热管技术及其工程应用.docx

热管技术及其工程应用(2)晨怡热管 2007-6-9 22:07:05 第二章 热管及其特性热管：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。 一.热管的组成 图2.1 热管示意图1管壳；2管芯；3蒸汽腔；4工作液 国外资料: (From )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).(Heat Pipes for Dehumidification(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”。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。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。(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)。五.热管的工作特性对于普通热管，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图所示。热管内质量流、压力和温度分布 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(见上图上部及下图)。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。相容性在热管的应用中具有重要的意义。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。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三方面：(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 总结：热管技术的重要特点 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，是因其具有如下的重要特点。 (1)热管换热设备较常规设备更安全、可靠，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。常规换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄漏，则将造成停产损失。由热管组成的换热设备，则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体，而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。(2)热管管壁的温度可调性热管管壁的温度可以调节，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。这在电站锅炉尾部的空气预热方面应用得特别成功，设置在锅炉尾部的热管空气预热器，由于能调整管壁温度不仅能防止烟气结露，而且也避免了烟灰在管壁上的粘结，保证锅炉长期运行，并提高了锅炉效率