熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用

admin 2011-08-17

熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用

1．緒論
1-1熱管的發(fā)展及現(xiàn)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(shù)及特點(diǎn)
    1.6.1熱管技術(shù)t
    1.6.2熱管技術(shù)的重要特點(diǎn)
參考文獻(xiàn)
2．熱管及熱管理論
2.1熱管理論
    2.1.1 Cotter理論的基本內(nèi)容
    2.1.2毛細(xì)壓力與熱管最大長度
    2.1.3熱管內(nèi)液體的流動(dòng)壓降21
    2.1.4熱管內(nèi)蒸汽的流動(dòng)壓降23
    2.1.5熱管內(nèi)汽·液交界面壓差與質(zhì)量流之間的關(guān)系式-25
    2.1.6熱流量和質(zhì)量流量之間的關(guān)系27
    2.1.7Cotter理論小結(jié)
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(xì)極限45
    2.2.5冷凝極限58
    2.2.6沸騰極限59
    2.2.7連續(xù)流動(dòng)極限
    2.2.8冷凍啟動(dòng)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(nèi)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(wěn)定振蕩現(xiàn)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(nèi)插件的熱虹吸管i-．82
2.4旋轉(zhuǎn)（回轉(zhuǎn)）熱管．    86
    3.1.2不銹鋼、低合金鋼．堿金屬熱管壽命試驗(yàn)l36
    3.1.3熱虹吸管的強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究139
    3.1.4碳鋼·水熱管換熱器傳熱性能試驗(yàn)研究14l
    3.1.5旋轉(zhuǎn)熱管研究143
    3.1.6萘熱管試驗(yàn)．．    ．．147
    3.1.7液態(tài)金屬熱管試驗(yàn)研究l55
    3.1.8汞熱管的試驗(yàn)研究l55
    3.1.9鈉熱管的傳熱極限研究l 59
    3.1.10液態(tài)金屬熱管大功率傳熱試驗(yàn)m163
    3.1.11鈉熱管內(nèi)的鈉水反應(yīng)169
3.2熱管設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算    ．．178
    3.2.5設(shè)計(jì)舉例    ．．182
3-3熱管換熱器的類型與結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)計(jì)算l9l
    3.4.1 常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算法193
    3.4.2離散型計(jì)算法213
    3.4.3定壁溫計(jì)算法217
參考文獻(xiàn)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(jié)構(gòu) 226
    4.1.5吸液芯的支撐結(jié)構(gòu)23l
    2.4.1旋轉(zhuǎn)熱管概述86
    2.4.2旋轉(zhuǎn)熱管的傳熱分析89
    2.4.3旋轉(zhuǎn)熱管的傳熱極限93
    2.4.4旋轉(zhuǎn)（回轉(zhuǎn)）熱管的強(qiáng)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(tài)105
2，6可變導(dǎo)熱管   106
    2.6.1可變導(dǎo)熱管的基本原理和類型106
． 2.6.2無反饋控制的可變導(dǎo)熟管l07
    2.6.3有反饋控制的可變導(dǎo)熱管l l2
    2.6.4可變導(dǎo)熱管的計(jì)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(jié)構(gòu)特征116
    2.7.2微型熱管的流動(dòng)傳熱特征l17
    2.7.3微型熱管的傳熱極限118
2.8 毛細(xì)泵回路(CPL)123
    2.8.1毛細(xì)泵回路的工作原理及特點(diǎn)l23
    2.8.2毛細(xì)泵回路的流動(dòng)傳熱特性125
參考文獻(xiàn)
3．熱管試驗(yàn)研究及熱蕾換熱器設(shè)計(jì)l32
3.1熱管試驗(yàn)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(fā)展及現(xiàn)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(yuǎn)距離地傳輸而無需外加動(dòng)力。熱管的原理首先是由美國俄亥俄州通用發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)時(shí)正在研究冷凍問題，他設(shè)想一裝置由封閉的管子組成，在管內(nèi)液體吸熱蒸發(fā)后于該下方的某一位置放熱冷凝，在無任何外加動(dòng)力的前提下，冷凝液體借助管內(nèi)的毛細(xì)吸液芯所產(chǎn)生的毛細(xì)力回到上方繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，達(dá)到熱量從一處傳輸?shù)搅硪惶幍哪康摹Ｈ欢南敕ó?dāng)時(shí)并沒有被通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司所采納應(yīng)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(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，亦未能付諸實(shí)施。 1963年美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室的G．M．Grover I3】重新獨(dú)立發(fā)明了類似于Gaugler提出的傳熱元件，并進(jìn)行了性能測試實(shí)驗(yàn)，在美國《應(yīng)用物理》雜志上公開發(fā)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(dǎo)率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)部裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室在熱管理論以及熱管在空間技術(shù)方面的應(yīng)用研究一直處于領(lǐng)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(chǔ)。1967年一根不銹鋼，水熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運(yùn)行成功【5】，從此吸引了很多科學(xué)技術(shù)工作人員從事熱管研究，前西德、意大利、荷蘭、英國、前蘇聯(lián)、法國及日本等國均開展了大量的研究工作，使得熱管技術(shù)得以很快發(fā)展。
    Katzoff于1966年發(fā)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(fā)段的液體提供一個(gè)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(lián)和日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了熱管應(yīng)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(yè)排氣中的熱能。同時(shí)Turner和Bienertc6]提出了用可變熱導(dǎo)熱管來實(shí)現(xiàn)恒溫控制。Gray【7】研究了一種新型熱管——旋轉(zhuǎn)熱管，這些發(fā)明都是熱管技術(shù)的重大進(jìn)展。
    1 970年在美國出現(xiàn)了供應(yīng)商品熱管的部門，熱管的應(yīng)用從宇航擴(kuò)大到了地面。在熱管發(fā)展史上值得一提的是在橫穿阿拉斯加輸油管線工程中，應(yīng)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(jié)約能源和新能源開發(fā)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(yè)以節(jié)約能源。美國和日本在這方面所取得的進(jìn)展最為顯著。
    1980年美國Q-Dot公司生產(chǎn)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(yù)熱器，解決了排煙的露點(diǎn)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(zhuǎn)式、分離式等新的結(jié)構(gòu)型式相繼出現(xiàn)，并日趨工業(yè)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(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。毛細(xì)泵回路CPL (Capillary pumped loops)和回路熱管系統(tǒng)LHP (Loop heat pipe systems)以其結(jié)構(gòu)靈活、應(yīng)用面廣及在很小溫差下可遠(yuǎn)距離傳遞較常規(guī)熱管更大的熱量的特點(diǎn)，引起了整個(gè)熱管界的普遍關(guān)注，成為理論研究和應(yīng)用研究
的熱點(diǎn)。
    70年代以來，熱管技術(shù)飛速發(fā)展，各國的科研機(jī)構(gòu)、高等院校、公司及廠礦均開展了多方面的開發(fā)、應(yīng)用研究，國際間、地區(qū)間及各國自身的熱管技術(shù)交流活動(dòng)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(huì)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(huì)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(huì)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(lián)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(huì)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(shù)研討會(huì)，1996年在澳大利亞墨爾本(Melboume)召開的多邊會(huì)議正式發(fā)展為國際熱管技術(shù)研討會(huì)。
    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(yīng)用研究。由于我國是一個(gè)發(fā)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(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源的合理利用[12]，相繼開發(fā)了熱管氣一氣
換熱器，熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器，高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。由于碳鋼．水兩相閉式熱虹吸管的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、制造方便，易于在工業(yè)中推廣應(yīng)用，碳鋼，水相容性的基本解決，
使得此類熱管得以廣泛的應(yīng)用，我國的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)研究發(fā)展迅速，學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也十分活躍，從1983年起已先后召開了六屆全國性的熱管會(huì)議，具體日期和地點(diǎn)見表1-1。
表I-I 全國熱管會(huì)議情況一覽表
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┃    全國熱管會(huì)議屆次        ┃    召開日期        ┃              召開地點(diǎn)      ┃
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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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