第11章工程應(yīng)用實(shí)例

第十章工程應(yīng)用實(shí)例主要內(nèi)容：10.1.熱管原理及其分類10.2.熱管的特點(diǎn)及其一些應(yīng)用10.3.一些熱設(shè)計(jì)的應(yīng)用10.1.熱管原理及其應(yīng)用1.熱管原理

物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，凡是有溫度差存在的時(shí)候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。熱傳遞有三種方式：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。2.熱管的分類由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對(duì)熱管的分類很多，常用的分類方法有以下幾種：（1）按照熱管管內(nèi)工作溫度可分為：低溫?zé)峁馨凑諢峁芄軆?nèi)工作溫度可分為：低溫?zé)峁?-273～0℃)、常溫?zé)峁堋⒊責(zé)峁?0～250℃)、中溫?zé)峁?、中溫?zé)峁?250～450℃)、高溫?zé)峁?、高溫?zé)峁?450～1000℃)等。(2)按照工作液體回流動(dòng)力可分為：有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力管)、重力輔助熱管、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)力熱管、滲透熱管等等。(3)按管殼與工作液體的組合方式劃分(這是一種習(xí)慣的劃分方法)可分為：銅—水熱管、碳鋼—水熱管、銅鋼復(fù)合—水熱管、鋁—丙酮熱管、碳鋼—萘熱管、不銹鋼—鈉熱管等等。(4)按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分可分為：普通熱管、分離式熱管、毛細(xì)泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。(5)按熱管的功用劃分可分為：傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。10.2.熱管特點(diǎn)及應(yīng)用（1）很高的導(dǎo)熱性:比普通的金屬導(dǎo)體高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。（2）優(yōu)良的等溫性:蒸汽處于飽和狀態(tài),從而保證了很小的溫差，利用該特性來實(shí)現(xiàn)溫度展平。（3）熱流密度可變性:可以通過改變蒸發(fā)段和冷凝段的面積來很方便的調(diào)節(jié)熱流密度。（4）熱流方向的可逆性:由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力,所以任意一端受熱都可以成為蒸發(fā)段。（5）環(huán)境的適應(yīng)性:熱管的形狀可以隨熱源和冷源的條件熱管的形狀而變化而變化,并可以將熱源和冷源分隔在兩個(gè)場(chǎng)所進(jìn)行熱交換。1.熱管的特點(diǎn)2.熱管的應(yīng)用目前熱管技術(shù)被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工、石油、化工、冶金、機(jī)械、電力、煤炭、鐵路、通訊、紡織、家電、IT產(chǎn)品等領(lǐng)域。在高原地帶鋪設(shè)石油管道或鐵路，使用熱管可以防止凍土層被破壞。利用熱管組成換熱器來回收工業(yè)生產(chǎn)中的廢熱可節(jié)約大量的能源。在電力電子行業(yè)，因?yàn)闊峁茏岳渖嵯到y(tǒng)無需風(fēng)扇、沒有噪音、噪音、免維修、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)，熱管風(fēng)冷甚至免維修、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)，自冷可以取代水冷系統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關(guān)的輔助設(shè)備投資。熱管技術(shù)在化工及石化領(lǐng)域的應(yīng)用

熱管及熱管換熱器近年來在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用已愈來愈受人們的重視，它具有體積緊湊、壓力降小、可以控制露點(diǎn)腐蝕、一段破壞不會(huì)引起兩相流互混等優(yōu)點(diǎn)，提高的設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性。它在石化領(lǐng)域的應(yīng)用可謂是無所不在。如下所示為熱管換熱器在該領(lǐng)域的部分應(yīng)用場(chǎng)合：在合成氨工業(yè)中：回收低溫余熱余熱助燃空氣，或生產(chǎn)低壓蒸汽作為原料；回收高溫余熱產(chǎn)生中壓蒸汽作原料蒸汽的補(bǔ)充，或生產(chǎn)高壓蒸汽作為生產(chǎn)的動(dòng)力源；控制固定床催化反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)溫度，使其向最佳反映溫度曲線無限逼近，從而提高合成氨的效率。在硫酸工業(yè)中：沸騰焙燒爐沸騰層內(nèi)的余熱回收；SO2爐氣余熱回收；SO3氣體冷卻器；在鹽酸、硝酸工業(yè)中也同樣有大量的應(yīng)用

在石化領(lǐng)域應(yīng)用更是廣泛：熱管裂解爐；熱管乙苯脫氫反映器；熱管氧化反應(yīng)器；催化裂化再生取熱器；熱管技術(shù)在建材及輕紡織工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

建材行業(yè)如水泥、陶瓷等工業(yè)都要消耗大量的能量，以陶瓷為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，能源費(fèi)占生產(chǎn)總成本的40%以上。開發(fā)新型高效節(jié)能設(shè)備將極大的促進(jìn)此行業(yè)的發(fā)展。80年代國內(nèi)的許多單位應(yīng)用熱管換熱技術(shù)回收陶瓷、水泥生產(chǎn)中排放的余熱取得了良好的節(jié)能效果，90年代高溫?zé)峁芗夹g(shù)的工業(yè)開發(fā)應(yīng)用獲得成功，這些都為熱管技術(shù)的工業(yè)推廣打下了良好的基礎(chǔ)。如下是近年來熱管技術(shù)在建材、輕工業(yè)中成功應(yīng)用。實(shí)例：高嶺土噴霧干燥熱風(fēng)爐；

十二醇硫酸鈉噴霧干燥；玻璃窯爐的余熱回收；水泥生產(chǎn)工業(yè)中的回轉(zhuǎn)窯冷卻機(jī)的余熱利用、廢尾氣余熱利用、懸浮預(yù)熱機(jī)、烘干機(jī)等熱工設(shè)備；陶瓷窯爐的隧道窯煙道氣余熱利用；電瓷廠遂道窯冷卻帶余熱利用；紡織工業(yè)中的熱定型機(jī)余熱回收利用、漿紗機(jī)的余熱回收等熱管技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用冶金工業(yè)也是耗能大戶，不論是有色冶金或黑色冶金工業(yè)都存在大量的節(jié)能問題。以鋼鐵企業(yè)為例，焦?fàn)t、高爐及煉鋼工序均有相當(dāng)數(shù)量的余熱未能回收利用。余熱的溫度最高可達(dá)1600oC，熱能的形態(tài)有固體、氣體、液體，其中最多的為間隙排放，因此給余熱回收帶來了一定的難度。由于熱管的眾多特點(diǎn)，特別適宜于上述場(chǎng)合的余熱回收利用，從70年代開始，國內(nèi)冶金界就有許多工程技術(shù)人員和熱管技術(shù)工作者進(jìn)行了卓有成效的合作開發(fā)，取得了良好的員和熱管技術(shù)工作者進(jìn)行了卓有成效的合作開發(fā)，取得了良好的效果。目前已經(jīng)在燒結(jié)排期限熱核熱風(fēng)爐燃燒廢氣的余熱回收方面，達(dá)到了定性設(shè)計(jì)和系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的程度。高溫?zé)峁芗案邷責(zé)岣锌諝忸A(yù)熱器、高溫?zé)峁芸諝庹舭l(fā)器的開發(fā)運(yùn)行成功，又給冶金業(yè)帶來了新的希望。

在冶金工業(yè)中大量應(yīng)用的熱管換熱器設(shè)備：備坯件加熱爐熱管空氣預(yù)熱器；線材退火爐；軋鋼連續(xù)加熱爐；熱管余熱鍋爐；熱管省煤器等。熱管技術(shù)在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用電子技術(shù)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(nèi)，電子器件的散熱成為了其發(fā)展的一個(gè)瓶頸，因此電子技術(shù)的發(fā)展需要有良好的散熱手段來保證。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(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。因?yàn)闊峁茏岳渖嵯到y(tǒng)無需風(fēng)扇、沒有噪音、免維修、安全可靠，熱管風(fēng)冷甚至自冷可以取代水冷系沒有噪音、免維修、安全可靠，熱管風(fēng)冷甚至自冷可以取代水冷系統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關(guān)的輔助設(shè)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(yuǎn)處，能防塵、防潮、防爆，提高電器設(shè)備的安全可靠性和應(yīng)用范圍熱管在航天領(lǐng)域的應(yīng)用熱管適應(yīng)航天技術(shù)的發(fā)展的要求而發(fā)展的，所以熱管技術(shù)在航天領(lǐng)域得到了許多非常重要的應(yīng)用。由于航天領(lǐng)域中熱管運(yùn)行可靠性及其本身的各種性能都有嚴(yán)格的要求。這些要求也促進(jìn)了熱管技術(shù)的發(fā)展。下面是兩個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例，從中就可以看出熱管技術(shù)在航天領(lǐng)域的重要位置?！吧裰萏?hào)飛船的熱控制系統(tǒng)：熱控制系統(tǒng)用于保證飛船各艙儀器設(shè)備、結(jié)構(gòu)以及乘員所需要的環(huán)境溫度條件，合理調(diào)配飛船之間的熱量的傳輸，并排放到宇宙空間。他通常采用流體對(duì)流換熱方式。其傳熱回路可以采用泵驅(qū)動(dòng)液體回路、熱管輻射回路和毛細(xì)泵抽吸回路等。”——摘自《神舟圓夢(mèng)》熱管在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用熱管在核電工程中的應(yīng)用

隨著熱管技術(shù)的成熟和核能技術(shù)的迅速發(fā)展，熱管技術(shù)在核電工程中的應(yīng)用顯得越來越重要。最早的開發(fā)在空間核電源中的應(yīng)用，已逐漸發(fā)展到地面核反應(yīng)堆及核廢料的散熱及事故預(yù)防等方面。在這個(gè)領(lǐng)域具體應(yīng)用有：空間核電源中的應(yīng)用、核廢料的冷卻、事故情況下的安全殼體保護(hù)、熱管蒸汽發(fā)生器等、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管在太陽能利用中的應(yīng)用太陽能取之不盡、用之不盡的潔凈無污染的能源。廣泛利用太陽能將是未來世界能源利用中的重要途徑。由于熱管本身具有的特性，使得其在太陽能中的利用具有極其廣闊的應(yīng)用前景。我國的熱管太陽能應(yīng)用技術(shù)主要集中于民用熱水器的開發(fā)研究，但其制造價(jià)格昂貴，在采用新的技術(shù)后，其成本有了顯著降低，普及程度也得以大幅度的提高。此外，還有熱管太陽能灶、熱管太陽能電站也進(jìn)入了市場(chǎng)?；づc機(jī)械行業(yè)，如熱管攪拌反應(yīng)設(shè)備、熱管高速刀具等。在煤轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，如煤粉連續(xù)氣化爐等。此外，熱管散熱還能將發(fā)熱件集中，甚至密封，而將散熱部移到外部或遠(yuǎn)處，能防塵、防潮、防爆，提高電器設(shè)備的安全可靠性和應(yīng)用范圍。因而廣泛應(yīng)用在工業(yè)變流技術(shù)、軟啟動(dòng)技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、無功補(bǔ)償技術(shù)等電力半導(dǎo)體分立器件、模塊和組件等電力電子設(shè)備上。1.電池組的熱管理混合動(dòng)力汽車已經(jīng)逐漸成為未來汽車的重要發(fā)展方向之一。但迄今為止，制約整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的重要因素之一是電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池。動(dòng)力電池均是成組使用的，溫度的變化勢(shì)必會(huì)使電池之間存在一定的溫度差異性。溫差主要影響電池組的整體壽命和穩(wěn)定性。在所有環(huán)境因素中，溫度對(duì)電池的充放電性能影響最大，因?yàn)樵陔姌O、電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān)，電極、電解液界面被視為電池的心臟。

10.3.一些熱設(shè)計(jì)的應(yīng)用（1）電池?zé)崮Ｐ碗姵氐哪Ｐ投际且劳腥S（如proe、UG、CATIA、solidworks等等）建模軟件，經(jīng)過簡(jiǎn)化處理，建立起來的。

（2）工作溫度范圍鋰離子動(dòng)力電池正常工作溫度范圍在-20℃~60℃之間，低溫條件下性能受到影響，放電容量變少。要比鉛酸動(dòng)力電池和鎳氫動(dòng)力電池的低溫性能好?；旌蟿?dòng)力汽車用鎳氫電池散熱系統(tǒng)的目標(biāo)為：將電池的工作溫度控制在其最佳范圍20～40℃，模塊間的溫差在5℃以下，從而保證電池組的性能，延長(zhǎng)其壽命。（3）電池組仿真分析結(jié)果同側(cè)出風(fēng)異側(cè)出風(fēng)動(dòng)力電池的成本、性能、壽命在很大程度上決定了HEV的成本和可靠性。電池的溫度和溫度場(chǎng)的均勻性對(duì)蓄電池的性能和壽命有很大的影響。因此進(jìn)行電池散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與散熱性能的預(yù)測(cè)對(duì)提高混合動(dòng)力汽車及動(dòng)力電池的成熟度和可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2.長(zhǎng)安杰勛的熱管理熱管理系統(tǒng)原始方案整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；原始模型的CFD仿真分析；A樣電池包優(yōu)化方案；B樣電池包優(yōu)化方案；

熱管理系統(tǒng)原始方案整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)在長(zhǎng)安公司試驗(yàn)環(huán)境艙中進(jìn)行按雙方設(shè)定循環(huán)工況試驗(yàn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電池組溫度分布嚴(yán)重不均衡。B.原始模型的CFD仿真

A樣電池包優(yōu)化方案一（改變傾斜角度和電池的間距）取上下層電池傾斜角度為3.5度，兩排電池的距離為30mm，極限工況最大溫差為9.5℃;變工況的溫差為14.3℃A樣電池包優(yōu)化方案二:電池位置不動(dòng),添加擋板電池的位置不動(dòng),通過增加圓弧形的導(dǎo)流板、長(zhǎng)條形的引流板以及菱形的引流板減少了前部電池的熱交換面積為后部電池增加了冷卻風(fēng)量，極限工況溫差11.6℃。變工況溫差5.83℃。A樣電池包優(yōu)化方案三:給電池包熱阻通過在電池表面增加不同厚度熱阻改變了電池和空氣換熱熱阻，電池組的溫度均勻性有了很大的改善。在極限工況溫差5.7℃，變工況溫差2.83℃。B樣電池包優(yōu)化方案3：長(zhǎng)安志勛中混原始模型的CFD仿真分析中混優(yōu)化方案一CFD分析結(jié)果中混優(yōu)化方案二CFD分析結(jié)果中混外圍冷卻系統(tǒng)CFD仿真分析及實(shí)驗(yàn)證中混圓形電池瞬態(tài)仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證原始模型的CFD仿真CFD分析時(shí)取入口空氣的初始溫度35℃，電池發(fā)熱功率為650W,入口空氣流量為140m3/h。仿真結(jié)果為最高溫度76.08℃，最低溫度51.48℃，溫差為24.6℃，出口空氣溫度49.5℃。優(yōu)化方案一CFD分析結(jié)果CFD分析時(shí)取入口空氣的初始溫度35℃，電池發(fā)熱功率為650W,入口空氣流量為140m3/h。仿真結(jié)果為：最高溫度60.03℃，最低溫度50.85℃，溫差為9.5℃。優(yōu)化方案二CFD分析結(jié)果CFD分析時(shí)取入口空氣的初始溫度35℃，電池發(fā)熱功率為650W,入口空氣流量為140m3/h。仿真結(jié)果為：電池殼體表面最高溫度53.457℃，最低溫度49.423℃，溫差為4.03℃。進(jìn)出口壓力損失為142.2Pa，出口空氣溫度為46.12℃。各單個(gè)模塊的不均勻性除了進(jìn)風(fēng)口第一排的三個(gè)電池迎風(fēng)面和背風(fēng)面的溫差在6℃，其他各模塊的均勻性均在5℃以內(nèi)。外圍冷卻系統(tǒng)CFD仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)