熱管及熱管換熱器.ppt

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第一部分,熱管及熱管換熱器,熱管——簡單講，以真空相變原理工作的一種極其高效的傳熱元件,實驗對比,熱管的研究背景 當今傳熱工程面臨兩大問題：研究高絕熱材料和高導熱材料。 具有良好導熱性的材料有鋁[(λ＝202W/m?℃)]、柴銅[λ＝385W/ m?℃]、和銀：λ＝410W/ m?℃)]，但其導熱系數(shù)只能達到 102W/m?℃的數(shù)量級，遠不能滿足某些工程中的快速散熱和傳熱需要，熱管的發(fā)明就解決了這一問題。 熱管的相當導熱系數(shù)可達105 W/m?℃的數(shù)量級．為一般金屬材料的數(shù)百倍乃至上千倍。它可將大量熱量通過很小的截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。由于熱管具有導熱性能好、結構簡單、工作可靠、溫度均勻等良好性能． 熱管是傳熱領域的重大發(fā)明和科技成果，給人類社會帶來巨大的實用價值。 衛(wèi)星傳熱例子,1 熱管技術回顧（發(fā)展史） 1.1 國際情況 1944年，美國通用發(fā)動機公司，R.S Gaugler首先提出熱管設想及概念。用于冷凍裝置專利。 1963年，Los Alamos國家實驗室的G.M.Grover獨立發(fā)明類似傳熱元件，并付諸實踐，測試、64年發(fā)表論文正式命“Heat Pipe”。證明了其“超導熱性”。實驗為5200W不銹鋼——鈉有芯熱管。 1965年，美Cotter首次提出較完整的熱管理論 1967年， Los Alamos國家實驗室將一不銹鋼——水熱管放入人造衛(wèi)星，空間零重力傳熱試驗成功。從此 ，各國科學家紛紛研究，熱管技術大發(fā)展。 1969年，日本、前蘇聯(lián)發(fā)明不同種類熱管，如可變導熱管，旋轉熱管等。,1970年，美國出現(xiàn)商品熱管?？臻g到地面，開始應用。最著名：阿拉斯加輸油管線支撐，112000根氨熱管，9——23米，保證永凍土。 1974年后，熱管換熱器應用于節(jié)能及新能源開發(fā)，美、日領先。 1980年，美Q-Dot公司熱管余熱鍋爐，日帝人公司鍋爐給水預熱器，然后回轉式、分離式等新結構出現(xiàn)，日趨大型化及工業(yè)化。 1984年，Cotter 微型熱管理論。出現(xiàn)毛細泵熱管、回路熱管等應用航天及電子工業(yè)。長距離撓性熱管等應用特殊場合。 1990年后熱管在理論、實驗、結構、應用等方面長足發(fā)展，尤其今天，節(jié)能減排中發(fā)揮巨大作用。 1973年德國斯圖加特（Stuttgart)第一屆國際熱管會議，以后分別在不同國家舉行，現(xiàn)已召開十五次，其中兩次在中國舉行。,2010年4月，第十五屆國際熱管會議(15thInternational Heat Pipe Conference)在美國南卡羅來納州召開。本屆會議論文大會報告：1、環(huán)路熱管；2、芯結構和工質；3、環(huán)路熱管的建模；4、熱虹吸管；5、熱管的基礎和建模；6、空間熱管和技術；7、小型熱管；8、平板熱管和蒸汽腔；9、特殊熱管和技術；10、脈動熱管；11、熱管的工業(yè)應用。 從論文來看，環(huán)路熱管、脈動熱管和特殊熱管等仍然是當今熱管研究的熱點，熱管的結構和工質改進等仍是提高熱管性能和適用性的重要議題。,1970年后，熱管性能研究?？臻g飛行器、高溫熱管及可控硅散熱方面應用研究。 1976年12月7日，在衛(wèi)星上首次應用熱管取得了成功；我國氣象衛(wèi)星也應用了熱管，取得了預期的效果。 1980年后，熱管研究重點轉向節(jié)能及能源利用領域。相繼開發(fā)了氣氣式熱管換熱器、熱管余熱鍋爐、高溫熱管蒸汽發(fā)生器、高溫熱管熱風爐等。從1987到1991年．我國先后在四川、福建、北京、浙江、河北等地8臺130t／h以上電站鍋爐上應用了大型熱管換熱器，回收煙氣余熱加熱鍋爐鼓風空氣。 1990年后，碳鋼——水兩相閉式熱虹吸管研究走在世界前列。熱管研究及應用領域不斷拓寬，航天、化工、動力、冶金、建筑、食品等幾乎各個領域。 我國的熱管技術工業(yè)化應用的開發(fā)研究發(fā)展迅速，學術交流活動也十分活躍。 1983年哈爾濱第一屆全國熱管會議直到2010年深圳第十二屆全國熱管會議，推動我國熱管事業(yè)發(fā)展。 熱管騙子例子,1. 2 中國情況,1983年開始研究，參加第一屆熱管會議，東北熱管協(xié)會理事單位。 汽車熱管采暖裝置 熱管式鍋爐節(jié)能消煙裝置 硫酸工業(yè)熱管換熱器 內燃機排氣蒸發(fā)噴射節(jié)能裝置 熱管式可控硅散熱器研究 熱管熱風爐 平板及多槽道微熱管研究 真空相變供熱裝置及系統(tǒng) 熱管鍋爐及真空相變鍋爐 異形分離式熱管研究,1. 3 吉林大學（原吉林工大）研究進展,2 熱管工作原理,,2.1 熱管的組成（典型熱管）管殼、吸液芯、工質,,圖2.1 熱管示意圖 1—管殼；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液,熱管：是一種傳熱性極好的人工構件，常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管殼），內部空腔內有少量工作介質（工作液）和毛細結構（管芯），管內的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學原理： ⑴在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低； ⑵同種物質的汽化潛熱比顯熱高的多； ⑶多孔毛細結構對液體的抽吸力可使液體流動。 從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段三部分。,熱管的管殼是受壓部件，要求由高導熱率、耐壓、耐熱應力的材料制造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運行中管殼無腐蝕，工質與管殼不發(fā)生化學反應，不產(chǎn)生氣體。 管殼材料有多種，以不銹鋼、銅、鋁、鎳等較多，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱端和冷端接受和放出熱量，并承受管內外壓力不等時所產(chǎn)生的壓力差。,熱管的管芯是一種緊貼管殼內壁的毛細結構，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結金屬構成。如右圖所示為幾種不同的管芯的結果示意圖,熱管的工作液要有較高的汽化潛熱、導熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。工作液體還應有較大的表面張力和潤濕毛細結構的能力，使毛細結構能對工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結構和管壁產(chǎn)生溶解作用，否則被溶解的物質將積累在蒸發(fā)段破壞毛細結構。,,2.2 熱管的三個區(qū)段的劃分 * 根據(jù)熱管外部熱交換情況分：加熱段、絕熱段、冷卻段 * 根據(jù)熱管內部工質傳熱傳質情況分：蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段,,2.3 熱管的傳熱 熱管在實現(xiàn)其熱量轉移過程中，包含了六個相互關聯(lián)的主要過程： ① 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 ② 液體在蒸發(fā)段內的液—汽分界面上蒸發(fā) ③ 蒸汽腔內的蒸汽從蒸發(fā)段到冷凝段 ④ 蒸汽在冷凝段內的汽—液分界面上凝結 ⑤ 熱量從汽—液分界面通過吸液芯、 液體和管壁傳給冷源 ⑥ 在吸液芯內由于毛細作用使冷凝后工作液體回流到蒸發(fā)段,在上述過程中，存在11種傳熱熱阻，熱阻用R表示 R1： 熱源與熱管外表面的傳熱熱阻 R2： 蒸發(fā)段管壁徑向傳熱熱阻 R3： 蒸發(fā)段毛細芯徑向傳熱熱阻 R4： 汽—液交界面蒸發(fā)傳熱熱阻 R5： 蒸汽軸向流動傳熱熱阻 R6： 汽—液交界面冷凝傳熱熱阻 R7： 冷凝段毛細芯徑向傳熱熱阻 R8： 冷凝段管壁徑向傳熱熱阻 R9： 管壁外表面與熱匯傳熱熱阻 R10：管壁軸向傳熱熱阻 R11：吸液芯軸向傳熱熱阻 R10、R11與R1—R9相比很大，通常看作斷路。 總熱阻：R=R1+….+R9 從熱源到熱匯的總溫降△T也是這9個溫降的總和， △T= △T1 +… + △T9 熱管的傳熱過程： 總熱流量Q與總溫降△T、總熱阻R的關系為： Q= △T / R,熱管內質量流、壓力和溫度分布,熱管的工作特性,熱管液汽分界面的形狀 （a）管起動前的液—汽交界面 （b）熱管工作時的液—汽交界面 （c）吸液芯內液—汽界面參數(shù),對于普通熱管，其液體和蒸汽循環(huán)的主要動力是毛細材料和液體結合所產(chǎn)生的毛細力。假設熱管中沿蒸發(fā)段蒸發(fā)率是均勻的，沿冷凝段冷凝率也是均勻的，則其質量流率、壓力分布、溫度分布及彎月面曲率的分布如右上圖所示。 在蒸發(fā)段內，由于液體不斷蒸發(fā)，使汽液分界面縮回到管芯里，即向毛細孔一側下陷，使毛細結構的表面上形成彎月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐漸凝結的結果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形狀，即界面的曲率半徑為無窮大(見右上圖上部及右下圖)。曲率半徑之差提供了使工質循環(huán)流動的毛細驅動力(循環(huán)壓頭)，用以克服循環(huán)流動中作用于工質的重力、摩擦力以及動量變化所引起的循環(huán)阻力。,熱管工作過程動畫,注意：熱管中的水會 因為內部低壓而在100℃ 以下就沸騰蒸發(fā)。,水蒸汽流,,熱量輸入,,液態(tài)水蒸發(fā),,液體由于重力 或吸附力回流,,水蒸汽冷凝,,熱量散失,,熱管的傳熱極限,熱管雖然是一種傳熱性能極好的元件，但也不可能無限加大熱負荷，其傳熱能力的上限值會受到一種或幾種因素的限制，如毛細力、聲速、攜帶、冷凍啟動、連續(xù)蒸氣、蒸氣壓力及冷凝等，因而構成熱管的傳熱極限(或叫工作極限)。這些傳熱極限與熱管尺寸、形狀、工作介質、吸液芯結構、工作溫度等有關，限制熱管傳熱量的級限類型是由該熱管在某種溫度下各傳熱極限的最小值所決定的。具體來講，這些極限主要有（如圖所示）：,從圖中可以看出：當工作溫度低時，最易出現(xiàn)粘性極限及聲速極限。 而在高溫下則應防止出現(xiàn)毛細極限及沸騰極限。故熱管的工作點必須選擇在包絡線的下方。,3 熱管基本特性 相變傳熱，熱阻小→極高的導熱性→換熱效率高，節(jié)能效果顯著 汽液處于飽和狀態(tài)→優(yōu)良的等溫性→溫度展平 蒸發(fā)段、冷凝段換熱面積可變→熱流密度的可變性→調節(jié)管壁溫度(避免露點腐蝕) 熱流方向的可逆性 單向導熱→熱二極管→(太陽能、地土永凍) 熱開關性能→控制熱管工作溫度范圍 加熱量變化→熱阻改變→控制溫度 →可控熱管(可變導熱管) 匯源分隔→環(huán)境適應性好,4 兩相閉式熱虹吸管——重力熱管、熱虹吸管 與有芯熱管的區(qū)別在于冷凝液回流的機理不同 熱虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流 有芯熱管是依靠毛細抽吸力使冷凝液回流 ① 重力熱管的特點： * 不需要吸液芯，制作簡單，成本低廉 * 減少了吸液芯本身產(chǎn)生的熱阻R3與R7， ——具有良好的傳熱性能 * 一切由吸液芯引起的故障，均可避免， ——工作可靠,②重力熱管應用場合： 只能應用于重力場中，而不能用于空間（無重力場）； 只能將熱管的下部作為加熱段，而上部作為冷凝段； 主要用于傳熱，不能用于均溫； 可以作為熱二極管。 根據(jù)重力熱管具有的特點，國內作為余熱回收用的熱管換熱器大多數(shù)采用這種形式的熱管。,5 熱管分類 按照熱管管內工作溫度分： 低溫熱管(-273～0℃)、常溫熱管(0～250℃)、中溫熱管(250～450℃)、 高溫熱管(450～1000℃)。 按照工作液體回流動力分： 有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉熱管、 電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管。 按管殼與工作液體的組合方式分： 銅-水熱管、碳鋼-水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼-萘熱管、不銹鋼-鈉熱管。 按結構形式分: 普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管 按熱管的功用分: 傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管,6 熱管的相容性及壽命 相容性指熱管在預期的設計壽命內，管內工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學反應或物理變化。影響熱管壽命及工作的重要因素之一產(chǎn)生不凝性氣體,由于工作液體與管殼材料發(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冷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。這種不相容的最典型例子就是碳鋼-水熱管，由于碳鋼中的鐵與水發(fā)生以下的化學反應： Fe + 2 H2O ==== Fe(OH) 2 + H2↑ 3Fe + 4 H2O Fe3O4 + 4 H2↑ Fe(OH) 2 Fe3O4 + H2O + H2↑ 所產(chǎn)生的不凝性氫氣將使熱管性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。 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-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-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。,7 總結熱管的重要特點 *高導熱性——熱管內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。 *良好的等溫性——熱管內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Clausuis-Clapeyron 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。,*熱流方向可逆性——一根水平放置的有芯熱管，由于其內部循環(huán)動力是毛細力，因此任意一端受熱就可做為蒸發(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。,*熱二極管與熱開關性能——熱管可做成熱二極管或熱開關，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，熱管各部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)展了另一種熱管 — 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軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術刀等等，熱管也可做成分離式的以適應長距離或冷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）。,8 熱管的工程應用,8.1熱管換熱器 熱管換熱器——由許多單根熱管組成的換熱器 特點： 結構簡單，換熱效率高；壓力損失??；安全可靠；靈活調溫 類型與結構： 按照熱流體和冷流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為： 氣—氣式、氣—汽式、氣—液式、液—液式、液—氣式 按結構型式分： 可分為整體式、分離式、回轉式和組合式,氣——氣式熱管換熱器,整體式熱管換熱器的特點： *高效傳熱——熱管的冷、熱側均可根據(jù)需要采用高頻焊翅片強化傳熱； *流動阻力??； *體積小、重量輕（強化傳熱）; * 能避免冷、熱流體的串流，每根熱管都是相對獨立的密閉單元，冷、熱流體都在管 外流動，并由中間密封板嚴密的將冷、熱流體隔開； * 防止和降低露點腐蝕，通過調整熱管根數(shù)或調整熱管冷熱側的傳熱面積比，使熱管 的管壁溫度盡量提高到露點溫度以上或在合適的區(qū)域； * 有效的防止積灰，換熱器設計可采用變截面結構，保證流體進出口等流速流動，達 到自清灰的目的； * 無任何轉動部件，沒有附加動力消耗，不需要經(jīng)常更換元件，即使有部分元件損壞， 也不影響正常生產(chǎn)； * 單根熱管的損壞不影響其它的熱管，同時對整體換熱效果的影響也可忽略不記。,加熱爐余熱回收,某煉油廠加熱爐用的熱管空氣預熱器,某化工廠加熱爐熱管空氣預熱器,某石化二聯(lián)合加熱爐熱管空預器,8.2 航天上的應用,“1979年，當閔桂榮率領空間熱物理代表團赴美參加美國宇航學會熱物理年會時，他的大會報告讓西方專家嚇了一跳。偌大的飯店里，因為中國代表團所做報告產(chǎn)生轟動效應，其他兩個會議竟然暫停了下來。這是中國航天科技工作者首次在國際會議上進行高水平的航天學術報告。與會的國外專家這才發(fā)現(xiàn)，先進的熱管、百葉窗等熱控技術在中國衛(wèi)星上的應用竟然比歐洲、日本早了十年?！薄浴吨袊教靾蟆?熱管適應航天技術的發(fā)展的要求而發(fā)展的，所以熱管技術在航天領域得到了許多非常重要的應用。由于航天領域中熱管運行可靠性及其本身的各種性能都有嚴格的要求。這些要求也促進了熱管技術的發(fā)展。下面是一個具體的應用實例，從中就可以看出熱管技術在航天領域的重要位置。,要求：質量小、高性能、高可靠、長壽命和能耐受空間環(huán)境（微重力、發(fā)射時的力學環(huán) 境、空間粒子輻射等） 航天器常用的熱管：鋁合金軸向槽道熱管工質：氨、丙酮、氮、氖,8.3 熱管低溫樁（形成永凍土）,利用二極管特性： 冬季——將地下熱量傳遞給地面上空氣（輻射及對流） 夏季——截止工作,美阿拉斯加輸油管線支撐 1300公里，112000根鋼——氨重力熱管，熱管長9——23米,熱管穩(wěn)定青藏鐵路凍土路基 國家重大建設工程，也是世界上最著名的工程之一。 青藏鐵路格爾木至拉薩段全長1142公里，連續(xù)多年凍土區(qū)有547公里。 凍土層冬季凍結夏季消融，建設于凍土之上的鐵路會扭曲變形導致災難。 利用熱管單向導熱性，形成永久的凍土層，解決青藏鐵路凍土變形最有效 而經(jīng)濟的方法。,8.4 熱管太陽能集熱器,8.5 熱管應用于電子領域,電子技術近年來迅速發(fā)展，電子器件的高頻、高速以及集成電路的密集和小型化，使得單位容積電子器件的發(fā)熱量快速提高，而電子器件正常工作必須在一定的溫度范圍之內，電子器件的散熱成為了其發(fā)展的一個瓶頸，因此電子技術的發(fā)展需要有良好的散熱手段來保證。,管式熱管散熱器示意圖 1為冷凝段 2為蒸發(fā)段,熱管問世以來，使電力電子裝置的散熱系統(tǒng)有了新的發(fā)展。熱管使自冷的應用范圍迅速擴大。因為熱管自冷散熱系統(tǒng)無需風扇、沒有噪音、免維修、安全可靠，熱管風冷甚至自冷可以取代水冷系統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關的輔助設備投資。此外，熱管散熱還能將發(fā)熱件集中，甚至密封，而將散熱部分移到外部或遠處，能防塵、防潮、防爆，提高電器設備的安全可靠性和應用范圍,近年來，大功率電子器件的冷卻上采用了熱管，收到較好效果。如上圖所示，對于大功率的晶體管采用圓柱形熱管作為散熱元件。 在解決CPU溫度的問題時，銅、純鋁制散熱器已經(jīng)成為最為普及的產(chǎn)品但其傳熱性能仍然遠小于熱管散熱器。采用熱管技術的散熱器也越來越多，有些廠商甚至拿它作為賣點或者樹立品牌形象。,熱管應用于電子元器件散熱,熱管散熱： 強化傳熱、體積及緊湊、無噪音、高度可靠,8.5.1 筆記本電腦散熱,8.5.2 臺式電腦散熱,8.5.3 可控硅原件散熱,熱管技術以其獨特的性能，在近年來的工程應用中日益普及，在各方面都取得了良好的效果。 熱管的繼續(xù)發(fā)展向著更加高效、更普及、微型化、大規(guī)模化的方向前進。,熱管技術發(fā)展前景,