熱管技術及其工程應用

admin 2011-08-17

熱管技術及其工程應用

1．緒論
1-1熱管的發展及現狀
1.2熱管工作原理
1.3熱管的基本特性
1.4熱管的分類6
1.5熱管的相容性及壽命
1.6熱管技術及特點
    1.6.1熱管技術t
    1.6.2熱管技術的重要特點
參考文獻
2．熱管及熱管理論
2.1熱管理論
    2.1.1 Cotter理論的基本內容
    2.1.2毛細壓力與熱管最大長度
    2.1.3熱管內液體的流動壓降21
    2.1.4熱管內蒸汽的流動壓降23
    2.1.5熱管內汽·液交界面壓差與質量流之間的關系式-25
    2.1.6熱流量和質量流量之間的關系27
    2.1.7Cotter理論小結
2.2熱管的傳熱極限
    2.2.1黏性極限
    2.2.2聲速極限
    2.2.3攜帶極限
    2.2.4毛細極限45
    2.2.5冷凝極限58
    2.2.6沸騰極限59
    2.2.7連續流動極限
    2.2.8冷凍啟動極限．    66
2.3兩相閉式熱虹吸管67
    2.3.1 兩相閉式熱虹吸管內部的傳熱分析67
    2.3.2兩相閉式熱虹吸管的傳熱極限73
    2.3.3兩相閉式熱虹吸管的不穩定振蕩現象。76
    2.3.4充液量與傾角對兩相閉式熱虹吸管傳熱的影響80
    2.3.5具有內插件的熱虹吸管i-．82
2.4旋轉（回轉）熱管．    86
    3.1.2不銹鋼、低合金鋼．堿金屬熱管壽命試驗l36
    3.1.3熱虹吸管的強化傳熱試驗研究139
    3.1.4碳鋼·水熱管換熱器傳熱性能試驗研究14l
    3.1.5旋轉熱管研究143
    3.1.6萘熱管試驗．．    ．．147
    3.1.7液態金屬熱管試驗研究l55
    3.1.8汞熱管的試驗研究l55
    3.1.9鈉熱管的傳熱極限研究l 59
    3.1.10液態金屬熱管大功率傳熱試驗m163
    3.1.11鈉熱管內的鈉水反應169
3.2熱管設計一    ．．1 73
    3.2.1 工作液體的選擇．．．174
    3.2.2吸液芯的選擇l76
    3.2.3管殼材料的選擇～177
    3.2.4設計計算    ．．178
    3.2.5設計舉例    ．．182
3-3熱管換熱器的類型與結構l87
    3.3.1 整體式熱管換熱器188
    3.3.2分離式熱管換熱器l89
    3.3.3 回轉式熱管換熱器I90
    3.3.4組合式熱管換熱器l90
3.4熱管換熱器設計計算l9l
    3.4.1 常規設計計算法193
    3.4.2離散型計算法213
    3.4.3定壁溫計算法217
參考文獻219
4．熱管制造．    222
4.1 熱管零部件及其加工222
    4.1.1管殼
    4.1.2端蓋223
    4.1.3密封隔板 224
    4.1.4吸液芯結構 226
    4.1.5吸液芯的支撐結構23l
    2.4.1旋轉熱管概述86
    2.4.2旋轉熱管的傳熱分析89
    2.4.3旋轉熱管的傳熱極限93
    2.4.4旋轉（回轉）熱管的強化傳熱．95
2.5分離式熱99
    2.5,1分離式熱管概述．    99
    2.5.2分離式熱管傳熱分析100
    2.5.3分離式熱管傳熱極限l04
    2.5.4分離式熱管換熱器最佳工作狀態105
2，6可變導熱管   106
    2.6.1可變導熱管的基本原理和類型106
． 2.6.2無反饋控制的可變導熟管l07
    2.6.3有反饋控制的可變導熱管l l2
    2.6.4可變導熱管的計算及其比較115
2.7微型熱管及小型熱管(MHP)l l6
    2.7.1微型熱管的結構特征116
    2.7.2微型熱管的流動傳熱特征l17
    2.7.3微型熱管的傳熱極限118
2.8 毛細泵回路(CPL)123
    2.8.1毛細泵回路的工作原理及特點l23
    2.8.2毛細泵回路的流動傳熱特性125
參考文獻
3．熱管試驗研究及熱蕾換熱器設計l32
3.1熱管試驗研究    l32
    3.1.1碳鋼·水熱管的相容性研究132

1．緒    論
1.1 熱管的發展及現狀
    在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它可將大量熱量通過其很小的截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。熱管的原理首先是由美國俄亥俄州通用發動機公司(The General Motors Corporation，Ohio，U.S．A)的R．S．Gaugler于1944年在美國專利(No．2350348)中提出的【l】。他當時正在研究冷凍問題，他設想一裝置由封閉的管子組成，在管內液體吸熱蒸發后于該下方的某一位置放熱冷凝，在無任何外加動力的前提下，冷凝液體借助管內的毛細吸液芯所產生的毛細力回到上方繼續吸熱蒸發，如此循環，達到熱量從一處傳輸到另一處的目的。然而他的想法當時并沒有被通用發動機公司所采納應用。
    1962年L．Trefethen再次提出類似于Gaugler的傳熱元件用于宇宙飛船，但因這種建議并未經過實驗證明，亦未能付諸實施。 1963年美國Los Alamos國家實驗室的G．M．Grover I3】重新獨立發明了類似于Gaugler提出的傳熱元件，并進行了性能測試實驗，在美國《應用物理》雜志上公開發表了第一篇論文，并正式將此傳熱元件命名為熱管“Heat Pipe"．指出它的熱導率已遠遠超過任何一種已知的金屬，給出了以鈉為工作液體，不銹鋼為殼體，內部裝有絲網吸液芯的熱管的實驗結果。美國Los Alamos國家實驗室在熱管理論以及熱管在空間技術方面的應用研究一直處于領先地位。1965年Cotter首次提出了較完整的熱管理論I4】，為以后的熱管理論的研究工作奠定了基礎。1967年一根不銹鋼，水熱管首次被送入地球衛星軌道并運行成功【5】，從此吸引了很多科學技術工作人員從事熱管研究，前西德、意大利、荷蘭、英國、前蘇聯、法國及日本等國均開展了大量的研究工作，使得熱管技術得以很快發展。
    Katzoff于1966年發明了有干道的熱管。干道的作用是為了給從冷凝段回到蒸發段的液體提供一個壓力降較小的通道，大大地提高了熱管的傳輸能力。
    1969年前蘇聯和日本的有關雜志均發表了熱管應用研究方面的文章。在日本的文章中已有描述帶翅片熱管束的空氣加熱器，在能源日趨緊張的情況下，可用來回收工業排氣中的熱能。同時Turner和Bienertc6]提出了用可變熱導熱管來實現恒溫控制。Gray【7】研究了一種新型熱管——旋轉熱管，這些發明都是熱管技術的重大進展。
    1 970年在美國出現了供應商品熱管的部門，熱管的應用從宇航擴大到了地面。在熱管發展史上值得一提的是在橫穿阿拉斯加輸油管線工程中，應用熱管作為管線的支撐，保證地面的永凍層，以滿足工程需要。該工程共使用了112000余根熱管，單根熱管的長度為9—23rric8]。
    1974年以后，熱管在節約能源和新能源開發方面的研究得到了充分的重視，用熱管組成換熱器來回收廢熱，并將其用于工業以節約能源。美國和日本在這方面所取得的進展最為顯著。
    1980年美國Q-Dot公司生產了熱管廢熱鍋爐【9】，1日本帝人工程公司也成功地用熱管做成鍋爐給水預熱器，解決了排煙的露點腐蝕問題[IO]。之后，各國的熱管換熱器研制工作迅猛展開，回轉式、分離式等新的結構型式相繼出現，并日趨工業化、大型化。
    1984年Cotter較完整地提出了微型熱管的理論及展望，為微型熱管的研究與應用奠定了理論基礎。毛細泵回路CPL (Capillary pumped loops)和回路熱管系統LHP (Loop heat pipe systems)以其結構靈活、應用面廣及在很小溫差下可遠距離傳遞較常規熱管更大的熱量的特點，引起了整個熱管界的普遍關注，成為理論研究和應用研究
的熱點。
    70年代以來，熱管技術飛速發展，各國的科研機構、高等院校、公司及廠礦均開展了多方面的開發、應用研究，國際間、地區間及各國自身的熱管技術交流活動日益頻繁，1973年在德國斯圖加特(Stuttgart)召開了第一屆國際熱管會議后，1 976年在意大利的波倫亞(Bologna)召開了第二屆國際熱管會議，1978年在美國加尼福利亞州(Palo Alto)召開了第三屆國際熱管會議，此后1 98 1年在英國倫敦(London)， 1984年在日本筑波(Tuskuba)，1 987在法國格林貝爾(Grenoble)，1990年在前蘇聯明斯克(Minsk)，1992年在中國北京，1995年在美國新墨西哥州Albuquerque，1997在德國斯圖加特(Stuttgart)，1999年在日本東京(Tokyo)分別召開了第四至十一屆國際熱管會議。
除此之外，中日雙方從1985年至1994年分別召開了四屆雙邊及多邊熱管技術研討會，1996年在澳大利亞墨爾本(Melboume)召開的多邊會議正式發展為國際熱管技術研討會。
    我國自70年代開始，開展了熱管的傳熱性能研究以及熱管在電子器件冷卻及空間飛行器方面的應用研究。由于我國是一個發展中的國家，能源的綜合利用水平較低，因此自80年代初我國的熱管研究及開發的重點轉向節能及能源的合理利用[12]，相繼開發了熱管氣一氣
換熱器，熱管余熱鍋爐、高溫熱管蒸汽發生器，高溫熱管熱風爐等各類熱管產品。由于碳鋼．水兩相閉式熱虹吸管的結構簡單、價格低廉、制造方便，易于在工業中推廣應用，碳鋼，水相容性的基本解決，
使得此類熱管得以廣泛的應用，我國的熱管技術工業化應用的開發研究發展迅速，學術交流活動也十分活躍，從1983年起已先后召開了六屆全國性的熱管會議，具體日期和地點見表1-1。
表I-I 全國熱管會議情況一覽表
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┃    全國熱管會議屆次        ┃    召開日期        ┃              召開地點      ┃
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┃    第一屆                            ┃           1983年    ┃               哈爾濱        ┃
┃    第二屆            ┃    1988年    ┃    湖南大庸      ┃
┃    第三屆            ┃    1991年    ┃    四川都江堰    ┃
┃    第四屆            ┃    1994年    ┃    黑龍江牡丹江 ┃
┃    第五屆            ┃    1996年    ┃    江蘇無錫      ┃
┃    第六屆            ┃    1998年    ┃    福建邵武      ┃
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