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文檔簡介
熱管換熱器(熱管換熱器)第一頁,共66頁。3.5熱管換熱器熱管換熱器是一種新型、高效、節(jié)能換熱器,廣泛使用于航天航空業(yè),并逐步用于加熱爐對流室煙氣余熱回收中。它是由數(shù)根熱管組成的。熱管外部裝有翅片以提高傳熱效果。熱管管束中間裝有隔板,冷、熱流體分別在隔板的兩側流動,通過熱管進行熱量傳遞。第二頁,共66頁。其工作原理為:當熱管的兩端分別被加熱(與熱流體接觸)和冷卻(與冷流體接觸)時,被加熱的一端(稱為蒸發(fā)段)管中的液體吸熱蒸發(fā)成為蒸氣,蒸氣沿管中心通道流向另一端(稱為冷凝段)并在此冷凝放出熱量,由于多孔管芯毛細作用,冷凝下來的液體又會自動地沿管芯流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)往復,通過工作介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝,將熱量由熱流體傳遞至冷流體。熱管換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、操作簡單、使用壽命長等優(yōu)點。3.5.1工作原理和傳熱過程熱管工作原理簡圖第三頁,共66頁。六個傳熱步驟:1)熱量從熱源通過殼壁和充滿液體工質(zhì)的吸液芯傳遞到液汽分界面上2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)3)蒸汽通過蒸汽腔輸送到冷凝段4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上冷凝5)熱量從冷凝段內(nèi)的汽-液分界面通過吸液芯和殼壁傳給外熱匯(即冷源)6)冷凝液借助吸液芯的毛細作用從冷凝段返回蒸發(fā)段重新工作。第四頁,共66頁。3.5.2熱管的結構熱管的結構簡圖軸向分為三個區(qū)域:蒸發(fā)段(或稱熱源段、熱端)、蒸發(fā)輸送段(或稱絕熱段)、冷凝段(或稱熱匯段、冷端)徑向分為三個部分:密閉的管殼、毛細結構(或稱吸液芯)、蒸汽通道(或稱蒸汽腔)第五頁,共66頁。1管殼1)作用: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(nèi)外壓力不等時所產(chǎn)生的壓力差2)要求:由高導熱率、耐壓、耐熱應力的材料制造,材料的選擇必須首先考慮到與所要使用的工質(zhì)的相容性,即要求熱管在長期運行中管殼無腐蝕,工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學反應,不產(chǎn)生氣體。3)材料: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。2管芯管芯是一種緊貼管殼內(nèi)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(nèi)壁以減小接觸熱阻,襯里也可由多孔陶瓷或燒結金屬構成。性能良好的管芯應具有:足夠大的毛細抽吸壓頭較小的液體流動阻力,即有較高的滲透率良好的傳熱特性,即有較小的徑向熱阻第六頁,共66頁。管芯的結構1)緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)芯,圖3.66(a)2)燒結粉末管芯,圖3.66(b),它是由一定目數(shù)的金屬粉末或金屬絲網(wǎng)燒結在管內(nèi)壁面而成3)軸向槽道式管芯,圖3.66(c),它是在管殼內(nèi)壁開軸向細槽,以提供毛細壓頭及液體回流通道,槽的截面形狀可有矩形、梯形等多種4)組合管芯。一般管芯往往不能同時兼顧毛細抽吸力及滲透率,組合管芯既能兼顧毛細力和滲透率,從而獲得高的軸向傳熱能力,而且大多數(shù)管芯的徑向熱阻甚小。它基本上把管芯分成兩部分,一部分起毛細抽吸作用,一部分起液體回流通道作用。此類管芯有多種,圖3.66(d)為一種槽道覆蓋網(wǎng)式。它是在軸向槽道管芯表面覆蓋一層細孔網(wǎng),槽道成為低阻力的液體回流通道,細孔網(wǎng)則提供高的毛細抽吸壓頭,因此可提高傳熱能力。但因網(wǎng)與槽不易貼合緊,其徑向熱阻較大。第七頁,共66頁。3)工作液對工作液的要求: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(zhì)將積累在蒸發(fā)段破壞毛細結構工作液的選用熱管內(nèi)的工作液體隨熱管內(nèi)部的工作溫度而定低溫(﹤100℃):乙醇、丙酮、氟利昂、液氨、液氫等,在常溫條件下的工作液體一般為水中溫(100~500℃):熱管內(nèi)部工作溫度高于280℃時,由于水的飽和蒸汽壓力較高,故應考慮具有低飽和蒸汽壓的工作液體如聯(lián)苯、萘、汞等高溫(﹥500℃):當管內(nèi)工作溫度超過600℃以上時,可選用鉀、鈉或鉀鈉合金等液態(tài)金屬作為工作液體工作液在外殼封閉前裝入熱管,其數(shù)量應使毛細結構足夠飽和并稍有過量,若液體不足則有可能成為熱管破壞的原因之一(如蒸發(fā)段干涸)第八頁,共66頁。4)熱管的型式①
吸液芯熱管:冷凝的工作液體依靠毛細多孔材料(吸液芯)的毛細抽吸力返回到加熱段(蒸發(fā)段)②兩相熱虹吸管:工作液體的回流依靠其本身的重力作用第九頁,共66頁。③
旋轉熱管:工作液體的回流依靠離心力的分力作用④
重力輔助熱管:同時受到毛細力和重力作用使凝液回流。當具有吸液芯的熱管處于冷凝段在加熱段上方位置時,熱管就將按重力輔助熱管方式運行第十頁,共66頁。因為吸液芯的泵送作用3.5.3熱管的工作特性蒸發(fā)段冷凝段(1)工質(zhì)循環(huán)流動的推動力蒸發(fā)段內(nèi),液體在液汽分界面上的逐漸蒸發(fā)使得分界面縮回到吸液芯里(如圖),產(chǎn)生彎月形氣液分界面(彎月面);冷凝段內(nèi),蒸汽在液汽分界面上的逐漸冷凝使得分界面高于吸液芯,且分界面基本上呈平面形狀,曲率半徑為無限大;蒸發(fā)和冷凝段的曲率半徑之差--工質(zhì)(液體和蒸汽)循環(huán)流動的毛細驅動力(循環(huán)動力)。第十一頁,共66頁。吸液芯內(nèi)的凹形液汽界面的形成屬于毛細現(xiàn)象,根據(jù)力學平衡原理,此時,蒸汽壓力大于液體壓力,液汽界面兩側存在著壓差Δp--毛細頭;
對應于毛細孔曲率半徑為r的任何彎月面的相間靜壓差為:
Δp=pg-pl=2σcosθ/r
pg、pl分別為汽、液相壓力,r—毛細孔半徑
σ為液汽分界面上的表面張力。θ—液面接觸角推動力續(xù)第十二頁,共66頁。蒸發(fā)段有毛細頭ΔPe冷凝段有毛細頭ΔPc熱管兩端毛細頭壓差ΔPcap:其中,冷凝段,rc=∞,液汽相間無壓差;蒸發(fā)段,r最小處,循環(huán)驅動力最大--最大毛細壓差,第十三頁,共66頁。即在cosθe=1(θe=0°),cosθc=0(θc=90°)時,ΔPcap:有最大值為:ΔPcap:是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動力,用來克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的阻力降ΔPν、冷凝液體從冷凝段回流到蒸發(fā)段的壓力降ΔPl和重力對液體流動引起的壓力降ΔPg(ΔPg可以是正值,負值,或零)。因此(2-11)這是熱管正常工作的必要條件第十四頁,共66頁。傳遞熱量的估算根據(jù)上述平衡關系式和阻力與工質(zhì)流量的關系,可估算出工質(zhì)的循環(huán)量,從而計算出每根熱管可能傳遞的熱量。
一般情況下,蒸氣流速不高,蒸氣流動阻力忽略,并設熱管為水平放置,=0。液芯內(nèi)液體的流動阻力可按Darcy給出的公式(達西公式)估算:第十五頁,共66頁。第十六頁,共66頁。(2)工質(zhì)的壓力分布情況a.蒸汽流動
蒸發(fā)段:蒸汽通過蒸汽腔向冷凝段移動,與多孔壁注入或吸出的管內(nèi)流動相似,層流或紊流;蒸發(fā)段沿蒸汽流向不斷有蒸汽補充加入,是一個加速過程,壓力能部分轉化為動能;冷凝段:相反,即蒸汽的減速過程,使部分動能回收,使氣流方向上壓力有所回升。整個蒸汽流動過程,動量變化所引起的壓力變化是相抵的,則從蒸發(fā)段到冷凝段的蒸汽壓差只表現(xiàn)為摩擦阻力Δpg,這一壓差較小,其所對應的溫差較?。划斔鶎睦錈岫孙柡蜏囟戎钚∮?.56-1.2oC即近乎等溫流動,被認為正常工作,--熱管工況。第十七頁,共66頁。b.液體流動冷凝液通過毛細作用返回蒸發(fā)段內(nèi)的流動為層流流動,并主要受摩擦阻力支配,由動量引起的壓差可以忽略,且受重力的影響(當管不水平放置時);無吸液芯的熱管即靠重力回流。整個熱管工作過程類似自然循環(huán)系統(tǒng);通過正確選擇熱管材料、工質(zhì)和幾何參數(shù),以使所產(chǎn)生的毛細壓差滿足循環(huán)的要求,并完全超過重力作用使熱管的安放和使用不受重力場方向和大小的影響。c.壓力分布第十八頁,共66頁。
熱管的傳熱量會受到一定的限制。這種限制完全受流動過程的控制,達到這一極限值時傳熱量無法再增加,稱為“極限”。某些極限達到后,蒸汽的流速不再增加,除非改變工作溫度。而對于另一些極限,當其達到后工作流體的循環(huán)中斷,熱管蒸發(fā)段局部燒干并出現(xiàn)過熱。圖2.8所示為熱管的傳熱極限曲線。3.5.4熱管的工作極限1)連續(xù)流動極限對小熱管,如微型熱管,以及工作溫度很低的熱管,熱管管內(nèi)的蒸汽流動可能處于自由分子狀態(tài)或稀薄、真空狀態(tài)。在這種情況下,由于不能獲得連續(xù)的蒸汽流,傳熱能力將受到限制;2)冷凍啟動極限在從冷凍狀態(tài)啟動過程中,蒸發(fā)端來的蒸汽可能在絕熱段或冷凝段再次冷凍,這將耗盡蒸發(fā)端來的工作介質(zhì),導致蒸發(fā)段干涸,熱管無法正常啟動工作3)粘性極限當蒸汽的壓力由于粘性力的作用在熱管冷凝段的末端降為零,如液態(tài)金屬熱管,在這種條件下,熱管傳熱將受到限制。熱管的工作溫度低于正常工作溫度范圍時將遇到這種限制,它又被稱為蒸汽壓力極限第十九頁,共66頁。4)聲速極限熱管管內(nèi)蒸汽流動,由于慣性力的作用,在蒸發(fā)段出口處蒸汽速度可能達到聲速或超聲速,而出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象,這時的最大傳熱量被稱為聲速極限;5)攜帶極限當熱管中的蒸汽速度足夠高時,液汽交界面存在的剪切力可能將吸液芯表面液體撕裂將其帶入蒸汽流。這種現(xiàn)象減少了冷凝回流液,限制了傳熱能力;6)毛細極限熱管中工作介質(zhì)的循環(huán)靠毛細吸液芯結構與工作液體產(chǎn)生的毛細壓頭維持,由于毛細結構為循環(huán)提供的毛細頭是有限的,這將使熱管的最大傳熱量受到限制,這種限制通常稱作毛細極限或流體動力極限;7)冷凝極限熱管最大傳熱能力可能受到冷凝段冷卻能力的限制,不凝性氣體的存在將降低冷凝段的冷卻效率;8)沸騰極限如果徑向熱流或管壁溫度變得非常高,吸液芯中工質(zhì)的沸騰可能阻礙工作液體的循環(huán)而導致沸騰極限。第二十頁,共66頁。傳熱極限可用傳熱量和工作溫度(即管內(nèi)蒸汽平均溫度)為直角坐標的兩軸來定性地表示。熱管的工作點必須選擇在包絡線1-2-3-4-5-6-7-8的下方。這些極限曲線的實際形狀隨工質(zhì)和吸液芯材料及熱管形狀等因素而變化。65431278第二十一頁,共66頁。3.5.5熱管換熱器的傳熱計算1.傳熱計算的基本方程傳熱計算基本方程式:傳熱方程式傳熱計算中所采用的傳熱面積F:可以是光管外表面積或熱管加熱段管外總面積或加熱段光管外表面積,因而就有相應的傳熱系數(shù)。常用的以加熱段光管外表面積為基準者居多。平均溫差?tm:根據(jù)冷熱流體的流向以及它們各自是否有橫向的混合,通過計算或從有關線圖查得。傳熱量Q應取為熱流體放熱量Qh與冷流體吸熱量Qc的算術平均值,即第二十二頁,共66頁。2.熱管元件各傳熱環(huán)節(jié)熱阻典型的吸液芯熱管的傳熱過程可分解為以下各種傳熱環(huán)節(jié),并構成了總的熱阻。環(huán)節(jié)續(xù)1環(huán)境熱源與熱管加熱段外壁間2加熱段管壁導熱3蒸發(fā)段吸液芯--液體組合層的傳熱4蒸發(fā)段液體界面的相變換熱5從蒸發(fā)段到凝結段蒸汽流動換熱6凝結段液汽界面的相變換熱7凝結段吸液芯--液體組合層的傳熱8凝結段管壁的導熱9凝結段外壁與環(huán)境冷源間的換熱10從蒸發(fā)段到冷凝段的軸向導熱11通過吸液芯的軸向導熱第二十三頁,共66頁。2.熱管元件各傳熱環(huán)節(jié)熱阻(1)環(huán)境熱源與熱管加熱段外壁間的換熱熱阻R1熱阻R1之值隨換熱條件不同而異,因而應分清對流換熱、輻射換熱還是復合換熱,是受迫對流還是自然對流,熱管外壁是光管還是帶肋,熱管外壁與熱源的固體壁面有無接觸等有關問題,采用相應的計算公式。環(huán)節(jié)續(xù)第二十四頁,共66頁。環(huán)節(jié)續(xù)第二十五頁,共66頁。環(huán)節(jié)續(xù)第二十六頁,共66頁。(2)加熱段管壁的導熱,熱阻R2(3)蒸發(fā)段吸液芯--液體組合層的傳熱,熱阻R3環(huán)節(jié)續(xù)第二十七頁,共66頁。(4)蒸發(fā)段液體界面的相變換熱,熱阻R4(5)從蒸發(fā)段到凝結段蒸汽流動換熱,熱阻R5環(huán)節(jié)續(xù)第二十八頁,共66頁。(6)凝結段液汽界面的相變換熱,熱阻R6(7)凝結段吸液芯--液體組合層的傳熱,熱阻R7環(huán)節(jié)續(xù)第二十九頁,共66頁。(8)凝結段管壁的導熱,熱阻R8(9)凝結段外壁與環(huán)境冷源間的換熱,熱阻R9環(huán)節(jié)續(xù)第三十頁,共66頁。(10)從蒸發(fā)段到冷凝段的軸向導熱,熱阻R10(11)通過吸液芯的軸向導熱,熱阻R113對流換熱系數(shù)第三十一頁,共66頁。第三十二頁,共66頁。3.5.6熱管換熱器的流動阻力計算第三十三頁,共66頁。第三十四頁,共66頁。3.5.7熱管換熱器的熱管工作安全性校驗第三十五頁,共66頁。RcRc第三十六頁,共66頁。第三十七頁,共66頁。第三十八頁,共66頁。3.5.8熱管換熱器的熱力設計熱管換熱器的熱力設計可按常規(guī)的間壁式換熱器的設計方法進行計算。要注意的是,熱管換熱器的設計是在給定熱管元件的基礎上進行的,因此在設計之前必須選定熱管元件。選擇熱管元件時,主要根據(jù)已知的流體工作溫度估計熱管的工作溫度,使設計后的熱管工作溫度在安全數(shù)值范圍內(nèi)。對于熱管形式,應考慮使用場合的不同選擇合適的形式。如,用于余熱回收時,可多考慮應用結構簡單、性能優(yōu)良、工作可靠的兩相閉式熱虹吸管。第三十九頁,共66頁。第四十頁,共66頁。第四十一頁,共66頁。第四十二頁,共66頁。第四十三頁,共66頁。第四十四頁,共66頁。第四十五頁,共66頁。第四十六頁,共66頁。為蒸發(fā)段換熱面的清潔度,取0.8~0.9第四十七頁,共66頁。第四十八頁,共66頁。第四十九頁,共66頁。第五十頁,共66頁。垂直兩相閉式熱虹吸管達攜帶極限時的最大熱流量第五十一頁,共66頁。第五十二頁,共66頁。3.5.9熱管的應用熱管技術被公認是一種很有價值的傳熱新技術,在空間技術、電器工業(yè)、核電工業(yè)、化學工業(yè)、食品工業(yè)、動力機械、工業(yè)余熱回收等很多方面都得到了廣泛應用。如:1、化工及石化領域2、建材及輕紡織工業(yè)領域3、冶金工業(yè)領域4、電力電子領域5、航空航天領域6、內(nèi)燃機7、其他領域第五十三頁,共66頁。1.熱管技術在化工及石化領域的應用熱管及熱管換熱器近年來在石油化工領域中的應用已愈來愈受人們的重視,它具有體積緊湊、壓力降小、可以控制露點腐蝕、一段破壞不會引起兩相流互混等優(yōu)點,提高的設備的運行效率和可靠性。它在石化領域的應用可謂是無所不在,如下所示為熱管換熱器在該領域的部分應用場合:
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充,或生產(chǎn)高壓蒸汽作為生產(chǎn)的動力源;控制固定床催化反應器的化學反應溫度,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;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用在石化領域應用更是廣泛:
熱管裂解爐;熱管乙苯脫氫反映器;熱管氧化反應器;催化裂化再生取熱器;
…………
第五十四頁,共66頁。2.熱管技術在建材及輕紡織工業(yè)領域的應用建材行業(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,能源費占生產(chǎn)總成本的40%以上。開發(fā)新型高效節(jié)能設備將極大的促進此行業(yè)的發(fā)展。80年代國內(nèi)的許多單位應用熱管換熱技術回收陶瓷、水泥生產(chǎn)中排放的余熱取得了良好的節(jié)能效果,90年代高溫熱管技術的工業(yè)開發(fā)應用獲得成功,這些都為熱管技術的工業(yè)推廣打下了良好的基礎。如下是近年來熱管技術在建材、輕工業(yè)中成功應用的一些實例:
高嶺土噴霧干燥熱風爐; 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)中的回轉窯冷卻機的余熱利用、廢尾氣余熱利用、懸浮預熱機、烘干機等熱工設備; 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)中的熱定型機余熱回收利用、漿紗機的余熱回收等。第五十五頁,共66頁。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,焦爐、高爐及煉鋼工序均有相當數(shù)量的余熱未能回收利用。余熱的溫度最高可達1600oC,熱能的形態(tài)有固體、氣體、液體,其中最多的為間歇排放,因此給余熱回收帶來了一定的難度。由于熱管的眾多特點,特別適宜于上述場合的余熱回收利用,從70年代開始,國內(nèi)冶金界就有許多工程技術人員和熱管技術工作者進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)在燒結排氣顯熱和熱風爐燃燒廢氣的余熱回收方面,達到了定性設計和系列化、標準化的程度。高溫熱管及高溫熱管空氣預熱器、高溫熱管空氣蒸發(fā)器的開發(fā)運行成功,又給冶金業(yè)帶來了新的希望。在冶金工業(yè)中大量應用的熱管換熱器設備有:坯件加熱爐熱管空氣預熱器; 線材退火爐空氣預熱器; 軋鋼連續(xù)加熱爐空氣預熱器; 熱管余熱鍋爐; 熱管省煤器等。第五十六頁,共66頁。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(nèi),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。在電力領域,熱管電機的出現(xiàn)及實用化成為了一個典型的代表。熱管電機中的主要應用之一是用一根旋轉熱管來代替電機的傳動軸,將電機轉子產(chǎn)生的熱量通過熱管傳到軸端的散熱部分,并用風扇排至電機殼外。傳遞的功率顯著提高。第五十七頁,共66頁?!吧裰萏栵w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備、結構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。他通常采用流體對流換熱方式。其傳熱回路可以采用泵驅動液體回路、熱管輻射回路和毛細泵抽吸回路等?!薄浴渡裰蹐A夢》
“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?.熱管在航天領域的應用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。下面是兩個具體的應用實例,從中就可以看出熱管技術在航天領域的重要位置。第五十八頁,共66頁。6.熱管在內(nèi)燃機上的應用1)
熱管在內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)的應用
內(nèi)燃機的冷卻主要包括缸外水冷系統(tǒng)和機油冷卻系統(tǒng),水冷效率已經(jīng)達到了很高的水平,但機油冷卻還有很大的發(fā)展空間,機油冷熱效率不高,功率損失較大,因此適當?shù)牟捎脽峁芗夹g可以克服這些缺點。但此項技術目前因為技術水平有限,還未能得以實現(xiàn),其應用還有待研究發(fā)展。Myidea:如右圖所示:為一種“新型”熱管。特點:蒸發(fā)段在冷凝段上部;適用范圍:高速往復運動部件;尺寸:視使用場合具體確定。在內(nèi)燃機上可以安裝在活塞下部,用以給活塞冷卻,但是有很多問題需要解決:強度、尺寸、安裝方法、對內(nèi)燃機經(jīng)濟性影響……2)熱管在內(nèi)燃機余熱回收中的應用內(nèi)燃機排氣余熱約占燃燒所產(chǎn)生熱量的34%,排氣溫度在300-500oC之間。回收這部分熱量,將會大大提高內(nèi)燃機的經(jīng)濟性。
目前已經(jīng)開發(fā)出柴油機熱管余熱鍋爐,在船用柴油機排氣余熱回收、發(fā)電機組余熱回收等方面起到了顯著的效果。第五十九頁,共66頁。熱管在核電工程中的應用隨著熱管技術的成熟和核能技術的迅速發(fā)展,熱管技術在核電工程中的應用顯得越來越重要。最早的開發(fā)在空間核電源中的應用,已逐漸發(fā)展到地面核反應堆及核廢料的散熱及事故預防等方面。在這個領域具體應用有:空間核電源中的應用、核廢料的冷卻、事故情況下的安全殼體保護、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管在太陽能利用中的應用太陽能取之不盡、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用前景。我國的熱管太陽能應用技術主要集中于民用熱水器的開發(fā)研究,但其制造價格昂貴,在采用新的技術后,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入了市場熱管在航天飛行技術中的應用熱管最早就是應航天技術的發(fā)展的要求而發(fā)展的,所以熱管航飛行器方面得到了大量的應用,并隨著航天技術的發(fā)展得到了大幅度的發(fā)展。如:等溫蜂窩板、超音速熱管機翼、大型空間站熱管散熱器等。7.熱管在其他領域中的應用第六十頁,共66頁。3.5.10熱管及熱管換熱器的補充知識點1
(一)熱管依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱,具有以下基本特性。(1)很高的導熱性
熱管內(nèi)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;熱管的軸向導熱性很強,徑向并無太大的改善(徑向熱管除外)。(2)優(yōu)良的等溫性
熱管內(nèi)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)熱力學中的方程式可知,溫降亦很小,因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。
第六十一頁,共66頁。(3)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。
(4)熱流方向的可逆性
一根水平放置的有芯熱管,由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力,因此任意一端受熱就可作為蒸發(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
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