第一部分：热管及热管换热器.ppt

第一部分 热管及热管换热器 热管 简单讲 以真空相变原理工作的一种极其高效的传热元件 实验对比 热管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 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 卫星传热例子 1热管技术回顾 发展史 1 1国际情况1944年 美国通用发动机公司 R SGaugler首先提出热管设想及概念 用于冷冻装置专利 1963年 LosAlamos国家实验室的G M Grover独立发明类似传热元件 并付诸实践 测试 64年发表论文正式命 HeatPipe 证明了其 超导热性 实验为5200W不锈钢 钠有芯热管 1965年 美Cotter首次提出较完整的热管理论1967年 LosAlamos国家实验室将一不锈钢 水热管放入人造卫星 空间零重力传热试验成功 从此 各国科学家纷纷研究 热管技术大发展 1969年 日本 前苏联发明不同种类热管 如可变导热管 旋转热管等 1970年 美国出现商品热管 空间到地面 开始应用 最著名 阿拉斯加输油管线支撑 112000根氨热管 9 23米 保证永冻土 1974年后 热管换热器应用于节能及新能源开发 美 日领先 1980年 美Q Dot公司热管余热锅炉 日帝人公司锅炉给水预热器 然后回转式 分离式等新结构出现 日趋大型化及工业化 1984年 Cotter微型热管理论 出现毛细泵热管 回路热管等应用航天及电子工业 长距离挠性热管等应用特殊场合 1990年后热管在理论 实验 结构 应用等方面长足发展 尤其今天 节能减排中发挥巨大作用 1973年德国斯图加特 Stuttgart 第一届国际热管会议 以后分别在不同国家举行 现已召开十五次 其中两次在中国举行 2010年4月 第十五届国际热管会议 15thInternationalHeatPipeConference 在美国南卡罗来纳州召开 本届会议论文大会报告 1 环路热管 2 芯结构和工质 3 环路热管的建模 4 热虹吸管 5 热管的基础和建模 6 空间热管和技术 7 小型热管 8 平板热管和蒸汽腔 9 特殊热管和技术 10 脉动热管 11 热管的工业应用 从论文来看 环路热管 脉动热管和特殊热管等仍然是当今热管研究的热点 热管的结构和工质改进等仍是提高热管性能和适用性的重要议题 1970年后 热管性能研究 空间飞行器 高温热管及可控硅散热方面应用研究 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 1980年后 热管研究重点转向节能及能源利用领域 相继开发了气气式热管换热器 热管余热锅炉 高温热管蒸汽发生器 高温热管热风炉等 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 1990年后 碳钢 水两相闭式热虹吸管研究走在世界前列 热管研究及应用领域不断拓宽 航天 化工 动力 冶金 建筑 食品等几乎各个领域 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 1983年哈尔滨第一届全国热管会议直到2010年深圳第十二届全国热管会议 推动我国热管事业发展 热管骗子例子 1 2中国情况 1983年开始研究 参加第一届热管会议 东北热管协会理事单位 汽车热管采暖装置热管式锅炉节能消烟装置硫酸工业热管换热器内燃机排气蒸发喷射节能装置热管式可控硅散热器研究热管热风炉平板及多槽道微热管研究真空相变供热装置及系统热管锅炉及真空相变锅炉异形分离式热管研究 1 3吉林大学 原吉林工大 研究进展 2热管工作原理 2 1热管的组成 典型热管 管壳 吸液芯 工质 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 在真空状态下 液体的沸点降低 同种物质的汽化潜热比显热高的多 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 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 2 2热管的三个区段的划分 根据热管外部热交换情况分 加热段 绝热段 冷却段 根据热管内部工质传热传质情况分 蒸发段 绝热段 冷凝段 2 3热管的传热热管在实现其热量转移过程中 包含了六个相互关联的主要过程 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液 汽分界面 液体在蒸发段内的液 汽分界面上蒸发 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段到冷凝段 蒸汽在冷凝段内的汽 液分界面上凝结 热量从汽 液分界面通过吸液芯 液体和管壁传给冷源 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段 在上述过程中 存在11种传热热阻 热阻用R表示R1 热源与热管外表面的传热热阻R2 蒸发段管壁径向传热热阻R3 蒸发段毛细芯径向传热热阻R4 汽 液交界面蒸发传热热阻R5 蒸汽轴向流动传热热阻R6 汽 液交界面冷凝传热热阻R7 冷凝段毛细芯径向传热热阻R8 冷凝段管壁径向传热热阻R9 管壁外表面与热汇传热热阻R10 管壁轴向传热热阻R11 吸液芯轴向传热热阻R10 R11与R1 R9相比很大 通常看作断路 总热阻 R R1 R9从热源到热汇的总温降 T也是这9个温降的总和 T T1 T9热管的传热过程 总热流量Q与总温降 T 总热阻R的关系为 Q T R 热管内质量流 压力和温度分布 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 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 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 3热管基本特性相变传热 热阻小 极高的导热性 换热效率高 节能效果显著汽液处于饱和状态 优良的等温性 温度展平蒸发段 冷凝段换热面积可变 热流密度的可变性 调节管壁温度 避免露点腐蚀 热流方向的可逆性单向导热 热二极管 太阳能 地土永冻 热开关性能 控制热管工作温度范围加热量变化 热阻改变 控制温度 可控热管 可变导热管 汇源分隔 环境适应性好 4两相闭式热虹吸管 重力热管 热虹吸管与有芯热管的区别在于冷凝液回流的机理不同热虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流有芯热管是依靠毛细抽吸力使冷凝液回流 重力热管的特点 不需要吸液芯 制作简单 成本低廉 减少了吸液芯本身产生的热阻R3与R7 具有良好的传热性能 一切由吸液芯引起的故障 均可避免 工作可靠 重力热管应用场合 只能应用于重力场中 而不能用于空间 无重力场 只能将热管的下部作为加热段 而上部作为冷凝段 主要用于传热 不能用于均温 可以作为热二极管 根据重力热管具有的特点 国内作为余热回收用的热管换热器大多数采用这种形式的热管 5热管分类按照热管管内工作温度分 低温热管 273 0 常温热管 0 250 中温热管 250 450 高温热管 450 1000 按照工作液体回流动力分 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 按管壳与工作液体的组合方式分 铜 水热管 碳钢 水热管 铝 丙酮热管 碳钢 萘热管 不锈钢 钠热管 按结构形式分 普通热管 分离式热管 毛细泵回路管 微型热管 平板热管 径向热管按热管的功用分 传输热量的热管 热二极管 热开关 热控制用热管 仿真热管 制冷热管 6热管的相容性及寿命相容性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 影响热管寿命及工作的重要因素之一产生不凝性气体 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 这种不相容的最典型例子就是碳钢 水热管 由于碳钢中的铁与水发生以下的化学反应 Fe 2H2O Fe OH 2 H2 3Fe 4H2OFe3O4 4H2 Fe OH 2Fe3O4 H2O H2 所产生的不凝性氢气将使热管性能恶化 传热能力降低甚至失效 只有长期相容性良好的热管 才能保证稳定的传热性能 长期的工作寿命及工业应用的可能性 碳钢 水热管正是通过化学处理的方法 有效地解决了碳钢与水的化学反应问题 才使得碳钢 水热管这种高性能 长寿命 低成本的热管得以在工业中大规模推广使用 7总结热管的重要特点 高导热性 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 与银 铜 铝等金属相比 单位重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 并且热管的传热能力受到各种因素的限制 存在着一些传热极限 良好的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态 饱和蒸汽的压力决定于饱和温度 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Clausuis Clapeyron方程式可知 温降亦很小 因而热管具有优良的等温性 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 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 或者热管可以较大的传热面积输入热量 而以较小的冷却面积输出热量 这样即可以改变热流密度 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做为蒸发段 而另一端向外散热就成为冷凝段 此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平 也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置 热二极管与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关 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 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变 因此当加热量变化时 热管各部分的温度亦随之变化 但人们发展了另一种热管 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 这样可使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 环境适应性 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 8热管的工程应用 8 1热管换热器热管换热器 由许多单根热管组成的换热器特点 结构简单 换热效率高 压力损失小 安全可靠 灵活调温类型与结构 按照热流体和冷流体的状态 热管换热器可分为 气 气式 气 汽式 气 液式 液 液式 液 气式按结构型式分 可分为整体式 分离式 回转式和组合式 气 气式热管换热器 整体式热管换热器的特点 高效传热 热管的冷 热侧均可根据需要采用高频焊翅片强化传热 流动阻力小 体积小 重量轻 强化传热 能避免冷 热流体的串流 每根热管都是相对独立的密闭单元 冷 热流体都在管外流动 并由中间密封板严密的将冷 热流体隔开 防止和降低露点腐蚀 通过调整热管根数或调整热管冷热侧的传热面积比 使热管的管壁温度尽量提高到露点温度以上或在合适的区域 有效的防止积灰 换热器设计可采用变截面结构 保证流体进出口等流速流动 达到自清灰的目的 无任何转动部件 没有附加动力消耗 不需要经常更换元件 即使有部分元件损坏 也不影响正常生产 单根热管的损坏不影响其它的热管 同时对整体换热效果的影响也可忽略不记 加热炉余热回收 某炼油厂加热炉用的热管空气预热器 某化工厂加热炉热管空气预热器 某石化二联合加热炉热管空预器 8 2航天上的应用 1979年 当闵桂荣率领空间热物理代表团赴美参加美国宇航学会热物理年会时 他的大会报告让西方专家吓了一跳 偌大的饭店里 因为中国代表团所做报告产生轰动效应 其他两个会议竟然暂停了下来 这是中国航天科技工作者首次在国际会议上进行高水平的航天学术报告 与会的国外专家这才发现 先进的热管 百叶窗等热控技术在中国卫星上的应用竟然比欧洲 日本早了十年 摘自 中国航天报 热管适应航天技术的发展的要求而发展的 所以热管技术在航天领域得到了许多非常重要的应用 由于航天领域中热管运行可靠性及其本身的各种性能都有严格的要求 这些要求也促进了热管技术的发展 下面是一个具体的应用实例 从中就可以看出热管技术在航天领域的重要位置 要求 质量小 高性能 高可靠 长寿命和能耐受空间环境 微重力 发射时的力学环境 空间粒子辐射等 航天器常用的热管 铝合金轴向槽道热管工质 氨 丙酮 氮 氖 8 3热管低温桩 形成永冻土 利用二极管特性 冬季 将地下热量传递给地面上空气 辐射及对流 夏季 截止工作 美阿拉斯加输油管线支撑1300公里 112000根钢 氨重力热管 热管长9 23米 热管稳定青藏铁路冻土路基国家重大建设工程 也是世界上最著名的工程之一 青藏铁路格