熱管恒溫槽原理與應用

1、熱管恒溫槽原理與應用一. 前言熱管（重力熱管）由封閉的管子組成，在管內(nèi)下端液體吸熱蒸發(fā)后于管子上方的某一部位放熱冷凝，并返回下方繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此周而復始。熱管在上述循環(huán)工作過程中，將熱量從一處快速、連續(xù)地傳送到另一處，且無需任何外加動力。熱管具有很高的導熱性能和優(yōu)良的均溫性能，是人們所知的最有效的傳熱元件之一，被稱為“超熱導體”。熱管技術(shù)近年來在工程中的應用日益普及，在航天器、核電廠、化工、冶金、動力工程.甚至筆記本電腦中均有應用。恒溫槽是熱工檢測方面必備的一種計量設(shè)備，廣泛應用在溫度計、熱電阻等計量器具的檢定領(lǐng)域。目前最常見的是以水或油為介質(zhì)的水恒溫槽和油恒溫槽。熱管恒溫槽是利用“熱管”原

2、理制作的新型低、中溫恒溫裝置，適用于工業(yè)熱電阻、工作用玻璃液體溫度計、高精密玻璃液體溫度計、低溫熱電偶、雙金屬溫度計、壓力式溫度計及二等標準水銀溫度計等溫度儀表、計量器具的檢定/校準工作。它是油、水恒溫槽的理想替代產(chǎn)品，與傳統(tǒng)水、油槽相比，具有溫度范圍寬、插孔深、溫場均勻性好、綠色環(huán)保、自動循環(huán)等特點。寬溫場熱管恒溫槽的研制具有深遠的社會意義。我國國防軍工裝備（特別是飛機、坦克等）大量使用的短型溫度傳感器、短型溫度變送器，缺乏適合的測試用恒溫槽，急需在寬溫場熱管技術(shù)的基礎(chǔ)上研制專用產(chǎn)品。泰安磐然測控科技有限公司經(jīng)多年努力，所研制的PR600系列熱管恒溫槽具有有效工作區(qū)域?qū)?、工作溫度范圍寬、溫?/p>

3、小、溫度波動小、工作壽命長等優(yōu)點，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，得到了廣大客戶的認可和贊揚，并獲得了國家專利（專利號：ZL 2007 2 0028538.9）。二. 工作原理自然界中的熱傳遞有三種自然方式:傳導、對流和輻射，在氣體或液體中,熱傳導過程往往和對流同時發(fā)生。為解決科研、生產(chǎn)中的實際需求，人們不斷尋求著更高效的熱傳遞手段，“熱管”技術(shù)便是其中之一?！盁峁堋笔且环N高效傳熱元件，其熱阻比相同尺寸的金屬材料小幾個數(shù)量級，可稱為熱的“超導體”。熱管極佳的導熱能力同時意味著它具有極其優(yōu)良的均溫性能，或“溫度展平”能力，原理示意圖如下：原理示意圖“熱管恒溫槽”是基于熱管原理研制的一種恒溫槽。熱管恒溫槽的核

4、心部分是一個完全密閉的容器熱管管芯（見圖1），管芯上端有許多不同孔經(jīng)的插管，用于插入被校溫度計和標準溫度計，插管下端均被封堵以保證管芯的氣密性。管芯內(nèi)充有一定量的液態(tài)工質(zhì)。外部電源通過管芯下部的電加熱器加熱工質(zhì)時，部分液態(tài)工質(zhì)吸收大量熱能后產(chǎn)生汽化，變?yōu)檎羝墓べ|(zhì)攜帶潛熱充滿管芯容器。蒸汽在上升過程中，遇到上端蓋、插管及內(nèi)壁等部位（這些部位不同程度地與外界接觸，有一定的熱損失，溫度可能稍稍偏低）會冷凝并釋放出潛熱，冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在重力的作用下返回管芯底部，被繼續(xù)加熱，如此往復循環(huán)。上述過程中，工質(zhì)作為載體，通過汽、液相變，不斷將從電源獲取的能量傳輸?shù)綗峁芄苄緝?nèi)需要彌補能量的部位，從而保持著管

5、芯恒溫區(qū)內(nèi)極小的溫差。圖1.熱管管芯示意圖三. PR600系列熱管恒溫槽的創(chuàng)新特點通過改進熱管管芯冷凝區(qū)和加熱區(qū)結(jié)構(gòu)以及對化學工質(zhì)配方及工藝的深入研究，使以下性能指標得到極大提高。1、提高熱管動力性能。熱管技術(shù)用于恒溫槽，需要傳輸?shù)臒崮芄β屎苄?，應通過結(jié)構(gòu)改進，加強飽和蒸汽的流速，增強換熱能力，從而降低整個恒溫區(qū)的溫差。2、向上擴展寬了均勻溫場區(qū)域。在PR600系列之前的熱管恒溫槽的有效均勻溫區(qū)基本上從距離熱管上端口150mm 200mm開始至450mm深度?，F(xiàn)在經(jīng)過一系列的探索、試驗、改進，可使有效均勻溫場范圍向上擴展至不大于80mm，使熱管的有效均勻溫區(qū)覆蓋80mm450mm的區(qū)域，甚至更

6、寬，滿足全浸式玻璃溫度計、短型傳感器、特殊傳感器的檢定/校準/測試。3、 提高了溫場均勻性。在上述有效均勻溫場范圍內(nèi)，進一步改善了溫場均勻性，以保證滿足等一、二等標準玻璃溫度計的量值傳遞所需溫場指標。4、 改善溫度下限的技術(shù)指標。目前的熱管恒溫槽在工作溫度下限附近，由于工質(zhì)蒸汽壓不足導致熱交換能力不足，直接影響溫場均勻性指標和溫度波動度指標，應予以改善，這與降低熱管恒溫槽的工作溫度下限具有同等意義。5、 增加快速降溫功能。必要時，通過在熱管散熱器外部增設(shè)冷凝管等措施，在保證各指標的前提下，大幅度提高降溫速率，提高上、下行程（循環(huán)）測試的效率。四、質(zhì)量保證手段1. 對關(guān)鍵工藝、工裝的研究、改進和

7、試驗 熱管生產(chǎn)過程主要包括：備料、焊接、清洗、烘干、檢漏、抽空、充液、封口、電氣儀表安裝、檢驗與測試等一系列工序，各工序要求十分嚴格，項目研制過程中，通過反復試驗、摸索，總結(jié)了大量關(guān)于熱管制作的經(jīng)驗，編制出詳細、嚴格的工藝文件，作為指導今后生產(chǎn)的依據(jù)。研制階段重點解決的工藝問題有：1) 防止傳感器插管焊接過程縮孔；2) 引進氦質(zhì)普檢漏儀替代氣泡法檢漏，漏率的檢測靈敏度提高了34個數(shù)量級，保證了熱管的氣密性、從而保證了熱管產(chǎn)品的使用壽命；3) 抽空過程的質(zhì)量控制；4) 特殊工藝保證封口的嚴密性。2. 對化學工質(zhì)配方及工藝的深入研究計量/校準用熱管恒溫槽對工質(zhì)純度要求既嚴格又特殊。通過進一步研究各

8、溫度段熱管的工質(zhì)配方，以理論數(shù)據(jù)及現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用正交試驗、回歸分析等科學方法，找出工質(zhì)的最佳配比及制備流程，使熱管工作溫度范圍達到更寬，溫場指標更高。五、熱管恒溫槽與常規(guī)液體恒溫槽的性能比較1. 恒溫油槽工作時，介質(zhì)會揮發(fā)、冒煙，污染環(huán)境，影響工作人員身體健康。熱管恒溫槽工作介質(zhì)全密封，能夠避免上述污染，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品，因此具有廣闊的市場前景。2. 恒溫油槽受加熱介質(zhì)和自身材料、結(jié)構(gòu)的限制，最高工作溫度一般不超過300。熱管恒溫槽的工作溫度可達300500甚至更高，溫度場均勻性優(yōu)于0.05,是目前其它恒溫設(shè)備無法達到的，填補了這一溫區(qū)的一項空白。六、熱管恒溫槽與干體校驗槽的性能比較

9、需要特別提醒的是，請不要將熱管恒溫槽與“干體校驗槽”混淆。干體槽主要是靠金屬“恒溫塊”的熱傳導均勻溫度，最大的優(yōu)點是便攜，多用于現(xiàn)場溫度校驗。受工作原理和體積所限，干體槽一般不太強調(diào)溫場均勻性，通常從插孔下部向上的40mm范圍內(nèi)垂直溫差在34；而對于熱管恒溫槽來說，溫場均勻性是最重要的指標。由于熱管中汽化工質(zhì)的運動速度是同材料金屬塊導熱速度的成百上千倍，所以熱管恒溫槽有著比“干體”更好的溫場均勻性，更適合實驗室檢定/校準工作。兩者的共同優(yōu)點，僅僅在于沒有污染。七、國內(nèi)同類產(chǎn)品比較由我公司采用新技術(shù)、新材料、新工藝所生產(chǎn)的PR600系列熱管恒溫槽與其它熱管恒溫槽的主要性能、參數(shù)對照見下表：序項

10、目技術(shù)指標普通熱管恒溫槽PR600系列熱管恒溫槽1均勻溫場寬度距離熱管上端口150mm200mm開始，至450mm深度距離熱管上端口80mm100mm開始，至450mm深度2溫場均勻性0.030.120.010.063溫度波動度(0.050.3)/10min(0.010.05)/10min4工作溫度下限特點溫度波動度變大，溫場均勻性差下限溫度普遍下移，工作溫度范圍加寬，溫度波動度減小，工作區(qū)溫差減小5使用壽命長短不一10年以上6升、降溫速度較慢快7產(chǎn)品標準無有8外觀較簡陋較美觀總結(jié)PR600系列熱管恒溫槽采用了多項新技術(shù)，具有設(shè)計先進、結(jié)構(gòu)合理、溫場均勻性好、綠色環(huán)保、量值傳遞準確可靠等一系列

11、優(yōu)點，完全滿足各類溫度一次儀表檢定/校準的需要，具有國內(nèi)先進水平。適用于對各類溫度計和熱電阻進行檢定的企業(yè)和計量檢定/校準實驗室。附件1： 成品圖片：800mm×600mm×1100mm 雙芯熱管恒溫槽（專利號：ZL 2007 20019462.3）附件2：熱管恒溫槽傳感器測試插控示意圖（如圖3.所示），包括各孔的大概位置、內(nèi)經(jīng)、孔深等信息，用于與客戶的技術(shù)溝通并作為定貨的技術(shù)依據(jù)之一。注意：插孔內(nèi)經(jīng)必須比客戶的溫度儀表（傳感器）大出1mm以上。開孔工藝圖工藝專用圖紙中各種孔的編號規(guī)定：1） 為簡化圖紙表達，使用從“1”開始的編號方法對各孔進行編號。2） 中心孔為1號，并按

12、照圓孔所在軌跡圓從小到大的次序編號。3） 在同一軌跡圓上的各圓孔，從X軸開始沿逆時針方向從小到大編號。附件3：成品計量特性指標及參數(shù)表型 號溫度范圍（）溫場均勻性（）工作區(qū)內(nèi)任意兩點最大溫差（）溫度波動度（/10min ）有效工作深度（mm）最大功率(kw)外形尺寸長×寬×高（mm）質(zhì)量（kg）水平垂直PR602-300503000.020.050.05±0.031004502.8800×600×1100110100點0.010.020.03±0.02PR601-150501500.020.040.05±0.021600&#

13、215;500×110095100點0.010.020.03±0.02PR601-3001503000.020.050.05±0.031.2PR601-10001000.020.040.05±0.022.0PR601-4002004000.030.050.05±0.052004502.0PR601-5003005000.030.050.06±0.051004502.2PR601-N40-40500.030.060.06±0.052.0110PR611-150501500.020.08±0.08501800.4305

14、×280×52516PR611-3001503000.020.100.6工作電壓：220VAC 50HZ附件4：各種檢定規(guī)程對恒溫設(shè)備的要求一覽表（單位：）檢定規(guī)程溫度范圍設(shè)備水平溫場垂直溫場工作區(qū)域內(nèi)最大溫差溫度偏差穩(wěn)定性能/10minJJG229-1998工業(yè)鉑、銅熱電阻水槽0.0120.04油槽0.010.0220.04高溫爐鉑電阻t時允差的1/81/10JJG115-1999標準銅-銅鎳熱電偶檢定規(guī)程095水槽0.030.03±0.5±0.1油槽JJG-618-1999高精密玻璃水銀溫度計095水槽0.0050.013個分度值1個分度值（0.1）

15、油槽0.010.02JJG-161-1994一等標準水銀溫度計095水槽0.0050.013個分度值1個分度值(0.1)油槽0.010.02錫槽0.050.07JJG128-2003二等標準水銀溫度計0.0150.03±0.20.04JJG131-2004電接點玻璃水銀溫度計-301000.020.040.200.051000.040.08JJG130-2004工作用玻璃液體溫度計精密普通精密普通0.20-301000.020.050.040.10±0.021003000.040.100.080.20±0.053000.100.200.200.40JJG226-2001雙金屬溫度計-80室溫酒精