熱管技術(shù)原理、性能及應用

熱管技術(shù)原理、性能及應用熱管概述：熱管技術(shù)是1963年美國LosAlamos國家實驗室的GM.Grover發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管原理：熱管利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w，這種液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端，當熱管一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來?；竟ぷ鬟^程:典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3X(10負1――—10負4)Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己，熱量由熱管的一端傳至另一端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到(液汽)分界面；液體在蒸發(fā)段內(nèi)的(液汽)分界面上蒸發(fā)；蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽?液分界面上凝結(jié)：熱量從(汽一一液)分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。基本特性:熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。很高的導熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很

高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。當然，高導熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，不可能違反熱力學第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓姡瑥较虿o太大的改善(徑向熱管除外)。優(yōu)良的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。熱流密度可變性熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。熱流方向的可逆性一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱的化學反應器及其他裝置。熱二極管與熱開關(guān)性能熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關(guān)則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。恒溫特性(可控熱管)普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因此當加熱量變化時，熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)展了另一種熱管一一可變導熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。環(huán)境的適應性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉(zhuǎn)軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應長距離或沖熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場)，也可用于空間(無重力場)。右圖表示了熱管管內(nèi)汽-液交界面形狀，蒸氣質(zhì)量流量，壓力以及管壁溫度Tw和管內(nèi)蒸氣溫度Tv沿管長的變化趨勢.沿整個熱管長度,汽-液交界處的汽相與液相之間的靜壓差都與該處的局部毛細壓差相平衡?！鱌c(毛細壓頭一是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動力，用來克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力降△Pv,冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段的壓力降△Pl和重力場對液體流動的壓力降(^Pg可以是正值，是負值或為零,視熱管在重力場中的位置而定)。因此，△PcN△Pl+△Pv+△Pg是熱管正常工作的必要備件熱管的相容性及壽命:熱管的相容性是指熱管在預期的設計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學反應或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容性在熱管的應用中具有重要的意義。只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業(yè)應用的可能性。碳鋼一水熱管正是通過化學處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學反應問題，才使得碳鋼一水熱管這種高性能、長壽命、低成本的熱管得以在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。影響熱管壽命的因素：影響熱管壽命的因素很多，歸結(jié)起來，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即:產(chǎn)生不凝性氣體：工作液體熱物性惡化：管殼材料的腐蝕、溶解。產(chǎn)生不凝性氣體由于工作液體與管完材料發(fā)生化學反應或電化學反應，產(chǎn)生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到?jīng)_凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。工作液體物性惡化有機工作介質(zhì)在一定溫度下，會逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有機工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與殼體材料發(fā)生化學反應，使工作介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機工作液體易發(fā)生該類不相容現(xiàn)象。管殼材料的腐蝕、溶解、工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動，同時存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當管殼被腐蝕后，引起強度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。這類現(xiàn)象常發(fā)生在堿金屬高溫熱管中。熱管的應用領(lǐng)域：熱管技術(shù)以前被廣泛應用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決，開辟了散熱行業(yè)新天地。熱管應用實例：例1：德天節(jié)能公司06年12月曾作一工程：中關(guān)村地區(qū)高檔寫字樓銀科大廈天然氣鍋爐，煙氣量2400m3/h，排煙溫度180°C，排煙后因有大量冷凝水，風道兩側(cè)房間潮濕，墻皮脫落。采用兩級德天換熱器，第一級德天氣-水換熱器，將煙溫降至57C，升高溫度后的熱水供整個大廈生活熱水，原生活熱水鍋爐停用。第二級采用氣-氣德天熱管換熱器，熱風入口溫度57C，飽和濕空氣，冷風進口溫度0C，相對濕度40%，熱管換熱器片高9.5mm，片距2.5mm，6排，迎面風速1.7m/s，實測熱風出口溫度46C，回收焓值56kj/kg，比計算高出36%。交換后熱風直接進入鍋爐房，供鍋爐房采暖。例2：北京銀科五星級大廈：采用汽一汽，汽一液二級熱回收裝置，根據(jù)用戶要求，將鍋爐煙氣溫度從180C降至冷凝點10C以下(過冷度10C)，析出大量冷凝水，解決了排煙道周邊墻皮潮濕脫落問題。例3：北京凱賓斯基酒店2臺2.7噸燃氣鍋爐，排煙溫度