（安全技术及工程专业论文）两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟.pdf

两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟 n h m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c si nt h et w o - p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n a b s tr a o t mh e a tp i p eh a sb e e nw i d e l yu s e ds i n c ei t sa p p e a r a n c eb e c a u s eo fh i g ht h e r m a l c o n d u c t a n c ea n do t h e re x c e l l e n c e s ，s 0t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o ft h eh e a tp i p ei sb e c o m i n gm o r ea n dd e e p e r f o u n d i n gm a t h e m a t i cm o d e l si so n eo ft h e i m p o r t a n tm e t h o d s w h i c hc a l lp e n e t r a t ew i t ht h ec o r eo f t h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m a 1 s oi t c a np r o v i d ed e p e n d a b l ef o r e c a s tu n d e rd i f f e r e n to p e r a t ec o n d i t i o n sa sw e l la st h e o r e t i c a l g u i d a n c ef o re x p e r i m e n t a ls t u d i e s a 盘e ras i m p l er e t r o s p e c to ft h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h eh e a tp i p e t h e w o r k i n ge l e m e n t sa n dt h eh i s t o r ya n dt h e a c t u a ls t a t eo ft h ei n v e s t i g a t i o ni n s i d et h e t h e r m o s y p h o n , an u m e r i c a lm o d e lb a s e do nt h ep r e v i o u se x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a ls t u d i e s i sd e v e l o p e dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h ep r o c e s so ft h ef l o w a g ea n dh e a tt r a n s f e ri nt h e c o n d e n s a t o ro f 也et w o - p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n t h em o d e li sb a s e do nt h en u s s e l t s s o l u t i o n sb yc o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so fv a p o r - l i q u i di n t e r r a c i a ls h e a rs t r e s s ，t h es u p e r - c o l da n d t h ed e n s i t yo ft h ev a p o rw h i c hh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h eh e a tt r a n s f e rp c i f o r n l a n c eo f t h et h 翩r m o s y p h o n t h i sm o d e li su s e dt oa n a l y z eh o wt h ep a r a m e t e rs u c ha st h ep r e s s u r eo f 也es a t u r a t e d s t e r n a ，t h eh e a ti n p u to ft h et h e r m o s y p h o na n dt h eg e o m e t r i c a lm e a s u r e m e n ta f f e c tt h e d i s t r i b u t i o no f t h et e m p e r a t u r ea n dt h ev e l o c i t yi nt h el i q u i df i l m ，t h ew i d t ho f t h el i q u i df i l m , t h ev a p o r - l i q u i di n t e r f a c i a ls h e a rs t r e s s t h e s ei n f l u e n c e sa sw e l la st h ea c t i o n sb e t w e e nt h e i n t e m a lf a c t o r st h e na f f e c t 也eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i e si nt h et h e r m o s y p h o n t h em e t h o d o fd i s p e r s i n g 也ew i d t ho f 也el i q u i df i l mi su s e di n 也ec a l c u l a t i o nt oo b t a i nt h en u m e r i c a l v a l u eo ft h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rt o e f f i c i e t a t t h en u m e r i c a ls i m u l a r i a nd i s c r e t ev a l u e h a st h es a m ef e n dw i t ht h en u s s e l tt h e o r e t i c a lv a l u e s ot h i sm o d e lc a ns i m u l a t et h ew o r k i n g s t a t u so f t h ec o n d e n s e rs e c t i o no f t h et h e r m o s y p h o n s u c ha n a l y s i se l u c i d a t e st h ep r i n c i p l eo fh o wt h ee x t e r n a lc o n d i t i o n sa n dt h ei n t e r n a l f a c t o r sa f f e c tt h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nt h et h e r m o s y p h o n ，i n c r e a s e st h e u n d e r s t a n d i n go ft h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ec o n d e n s e ro ft h et h e r m o s y p h o n , a l s oh a sa n a c t i v ea c t i o nt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ea c t u a la p p l i c a t i o n s ot h ew o r kc a l li n s t r u c tt h e d e s i g no f t h et h e r m o s y p h o na n d h e a tp i p ee x c h a n g e ra n dt h ec o r r e l a t i v ee q u i p m e n t s 大连理工大学硕士学位论文 k 吖w o r d s ：t w o - p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n ：c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r ：n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 主要符号表 芸塞主墨 c ，摩擦系数 c 。 定压比热容 d直径 g重力加速度 五换热系数 h i , 汽化潜热 f ，饱和液体在温度乃时的焓值 i s 饱和蒸汽在温度。时的焓值 l冷凝段长度 m液膜的单位弧度质量流量 n u 努塞尔特( n u s s c l t ) 数 p 压强 q热输入 r径向坐标 r热虹吸管内径 月p 雷诺( r e y n o l d ) 数 r温度 “冷凝液膜轴向流动速度 液膜与蒸汽界面上液膜的速度 “蒸汽平均流速 v冷凝液膜径向流动速度 x轴向坐标 平均值 似 聊 2 一m驯一啦心啦m酗祉五h w m m 盐p k；毗；m 两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟 液相 气相 热管内壁面 气液界面 饱和状态 流体密度 流体导热系数 流体的动力粘度 液膜厚度 界面剪切应力 摩擦切应力 相变切应力 表面张力 径向质量交换率 k g m 3 w ( m k ) r e , ( m j ) m p a p a p a n m 拯 下， v w ， o 里主盛 叠p 兄 占f o 0盯善 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；壅堑叠日期：丝亟：翌 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：杰亟互乏 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 引言 在对能源和环保高度重视的今天，和许多发达国家相比，我国能源利用的现状还存 在许多问题，主要是能源的利用率低，余热浪费严重。因此对能源高效回收技术和强化 传热技术的研究，以及各种高效传热元件的开发一直是科技人员致力的重要领域。 在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可以将大量的 热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。热管自2 0 世纪6 0 年代问世以 来，在传热技术领域里的影响越来越大，世界上许多国家的科研机构、大学和公司进行 了大量的实验和理论研究工作，热管在许多工业部门已经得到了广泛应用。热管不仅具 有很高的导热性，还具有优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、恒温特 性、热二极管与热开关性能及很强的环境适应性等诸多优点，这使得热管换热设备比常 规的换热设备更加安全可靠，且换熟效率高，节能效果显著。同时热管的冷热段结构和 位置布置灵活，可适用于各种复杂的场合。近年来熟管研究和应用的领域也在不断拓宽， 制冷热管、热管发电机、化学热管、陶瓷热管等新型热管的开发和应用越来越多。 两相闭式热虹吸管又称重力热管，简称热虹吸管，与普通热管一样，热虹吸管利用 工质的蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加动力而工质白行循环。但与普通热管有所 不同的是热虹吸管管内没有吸液芯，冷凝液靠自身的重力从冷凝段返回蒸发段。由于熟 虹吸管内没有吸液芯这一重要特点，所以和普通热管比较，不仅结构简单、制造方便、 成本低廉，而且传热性能优良，工作可靠，因此在地面上的各类传热设备中都可作为高 效传热元件，其应用领域与日俱增，已在各行各业的热能综合利用和余热回收技术中， 显示出了巨大的优越性。 热虹吸管传熟过程的基本原理为利用热虹吸现象，通过工作介质的相变来传递热 量。其内部流动为汽液两相流，还同时存在介质蒸发和冷凝的相变现象和换热过程，所 以内部机理十分复杂。多年来对热虹吸管的研究特别多，包括进行实验研究，依据一定 的理论，拟合各种经验关联式，或者通过建立数学模型，深入分析其内部的工作机理， 进行一些实验无法做到的预测，或者实验和数值模拟并用。其中建立数学模型是研究热 管各种性能的一种很重要的方法，它可以深入到传热机理的核心，更加深刻地了解热管 内部的工作状况，为热管的各种运行工况提供较为可靠的预测，也可以为实验研究提供 理论性指导。 热虹吸管冷凝段凝结换热的研究对象是在重力作用下沿固体表面向下流动的薄膜， 该薄膜也被称为自由降膜流。由于热虹吸管内部的凝结换热是十分复杂的两相流动、传 热传质过程，因此给出十分完美的理论解析式有相当大的难度。为了能对热虹吸管内部 两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟 的凝结换热进行理论研究，人们对热虹吸管冷凝段的流动模型进行了不同程度的简化， 这些简化后得出的理论在一定程度上和实际实验结果相吻合。 本论文的模型是在综合分析前人工作的基础上发展起来的，它可以较好地模拟热管 冷凝段的正常运行。以此模型，本文将对热虹吸管冷凝段的流动和传热过程进行数值模 拟，求出其液膜内部温度场、速度场的分布，液膜厚度和气液界面剪切应力与下降高度 之间的关系，分析压强、热输入、热管的几何尺寸等因素对热管换热特性的影响。 大连理工大学硕士学位论文 1文献综述 在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可以将大量热 量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。 从广义上来说，热管可以这样定义：容器的加热段( 蒸发段) 靠工作液体从热源吸 收热量而汽化，携带潜热的蒸汽高速传输至容器的冷却段( 凝结段) ，对冷源放出潜热 而凝结，冷凝液不需要外加动力设备，依靠简单的物理现象一毛细抽吸力( 表面张力) ， 或者重力、离心力、极化电流体动力学力、电渗透压力等其中之一种作用力，回流至蒸 发段以保持连续的物质循环，从而实现传热或维持温度均一的部件，均可称为热管。 热管作为一种高效传热元件自2 0 世纪6 0 年代问世以来，在传热技术领域里的影响 越来越大，世界上许多国家的科研机构、大学和公司进行了大量的实验和理论研究工作， 熟管在许多工业部门已经得到了广泛应用。目前熟管技术的先进性、可靠性等优势，己 逐步被各个行业所共识，热管研究和应用的领域也在不断拓宽。同时国民经济各领域的 高效传热设备的开发，都将促进热管技术及其应用的进一步发展。 1 1 热管的工作原理及特点 1 1 1 热管的工作原理 图1 1 热管工作原理示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i cd r a w i n g o f t h e w o r k i n g e l e m e n t s o f h e a t p i p e 热管的基本工作原理如图1 1 所示“1 ，典型的热管由管壳、管芯( 吸液芯) 、适量的 工作介质组成。将管内抽成0 1 3 1 3 1 0 。3 p a 的负压，管壳一般为金属管，管芯为一定 厚度的多孔网状结构，如粉末冶金层、纤维丝网等，紧贴在管内壁或在管壳内表面加工 两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟 成沟槽，管壳中心空而畅通，供工作介质蒸汽流动。工作介质种类由热管工作温度范围 而决定。管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段。根据应用需要在两段中间可布置绝热段。 当蒸发段受热时，管芯中的工作介质液体蒸发汽化，蒸发段蒸汽压力为p ，冷凝段蒸汽 压力为见，蒸汽在压差卸，的作用下从蒸发段流到冷凝段，并在那里凝结下来，放出汽 化潜热，通过管壁传出热量。冷凝液体再沿管芯多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。 如此循环不已，热量从热管的一端传至另一端。热管在实现这一热量转移的过程中，包 含了以下六个相互关联的主要过程： ( 1 ) 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的管芯传递到液一汽分界面； ( 2 ) 液体在蒸发段内的液一汽分界面上蒸发： ( 3 ) 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； ( 4 ) 蒸汽在冷凝段内的汽一液分界面上凝结； ( 5 ) 热量从汽一液分界面通过管芯、液体和管壁传给冷源； ( 6 ) 冷凝后的工作介质液体在管芯内由于毛细作用回到蒸发段。 在热管的正常工作状态下，冷凝液的回流依靠管芯多孔材料的毛细力来完成，称为 毛细压头以，是热管内部工作介质液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷 凝段的压力降p ，。冷凝液从冷凝段流回蒸发段的压力降“和重力场对液体流动引起 的压力降印。( 既可以是正值、负值或为零，视热管在重力场中的位置而定) 。因此热 管正常工作的必要条件为 瓴三印，+ 卸1 - 4 - 印。 ( 1 1 ) 如果把绝热段与外界隔热，同时忽略管壁的影响，即蒸汽从蒸发段得到的热量将全 部传给冷凝段，传热量为 q = 卅，五( 1 2 ) 式中q 为传热量，m ，为蒸汽的质量流量，五为工作介质的汽化潜热。 1 1 2 热管的基本特| 生 热管是依靠自身内部工作介质液体的相变来实现传热的传热元件，它具有以下基本 特性叫： ( 1 ) 很高的导热性 热管内部主要靠工质的汽、液相变传输热量，热阻很小，因此具有很高的导热能力。 与银、铜、铝等金属相比，单位质量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热 性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能 大连理工大学硕士学位论文 力受到各种因素的限制，存在着一些传熟极限：热管的轴向导热性很强，径向并无太大 的改善( 径向热管除外) 。 ( 2 ) 优良的等温性 热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定饱和温度，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c l a u s u i s c l a p c y r o n 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 燕管可以独立改变蒸发段或冷凝段的面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较 大的冷却面积输出热量或者反之，这样可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决 的传热难题。 “) 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 以作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可以用于宇宙飞船和人造卫星 在空间的温度展平，也可以用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。 ( 5 ) 热二极管与热开关性能 热管可以做成熟二极管或者热开关，所谓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( 可控热管) 普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而改变，因此当加热量变化时，热 管各部分的温度也随之变化。但人们发展了另一种热管一可变导热管，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，这样可以使热管在加热量大幅度变 化的情况下。蒸汽温度变化很小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。 ( 7 ) 环境的适应性 热管的形状可随冷源和热源的条件而改变，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶 片、钻头、手术刀等等，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) 。 1 ，1 3 热管技术及特点 1 i 3 1 热管的基本特性 根据热管的工作原理和基本特性，可以将热管技术分为以下几个部分“，即： ( 1 ) 温度展平 两相闭式热虹吸管凝结抉热特性的数值模拟 温度展平又称为均温技术，即利用热管本身的等温性，把一个温度不均匀的温度场 展平成为一个均匀的温度场。均温技术在航天飞行器及电子设备仪器仪表板方面都有重 要的作用。 ( 2 ) 汇源分隔 所谓汇源分隔是指利用热管将热源和热汇( 冷源) 分隔在两个场所进行热交换，分 隔的距离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定，可以从几十厘米到1 0 0 米，这种 技术在连续生产的工程换热中有十分重要的意义。 ( 3 ) 变换热流密度 热管能以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，反之亦可。如 此可使单位加热和冷却传热面积上的热流量发生变化。热流密度变换在工程中有重要的 应用，例如可以用来控制管壁温度以避免出现露点腐蚀。 ( 4 ) 热控制( 可变导热管) 可变导热管为热阻可以改变的热管，可实现热管温度的任意控制。在工程上可变导 热管技术可以用来控制热源或热汇的温度。 ( 5 ) 单向导热( 热二极管) 利用重力热管的传热原理，可将热管看作为单向导热元件。热二极管原理在太阳能 及地土永冻工程中有很重要的应用。 ( 6 ) 旋转元件的传热( 旋转热管) 一般热管是一种静止的传热元件，旋转热管则是在回转运动中传热的元件，其原理 是热管内工作液体依靠转动中的离心力从冷凝段向蒸发段回流，或是靠液体位差所产生 的重力。旋转热管在工程中可用作高速回转轴件的传热元件，如电机轴、高速钻头的冷 却以及塑料纤维、塑料薄膜加工等回转设备。 ( 7 ) 微型热管技术 微型热管的概念与常规热管概念有所不同，它的毛细力不是由吸液芯产生而是由蒸 汽通道周边的液缝的弯月面提供的o 。蒸汽通道的截面有各种形状，有三角形、矩形、 正方形、梯形等等，管内无吸液芯。微型热管在半导体芯片、集成电路扳、笔记本电脑 c p u 的散热方面有很重要的应用。 ( 8 高温热管技术 在温度超过7 0 0 。c 的换熟条件下，使用普通的换热器会有许多困难，如无温差应 力、材料高温蠕变、高温腐蚀等问题。高温热管可带来很大的方便，如温差应力小、结 构形式简单、不易受高温破坏、单根热管破坏不影响设备整体性能等诸多优点。高温热 管的工作液体是液态金属( 钠、钾、锂等) ，其特点是饱和蒸汽压力很低，所以在高温 一6 大连理工大学硕士学位论文 条件下，工作的热管只承受高温而不承受管内高压。高温热管在核工程、太阳能电站、 斯特林发动机、高温热风炉、高湿渣口、赤熟体取热等方面有着重要的用途。 1 1 3 2 热管技术的优点 与常规换热技术相比，热管技术之所以能不断受到工程界欢迎，是因为其具有如下 的重要特点“1 ： ( 1 ) 热管换热设备较常规换热设备更安全可靠 热管可长期连续运行，这一特点对连续性生产的工程，如化工、冶金、动力等部门 具有特别重要的意义。 ( 2 ) 热管管壁的温度可调性 热管管壁的温度可以调节，这在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以 通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点以上，从而可防止露点腐 蚀，保证设备的长期运行。 ( 3 ) 冷、热段结构和位置布置灵活 由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置布置非常灵活，可适 应于各种复杂的场合。由于结构紧凑占地空间小，因此特别适合于工程改造及地面空间 狭小和设备拥挤的场合，且维修工作量小。 “) 热管换热设备效率高，节能效果显著 由于热管具有以上诸多优良特性，因此热管自诞生以来就受到各行业的欢迎，并在 各个领域的应用中都取得了很好的传热效果，还表现出强劲的发展趋势。 1 1 4 热管的分类 由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各 有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种“，： ( 1 ) 按照热管管内工作温度区分 热管可分为低温热管( - 2 7 3 0 。c ) ，常温热管( 0 - 2 5 0 c ) 、中温热管( 2 5 0 - 4 5 04 c ) 、 高温热管( 4 5 0 1 0 0 0 。c ) 等； ( 2 ) 按照工作液体回流动力区分 热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管( 又称重力热管) 、重力辅助热管、旋转 热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等； ( 3 ) 按管壳与工作液体的组合方式划分 这是一种习惯的划分方法，按照此方法热管可分为铜一水热管、碳钢一水热管、铜钢 复合一水热管、铝一丙酮热管、碳钢一萘热管、不锈钢钠热管等； 两相闭式热虹吸管凝结抉热特性的数值模拟 ( 4 ) 按结构形式区分 热管可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向 热管等； ( 5 ) 按热管的功用划分 热管可分为传输热量的热管、熟二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷 热管等等。 1 2 热管的发展历史及现状 1 2 1 热管的发展历史 热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司( t h eg e n e r a lm o t o r s c o r p o r a t i o n ，o h i o ，u s a ) 的r s g a u g l e r 于1 9 4 4 年在美国专利中提出的“一。然而他 的想法当时并没有被通用发动机公司采纳应用。1 9 6 2 年l t r e f e t h e n 再次提出类似于 g a u g l e r 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。 1 9 6 3 年美国l o sa l a m o s 国家实验室的g m g - r o v e r 重新独立发明了类似于g a u g l e r 提出的传热元件，并进行了性能测试实验，在美国应用物理杂志上公开发表了第一 篇论文，正式将此传热元件命名为热管“h e a tp i p e ”，并指出它的热导率己远远超过任 何一种已知的金属。他还给出了以钠为工作液体，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯 的热管的实验结果。美国l o sa l a m o s 国家实验室在热管理论以及热管在空间技术方面 的应用研究一直处于领先地位。 1 9 6 5 年c o t t e r 首次提出了较完整的热管理论，为以后的热管理论的研究工作奠定 了基础。1 9 6 7 年一根不锈钢一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，意大利、荷兰、英国、前苏联、法国及日本等国 均开展了大量的研究工作，使得热管技术得以很快发展。 1 9 7 4 年以后，热管在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视，用热 管组成换热器来回收废热，并将其用于工作以节约能源。美国和日本在这方面所取得的 进展最为显著。1 9 8 0 年以后，各国的热管换热器研制工作迅猛展开，回转式、分离式 等新的结构型式相继出现，并日趋工业化、大型化。 1 9 8 4 年c o t t e r 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。毛细泵回路c p l 和回路热管系统l i - i p 以其结构灵活、应用面广及在 很小温差下可远距离传递较常规热管更大的热量的特点，引起了整个热管界的普遍关 注，成为理论研究和应用研究的热点。 大连理工大学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代以来，热管技术飞速发展，各国的研究机构、高等院校、厂矿及公 司均开展了多方面的开发、应用研究，国际问、地区间及各国自身的热管技术交流活动 日益频繁，更加促进了热管技术的发展。 1 2 2 热管的发展现状 自从热管闯世以来，对新型热管的开发和应用一直是热门的研究课题。据对美国专 利局( u s p t o ) 公布的结果查询表明，自热管问世以来，1 9 4 4 2 0 0 2 年近6 0 年中，共有 3 6 9 0 项和热管相关的专利得到了批准。而仅1 9 9 6 2 0 0 2 年6 年中所公布的和热管相关 的专利就达到1 4 8 1 项，占总数的4 0 1 ，2 0 0 1 2 0 0 2 年又提出和热管相关的新专利申 请3 9 9 项，分别涉及热管的研制、开发、技术改进和应用等，几乎涵盖了所有和热能相 关的技术领域。关于热管研制、开发及应用等内容的国内外文献更是数不胜数。在热能 工程中，热管的新技术和新应用一直是极为活跃的开发和研究领域，采用热管和其它相 关技术巧妙结合的方法具有极大的发展潜力。在这方面，国内外研究人员进行了大量探 索并已取得许多可喜的成就。下面介绍一些正在发展的新型热管技术： ( 1 ) 制冷热管 s b r i f f a t 等提出的新型太阳能燃气联合式制冷热管“1 是将热管、制冷蒸发器和喷 射器组合在一起，如图1 2 所示。其基本原理为：热管蒸汽发生区通过吸收燃气炉烟气 或太阳能等的热量使热管中的制冷剂( 工质) 吸热汽化，气相制冷剂蒸汽高速通过喷射装 置进入冷凝区：由于喷管和高速蒸汽的作用，将与热管相连的蒸发器中的制冷荆蒸汽抽 出混合后进入冷凝区，使蒸发器中一直保持比热管内部高的真空度。在冷凝段的制冷剂 蒸汽放出热量后冷凝，冷凝的制冷剂液漉一部分通过吸液芯返回热管的蒸汽发生段重新 吸热汽化，另一部分制冷剂液流则通过膨胀阀回到蒸发器。进入蒸发器中的制冷剂由于 压力降低而蒸发，蒸发后的蒸汽再次在喷射装置的作用下进入冷凝区放热，从而完成一 个制冷循环。 图1 2 蒸汽喷射制冷热管 f i 9 1 2r e f r i g e r a t i o nh e a tp i p eo f s t e m z zi n s u f f l a t i o n s 两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟 制冷热管一般具有运行费用低、无需旋转机械、制冷系数高( 如r i f f a t 的喷射式制 冷热管的制冷系数高达0 ，7 ) 、绿色环保、方便可靠、结构紧凑并可灵活采用不同热源提 供动力等特点。应用前景十分广阔。 ( 2 ) 热管发电机 t n g u y e n 等和a a k b a r z a d e h 等研制的热管发电机“1 分别如图1 3 ( a ) 和所示。两者 都是利用工质吸热相变产生蒸汽通过蒸汽喷管带动发电机透平，将动能转变为电能。其 特点是可以利用低品位的热能( 如太阳能、地热、烟气等) 发电，由于工质在热管内循环， 不会造成污染。存在的主要迥题是效率有待进一步提高。早期的热管发电机功率很小， 目前已经发展到数百千瓦数量级，并在澳大利亚、日本等国得到实际应用。 ( a ) 置也瓤 日童工 囊f 仁# ； 蘸 l 图1 3 热管式发电机 f i 9 1 3h e a tp i p ed y n a m o t o r ( b ) 斗 一气叶齄 骨鼍 蕾甲 筮矗 上簟 ( 3 ) 化学热管 清华大学的居怀明等利用甲烷一水蒸汽的可逆反应提出一种可实际应用的化学热管 ”1 ，用于高温气冷堆的远距离输热。他们设计了一个3 5 m w 的化学热管系统，其基本 原理是通过一个可逆化学反应的吸热过程把高温气冷堆或其他集热装置所得到的热能 以化学键形式在室温条件下储存，远距离输送，然后通过上述吸热反应的逆反应将热量 释放出来，产生高温蒸汽。化学热管具有以下优点： 能量转换效率高，在化学热管系统中，核能或太阳能转换成化学能的效率约为 7 0 ，甲烷化反应的效率可达9 0 左右，总的能量转换率较高； 化学热管系统可以采用核能或太阳能等，不消耗化石燃料，该系统又是一个封闭 系统，因此无环境污染； 化学热管系统中的庞大气体输送系统同时又是一个巨大的能量储存装置，可以方 便地根据需要调节储存容量，适应用户的负荷要求。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 锲形干道热管 锲形干道热管”3 在结构与工作上与单槽缝热管相似，但是它考虑了借助于液体通道 的锲形面把气泡或气体从液体通道中自动排出去。正常工作期间，只有液体流经液体干 道。当通道中由于液体的沸腾或从不凝结气体中产生气泡时，周向槽道由于缺乏液体供 应开始干涸，槽缝处的凹液面开始退至周向槽的底部。再进一步加热时，干道中产生过 热液体并且凹液面与液体通道中的气泡相连接然后进入蒸汽通道。液体干道的锲形形状 保证了凹液面的稳定性并防止阻塞流动，这种阻塞流动是由于热通量增加时，从通道流 向壁面槽道的液体流率增大引起的。 这种热管具有以下特性：过量充装工质对热管性能的影响可以忽略不计，而充装 不足则会引起性能降低i 热管不需要装抽吸内衬和丝耀；热管长度影响起动能力， 对于长热管要求输入功率的增量幅度较小，以便在几倍于整个系统的距离上提供充分的 循环：冷凝段的快速冷却会产生液体过热和吸液芯的沸腾。 ( 5 ) 陶瓷热管 陶瓷热管。1 在空气和燃烧产物的环境中具有1 2 0 0 k 以上的工作能力。这种热管的发 明者最初想把它用在有腐蚀性的高温废气的工业余热回收器中，热管用钠或锂作为工 质。因为钠或锂与陶瓷材料不相容，这种材料必须进行适当的保护，可以用化学蒸汽沉 积的方法以耐热金属给陶瓷热管内表面加上一层里衬。热管内的周向吸液芯可做成单独 的结构，也可以做成金属内衬的一部分。陶瓷管和耐热金属内衬必须满足强度、化学稳 定性、热冲击阻抗、加工性及与真空封装接头相连接的能力。 ( 6 ) 强化沸腾表面热虹吸管 l a r k i n 研究了铜一水热虹吸管中在蒸发段的内表面采用下列强化方法的传热问题 嘲：铜网；插入带有许多凹坑的铜制套筒；聚四氟乙烯套筒；带有捕获液体的 凹槽聚四氟乙烯套筒。各种不同的强化方法的实验数据显示，当温度超过5 0 c 时，采 用的方法对传熟没有明显的强化作用，而在较低的温度下，在蒸发段全都铺满铜网的情 况下可以达到2 0 0 的传热强化。 1 2 3 热管在我国的发展情况 我国自7 0 年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却及空间 飞行器方面的应用研究”3 。由于我国是一个发展中国家，能源的综合利用水平比较低， 因此自8 0 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 了热管气一气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类热 管产品。由于碳钢一永两相闭式热虹吸管的结构简单、价格低廉、制造方便，易于在工 两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟 作中推广应用，碳钢一水相容性的基本解决，使得此类热管得以广泛地应用，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。 但是同国外热管的发展水平相比，我国的热管研究还有较大的差距，存在一些迫切 需要解决的问题，如热管的成本、质量和寿命问题、热管传热强化和效率问题等。当前 我国能源形势非常严峻，石油、煤炭、电力都很紧张，而工业部门的能源利用率很低， 大量工业余热白白浪费，所以热管换热器用于回收余热、提高能源利用率无疑具有广阔 的应用前景。在钢铁工业中，热管换热器目前正在积极地向均热炉、轧钢加热炉等炉窑 的余热回收方面推广。 作为- - l 新技术，热管还需要不断的改进，一系列的问题使得热管技术的推广受到 影响。首先是热管的造价较高，而我国目前燃料的价格偏低，使得热管投资的回收期较 长，大约为2 到3 年( 国外为1 年左右) ：其次是工业试验时间还不够长，人们对热管 的工作寿命还有所怀疑。此外，热管翅片和壳体的抗腐蚀及耐磨损性能，还有待进一步 提高，特别是翅片热管在多粉尘烟气中的积灰与磨损问题更应该认真研究。另外，实际 使用的热管技术含量较低，在实验室的研究成果真正应用到工业中需要很长的一段时 间。不过随着我国热管技术的进一步发展，上述问题将会逐步得到解决，热管技术的应 用前景也将越来越广阔。所以我们需要开拓新思路，开发新型热管技术，同时加强国际 间学术交流，在学习国外先进经验的基础上，建立自己完整的研究体系。 1 3 热管技术的应用 1 3 1 热管技术在各行业的应用 自热管技术问世以来，由于其诸多优点，使其在在传热技术领域的影响不断扩大， 在各个行业都得到了广泛的应用”1 。在传统的化工行业( 例如合成氨、硫酸、盐酸和 硝酸的生产等) 、石油化工、建材行业( 例如玻璃、水泥、陶瓷等) 、纺织行业、冶金 行业、动力工程( 例如工业锅炉、柴油机等) 等各个部门中，热管技术都发挥了其独特 的优点。 随着热管技术的日益成熟和研究的不断深入，在扩展传统领域应用的同时，在原有 的基础和工程条件下，热管在在其他方面的应用也层出不穷，热管研究和应用的领域也 在不断拓宽。新能源的开发，子装置芯片冷却、笔记本电脑c p u 冷却以及大功率晶体 管、可控硅元件、电路控制板等的冷却，化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域 的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展。 ( 1 ) 热管空气预热器 大连理工大学硕士学位论文 空气预热器是一种已经广泛地应用于石油、化工、能源等领域的重要节能装置。由 于传统的管式空气预热器在运行中存在低温腐蚀、积灰等问题，热管技术在这方面表现 出其非凡的优点。采用热管空气预热器，不仅解决了低温腐蚀、堵灰等问题，还能保证 锅炉长期平稳运行，并且维修费用低，节能效果明显，同时有效防止漏风，降低了引风 机的耗电量。随着热管技术的日趋成熟，热管空气预热器取代管式空气预热器是目前的 趋势，必将得到大力推广。 ( 2 ) 热管换热器 热管换熟器是随着热管技术的开发而发展起来的，属于热流体与冷流体互不接触的 表面式换热器。热管换热器的最大特点是：结构简单，换热效率高，在传递相同热量的 条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器；换热流体通过换热器时的压力 损失比其他换热器小，因而动力消耗也小：由于热管元件相互独立，即使某根热管失效， 也不会产生太大影响：可以方便地调整冷热侧换热面积比，可有效避免有腐蚀性气体的 露点腐蚀。从结构型式来看，热管换熟器可分为整体式、分离式、回转式和组合式熟管 换热器。 ( 3 ) 热管用于电机的冷却 热管用于电机冷却可以分为两种形式：一种是装在电机定子和转子的发热部位，把 热量导出到电机两端容易散热的部位，从而降低电机的温升，这种方法需要适当地改变 电机的结构。另一种是旋转热管电机，这时电机的转子为空心轴，空心轴本身做成旋转 热管，电机转子的热量通过旋转热热管带到电机的一端散掉，这样就可以使转子的温升 下降很多，同时定子绕组的温升也有所降低。两种形式热管的使用，在保持绕组绝缘体 的耐热要求的条件下，可以提高电机的功率。 ( 4 ) 热管技术在电子电器工程中的应用 电子技术近年来迅速发展。电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化， 使得单位容积电子器件的发熟量快速增大。电子技术的发展需要有良好的敬熟手段来保 证，而满足紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率和不需要维修等条件的手段，当属热 管技术。热管技术已在电气设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路 板的散热方面取得很多应用成果。电子技术的飞速发展对热管散热技术提出了更高的要 求，这也促进了热管技术本身的发展。微型热管、小型热管、回路热管、毛细泵回路热 管、振荡热管等新型、高效、紧凑热管散热器也迅速棱开发出来，在密闭壳体中电子器 件的散热、笔记本电脑c p u 的散热、大功率电子元件的冷却、热管电机等方面都取得 了不错的效果。 ( 5 ) 热管技术在太阳能中的应用 两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟 太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁无污染能源。由于热管本身所具有的众多特点， 如均温性、热流密度可变性、热二极管特性等，使其在太阳能的应用中具有极为广泛的 应用前景。当今对热管太阳能技术的开发大致可分为三个方面i 民用太阳能集热器：热水供应、取暖、制冷、太阳能冰箱、太阳灶等； 农业、工业用太阳能集热器：如海水淡化、粮食及各种物料的干燥、太阳能暖房； 太阳能发电设备：利用太阳能收集板、高温液态金属热管、储热装置、斯特林发 电机组合成的发电机已开发成功，非常适用于沙漠、高山及缺少能源的地区。 近年来热管技术在太阳能中的应用方面，比较突出的是太阳能空调。热管式太阳能 空调制冷系统由太阳能集热器、溴化锂吸收制冷系统、数台循环泵、蓄热的水箱、辅助 电加热器、两个冷却器和连接管路等辅助器件以及控制系统组成，如图1 4 所示。热管 式真空管技术的发展，为太阳能吸收式制冷系统的广泛应用奠定了坚实基础。太阳能热 管吸收式制冷系统的实用化在很大程度上取决于太阳能集热器，采用热管式真空管作为 集热器具有极大的优越性。热管式太阳能空调制冷系统是间歇式系统，加入一个辅助电 加热器可以保证夜间也能连续制冷，构造不复杂，性能可靠，但稳定性较差。太阳能热 管吸收式空调制冷系统以其环境保护的制冷手段己逐渐被人们广为接受，其实用化的 产品开发仍在积极的探索研究中。 图i 4 热管式太阳能空调 f i 9 1 4h e a t p i p es o l a r a i rc o n d i t i o n ( 6 ) 热管技术在核电工程中的应用 随着热管技术的成熟和核电技术的迅速发展，热管技术在核电工程中的应用显得越 来越重要。最早的开发是在空阊核电源中的应用，逐渐发展到地面核反应堆及核废料的 散热、事故情况下的安全壳体保护以及热管蒸汽发生器等方面。随着核电技术应用的发 展和推广，热管技术将会起到很重要的作用。 大连理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 热管技术在航天飞行技术上的应用 热管是应航天技术发展的要求而发展的，所以首先在航天技术方面得到了许多重要 的应用。由于热管特别适合在失重和低重力场合下使用，所以在航天器上的温控技术中 热管占有重要地位。过去几十年已经有许多热管作为温控部件或实验装置安装在航天器