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热管散热器的制造工艺和工程应用问题 [2007-1-29]来源:正岛电器技术应用开发部
提要  热管是一种高效导热元件。近年来研制钢制热管散热器成为我国散热器开发的一个热点。通过分析其制造工艺和工程应用上的问题,指出目前研制的以钢制柱或板型为外壳的热管散热器在工程上是不可靠的。

关键词  重力热管 工质 相容性 启动温度 热管散热器

Abstract   The steel radiator incorporating a heat pipe has become of general interest in recent years in China. Through analysis of it in technological requirements and practical instances, concludes that the heat pipe radiator based on the existing steel column and panel type radiators has hardly and advantage over conventional ones due to the difficulties in preventing the loss of vacuum, ensuring the compatibility between the working medium and steel, etc.
Keywords   gravity heat pipe, working medium, compatibility, starting temperature, heat pipe     radiator


1 标准热管和重力热管
  
   热管是依靠其内部工质在一个高真空的封闭壳体内循环相变传递热量的装置。按传热工质回流方式,热管可分为标准热管和重力热管(两相闭式热虹吸管)。标准热管内部具有毛细吸液芯,工质依靠吸液芯回流,使热管可以向任何方向传递热
量,这种热管首先在空间技术领域使用。重力热管内部没有毛细吸液芯,工质靠重力回流,因此,结构简单,成本也较低,可以用于工业废热的回收。我国70年代以来,已有数千台重力热管式换热器投入运行。目前,已经制订国家标准的有《铝无管芯重力热管》(GB9082.2-87),其它热管有的也制订了省级标准。
  
2 重力热管的特点和制造要求
  
  2.1 简单原理
   如图1所示,热管由管壳1、工质2构成,管壳是一个内部需要保持真空的密封容器。由于热管初始真空度很高,管壳内部的工质处于气液两相共存的饱和状态,且无不可凝气体。工作时处于热管下部的加热段3内的工质吸热汽化,产出蒸气,此段又称为汽化段,蒸气分子流向上部,在放热段4的冷壁面上凝结,释放汽化潜热,此段又称为凝结段。随后,凝结的工质靠得力回流而下,重新吸热汽化,循环不已。
  
  2.2 技术特征
  (1) 具有很强的导热能力。重力热管利用工质相变,其导热能力比金属大百倍以上。
  (2) 优良的均温性。热管工作时,工质由吸热段流至放热段,压降甚微,使热管放热段蒸气空间内,具有很好的温度均一性。
  (3) 传热方向不可逆性。因借助重力使工质回流,决定了重力热管必须是加热段在下,而放热段在上。
  (4) 具有一定的工作温度范围。每一种工质都有自己的工作温度范围,热管在工作温度内,在真空状态下,从低温启动工作,随着工作温度的提高,壳内压力上升。以水为例,其凝固点为0℃,临界点为374.15℃,但当水温低于50℃时,蒸汽密度太小,传热量很低,使热管性能变差;而当温度达到300℃时,相应的饱和压力已达到8.59Mpa,接受碳钢壳体的强度上限。因此,水的实用温度范围规定为50~300℃。在这个范围内工作时,壳内相应的压力则从初始压力0.0123Mpa升至8.59Mpa。通常,增加加热段热量,使热管进入等温工况的温度称为热管的启动温度。对于初始真空条件为0.0123Mpa,水为工质的热管,其启动温度为50℃。
   按工作温度范围,热管有低温(-40~60℃)、常温(0~300℃)、中温(300~500℃)和高温(>500℃)之分。
   在将热管应用于实际时,必须了解在怎样的条件下,热管能顺利地启动,以及其实用工作温度的范围。
  
  2.3制造工艺要求和检验
  (1)制造工序多且要求严格。热管外壳必须具有良好的气密性和承压能力,一般用无缝钢管制作;为保证气密性和机械强度,往往需要采用重焊法。制造工艺是热管质量的关键。
  
  (2) 要保证工质与壳体材料的相容性。工质在壳体内循环相变传热,因而要求在热管的实用温度范围内,工质与壳体材料必须有良好的化学相容性。即在工作过程中,不会发生化学或电化学反应,也会产生不可凝气体。如果选择不当,则可能产生固态物质的沉积或不可凝气体的阻塞,使热管工作性能恶化,甚至失效。常见的工质--材料搭配见表1。
  表1 常温工质与壳体材料相容搭配举例

  工质
实用工作温度范围/℃
  相容壳体材料

  氨
  R-11
  丙酮
  甲醇
  水

  -60~100
  -40~120
  20~120
  10~130
  50~300

  铝及其合金,低碳钢,不锈钢
  铝及其合金,铜,不锈钢
  铝及其合金,不锈钢
  铜,不锈钢
  铜

  (3)严格的性能检验。工业热管产品,必须进行严格的性能检验,包括工作性能试验、相容性寿命试验、极限传热能力试验,以及安全性、耐久性、环境适应性和出厂检验等。
  
3 热管散热器的开发

   为了提高我国钢制散热器的承压能力,节约热媒用量和解决容易出现的氧化化腐蚀问题,近年来,一些以热管散热器开发的一个新热点,诸如"热超导节能散热器"、"热超导散热器"和"热管节能散热器"等。
  
  3.1基本型式
   热管散热器利用目前的钢制柱型或板型散热器为壳体,在散热器底部穿入热媒管,壳体内注入工质,并建立真空环境。这是一种常温用重力式热管。

   工作过程是:在散热器底部,供热系统通过热媒管将壳体内的工质加热,在工作温度内,工质沸腾,蒸气上升至散热器上部凝结放热,凝结液顺散热器壳体内壁回流至加热段。

  3.2 热管散热器开发需要探讨的几个问题
   热管是一种有效的传热元件,应用前景广阔,但不是万能。一般当导热是主要矛盾时,采用热管技术可能是合理而有效的。即使如此,也还要顾及开发条件和技术经济性,应该将热管与其它传热方案进行科学而全面的对比论证。目前利用我国的钢制柱子型(或板型)散热器为外壳,制作热管散热器,用于集中供暖系统,就存在一些难以解决的问题,其可行性如何,还需要研究。
  (1)外壳真空的建立和保持,是热管生产中最难实现的一个关键工艺环节。在我国散热器厂目前的生产工艺条件下,没有大的工艺成本投入和技术改造,要想利用简单缝焊工艺制作的散热器壳体,达到保持高真空的技术要求,是困难的;由于工艺和原材料的原因,散热器初始真空度不够,启动温度上移的情况最为常见。这种状态下,在过渡季节供暖或热媒温度较低时,热管散热器就不能启动,因而不能供暖。
  (2) 工质与散热器壳体化学相容性不能保证。目前见到的一些热管散热器,多为无表面处理的钢制外壳,因而在与工质的相容性上存在问题较多。有的产品使用一段时间后,工质浑浊变色,不凝气体产生,工作性能恶化失效。
  (3) 热工性能并不优越。从传热分析可知,常规钢制散热器传热主要取决于散热器外表面热阻的大小,而热管散热器的传热能力,主要取决于热媒管内的传热热阻。这就是说,采用热管后,总传热热阻比以前增加,将使以散热器外表面计算的总传热系数下降。目前有研究表明,增强管内热媒向管壁的传热,可以使散热器总传热系数提高30%以上。但即使如此,强化后的热管散热器,在相同的热媒条件下,其散热量也低于同型的常规散热器,这已为实验所证明。
  (4) 与现有钢制散热器相比,制造成本提高。热管制造工艺要求严格,工艺成本大大高于原料成本,所以,严格按照工艺要求制造的热管散热器,其成本要高于一般散热器。可以预见,随着供暖管理的改善和制造工艺水平的提高,我国钢制散热器腐蚀问题的逐步解决,热管散热器成本高的弊病将更为突出。
  
  3.3  热管散热器工程应用实例
   某工程在40栋(约8万m2)的住宅建筑中,使用钢制柱型热管散热器5万余片,价值100万元。1994年11月首期供暖后,用户普遍反映不热,经现场检查,并采取改造供热管网、提高供热温度和更换散热器等一系列措施,情况仍无改善。据有关部门统计,1994年供暖开始时,散热器失效率为13.8%,供暖结束时达到38%,至1995年供暖结束,失效率已达85%。值得注意的是,在此期间,一些用户自行拆除热管散热器,改用普通散热器,室内温度立即上升,供暖得以改善。这一情况,已经引起强烈的社会反响。
  
4 结论
  
  4.1 热管是一种新型高效传热元件,适用于高效传热、恒温控制、变热流和工业余热利用等方面,具有广泛应用价值。
  4.2 我国目前开发制作的热管散热器,是利用现有钢制散热器为外壳,其成型、焊接工艺简陋落后,难以保持真空。因
此,热管散热器热工性能指标不高,制造成本增加,使用可靠性差,不宜取代集中供暖系统的常规供暖散热器。
  4.3 一种新技术成果的应用开发,需要考虑新技术的技术特征、使用条件和现有的工艺水平,而且应进行严格全面的科学实验和分析,力戒仅仅通过一些实验现象,得出片面的结论,以减少开发研究和技术决策中的盲目性,保证应用开发的健康进行。
  
5 参考文献
  
  1 MN伊凡诺夫斯基,VP索罗金,IV雅戈德金.热管的物理原理.北京:中国石油化工出版社,1991.
  2 靳明聪,陈远国.热管及热管换热器.重庆:重庆大学出版社,1986.
  3 屠传经,洪荣华,王鹏举.重力热管换热器及其在余热利用中的应用.杭州:浙江大学出版社,1989.
  4 雷亨顺.暖通空调中的热管--应用与制作.北京:中国建筑工业出版社,1981.
  

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