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热管换热器的应用

晨怡热管 康芹1,郭建利2 2011-8-18 10:48:50
    (1.陕西理工学院机械学院;2.陕西理工学院计算机系,陕西西安723000)
    【摘要】介绍了热管及热管换热器的结构;分析热管换热器的现有应用领域及优势,并指出热管换热器应用过程中所存在的问题。为进一步改善热管换热器的性能和结构、拓宽其应用领域提供参考。
    【关键词】热管;超导热性;热管换热器;应用
    【中图分类号】TK22【文献标识码】A【文章编号】1003-773X(2010)05-0060-03
    0·引言
    热管的超导热性以及等温性使它成为航空航天技术中控制温度的理想工具,热管换热器由于具有传热效率高、结构紧凑、压力损失小、有利于控制露点腐蚀等优点,也广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械、电子等行业中。
    1·热管及热管换热器结构
    热管是一种高效传热元件,其导热能力比金属高几百倍至数千倍。其结构及工作原理示意图见图1。热管通过管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量,因为利用了工质的相变换热,使热管具有极高的导热性,良好的等温性,冷热两侧的传热面积可任意改变,可远距离传热,可控制温度等一系列优点。
             
    将热管元件按一定行列间距布置,成束装在框架的壳体内,用中间隔板将热管的蒸发段和冷凝段隔开,构成热管换热器。
    2·热管换热器的优点
    热管换热器结构图,见图2,与一般换热器相比具有许多优点:传热效率高,特别对气-气换热器来说,由于冷热两侧气体都可以在管外流动,因此两侧都可以在热管外加装翅片增大换热面积,此外还易于把换热器设计成逆流、叉排等形式,以尽量提高换热器的效率;压力损失小,因为是管外流动,因此器内流阻小,压力损失小,可降低风机的功率消耗;工作可靠,没有运动部分,因而没有附加的功率消耗;结构紧凑;没有掺混污染,可用中间隔板将两种流体有效地隔开;尺寸变化范围大,可变换流体流动方向,使用方便;维护费少,没有易损件,密封简单可靠,容易清洗。热管换热器具有传热效率高、压力损失小、工作可靠、结构紧凑、没有掺混污染、有利于控制露点腐蚀等优点。
            
    3·热管换热器应用现状
    热管换热器在航空系统[1]、空调系统、增压柴油机、个人电脑、铁路、工业锅炉、内燃机尾气余热回收以及化工等9个领域的应用非常广泛,现在我们分析一下在这些领域的应用现状。
    3.1热管换热器在航空系统的应用
    航天器面向太阳的一侧受到太阳的直射,而背向太阳的那一侧温度很低。由于太空里几乎没有空气,不可能通过空气来调节温度,因此,飞行器两侧的温差很高,可以达到275℃,使飞行器容易变形。热管的超导热性以及等温性使它成为航空航天技术中控制温度的理想工具。热管在航天器中的应用主要有两方面:1)用于卫星表面的等温化[2]。美国一技术卫星的主体为1.5 m×1.5 m的圆柱,在未装热管前,向阳面与背阳面的温差达145℃,而安装了8根热管后温差减小到17℃。2)用于卫星内仪器设备的温度控制。我国在一返回式卫星上使用了16根直径为7 mm的铝-氨热管,用于控制直流稳压电源等4个发热元件及舱内3块主电池的温度,使之位于适宜的温度范围内。
    3.2热管换热器在空调系统的应用
    热管式通风换热器由数根热管构成,室内的污浊空气由换热器的排风段排出;同时,室外新鲜空气由新风段进入,通过热管式通风换热器,一方面向室内置换新鲜空气,另一方面,排出的气体和引进的新风之间进行着热交换,采暖时可降低空调的采暖负荷。广州大学张景玲对热管在空调系统节能与室内热舒适的应用进行了研究,得出常规一次回风集中空调系统可以通过降低室内相对湿度来满足人体热舒适的要求。
    华东大学陈洁对考虑室外温度影响的空调用热管换热器进行了优化设计,研究了不同温度频率分布下热管换热器的最优结构,通过经济性分析,得出了整个供暖(冷)季的最优结构和最佳经济性能的热管换热器。
    3.3热管换热器在增压柴油机中的应用
    增压中冷作为提高发动机动力性、经济性,降低发动机热负荷、发动机排放的重要手段,越来越多的应用到新型发动机的开发中去。中冷器是实现进气冷却技术的关键性部件,其性能的好坏直接影响进气量进而影响发动机的功率。对中冷器的要求是:冷却效果明显、结构紧凑、流动阻力小。热管换热器作为中冷器的高效导热性能在内燃机增压中冷技术的应用前景非常广阔。
    3.4热管换热器在个人电脑中的应用在
    Pentium笔记型电脑中使用的热管热键盘的解决方案已成为主流的热解决方案。板式热管被设计成一个非常有效率的散热片或散热板,主要用于高端热冷却的要求。热管还广泛应用于笔记本电脑的芯片冷却技术中。
    热管热流密度的可调节性使它可以用于高热流密度的电子元器件,在散热量较大的仪器仪表的密封柜内,安装中型风扇,使发热元件产生的热气体在壳体内部循环,传递给小型热管换热器的蒸发段。热量通过热管传递到壳体外部的冷凝段,并通过风扇散失到环境中去。
    3.5在自然能源方面的利用
    热管式太阳能热水器是一种高效太阳能热水器;太阳能热管散热器,与制冷系统联合循环,提高太阳能的利用效率;在许多有地热源的地方,可以利用热管换热器将地热传送到地面上来加以利用;热管风冷器是一种高效的蒸发冷凝设备,适用于大型电站透平背压蒸汽的冷凝在缺水地区采用风冷方式的使用。
    3.6热管换热器在铁路方面的应用
    冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,含有丰富的地下冰。高原寒冷区冻土层地基的稳定性是青藏铁路面临的最大难题,我国科学家采用了一种“热管”来进行地基冷却,其作用是将路基的热量导出来,从而使这个由冻土构成的路基不会融化。目前,青藏铁路的线路和设备设施都保持了正常的运行状态。
    3.7热管换热器在工业锅炉中的应用
    陈敏[3]等对高温热管热风炉在白碳黑喷雾干燥中的应用进行了研究,试验表明高温热管热风炉可有效提高热风温度,降低排烟温度,使干燥塔干燥效率提高到81%。云南省小龙潭电厂1号炉[4]应用了热管预热器,应用前锅炉效率约为87.42%,改造后约为89.74%,发电标准煤耗降低8.8%(kw.h)。
    工业排气的温度往往高达上百度,将热管换热器用于工业排气的余热回收中[5],可回收余热,使之加热空气作为助燃空气使用或作为烘房的热源;可以加热水,用作锅炉给水,或使水产生蒸汽供其他方面使用;也可以加热排气本身,避免腐蚀排烟设备。
    3.8热管换热器在内燃机尾气余热回收中的应用
    湘潭大学的袁胜利[6]设计了碳钢-氨重力式热管换热器,用来回收汽车内燃机废气中的热量。用于大型客车的乘员冬季取暖。吉林工业大学汽车工程学院的苏俊林[7]等设计了工质为导热姆的热管换热器,用来回收汽车内燃机排出废气中的热量,用于大型客车冬季取暖问题。美国的几艘海岸巡逻艇上安装了换热装置,从内燃机废气、冷却水中提取一部分热量以提高水的温度,供船员们洗澡、洗衣之用。
    3.9在化学工程方面的应用
    化学反应往往有热效应相伴随的,对于放热反应,需要及时移走热量,而对于吸热反应,则需及时供给热量才能维持化学反应的正常进行。利用热管换热器移走化学反应热或供给化学反应热[8],可以把化学反应控制在理想的温度范围内进行,从而可以得到高质量的产品,提高产量。
    4·热管换热器存在的问题
    要想使热管换热器性能达到最佳,并应用于更多场合,还需要解决以下几个问题:1)能够找到一种适合各种工作温度的工质,而不影响换热器的效率和可靠性;2)热管的直径、翅片高、翅片厚度等结构尺寸的确定没有准确的依据,而这些参数对热管性能影响较大;3)灰尘较多的烟气易加速热管的磨损或使热管易积灰,降低换热能力;4)热管散热器结构相对较复杂,工艺性要求较高,成本较高[8]。
参考文献
[1]闵桂荣,郭舜.航天器热控制[M].第2版.北京:科学出版社,1998:151-156.
[2]MireoslaoZelko,Frantisek PLASEK Petrstule.Cooling of Power 
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[3]陈敏.高温热管热风炉在白碳黑工业中的应用.[J].节能技术.,1999,17(94):11-12.
[4]赵宝珠.热管空气预热器在电站锅炉中的应用.[J].节能技术.,2008,26(2):18-20.
[5]邬守春.排气热回收器的应用[J].节能技术,1986(5):46-48.
[6]袁胜利.利用汽车废气取暖的热管换热器[J].节能,1991(11):36-36.
[7]苏俊林.热管换热器在工业节能中的作用[J].吉林工业大学学报,1985(4):121-130.
[8]庄骏.热管换热器在化学生产中的应用[J].化学工程,1983(4):26-29.
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