熱管技術及熱管空調工程應用

       熱管：簡單講，以真空相變原理工作的一種極其高效的傳熱元件。

       當今傳熱工程面臨兩大問題：研究高絕熱材料和高導熱材料。

       熱管的相當導熱系數可達105 W/m?℃的數量級。為一般金屬材料的數百倍乃至上千倍。它可將大量熱量通過很小的截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。由于熱管具有導熱性能好、結構簡單、工作可靠、溫度均勻等良好性能。

熱管工作原理：

       熱管：是一種傳熱性極好的人工構件，常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管殼），內部空腔內有少量工作介質（工作液）和毛細結構（管芯），管內的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學原理：

       ⑴在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低；

       ⑵同種物質的汽化潛熱比顯熱高的多；

       ⑶多孔毛細結構對液體的抽吸力可使液體流動。

       從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段三部分。

       熱管的管殼是受壓部件，要求由高導熱率、耐壓、耐熱應力的材料制造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運行中管殼無腐蝕，工質與管殼不發(fā)生化學反應，不產生氣體。

       管殼材料有多種，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。管殼的作用是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，并承受管內外壓力不等時所產生的壓力差。

       熱管的管芯是一種緊貼管殼內壁的毛細結構，通常用多層金屬絲網或纖維、布等以襯里形式緊貼內壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結金屬構成。如上右圖所示為幾種不同的管芯的結果示意圖。

       熱管的工作液要有較高的汽化潛熱、導熱系數，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。工作液體還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生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結構和管壁產生溶解作用，否則被溶解的物質將積累在蒸發(fā)段破壞毛細結構。

熱管的三個區(qū)段的劃分：

       根據熱管外部熱交換情況分：加熱段、絕熱段、冷卻段；根據熱管內部工質傳熱傳質情況分：蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段。

熱管的傳熱：

       熱管在實現其熱量轉移過程中，包含了六個相互關聯的主要過程：（如上右圖）

       ① 熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液—汽分界面；

       ② 液體在蒸發(fā)段內的液—汽分界面上蒸發(fā)；

       ③ 蒸汽腔內的蒸汽從蒸發(fā)段到冷凝段；

       ④ 蒸汽在冷凝段內的汽—液分界面上凝結；

       ⑤ 熱量從汽—液分界面通過吸液芯、 液體和管壁傳給冷源；

       ⑥ 在吸液芯內由于毛細作用使冷凝后工作液體回流到蒸發(fā)段。

熱管的工作特性：

       對于普通熱管，其液體和蒸汽循環(huán)的主要動力是毛細材料和液體結合所產生的毛細力。假設熱管中沿蒸發(fā)段蒸發(fā)率是均勻的，沿冷凝段冷凝率也是均勻的，則其質量流率、壓力分布、溫度分布及彎月面曲率的分布如右上圖所示。

       在蒸發(fā)段內，由于液體不斷蒸發(fā)，使汽液分界面縮回到管芯里，即向毛細孔一側下陷，使毛細結構的表面上形成彎月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐漸凝結的結果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形狀，即界面的曲率半徑為無窮大(見下左圖上部及下右圖)。曲率半徑之差提供了使工質循環(huán)流動的毛細驅動力(循環(huán)壓頭)，用以克服循環(huán)流動中作用于工質的重力、摩擦力以及動量變化所引起的循環(huán)阻力。

熱管工作過程動畫：

熱管的傳熱極限：

       從圖中可以看出：當工作溫度低時，最易出現粘性極限及聲速極限。而在高溫下則應防止出現毛細極限及沸騰極限。故熱管的工作點必須選擇在包絡線的下方。

熱管基本特性：

       相變傳熱，熱阻小→極高的導熱性→換熱效率高，節(jié)能效果顯著。

       汽液處于飽和狀態(tài)→優(yōu)良的等溫性→溫度展平。

       蒸發(fā)段、冷凝段換熱面積可變→熱流密度的可變性→調節(jié)管壁溫度(避免露點腐蝕)。

       熱流方向的可逆性。

       單向導熱→熱二極管→(太陽能、地土永凍)。

       熱開關性能→控制熱管工作溫度范圍。

       加熱量變化→熱阻改變→控制溫度 →可控熱管(可變導熱管)。

       匯源分隔→環(huán)境適應性好。

       兩相閉式熱虹吸管：重力熱管、熱虹吸管與有芯熱管的區(qū)別在于冷凝液回流的機理不同；熱虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流；

       有芯熱管是依靠毛細抽吸力使冷凝液回流；

①重力熱管的特點：

       不需要吸液芯，制作簡單，成本低廉；

       減少了吸液芯本身產生的熱阻R3與R7，具有良好的傳熱性能。

       一切由吸液芯引起的故障，均可避免，工作可靠。

②重力熱管應用場合：

       只能應用于重力場中，而不能用于空間（無重力場）；只能將熱管的下部作為加熱段，而上部作為冷凝段；

       主要用于傳熱，不能用于均溫；可以作為熱二極管。

       根據重力熱管具有的特點，國內作為余熱回收用的熱管換熱器大多數采用這種形式的熱管。

熱管分類：

按照熱管管內工作溫度分：

       低溫熱管(-273～0℃)、常溫熱管(0～250℃)、中溫熱管(250～450℃)、高溫熱管(450～1000℃)。

       按照工作液體回流動力分：有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管。

       按管殼與工作液體的組合方式分：銅-水熱管、碳鋼-水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼-萘熱管、不銹鋼-鈉熱管。

       按結構形式分：普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管。

       按熱管的功用分：傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管。

各種類型的換熱器對比總結：

熱管的相容性及壽命：

       相容性指熱管在預期的設計壽命內，管內工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學反應或物理變化。影響熱管壽命及工作的重要因素之一產生不凝性氣體。

       由于工作液體與管殼材料發(fā)生化學反應或電化學反應，產生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到冷凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化。這種不相容的最典型例子就是碳鋼-水熱管，由于碳鋼中的鐵與水發(fā)生以下的化學反應：

       Fe+2H2O====Fe(OH)2+H2↑

      3Fe+4 H2O Fe3O4+4H2↑

       Fe(OH)2 Fe3O4+H2O+H2↑

       所產生的不凝性氫氣將使熱管性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。

       只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業(yè)應用的可能性。碳鋼-水熱管正是通過化學處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學反應問題，才使得碳鋼-水熱管這種高性能、長壽命、低成本的熱管得以在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。

熱管的工程應用：

       熱管換熱器：由許多單根熱管組成的換熱器。

       特點：結構簡單，換熱效率高；壓力損失小；安全可靠；靈活調溫。

       類型與結構：按照熱流體和冷流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為：氣—氣式、氣—汽式、氣—液式、液—液式、液—氣式。

       按結構型式分：可分為整體式、分離式、回轉式和組合式。

氣——氣式熱管換熱器

加熱爐余熱回收：

       熱管低溫樁（形成永凍土）：

       利用二極管特性：

       冬季—將地下熱量傳遞給地面上空氣（輻射及對流）；

       夏季—截止工作。

熱管及熱管換熱器設計：

       在進行熱管設計前，首先應該確定以下因素：

       ① 熱管管內工作液體的選擇；

       ② 熱管管內管內吸液芯結構形式；

       ③ 熱管的工作溫度，以及工作情況下熱管內部工作液體的飽和蒸汽溫度；

       ④ 熱管管殼材料的選擇。

       一般說來，這與設計的目的有關。不同的應用場合，熱管的設計要求截然不同。

熱管的設計計算通常按以下幾個步驟進行：

       ①管徑設計：管徑設計的一個基本原則就是管內的蒸汽速度不超過一定的極限值，這個極限值就是在蒸汽通道中最大馬赫數不能超過0.2，這時蒸汽流動可以被認為是不可壓縮的流體流動，軸向溫度梯度很小，可以忽略不計。

       ②管殼設計：熱管部工作時，一般處于負壓狀態(tài)（低溫熱管除外），外界壓力一般為大氣壓力，故可以不考慮管殼失穩(wěn)的問題，因而管殼的設計主要從強度考慮。管殼壁厚由強度計算所得壁厚加上腐蝕裕度得出，端蓋則可以按照平板的設計較容易的設計。

       ③吸液芯設計：設計吸液芯的依據是毛細極限的計算。

       ④毛細極限的檢驗。

       ⑤驗算：驗算攜帶極限、沸騰極限，最后核算Re數，驗算是否為層流流動。

熱管換熱器設計：

       熱管換熱器的計算目前已經通過計算機程序化，其主要內容包括兩部分：換熱器的熱力計算和熱管的極限校核。設計者只要根據工程的設計條件，輸入原始參數即可得到設計結果。然而，熱管換熱器與其他通用換熱器不同，它對工程的實際情況比較敏感，即通用性不強。在許多情況下，計算機程序計算的結果并不完全合理，必須作合理的調整，因而全面了解熱管換熱器的基本設計知識及計算方法仍然非常必要 。

       熱管換熱器的設計計算的主要任務在于求出總傳熱系數U，然后根據平均溫差及熱負荷求得總傳熱面積A，從而定出管子數量。在設計過程中，必須認真考慮一下幾點（以氣-氣換熱器為例）：

       1.選擇適當的標準迎面風速：熱管換熱器設計應遵循一條重要原則，即把迎面風速（標況）限制在2-3m/s的范圍內，風速過高將導致壓力將過大和動力消耗增加，風速過低會導致關外膜傳熱系數降低，管子的傳熱能力的不到充分發(fā)揮。

       2.選擇適當的翅片管參數：根據設計條件，對不同類型的換熱器體應選擇合適的翅片管參數。對潔凈氣體可選擇較密的翅片間距和較薄較高的翅片；對含塵奪得或有腐蝕性的氣體則應選擇間距較寬，翅片較厚較低的翅片管管的壁厚也應稍厚以抗腐蝕和磨損，下表為工業(yè)常用的規(guī)格參數，可供設計參考。

       3.重視原始設計參數的核實及計算公式的驗證 熱管換熱器的設計應特別重視原始設計參數，因為一般作為余熱回收設備通常是在已運轉的系統中作為附加設備設計的，因此對前后設備的影響要求頗為嚴格，現場原始參數（氣溫、氣量）必須精確測定。根基場地情況、系統的要求（壓降、溫降），選擇合適的結構。

空調熱回收：

       熱管（熱管換熱器）應用于空調熱回收系統。

分離式熱管在空調系統中的應用：

熱管空調應用于機房或基站

       分體熱管空調、空調熱管一體機應用于基站或機房，有效減少基站或機房空調的運行時間，節(jié)約空調用電，延長空調使用壽命，提高能源利用率。

熱管/制冷復合型空調機組的兩種工作模式：

        數據中心熱管空調熱管空調利用熱管系統原理，通過制冷劑相變及自然重力實現機房內封閉循環(huán)，結合室外自然冷源的使用，實現安全、可靠、高效節(jié)能的空調系統。

       高溫季節(jié)使用冷水機組提供的穩(wěn)定的冷凍水，與熱管空調從DC帶出的熱量進行熱交換；過渡季節(jié)和冬季，通過電動三通閥轉換到水-水換熱器，由冷卻塔把DC中的熱量帶走，充分利用自然冷源，大幅度降低機械制冷功耗。

       利用熱管系統原理，通過制冷劑相變及自然重力原理實現機房內封閉循環(huán)，冷凍水水管不進入機房內，機房內連接管路與換熱管循環(huán)介質為低壓制冷劑，徹底消除水入機房的安全隱患。

空調系統組成：

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