熱管技術(shù)及熱管空調(diào)工程應(yīng)用

       熱管：簡(jiǎn)單講，以真空相變?cè)砉ぷ鞯囊环N極其高效的傳熱元件。

       當(dāng)今傳熱工程面臨兩大問(wèn)題：研究高絕熱材料和高導(dǎo)熱材料。

       熱管的相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)105 W/m?℃的數(shù)量級(jí)。為一般金屬材料的數(shù)百倍乃至上千倍。它可將大量熱量通過(guò)很小的截面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無(wú)需外加動(dòng)力。由于熱管具有導(dǎo)熱性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gòu)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(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)（工作液）和毛細(xì)結(jié)構(gòu)（管芯），管內(nèi)的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時(shí)利用了三種物理學(xué)原理：

       ⑴在真空狀態(tài)下，液體的沸點(diǎn)降低；

       ⑵同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多；

       ⑶多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)液體的抽吸力可使液體流動(dòng)。

       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(dǎo)熱率、耐壓、耐熱應(yīng)力的材料制造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長(zhǎng)期運(yùn)行中管殼無(wú)腐蝕，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)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(lái)，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(shí)所產(chǎn)生的壓力差。

       熱管的管芯是一種緊貼管殼內(nèi)壁的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，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(jié)金屬構(gòu)成。如上右圖所示為幾種不同的管芯的結(jié)果示意圖。

       熱管的工作液要有較高的汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點(diǎn)，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。工作液體還應(yīng)有較大的表面張力和潤(rùn)濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)能對(duì)工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細(xì)力。工作液還不能對(duì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)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(xì)結(jié)構(gòu)。

熱管的三個(gè)區(qū)段的劃分：

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

熱管的傳熱：

       熱管在實(shí)現(xiàn)其熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程中，包含了六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過(guò)程：（如上右圖）

       ① 熱量從熱源通過(guò)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(nèi)的液—汽分界面上蒸發(fā)；

       ③ 蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段到冷凝段；

       ④ 蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽—液分界面上凝結(jié)；

       ⑤ 熱量從汽—液分界面通過(guò)吸液芯、 液體和管壁傳給冷源；

       ⑥ 在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)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(duì)于普通熱管，其液體和蒸汽循環(huán)的主要?jiǎng)恿κ敲?xì)材料和液體結(jié)合所產(chǎn)生的毛細(xì)力。假設(shè)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(zhì)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(nèi)，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(xì)孔一側(cè)下陷，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)的表面上形成彎月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐漸凝結(jié)的結(jié)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(wú)窮大(見(jiàn)下左圖上部及下右圖)。曲率半徑之差提供了使工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力(循環(huán)壓頭)，用以克服循環(huán)流動(dòng)中作用于工質(zhì)的重力、摩擦力以及動(dòng)量變化所引起的循環(huán)阻力。

熱管工作過(guò)程動(dòng)畫(huà)：

熱管的傳熱極限：

       從圖中可以看出：當(dāng)工作溫度低時(shí)，最易出現(xiàn)粘性極限及聲速極限。而在高溫下則應(yīng)防止出現(xiàn)毛細(xì)極限及沸騰極限。故熱管的工作點(diǎn)必須選擇在包絡(luò)線的下方。

熱管基本特性：

       相變傳熱，熱阻小→極高的導(dǎo)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(diào)節(jié)管壁溫度(避免露點(diǎn)腐蝕)。

       熱流方向的可逆性。

       單向?qū)帷鸁岫O管→(太陽(yáng)能、地土永凍)。

       熱開(kāi)關(guān)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?zé)峁?可變導(dǎo)熱管)。

       匯源分隔→環(huán)境適應(yīng)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(jī)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(xì)抽吸力使冷凝液回流；

①重力熱管的特點(diǎn)：

       不需要吸液芯，制作簡(jiǎn)單，成本低廉；

       減少了吸液芯本身產(chǎn)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(yīng)用場(chǎng)合：

       只能應(yīng)用于重力場(chǎng)中，而不能用于空間（無(wú)重力場(chǎng)）；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(jù)重力熱管具有的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)作為余熱回收用的熱管換熱器大多數(shù)采用這種形式的熱管。

熱管分類(lèi)：

按照熱管管內(nèi)工作溫度分：

       低溫?zé)峁?-273～0℃)、常溫?zé)峁?0～250℃)、中溫?zé)峁?250～450℃)、高溫?zé)峁?450～1000℃)。

       按照工作液體回流動(dòng)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(zhuǎn)熱管、電流體動(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)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(jié)構(gòu)形式分：普通熱管、分離式熱管、毛細(xì)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(kāi)關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管。

各種類(lèi)型的換熱器對(duì)比總結(jié)：

熱管的相容性及壽命：

       相容性指熱管在預(yù)期的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)或物理變化。影響熱管壽命及工作的重要因素之一產(chǎn)生不凝性氣體。

       由于工作液體與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體，在熱管工作時(shí)，該氣體被蒸汽流吹掃到冷凝段聚集起來(lái)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(xué)反應(yīng)：

       Fe+2H2O====Fe(OH)2+H2↑

      3Fe+4 H2O Fe3O4+4H2↑

       Fe(OH)2 Fe3O4+H2O+H2↑

       所產(chǎn)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(zhǎng)期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長(zhǎng)期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)用的可能性。碳鋼-水熱管正是通過(guò)化學(xué)處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題，才使得碳鋼-水熱管這種高性能、長(zhǎng)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(yīng)用：

       熱管換熱器：由許多單根熱管組成的換熱器。

       特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換熱效率高；壓力損失小；安全可靠；靈活調(diào)溫。

       類(lèi)型與結(jié)構(gòu)：按照熱流體和冷流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為：氣—?dú)馐健狻健狻菏健⒁骸菏健⒁骸獨(dú)馐健?/p>

       按結(jié)構(gòu)型式分：可分為整體式、分離式、回轉(zhuǎn)式和組合式。

氣——?dú)馐綗峁軗Q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(duì)流）；

       夏季—截止工作。

熱管及熱管換熱器設(shè)計(jì)：

       在進(jìn)行熱管設(shè)計(jì)前，首先應(yīng)該確定以下因素：

       ① 熱管管內(nèi)工作液體的選擇；

       ② 熱管管內(nèi)管內(nèi)吸液芯結(jié)構(gòu)形式；

       ③ 熱管的工作溫度，以及工作情況下熱管內(nèi)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(shuō)來(lái)，這與設(shè)計(jì)的目的有關(guān)。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，熱管的設(shè)計(jì)要求截然不同。

熱管的設(shè)計(jì)計(jì)算通常按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

       ①管徑設(shè)計(jì)：管徑設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則就是管內(nèi)的蒸汽速度不超過(guò)一定的極限值，這個(gè)極限值就是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過(guò)0.2，這時(shí)蒸汽流動(dòng)可以被認(rèn)為是不可壓縮的流體流動(dòng)，軸向溫度梯度很小，可以忽略不計(jì)。

       ②管殼設(shè)計(jì)：熱管部工作時(shí)，一般處于負(fù)壓狀態(tài)（低溫?zé)峁艹猓饨鐗毫σ话銥榇髿鈮毫Γ士梢圆豢紤]管殼失穩(wěn)的問(wèn)題，因而管殼的設(shè)計(jì)主要從強(qiáng)度考慮。管殼壁厚由強(qiáng)度計(jì)算所得壁厚加上腐蝕裕度得出，端蓋則可以按照平板的設(shè)計(jì)較容易的設(shè)計(jì)。

       ③吸液芯設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)吸液芯的依據(jù)是毛細(xì)極限的計(jì)算。

       ④毛細(xì)極限的檢驗(yàn)。

       ⑤驗(yàn)算：驗(yàn)算攜帶極限、沸騰極限，最后核算Re數(shù)，驗(yàn)算是否為層流流動(dòng)。

熱管換熱器設(shè)計(jì)：

       熱管換熱器的計(jì)算目前已經(jīng)通過(guò)計(jì)算機(jī)程序化，其主要內(nèi)容包括兩部分：換熱器的熱力計(jì)算和熱管的極限校核。設(shè)計(jì)者只要根據(jù)工程的設(shè)計(jì)條件，輸入原始參數(shù)即可得到設(shè)計(jì)結(jié)果。然而，熱管換熱器與其他通用換熱器不同，它對(duì)工程的實(shí)際情況比較敏感，即通用性不強(qiáng)。在許多情況下，計(jì)算機(jī)程序計(jì)算的結(jié)果并不完全合理，必須作合理的調(diào)整，因而全面了解熱管換熱器的基本設(shè)計(jì)知識(shí)及計(jì)算方法仍然非常必要 。

       熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算的主要任務(wù)在于求出總傳熱系數(shù)U，然后根據(jù)平均溫差及熱負(fù)荷求得總傳熱面積A，從而定出管子數(shù)量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須認(rèn)真考慮一下幾點(diǎn)（以氣-氣換熱器為例）：

       1.選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速：熱管換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一條重要原則，即把迎面風(fēng)速（標(biāo)況）限制在2-3m/s的范圍內(nèi)，風(fēng)速過(guò)高將導(dǎo)致壓力將過(guò)大和動(dòng)力消耗增加，風(fēng)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致關(guān)外膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力的不到充分發(fā)揮。

       2.選擇適當(dāng)?shù)某崞軈?shù)：根據(jù)設(shè)計(jì)條件，對(duì)不同類(lèi)型的換熱器體應(yīng)選擇合適的翅片管參數(shù)。對(duì)潔凈氣體可選擇較密的翅片間距和較薄較高的翅片；對(duì)含塵奪得或有腐蝕性的氣體則應(yīng)選擇間距較寬，翅片較厚較低的翅片管管的壁厚也應(yīng)稍厚以抗腐蝕和磨損，下表為工業(yè)常用的規(guī)格參數(shù)，可供設(shè)計(jì)參考。

       3.重視原始設(shè)計(jì)參數(shù)的核實(shí)及計(jì)算公式的驗(yàn)證 熱管換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)特別重視原始設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)橐话阕鳛橛酂峄厥赵O(shè)備通常是在已運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中作為附加設(shè)備設(shè)計(jì)的，因此對(duì)前后設(shè)備的影響要求頗為嚴(yán)格，現(xiàn)場(chǎng)原始參數(shù)（氣溫、氣量）必須精確測(cè)定。根基場(chǎng)地情況、系統(tǒng)的要求（壓降、溫降），選擇合適的結(jié)構(gòu)。

空調(diào)熱回收：

       熱管（熱管換熱器）應(yīng)用于空調(diào)熱回收系統(tǒng)。

分離式熱管在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用：

熱管空調(diào)應(yīng)用于機(jī)房或基站

       分體熱管空調(diào)、空調(diào)熱管一體機(jī)應(yīng)用于基站或機(jī)房，有效減少基站或機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，節(jié)約空調(diào)用電，延長(zhǎng)空調(diào)使用壽命，提高能源利用率。

熱管/制冷復(fù)合型空調(diào)機(jī)組的兩種工作模式：

        數(shù)據(jù)中心熱管空調(diào)熱管空調(diào)利用熱管系統(tǒng)原理，通過(guò)制冷劑相變及自然重力實(shí)現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)封閉循環(huán)，結(jié)合室外自然冷源的使用，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。

       高溫季節(jié)使用冷水機(jī)組提供的穩(wěn)定的冷凍水，與熱管空調(diào)從DC帶出的熱量進(jìn)行熱交換；過(guò)渡季節(jié)和冬季，通過(guò)電動(dòng)三通閥轉(zhuǎn)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(jī)械制冷功耗。

       利用熱管系統(tǒng)原理，通過(guò)制冷劑相變及自然重力原理實(shí)現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)封閉循環(huán)，冷凍水水管不進(jìn)入機(jī)房?jī)?nèi)，機(jī)房?jī)?nèi)連接管路與換熱管循環(huán)介質(zhì)為低壓制冷劑，徹底消除水入機(jī)房的安全隱患。

空調(diào)系統(tǒng)組成：

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