【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，但可變導(dǎo) 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，這樣熱管 在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的 恒溫特性。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 （ 6）熱二極管與熱開關(guān)性能。熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許 向相反的方向 流動(dòng)； 熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開始工作，當(dāng)熱源 溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。 （ 7）環(huán)境的適應(yīng)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(jī)的 轉(zhuǎn)軸燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的以適應(yīng)長(zhǎng)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(chǎng) )，也可用于空間 (無重 力場(chǎng) )。 （ 8）熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運(yùn)行過程中單根 熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱器用 于易然、易爆、腐蝕性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性。 （ 9）熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動(dòng)，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的逆 流換熱。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù) 遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系 數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。 （ 10）對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形 式解決換熱器的磨損和堵灰問題。 （ 11）熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝 段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。 熱管的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域 熱管作為一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置，其概念首先是由美國通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的 Gaugler 于 1944 年提出的。他當(dāng)時(shí)的想 法是： 液體在某一位置上吸熱蒸發(fā)，而后 在它的 下方某一位置放熱冷凝，不附加任何動(dòng)力而使冷凝的液體再回到上方原位置繼 續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，達(dá)到熱量從一個(gè)地點(diǎn)傳動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)的目的。 Gaugler 所 提出的第一個(gè)專利是一個(gè)冷凍裝置，由于時(shí)代條件的限制， Gaugler 的發(fā)明在當(dāng)時(shí)未 能得到應(yīng)用。 1962 年特雷費(fèi)森向美國通用電氣公司提出報(bào)告，倡議在宇宙飛船上采用一種類似 Gaugler 的傳熱設(shè)備。但因這種倡議并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，亦未能付諸實(shí)施。 1963 年 LosAlamos 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的 Grover 在他的專利中正式提出熱管的命名，該裝置基本上與 Gaugler 的專利相類似。他采用一根不銹鋼管作殼體，鈉為工作介質(zhì)， 并發(fā)表了管內(nèi)裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了有限的理論分析，同時(shí)提出了以銀和鋰作為熱管的工作介質(zhì)的觀點(diǎn)。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 1964 年 Grover 等人首次公開了他們的試驗(yàn)結(jié)果。此后英國原子能實(shí)驗(yàn)室開始了類似的以鈉和其它物質(zhì)作為工作介質(zhì)的熱管研究工作。工作的興趣主要是熱管在核熱 離子二極管轉(zhuǎn)換器方面的應(yīng)用。與此同時(shí)，在意大利的歐洲原子能聯(lián)合核研究中心也開展了積極的熱管研究工作。但興趣仍然集中在熱離子轉(zhuǎn)換器方面，熱管的工作溫度 達(dá)到 1600? 1800。 1964 年至 1966 年期間，美國無線電公司制作了以玻璃、銅、鎳、不銹鋼、鑰等材料作為殼體，水、銫、鈉、鋰、鉍等作為管內(nèi)的工作液體的多種熱管，操作溫度達(dá) 到 1650。 1967 年至 1968 年，美國應(yīng)用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應(yīng)用范圍涉及到空調(diào)、電子器件、核電機(jī)的冷卻等方面。并初次出現(xiàn)了柔性熱管和平板式的異形熱管。 LosAlamos 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工作一直處于領(lǐng)先狀態(tài)，其工作重點(diǎn)是衛(wèi)星上熱管的應(yīng)用研究。 1967 年一根不銹鋼 水熱管首次在空間運(yùn)轉(zhuǎn)成功。 1965 年 Cotter首次較完整 地闡述了熱管理論，他描述了熱管中發(fā)生的各個(gè) 過程的基本方程，并提出了計(jì)算熱管工作毛細(xì)限的數(shù)學(xué)模型，從而奠定了熱管理論的基礎(chǔ)。 Katzoff 于 1966 年首先發(fā)明有干道的熱管。干道的作用是為后冷凝段回流到蒸發(fā)段的液體提供一個(gè)壓力降較小的通道。后來莫里茨核普魯謝客提出了一個(gè)新的名詞， 把在吸液芯結(jié)構(gòu)中加進(jìn)一些干道的熱管稱為 “ 第二代熱管 ” ，并把它與 “ 第一代熱管 ” 即裝有絲網(wǎng)層等吸液芯的熱管作了比較，他們證明 “ 第二代熱管 ” 比第一代熱管好。 1969 年，蘇聯(lián)、日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了有關(guān)熱管應(yīng)用研究的文章。在日本的文章中描述了帶翅片熱管管束的空氣加熱器。在能源日 趨緊張的情況下，它可以用來回 收工業(yè)排氣中的熱能。同年特納核比恩特提出了 “ 可變導(dǎo)熱管 ” 作為恒溫控制使用。 格雷提出轉(zhuǎn)動(dòng)熱管，此種熱管沒有吸液芯，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)中的離心力使液體從冷凝段回流 到蒸發(fā)段，這些發(fā)明都是熱管技術(shù)的重大進(jìn)展。 熱管自 1964 年問世以來，獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫液態(tài)金屬熱管已廣泛地被用于動(dòng)力工程的核反應(yīng)堆和同位素反應(yīng)器的冷卻系統(tǒng)，并在空間應(yīng)用中作為熱離子核熱 電發(fā)生器的重要 部件； 此外，作為高溫?fù)Q熱器回收高溫?zé)崮茴H具前途。中溫?zé)峁軓V泛 地被用于電子器件及集成電路的冷卻、大功率行波管的冷卻、密閉儀 表的冷卻；在動(dòng)力工程中用于透平葉輪、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及變壓器的 冷卻；在能量工程方面用于廢 氣熱能回收、太陽能和地?zé)崮艿?利用； 在機(jī)械工程方面用于高速切削工具（車刀、鉆 頭）的冷卻。低溫?zé)峁茉谕ㄐ怕?lián)絡(luò)中冷卻紅外線傳感器、參量放 大器； 在醫(yī)學(xué)方面可用作低溫手術(shù)刀，進(jìn)行眼睛和腫瘤的手術(shù)。隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍還在擴(kuò) 大。幾個(gè)典型的應(yīng)用如下： 美國阿拉斯加輸油管線工程采用熱管作輸油管線的支撐。這條管線穿過寒冷的凍土地帶，夏天凍土融化，使得管線下陷，引起管線破裂。后來，決定在管架蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 支撐中裝 設(shè)簡(jiǎn)單的重力熱管，從而解 決這個(gè)困難。冬天通過熱管將管樁基礎(chǔ)周圍的熱量帶出并 散失在空氣中，使土壤凍透，形成結(jié)實(shí)的 “ 低溫錨樁 ” 。夏天，由于重力熱管具有單 向傳熱性能，大氣中的熱不能傳到地下，故地下凍土不能融化； 采用了氨 碳鋼熱管 , 長(zhǎng) 10? 20m， 上部散熱端裝有鋁翅片，埋入土壤中的深度為 9? 12m， 在熱管兩端溫 差小于 1176。 C 的情況下，保證每根熱管可輸送300W 的熱流。其熱管的設(shè)計(jì)使用壽命可 達(dá) 30 年，滿足整個(gè)管線工程的要求。在 1290km 長(zhǎng)的管線上，總共使用了 112,000 多根熱管。 熱管應(yīng)用于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)釜，反應(yīng)釜的攪拌軸就是 一根熱管。當(dāng)反應(yīng)釜中的反應(yīng)溫度達(dá)不到熱管啟動(dòng)溫度時(shí)，熱管不工作，一旦溫度上升到熱管工作溫度時(shí)，熱管便 通過釜內(nèi)的吸熱片把熱量傳到釜外，通過散熱片散入空間，從而使得釜內(nèi)反應(yīng)溫度保 持恒定。 熱管在太陽能方面的應(yīng)用。目前太陽能熱管發(fā)電裝置、太陽能熱管熱水器等產(chǎn)品已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱管技術(shù)正愈來愈廣泛地滲入到各個(gè)工 業(yè)領(lǐng)域中，發(fā)揮出愈來愈重要的作用。 我國熱管研究開始于 1970 年左右。在 1972 年，第一根鈉熱管運(yùn)行成功，以后相繼研制成功氨、水、鈉、汞、聯(lián)苯等各種介質(zhì)的熱管，并在應(yīng)用上取得了一定的 進(jìn)展。 1981 年國內(nèi)第一臺(tái)試驗(yàn)性熱管換熱器運(yùn)行成功，各地相繼出現(xiàn)了各種不同類型的、 不同溫度范圍的氣 氣熱管換熱器和氣 液熱管換熱器，在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良 好的作用，并積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)。 20世紀(jì) 80 年代初，國內(nèi)一些科研院所、高校及制造廠相繼開展了熱管氣 氣換熱器的試驗(yàn)研究。主要目的是解決熱管的制造工藝、碳鋼 水熱管的相容性、中高溫?zé)? 管的研制、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設(shè)計(jì)方法等問題，其研究成果陸續(xù)在石化、 冶金、電力等行業(yè)推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)已有數(shù)千臺(tái)熱管氣 氣換熱器先后投入使用， 取得 了較好的使用效果。但也暴露了不少問題，如熱管失效、低溫腐蝕、積灰、漏風(fēng)等，影響了熱管氣 氣換熱器的進(jìn)一步推廣。因此，急需對(duì)這些問題進(jìn)行細(xì)致分析與研究，完善熱管氣 氣換熱器的設(shè)計(jì)制造方法，提高熱管氣 氣換熱器的使用效果和壽 命。 2. 熱管換熱器 由熱管管束和外殼等組成的換熱器稱為熱管換熱器。一般情況下，它有一個(gè)矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯(cuò)列呈三角形的排列 ， 也可以是順列呈正方形排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分成兩個(gè)部 分，形成熱流體與冷流體的通道。當(dāng)熱冷流體同時(shí) 在各自的通道中流過時(shí)，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱量交換。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 熱管換熱器是由美國發(fā)明的，最初被用于航天技術(shù)和核反應(yīng)堆，以解決向陽面和 背陰面受熱不均勻。它是一種新型的換熱器，于 70年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為 節(jié)能設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的 最大特 點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬 耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時(shí)的壓力損失也比其他換熱器小， 因而動(dòng)力消耗也小。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來越受到人 們的重視，是一種應(yīng)用前 景非常好的換熱設(shè)備。 20 世紀(jì) 90 年代被用于民用空調(diào)，由于其優(yōu)越的導(dǎo)熱性，受到越來越廣泛的重視，目前在計(jì)算機(jī)、雷達(dá)等高科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。 熱管換熱器的技術(shù)優(yōu)勢(shì) （ 1）熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運(yùn)行過程中 單根熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱 器用于易然、易爆、腐蝕性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性。 （ 2）熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動(dòng)，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體 的逆流換熱。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外 流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換 熱系數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。 （ 3）對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問題。 （ 4）熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。 熱管換熱器分類 (1)按形 式分 :整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉(zhuǎn)式熱管換熱器等。 (2)按功 能分： 氣 氣式換熱器、氣 液式換熱器、氣 汽式換熱器等。 根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)的熱管換熱 器結(jié)構(gòu)及外形形式多樣，圖 、圖 分別為應(yīng)用最為廣泛的氣 氣熱管換熱器外形示意圖和氣 液熱管換熱器外形示意圖。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 13氣 氣熱管換熱器 圖 14氣 液熱官換熱器 熱管式換熱器是一種新型的換熱器，于 70 年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能 設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的最大 特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時(shí)的壓力損失也蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 比其他換熱器小，因而 動(dòng)力消耗也小 。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非 常好的換熱設(shè)備。 我國于 1970 年開始的熱管研制工作，首先是為航天技術(shù)發(fā)展的需要而進(jìn)行的。 1976 年 12 月 7日，在衛(wèi)星上首次應(yīng)用熱管取得了成功。我國氣象衛(wèi)星也應(yīng)用了熱管 , 并獲得了預(yù)期效果。我國在熱管換熱器方面的研制工作起步較早。南京工業(yè)大學(xué)于 1973 年就開始了這方面研制工作，并和南京煉油廠共同完成了國內(nèi)第一臺(tái)熱管換熱 器。以后幾年，熱管換熱器相繼在紡織、石油、化工等行業(yè)用于余熱回收及干燥工藝 上。各研究熱管的科研單位和大專院校都先后與制造 熱管的廠家組成了科研生產(chǎn)聯(lián)合 體，在擴(kuò)大熱管換熱器應(yīng)用范圍和有效、合理地使用熱管換熱器等方面起了推動(dòng)作用。 熱管氣 氣換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的熱管換熱器。隨著能源短缺問題的日趨嚴(yán)峻，節(jié)能意識(shí)越來越深入人心，熱管氣 氣換熱器的應(yīng)用前景更加廣闊。 熱管氣 氣換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種余熱回收設(shè)備 ,它利用鍋爐、加熱爐 等排煙余熱預(yù)熱爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對(duì)環(huán)境的污 染，因此，熱管氣 氣換熱器在余熱回收利用中得到非常廣泛的應(yīng)用。圖 (a)是 熱管氣 氣換熱器用于回收鍋爐煙氣余熱 ，得到的熱空氣用于鍋爐助燃的流程示意圖 ， 圖 (b)是熱管氣 氣換熱器用于回收窯爐煙氣余熱來加熱空氣，得到的熱空氣作 為烘房熱源的流程示意圖。 圖 15熱管氣 氣換熱器流程示意圖 （ a) 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 15熱管氣 氣換熱器流程示意圖 （ b) 熱管氣 氣換熱器就象省煤器和蒸汽過熱器一樣已經(jīng)成了大型鍋爐整體中正常而 必要的一部分。熱管氣 氣換熱器的應(yīng)用簡(jiǎn)化并加速了燃料的烘干工程，減少了低值 燃料和濕燃料的著火困難，并且擴(kuò)大了這些燃料經(jīng)濟(jì)燃燒的可能。熱管空氣預(yù)器熱同 樣還可以提高鍋爐整體的蒸汽生產(chǎn)量。熱 管氣 氣換熱器能夠把排出的煙氣加以高度 冷卻。這是由于進(jìn)入熱管氣 氣換熱器的空氣