第一次把LHP技术应用到飞行器的热控制上；1999年，美国首次将LHP回路应用于展开式辐射器；随着环路热管的技术不断成熟，小型环路热管在电子散热方面得到了很多应用。在超级计算机、航空电子设备、通讯设备和光电设备等各种设备中，会经常遇到中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）等大功率电子芯片散热问题。对于这些设备的正常运转而言，电子散热的角色是至关重要的，涉及到设备的安全性、可靠性以及生命周期等。传统的冷却方式包括：（1）带有或不带风扇的散热片；（2）带有或不带风扇的热管与散热片结合。（3）高热流密度热控制的液冷技术-即微通道热沉（microchannelheatsink）。热管在电子芯片散热中的应用：工作时，蒸发器底面接收从发热器件（如电子芯片）传递过来的热量，工作介质在毛细结构内部蒸发，蒸汽通过弯曲的蒸汽管道流到冷凝器，蒸汽经自然冷却或风扇强制冷却后转变为液体，液体在毛细力的作用下经由液体管道返回蒸发器。旋转热管旋转热管：RotatingHeatPipe（RHP）对一些具有特殊用途的电动机,如用作牵引动力的电机,要求体积和重量尽可能小,而功率则要大。相对来说,这就引起电机内部发热增加,温度升高,从而影响电机的绝缘等级。因此需要有一个强制的冷却系统能有效地排除电机功率损耗所产生的热量。国外重视用旋转热管冷却电机,旋转热管的传热性能高,结构简单体积小等优点,正好适用于传递这种热量至某一区域。旋转热管由一根密闭的空心轴构成,沿轴向长度上略带锥度。旋转热管绕其轴线旋转产生离心加速度，相应产生的力推动冷凝段工质沿热管壁面回流到蒸发段。旋转热管与普通热管相比,旋转热管的液体回流是利用旋转液体在管内产生离心力而驱动的,只要有足够的旋转速度,就能保证足够的液体回流,因此它不需要像普通热管那样安装毛细材料,而且能在不同角度下回流,达到连续运行的目的。旋转热管欧洲的NRI公司将旋转热管应用于10千瓦异步电机,在额定转速1800转/分时,转子温降约30℃,定子温降约15℃,温度的降低使电机输出功率提高15%,可见用旋转热管冷却电机的经济效益是明显的。浙江省能源研究所研制的旋转热管安装在上海南洋电机厂生产的ZJZ型直流电机上。该电机由于采用了旋转热管,不仅增加了散热能力,缩小了电机体积,节省了电机材料,降低了绝缘等级,而且还提高了电机的出力。脉动热管脉动热管：PulsatingHeatPipe（PHP），也叫振荡热管（OscillatingHeatPipe，OHP）将管内抽成真空并充入部分工质后,由于管径足够小,管内将形成不均匀分布的汽柱和液柱。在蒸发端，工质吸热产生汽泡，气泡膨胀升压推动液柱和汽柱从蒸发段流向冷凝段，汽柱到冷凝段后遇冷收缩并破裂，被冷凝成液体。在压差推动下，冷却液体从冷凝段回流到蒸发段，从而实现热量从热端到冷端的传递。脉动热管受热产生的蒸气和冷凝产生的液体在毛细管力和弯曲力的作用下，管内最后将形成气塞和液塞间隔随机分布的振荡状态。正是这样，由于冷热两端间存在压差以及相邻管间存在压力不平衡，使得工质在加热段和冷凝段之间振荡流动，从而实现热量的传递。脉动热管影响脉动热管运行与性能的因素有很多，大致可分为以下三类:几何参数：包括脉动热管的总长、管径、横截面形状、高度、弯数、以及蒸发段和冷凝段长度等等;运行参数：包括热流密度大小、装置倾斜角、加热冷却方式等等;物理参数：包括充液率、工质物性、管子材料的物性等等。脉动热管管径的影响：振荡热管内液塞和气泡的共存依赖于重力与表面张力间的平衡：当ddmax，不工作时，液体存在热管底部，工作时，蒸发、沸腾以及冷凝现象同热虹吸管，伴有间歇的振荡。ddmax时，在工作和不工作时管内均出现液塞和气泡共存现象。充液率的影响：充液率范围为20%-80%直接，小于20%时工作不稳定，容易烧干，大于80%时气泡较少，严重削弱振荡和传热效果。一般认为最佳充液率大于50%。脉动热管脉动热管曲伟等、杨洪海等、曹小林等通过可视化实验都发现当输入热量较低时，管内基本为塞状流，流体只能在局部范围内作小幅度荡，传热性能较差。但随着热流密度的增加，流体振荡幅度增加，管内流型从塞状流逐渐转化为环状流，传热性能得到改善。由于脉动热管的运行机理相当复杂而且带有随机性，所以其理论分析与数值模拟较为困难。脉动热管脉动热管可以作为一种高效的导热元件广泛应用于电子元器件冷却，如下图用于冷却多芯片模块的脉动热管散热翅和用于cpu散热的无风扇散热器。径向热管热管工作介质沿热管轴向流动时沿轴向传递热量，这种热管称为轴向热管，而径向热管的工作介质是沿热管径向流动沿径向传递热量。有吸液芯径向热管与通常换热用的热管不同，该径向热管在蒸发段内布置有一定形式的吸液芯，吸液芯的作用是1）利用毛细力的作用，起着提升和输送工作介质的功能，将其由放热侧输送到吸热侧，对径向热管而言，就是将工质由热管的底部提升到顶部，2）同时也起着均布工质的作用，使工质均布在吸热侧的壁面上，3）吸液芯也是热流传输的通道，热量通过吸液芯传递给工质。径向热管特点：具有高度的等温性能，与轴向传热热管比较而言，由于其工作介质蒸汽流通横截面大，蒸汽流速低，蒸汽动通距离短，摩擦损失小，有足够的毛细压头，因此具有高度的等温性能。具有较大的传输功率，由于径向热管工作介质汽流运动距离较短，汽相流动的压力损失小，相应地热量传输的温差也就小，而且沿工作介质汽流方向径向热管的传热面积比轴向传热热管的面积大得多，因此径向传热热管的传热毛细极限、声速极限、携带极限等比轴向传热热管高得多，因而，径向传热热管就比轴向传热热管能传输更多的热量。容易启动，通过虞斌等人对径向热管启动性能的研究表明，在不同的冷源流体雷诺数和加热热流密度条件下，径向热管都能正常平稳启动，且重复性能好。径向热管径向热管因为将冷凝段置于蒸发段中，使得冷却段进出口流速易于调节，且蒸发段内充液率可变，使得壁温控制易于实现。径向热管将许多根径向热管串联起来构成蛇形盘管束，烟气冲刷外管，锅炉给水从内管管内流过。当腐蚀性烟气流过由隔板围成的箱体空间，与热管管束的外表面(包括翅片)进行热交换后，热管工作腔内的工质被汽化，加热热管内管内的给水形成热水。热管的壁面温度由工质充装量、管束的布置结构以及烟气和给水的状态共同决定。只要进行合理周密的设计，就能使热管的外壁工作温度始终高于烟气酸露点温度，从而避免腐蚀发生，实际应用中可根据需要灵活布置盘管束。高温热管高温热管是指工作温度大于750K的热管，其工质主要是液态金属，如钠、钾和锂。当热管运行温度高于1400K时，可选用钡、锶、钙、铅等。目前高温热管工质中技术成熟、应用广泛的主要是钠和钾。高温热管工质使用温度的上限取决与相应的饱和蒸汽压力，压力对热管的强度具有决定性的影响。高温热管的启动过程高温热管阶段一：初始状态，吸液芯内工质处于凝固状态，热管中心区域处于真空状态。阶段二：加热开始后，吸液芯内工质开始熔化，但液固界面未达到吸液芯气侧界面，还没有蒸发现象发生。阶段三：蒸发段吸液芯内工质全部熔化，蒸发开始在气液界面发生，但蒸汽压力很低，蒸汽流处于自由分子运动状态。阶段四：随着蒸发的进行，蒸汽聚集到一定量后逐渐建立起连续流，但冷凝段仍是自由分子流。阶段五：吸液芯内工质全部液化，整个热管空间建立起连续流，热管进入稳定运行阶段。高温热管高温热管的应用：高温热管换热器高温热管高温热管换热器的优点：传热性能好：热管换热器任意一个腔体内的流动都是垂直外掠流动，而且两个腔体内的流形很容易实现纯逆流流动，可以在不改变冷、热流体入口温度的条件下，增大平均温差，提高传热效果。冷、热流体两侧的传热面积可以自由扩展。传热面局部破坏时，能确保两流体彼此不渗混合。高温热管换热器的应用高温热管热风炉：精细化工行业需要400-600℃的热风气源，常规换热设备很难将空气加热到这一温度范围，如果直接用燃料烟气往往会带入污染物，利用如图所示的高温热管热风炉，可满足工艺要求。高温热管换热器的应用催化再生器烟气取热器：利用高温热管将催化再生器的热量取出，确保进入下一级烟气透平机的烟气温度小于645℃.渠氏热管渠玉芝发明的渠氏超导热管技术，被国外称之为“渠氏理论传热技术”，已应用于我国的部分炼油厂、钢铁厂的余热回收、电脑CPU的散热器、青藏两路冻土地带的路基加固处理等方面，其传热和节能效果十分明显，已引起国外关注。渠氏热超导管与上世纪60年代发展起来的常规热管完全不同。常规热管是靠管内介质液态和气态的相变传递汽化潜能，它受到温度和循环相变速度的限制，有热损，寿命也不高；而渠氏热超导管的传热介质是由多种无机元素组成，在外因热的激发下利用微粒子的高频率振动（每秒2亿次以上）传递热量，无相变，热阻为零，故称为热超导。渠氏热管渠玉芝的热超导介质研究成果分别在1997年和2000年取得了国际和美国专利。这项发明在美国斯坦福研究院进行了长达数年的测试，结果表明：传热效率达100％，热流密度每平方米大于8000千瓦，连续1400天运行后性能无衰减。他们的结论是：热导率是金属银的3万倍；对环境无污染，对人体无害；是在传热技术上很有潜力的突破，会在许多工业领域中找到广泛应用。华南理工大学化学工程系一个科研小组对此所做的检测报告称：热超导管的出现，将影响所有的热量传递领域，尤其对热能利用率将产生重大的影响，并为太阳能、地热的开发利用，为低能级热量的回收再利用等开通了一条高速通道，其发展前景目前还难以估量。渠氏热管主要特点：适应温度范围宽。可在-100～1300℃范围内工作。传热速度快,热载能力大,传热效率大于100%,也就是说热阻为“零”。这种特点在当今热管技术中是空前的。无相变热管在外型结构上与钢—水型普通热管一样,都是真空的。所不同的只是内部充填的无机工质为无机物,是无相变传热。沿轴向的温度分布奇特，距热源远端的温度比近端还高；渠氏热管渠氏热管的应用:集成电路芯片以及一些电子元件尺寸日小，而热扩散需要日高，渠氏热超导管能很好满足尺寸小、传热速率大且热效率高的要求；大、中、小型加热系统的余热回收工程可有效节约能源；各种形式的锅炉和余热锅炉，热效率在95%以上；发电和输、配电中的循环水加热系统，电磁铁芯和高功率控制元件的冷却，核能发电的过热量处理和应急冷却；太阳能集热器和地热传热元件；渠氏热管目前在大型余热回收工程、电脑CPU散热器和太阳能集热器上已应用数年，取得了令人满意的技术效果和经济效益。广州石油化工公司:两台空气预热器两个过程都曾使用传统热管空气