热管技术及其工程应用

热管技术及其工程应用•什么是热管？•热管从何而来？有什么作用？•热管工作的原理是什么？有何特性？•热管跟普通的“管”有什么区别？•什么是热管换热器？常见的热管有哪些种类？•如何设计热管换热器？•我们日常生活中有哪些场合使用了热管换热器？•热管换热器的研究发展前景如何？第一章绪论一．热管换热器的研究背景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。热管的发展史·热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler于1944年在美国专利中提出的。·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。70年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均开展了多方面的开发、应用研究，国际间、地区间及各国自身的热管技术交流活动日益频繁。1973年在德国斯图加特召开了第一届国际热管会议后；1976年在意大利的波伦亚召开了第二届国际热管会议；1978年在美国加尼福利亚州召开了第三届国际热管会议；此后1981年在英国伦敦，1984年在日本筑波,1987在法国格林贝尔，1990年在前苏联明斯克，1992年在中国北京，1995年在美国新墨西哥州，1997在德国斯图加特，1999年在日本东京，2002年在俄罗斯莫斯科，2004年在中国上海分别召开了第四至十三届国际热管会议；除此之外，中日双方从1985年至1994年分别召开了四届双边及多边热管技术研讨会；1996年在澳大利亚墨尔本召开的多边会议正式发展为国际热管技术研讨会。我国于1970年开始的热管研制工作．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。由于我国是一个发展中国家，能源的中和利用水平较低，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。我国的热管技术工业化应用的开发研究发展迅速，学术交流活动也十分活跃，从1983年起已经先后召开了八届全国性的热管会议。一.热管的组成第二章热管及其特性图2.1热管示意图1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液热管：是一种传热性极好的人工构件，常用的热管由三部分组成：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：⑴在真空状态下，液体的沸点降低；⑵同种物质的汽化潜热比显热高的多；⑶多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分。Atraditionalheatpipeisahollowcylinderfilledwithavaporizableliquid.A.Heatisabsorbedintheevaporatingsection.B.Fluidboilstovaporphase.C.Heatisreleasedfromtheupperpartofcylindertotheenvironment;vaporcondensestoliquidphase.D.Liquidreturnsbygravitytothelowerpartofcylinder(evaporatingsection).国外资料:(From)HeatPipesforDehumidification(除湿气)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。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。二.热管的工作过程如图：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，热量便从一端传到了另一端！在这一热量转移的过程中，具体包含了以下六个相互关联的过程：（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液的吸液芯传递到液-气分界面；（2）液体在蒸发段的液-气分界面上蒸发；（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流向冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段内的液-气分界面上凝结；（5）热量从液-气分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；（6）在吸液芯内由于毛细作用（或重力等）是冷凝后的工作也体回流到蒸发段。热管工作过程动画注意：热管中的水会因为内部低压而在100℃以下就沸腾蒸发。水蒸汽流热量输入液态水蒸发液体由于重力或吸附力回流水蒸汽冷凝热量散失三.热管的传热极限热管虽然是一种传热性能极好的元件，但也不可能无限加大热负荷，其传热能力的上限值会受到一种或几种因素的限制，如毛细力、声速、携带、冷冻启动、连续蒸气、蒸气压力及冷凝等，因而构成热管的传热极限(或叫工作极限)。这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的级限类型是由该热管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的。具体来讲，这些极限主要有（如图所示）：从图中可以看出：当工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限。而在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限。故热管的工作点必须选择在包络线的下方。什么叫连续流动极限？对于小热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管内的蒸气流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态。这时，由于不能获得连续的蒸气流，传热能力将受到限制。什么叫冷冻启动极限？在从冷冻状态启动过程中，蒸发端来得蒸气可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作。什么叫黏性极限？在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动受粘性力支配，即热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管的最大传热能力。粘性极限只与工质物性、热管长度和蒸汽通道直径有关，而与吸液芯的几何形状和结构形式无关。什么叫声速极限？热管中的蒸汽流动类似于拉伐尔喷管中的气体流动。当蒸发段温度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大，传热量因而加大。但当蒸发段出口汽速达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段出口处汽速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作达到了声速的极限。什么叫冷凝极限?冷凝极限指通过冷凝段汽-液交界面所能传递的最大热量。热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在降低了冷凝段的冷却效率。什么叫沸腾极限?热管工作中当其蒸发段径向热流密度很大时，将会使管芯内工作液体沸腾。当径向热流密度达到某一临界值时，对于吸液芯的热管，由于所发生的大量汽泡堵塞了毛孔，减弱或破坏了毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不能满足蒸发要求。什么叫携带极限?热管中蒸汽与液体的流动方向相反，在交界面上二者相互作用，阻止对方流动。液体表面由于受逆向蒸汽流的作用产生波动，当蒸汽速度高到能把液面上的液体剪切成细滴并把它带到冷凝段时，液体被大量携带走，使应当通过毛细芯返回蒸发段去的液体不足甚至中断，从而造成蒸发段毛细芯干涸，使热管停止工作，这就达到了热管的携带传热极限。什么叫毛细极限?在热管运行中，当热管中的汽体液体的循环压力降与所能提供的最大毛细压头达到平衡时，该热管的传热量也就达到了最大值。如果这时加大蒸发量和冷凝量，则会因毛细压头不足使抽回到蒸发段的液体不能满足蒸发所需要的量，以致会发生蒸发段吸液芯的干涸和过热。导致壳壁温度剧烈升高，甚至“烧毁”。四.热管的基本特性(1)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。(2)优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，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Clausuis-Clapeyron方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。(3)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，这样即可以改变热流密度。I(4)热流方向的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。(5)热二极管与热开关性能热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。(6)恒温特性普通热管的各部分热阻基本上不随着热量的变化而变化，因此热管各部分的温度亦加热量变化。但可变导热管，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。(7)环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。热管内质量流、压力和温度分布五.热管的工作特性热管液汽分界面的形状（a）管起动前的液—汽交界面（b）热管工作时的液—汽交界面（c）吸液芯内液—汽界面参数对于普通热管，其液体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的，沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量流率、压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如右上图所示。在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽液分界面缩回到管芯里，即向毛细孔一侧下陷，使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐渐凝结的结果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形状，即界面的曲率半径为无穷大(见右上图上部及右下图)。曲率半径之差提供了使工质循环流动的毛细驱动力(循环压头)，用以克服循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及动量变化所引起的循环阻力。六.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