热管应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热管技术及其工程应用,Heat pipe Technology and Engineering Application,什么是热管？,热管从何而来？有什么作用？,热管工作的原理是什么？有何特性？,热管跟普通的“管”有什么区别？,什么是热管换热器？常见的热管有哪些种类？,我们日常生活中有哪些场合使用了热管换热器？,热管换热器的研究发展前景如何？,一.热管的组成,第一部分 热管及其特性,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。,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).,国外资料:,(,From ,),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。,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。,三.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)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。,(6)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)。,四.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。,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。,(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。,(4)热管换热设备效率高，节能效果显著。,第二部分 热管的发展历史,一,热管换热器的研究背景,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 10,2,W/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10,5,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。,我国于1970年开始的热管研制工作首先是为航天技术发展的需要而进行的。,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。,由于我国是一个发展中国家，能源的中和利用水平较低，因此自80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-气换热器，热管余热锅炉、高温热管蒸气发生器，高温热管热风炉等各类热管产品。从1987到1991年我国先后在四川、福建、北京、浙江、河北等地8台130th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。,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，从1983年起已经,先后召开了八届全国性的热管会议。,第三部分 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。,按照,工作液体回流动力区分,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、渗透热管等等。,按照,热管管内工作温度区分,有低温热管、常温热管、中温热管、高温热管等。,按照,管壳与工作液体的组合区分,有铜-水热管、碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管等。,按照,结构形式区分,有普通热管、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。,按照,热管的功用划分,有传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等。,一.两相闭式热虹吸管（Two-Phase Closed Thermal-siphon）,两相闭式热虹吸管又称为重力热管，简称热虹吸管。与普通热管原理一样，但不同的是热管内没有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，热虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段。其结构简单、制造方便、成本低廉、而且传热性能优良、工作可靠，因此他在地面上的各类传热设备中都可以作为高效传热元件，其应用领域非常广泛。,两相闭式热虹吸管,二.旋转热管,旋转热管的概念是由Gray于1969年首次提出的，他分析了旋转热管较普通热管具有更强的传热能力。旋转热管的显著特征是热管自身是旋转件，因而可以用于所有需要冷却散热的旋转零部件，如电机转子，发动机电动机转轴等的冷却，具有实际应用价值。,三.分离式热管,分离式热管结构示意图,分离式热管其蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通形成一个自然循环回路。工作时，在热管内的工质汇集在蒸发段，蒸发段受热后，工质蒸发，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段释放出潜热而凝结成液体，在重力作用下，经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行。,分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离安装，从而使得冷热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题，安全性能较经典热管大为提高。,四.可变导热管,可变导热管热阻的简化模型,普通热管的工作温度是由热源和热汇的条件确定的，因此，改变热负荷或蒸发段的温度就将引起热管工作温度的改变。对于普通热管来说，其导热率接近一个常量。然而在某些应用场合，需要冷凝段(或蒸发段)的温度随着热负荷的变化而保持不变，因而利用热管的热可控性产生了可变导热管(Variable conductance heat pipe，VCHP)。,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。,五.微型热管及小型热管（MHP）,微型热管横截面示意图,随着集成芯片中电路数目的增加，其产生热量的散逸变得越来越困难，除了最高芯片温度的限制外，对温度均匀性也有更高的要求，因而热力特性是电子产品开发、研制中非常重要的技术，且直接影响到最终产品的成本、可靠性和表观。微型热管作为一项很有前途的技术，可用于计算机芯片以获得高的热量导出率及温度均匀化。,各种类型的换热器对比总结,参数,热管类型,是否有吸液芯,液体回流动力,常用场合,两相闭式热管,无,重力,常用于热源在冷源下方的情况,旋转热管,无,离心力,所有需要冷却散热的旋转零部件,分离式热管,无,重力,需要严格避免冷热流体相互渗漏的场合,可变导热管,有些有,毛细力或其他,需要冷凝段(或蒸发段)的温度不随热负荷变化而变的场合,微型热管及小型热管,有,毛细力,电子产品等,第四部分 热管换热器,热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。典型的热管换热器如下图4.1a所示。,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。由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的，而热管元件相互又是独立的，因此即使有某根热管失效、穿孔也不会对冷、热流体间的隔离与换热有多少影响。此外，热管换热器可以方便地调整冷热侧换热面积比，从而可有效地避免有腐蚀性气体的露点腐蚀。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，其用途亦日趋广泛。,图4.1 a热管换热器示意图 b气-气热管换热器实物照片,第五部分 热管的应用,热管技术被公认是一种很有价值的传热新技术，在空间技术、电器工业、核电工业、化学工业、食品工业、动力机械、工业余热回收等很多方面都得到了广泛应用。如:,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。,降到51,3、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17,o,C冷水加热到98-125,o,C，日产开水5T，回收热量约1882MJ。,冷水加热到98-125,2、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204,o,C降到51,o,C，预热所需的干燥空气，每小时可回收热量287MJ。,热管技术在电力电子领域的应用,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热量快速提高，而电子器件正常工作必须在一定的温度范围之内，电子器件的散热成为了其发展的一个瓶颈，因此电子技术的发展需要有良好的散热手段来保证。,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。,在电力领域，热管电机的出现及实用化成为了一个典型的代表。热管电机中的主要应用之一是用一根旋转热管来代替电机的传动轴，将电机转子产生的热量通过热管传到轴端的散热部分，并用风扇排致电机壳外。传递的功率显著提高。,“神州号飞船的热控制系统：热控制系统用于保证飞船各舱仪器设备、结构以及乘员所需要的环境温度条件，合理调配飞船之间的热量的传输，并排放到宇宙空间。他通常采用流体对流换热方式。其传热回路可以采用泵驱动液体回路、热管辐射回路和毛细泵抽吸回路等。”摘自神舟圆梦,“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,热管在航天领域的应用,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。下面是两个具体的应用实例，从中就可以看出热管技术在航天领域的重要位置。,热管在核电工程中的应用,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,热管在太阳能利用中的应用,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，但其制造价格昂贵，在采用新的技术后，其成本有了显著降低，普及程度也得以大幅度的提高。,此外，还有热管太阳能灶、热管太阳能电站也进入了市场,热管在航天飞行技术中的应用,热管最早就是应航天技术的发展的要求而发展的，所以热管航飞行器方面得到了大量的应用，并随着航天技术的发展得到了大幅度的发展。如：等温蜂窝板、超音速热管机翼、大型空间站热管散热器等。,热管在其他领域中的应用,热管技术以其独特的性能，在近年来的工程应用中日益普及，在各方面都取得了良好的效果。热管的继续发展必须向着,更加高效、更普及、微型化、大规模化,的方向前进。,第六部分 热管技术发展前景,