熱管技術(shù)及熱管空調(diào)工程應(yīng)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(dāng)今傳熱工程面臨兩大問題：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105 W/m?℃的數(shù)量級。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(dǎo)熱性能好、結(jié)構(gòu)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(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。熱管工作時利用了三種物理學(xué)原理：
⑴在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低；
⑵同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多；
⑶多孔毛細結(jié)構(gòu)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(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期運行中管殼無腐蝕，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，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，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濕毛細結(jié)構(gòu)的能力，使毛細結(jié)構(gòu)能對工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結(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)段破壞毛細結(jié)構(gòu)。
熱管的三個區(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：
熱管在實現(xiàn)其熱量轉(zhuǎn)移過程中，包含了六個相互關(guān)聯(lián)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(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—液分界面通過吸液芯、 液體和管壁傳給冷源；
⑥ 在吸液芯內(nèi)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(jié)合所產(chǎn)生的毛細力。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，即向毛細孔一側(cè)下陷，使毛細結(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窮大(見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)流動的毛細驅(qū)動力(循環(huán)壓頭)，用以克服循環(huán)流動中作用于工質(zhì)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(dāng)工作溫度低時，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)毛細極限及沸騰極限。故熱管的工作點必須選擇在包絡(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(避免露點腐蝕)。
熱流方向的可逆性。
單向?qū)帷鸁岫O管→(太陽能、地土永凍)。
熱開關(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(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)用場合：
只能應(yīng)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(jù)重力熱管具有的特點，國內(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：
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(jié)構(gòu)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(guān)、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(jié)：
熱管的相容性及壽命：
相容性指熱管在預(yù)期的設(shè)計壽命內(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，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(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(yīng)用的可能性。碳鋼-水熱管正是通過化學(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(yīng)用：
熱管換熱器：由許多單根熱管組成的換熱器。
特點：結(jié)構(gòu)簡單，換熱效率高；壓力損失??；安全可靠；靈活調(diào)溫。
類型與結(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—氣式、氣—汽式、氣—液式、液—液式、液—氣式。
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——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(shè)計：
在進行熱管設(shè)計前，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。
一般說來，這與設(shè)計的目的有關(guān)。不同的應(yīng)用場合，熱管的設(shè)計要求截然不同。
熱管的設(shè)計計算通常按以下幾個步驟進行：
①管徑設(shè)計：管徑設(shè)計的一個基本原則就是管內(nèi)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(shù)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(shè)計：熱管部工作時，一般處于負壓狀態(tài)（低溫?zé)峁艹猓?，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(shè)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(shè)計較容易的設(shè)計。
③吸液芯設(shè)計：設(shè)計吸液芯的依據(jù)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(shù)，驗算是否為層流流動。
熱管換熱器設(shè)計：
熱管換熱器的計算目前已經(jīng)通過計算機程序化，其主要內(nèi)容包括兩部分：換熱器的熱力計算和熱管的極限校核。設(shè)計者只要根據(jù)工程的設(shè)計條件，輸入原始參數(shù)即可得到設(shè)計結(jié)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(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)計知識及計算方法仍然非常必要 。
熱管換熱器的設(shè)計計算的主要任務(wù)在于求出總傳熱系數(shù)U，然后根據(jù)平均溫差及熱負荷求得總傳熱面積A，從而定出管子數(shù)量。在設(shè)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(dāng)?shù)臉藴视骘L(fēng)速：熱管換熱器設(shè)計應(yīng)遵循一條重要原則，即把迎面風(fēng)速（標況）限制在2-3m/s的范圍內(nèi)，風(fēng)速過高將導(dǎo)致壓力將過大和動力消耗增加，風(fēng)速過低會導(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)計條件，對不同類型的換熱器體應(yīng)選擇合適的翅片管參數(shù)。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(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)計參考。
3.重視原始設(shè)計參數(shù)的核實及計算公式的驗證 熱管換熱器的設(shè)計應(yīng)特別重視原始設(shè)計參數(shù)，因為一般作為余熱回收設(shè)備通常是在已運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中作為附加設(shè)備設(shè)計的，因此對前后設(shè)備的影響要求頗為嚴格，現(xiàn)場原始參數(shù)（氣溫、氣量）必須精確測定。根基場地情況、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)用于機房或基站
分體熱管空調(diào)、空調(diào)熱管一體機應(yīng)用于基站或機房，有效減少基站或機房空調(diào)的運行時間，節(jié)約空調(diào)用電，延長空調(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，通過制冷劑相變及自然重力實現(xiàn)機房內(nèi)封閉循環(huán)，結(jié)合室外自然冷源的使用，實現(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帶出的熱量進行熱交換；過渡季節(jié)和冬季，通過電動三通閥轉(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，大幅度降低機械制冷功耗。
利用熱管系統(tǒng)原理，通過制冷劑相變及自然重力原理實現(xiàn)機房內(nèi)封閉循環(huán)，冷凍水水管不進入機房內(nèi)，機房內(nèi)連接管路與換熱管循環(huán)介質(zhì)為低壓制冷劑，徹底消除水入機房的安全隱患。
空調(diào)系統(tǒng)組成：
本文來源：互聯(lián)網(wǎng) 版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載僅供學(xué)習(xí)交流，如有不適請聯(lián)系我們，謝謝。
標簽： 點擊： 評論: