热管技术及其工程应用(清华大学内部资料).doc

Heat pipe Technology and Engineering Application北京交通大学机电学院热能与动力工程系?热管种类工作介质相容材料工作温度/低温热管氨铝，低碳钢，不锈钢-60100常温热管丙酮铝，铜，不锈钢0120甲醇铜，碳钢，不锈钢12130水铜，内壁经化学处理的碳钢30250中温热管联苯碳钢，不锈钢147300导热姆A铜，碳钢，不锈钢150395汞奥氏体不锈钢250650高温热管钾不锈钢4001000钠不锈钢，INCONEL合金5001200银钨，钽18002300一当今传热工程面临两大问题：具有良好导热性的材料有铝202W/m?、柴铜385W/ m?、和银：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105 W/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 R.S.Gaugler19441962L.TrefethenGaugler1967- 1970 1980Q-Dot 1984Cotter70197319761978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1970197612780-198719918130th1983.1管壳；2管芯；3蒸汽腔；4工作液A traditional heat pipe is a hollow cylinder filled with a vaporizable liquid. A.Heat is absorbed in the evaporating section.B.Fluid boils to vapor phase.C.Heat is released from the upper part of cylinder to the environment vapor condenses to liquid phase.D.Liquid returns by gravity to the lower part of cylinder evaporating section.:From Heat Pipes for Dehumidification除湿气 二. 热管的工作过程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.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。什么叫冷凝极限-什么叫沸腾极限什么叫携带极限什么叫毛细极限.1234567.abc.1产生不凝性气体由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化。2工作液体物性恶化有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能。3管壳材料的腐蚀、溶解工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。.（1）温度展平（均温技术）（2）汇源分隔（3）变换热流密度（4）热控制可变导热管 （5）单向导热热二极管 （6）旋转元件的传热旋转热管（7）微型热管技术（8）高温热管技术1234-.Two-Phase Closed Thermal-siphon例如：.Gray1969.分离式热管结构示意图分离式热管既有经典热管的共性两相流动、相变传热、自然循环等，同时也具有鲜明的个性管内汽液两相同向流动。分离式热管内蒸汽与液体通向流动，故不存在携带极限，限制其传热能力的主要极限为烧干极限、声速极限和冷凝极限。适当加大其冲液量，加大蒸汽上升管的管径或增加蒸汽上升管的个数等方法可以适当消除这些极限的影响。.可变导热管热阻的简化模型Variable conductance heat pipeVCHPReRc Rv可变导热管可以分成两大类：第一类为随着热源温度或热流率的变化，保持热管的工作温度不变；另一类为保持热源温度不变。.MHP微型热管横截面示意图10500m1mm.CPL-Capillary Pumped LoopNASA LewisStenger1966毛细泵回路以其独特的工作方式工作，具有以下工作特点：12345毛细泵回路的研究已经成为目前研究的热点之一，它在空间站、现代通讯卫星、大功率宇宙飞船、电子元器件的冷却方面都有着广阔的应用前景。无重力干涸极限、沸腾极限、携带极限常用于热源在冷源下方的情况无离心力冷凝极限、携带极限、沸腾极限所有需要冷却散热的旋转零部件无重力烧干极限、声速极限、冷凝极限需要严格避免冷热流体相互渗漏的场合有些有毛细力或其他烧干极限、携带极限、冷凝极限需要冷凝段或蒸发段的温度不随热负荷变化而变的场合有毛细力毛细极限、沸腾极限电子产品等有毛细力毛细极限等航空领域，电子元器件等4.1a 图4.1 a热管换热器示意图b气-气热管换热器实物照片热管换热器的分类-1 该换热器是由许多单根热管组成的。热管数量的多少取决于换热量的大小。图4.1b是一种典型的整体是热管换热器气-气整体式热管换热器之实物照片。经过这种换热器的两种流体都是气体。为了提高气体的换热系数，往往采取在管外加翅片的方法，这样所需的热管数目大大减少。4 整体使热管换热器均由同一类型的热管所组成。而组合式热管换热器则是根据换热器所处的温度不同，而选择充有不同工作液体的热管。这样可以使大幅度的提高换热效率。3. 该类换热器有两个显著优点：一是借助转动的离心力来实现工作液体循环，同时转动促使气流的搅动，增强传热，这对含尘较多的气体更为有效。二是这类换热器兼有送风机的功能。但由于增添了转动机构使结构复杂化，另外还增加了动力消耗。回转热管换热器可分为离心式、轴流式和涡流式。2 主要是利用热管的分离技术，将多根分离式热管组合按实际应用现场条件组合在一起够成。具有一些常规换热器不具备的特性；根据现场实际情况，可灵活地布置发段和冷凝段；一种热流体可同时加热两种不同的冷流体安全而又可靠；管排内的蒸汽温度可以调整。管径设计的一个基本原则就是管内的蒸汽速度不超过一定的极限值，这个极限值就是在蒸汽通道中最大马赫数不能超过0.2，这时蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动，轴向温度梯度很小，可以忽略不计。热管部工作时，一般处于负压状态（低温热管除外），外界压力一般为大气压力，故可以不考虑管壳失稳的问题，因而管壳的设计主要从强度考虑。管壳壁厚由强度计算所得壁厚加上腐蚀裕度得出，端盖则可以按照平板的设计较容易的设计。设计吸液芯的依据是毛细极限的计算。验算携带极限、沸腾极限，最后核算Re数，验算是否为层流流动。-项目规格基管公称直径D/mm25 32 38 42 48（51）基管壁厚/mm2-3 2.5-4 3.5-5.翅片厚S/mm0.8-2.0翅片高h/mm10 12.5 14 16 18 20节距t/mm5-20总长L/mm10000各区段长由设计决定注：本标以外规格可由需方提出商定重力式钢-水热管的生产制造符合DG1015-94标准二热管换热器设计UA-2选择适当的翅片管参数根据设计条件，对不同类型的换热器体应选择合适的翅片管参数。对洁净气体可选择较密的翅片间距和较薄较高的翅片；对含尘夺得或有腐蚀性的气体则应选择间距较宽，翅片较厚较低的翅片管管的壁厚也应稍厚以抗腐蚀和磨损，下表为工业常用的规格参数，可供设计参考。1选择适当的标准迎面风速热管换热器设计应遵循一条重要原则，即把迎面风速（标况）限制在2-3m/s的范围内，风速过高将导致压力将过大和动力消耗增加，风速过低会导致关外膜传热系数降低，管子的传热能力的不到充分发挥。3重视原始设计参数的核实及计算公式的验证热管换热器的设计应特别重视原始设计参数，因为一般作为余热回收设备通常是在已运转的系统中作为附加设备设计的，因此对前后设备的影响要求颇为严格，现场原始参数（气温、气量）必须精确测定。根基场地情况、系统的要求（压降、温降），选?窈鲜实慕峁埂褂贸喜问问盏骷耙话阈幸倒荡笮妥爸帽缸艹?mm610-48803000-60001-1.2多为有色金属烟气侧，一般3-6管子外径/mm8-25. 432-51壁厚/mm1-1.2 1.652.5-6翅片数/（片/mm）8 11 143或6翅片高度/mm12.5-1415，25翅片厚度/mm0.17-0.581. 27-2管排数3 4 5 6 76 7 12管子排列方式错列（多）顺列（少）热管的管壳大多数为金属无缝钢管，根据不同的应用需要可以采用不同的材料。管子可以多种不同形状。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以是从几毫米到100米以上。工业热管换热器所采用的管子一般为标准尺寸的无缝钢管。低温热管换热器的管材一般为铜或铝，满足与工作液体相容性的要求。对于以水为工作液体的热管换热器常采用内部为铜管外部为钢管的复合管，这样既满足了管子的强度、刚度又使其具有了很强的抗腐蚀能力。但在后来解决了碳钢-水不相容的问题后，碳钢-水热管逐渐取代了复合热管，并已经大量应用取得了很好的效果。热管的端盖具有多种结构形式，它与热管的连接方式也因结构形式而异。50-200oC300oC50oC:1、小型锅炉烟气余热回收：将热管换热器装在锅炉排烟管道内，利用烟气余热，预热送风参加燃烧，可使用锅炉效率提高5左右。C?C?3、用于回收余热的热管开水器：可安装在STY-20型燃油锅炉排烟管道中，利用排烟余热，可将17oC冷水加热到98-125oC ，日产开水5T，回收热量约1882MJ。C?C?2、作为空气预热器应用：将干噪炉排气作为热管换热器热端的加热介质，温度由204oC降到51 oC，预热所需的干燥空气，每小时可回收热量287MJ。回收低温余热余热助燃空气，或生产低压蒸汽作为原料；回收高温余热产生中压蒸汽作原料蒸汽的补充，或生产高压蒸汽作为生产的动力源；控制固定床催化反应器的化学反应温度，使其向最佳反映温度曲线无限逼近，从而提高合成氨的效率。沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收；沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收；SO2炉气余热回收；SO3气体冷却器；热管裂解炉；热管乙苯脱氢反映器；热管氧化反应器；催化裂化再生取热器；408090高岭土喷雾干燥热风炉；十二醇硫酸钠喷雾干燥；玻璃窑炉的余热回收；水泥生产工业中的回转窑冷却机的余热利用、废尾气余热利用、悬浮预热机、烘干机等热工设备；陶瓷窑炉的隧道窑烟道气余热利用；电瓷厂遂道窑冷却带余热利用；纺织工业中的热定型机余热回收利用、浆纱机的余热回收等。1600oC70坯件加热炉热管空气预热器；线材退火炉；轧钢连续加热炉；热管余热锅炉；热管省煤器等。C?管式热管散热器示意图1为冷凝段2为蒸发段热管问世以来，使电力电子装置的散热系统有了新的发展。热管使自冷的应用范围迅速扩大。因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠，热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围近年来，大功率电子器件的冷却上采用了热管，收到较好效果。如上图所示，对于大功率的晶体管采用圆柱形热管作为散热元件。在解决CPU温度的问题时，铜、纯铝制散热器已经成为最为普及的产品但其传热性能仍然远小于热管散热器。采用热管技术的散热器也越来越多，有些厂商甚至拿它作为卖点或者树立品牌形象。“1979.1. My idea:如右图所示：为一种“新型”热管。蒸发段在冷凝段上部；高速往复运动部件；视使用场合具体确定。在内燃机上可以安装在活塞下部，用以给活塞冷却，但是有很多问题需要解决：强度、尺寸、安装方法、对内燃机经济性影响2.内燃机排气余热约占燃烧所产生热量的34，排气温度在300-500oC之间。回首这部分热量，将会大大提高内燃机的经济性。目前已经开发出柴油机热管余热锅炉，在船用柴油机排气余热回收、发电机组余热回收等方面起到了显著的效果。随着热管技术的成熟和核能技术的迅速发展，热管技术在核电工程中的应用显得越来越重要。最早的开发在空间核电源中的应用，已逐渐发展到地面核反应堆及核废料的散热及事故预防等方面。在这个领域具体应用有：空间核电源中的应用、核废料的冷却、事故情况下的安全壳体保护、热管蒸汽发生器等太阳能取之不尽、用之不尽的洁净无污染的能源。广泛利用太阳能将是未来世界能源利用中的重要途径。由于热管本身具有的特性，使得其在太阳能中的利用具有极其广阔的应用前景。我国的热管太阳能应用技术主要集中于民用热水器的开发研究，但其制造价格