热管技术的应用展望

第28卷第3期2006年9月

甘　肃　冶　金

G ANS U　MET ALLURGY

Vol.28　No.3

Sep.,2006

文章编号:167224461(2006)0320098202

热管技术的应用展望

魏新宇1,李树勋2,吴　奇2

(1.西安航空技术高等专科学校动力工程系,陕西　西安　710077; 2.兰州理工大学石油化工学院,甘肃　兰州　730050)

摘　要:简单介绍了热管的基本原理、性能特点,以及热管在各个领域的实际应用,总结出热管及热管换热器的发展前景。

关键词:热管;应用;进展

中图分类号:TK172.4 文献标识码:A

Appli ca ti on and D evelop m en t of Hea t P i pe Technology

W E I Xin2yu1,L I Shu2xun2,WU Q i2

(1.Xi′an Aer otechnical College,Xi′an710077,China; nzhou University of Tech.,Lanzhou730050,China)

Abstract:I n this paper,the p r operties,characteristics and the app licati on of heat p i pe in s ome fields are su mmarized, then analyzed the p resent status and discussed its devel op ing tendency in the future.

Key words:heat p i pe;app licati on;devel opment

1　引言

热管的构想1942年首次由美国人R S Ganger提出。1964年,美国Loe A la m科学实验室的G M Gr over及其合作者T P Cotter与G F Ebon制成高温钠热管,并定名为Heat Pi pe。40多年来,美、日、德、意、英、法、原苏联等国相继对热管的理论和应用开展了大量的试验研究,使之发展速度较快。热管是利用密闭管内工质的蒸发和冷凝来进行传热,其热阻很小。它是由管壳、起毛细管作用的多孔物质———管芯以及传递热能的工质等组成的一个高真空封闭系统。在热管内部,因热量的传递是通过沸腾、冷凝过程进行,沸腾与冷凝系数都很大,蒸汽流动阻力小,则管壁温度相当均匀。由热管的传热量和相应的管壁温差折算而得的表观导热系数,是最优良金属导热体的100～1000倍[123]。

热管以其优良的性能首先在卫星的温度控制上使用,随即在电子、电机的散热冷却和余热利用等诸方面得到普遍应用。目前,在世界范围内,从空间到地面,从军工到民用,在航天、航空、电子、电机、核工业、热工、建筑、医疗、温度调节、余热回收以及太阳能与地热利用等方面已有数以万计的热管正在运行中。1972年,我国第一根自制钠热管成功地投入运行,之后从航天技术到民用工业,热管技术都取得进展并获得应用。一些高校和科研单位在热管技术的应用和基础研究方面做了大量工作,促使热管在空间技术、电子电器、能源动力、化工、轻工、冶金等多方面获得应用[1]。

2　热管技术的扩展与展望

2.1　热管的小型微型化

在容积受限的条件下,普通的换热措施无法实现,一般热管也难以安置,小型和微型热管的发展解决了这一难题。微型热管一般指直径10～500μm、长约10～30mm、无吸液芯的热管。美国研制的小型手持开式液氮热管手术器,质量仅1kg,包括液氮贮存器、热管和探针尖3大件。借助毛细作用,使液氮从贮存器流过305mm长的探针内腔到达镀金的铜尖,液氮蒸发吸收汽化潜热由尼龙帽排出,保证在半小时内探针尖温度都在77K(-196℃)左右,可用以冻杀肿瘤组织[3]。日本开发的一种热管温热治疗仪,是外径1.48 mm、内径1.l mm的不锈钢热管,蒸发段外设循环恒温的热水管套,控制热管的运行温度,冷凝段制成针头状,可刺入皮下数十毫米,保持针头43～46℃温热以杀死癌细胞[2]。

传统的台式计算机和笔记本电脑的中央处理器(CP U)都使用微型风扇和金属翅片来散热冷却,散热量一般为2～4W。随着计算机技术的飞速发展,高性能的CP U的发热量增加了5～6倍,以后的发热量就会越来越大,将会达到5～12W或者更高,常规的自然散热方式及风扇强制散热都难以满足要求。热管散热有体积紧凑、无噪音、高度可靠性等优点,是首选的散热手段。用于笔记本电脑散热的热管属于小型热管,热管的外径为3～5mm,内径一般为2.6～4mm,长度一般小于300mm,可以弯成各种形状。见图1。

2.2　热管的大型超大型化

大容量的余热回收、融化道路积雪(防冻)、地下电力电缆的冷却、地下煤气化的冷却以及地热开发利用和保持永久冻土层的稳定等领域都要求热管的大型甚至超大型化。据报道,20世纪末世界最大的热管直径达300mm,长度达

图1　笔记本电脑热管散热器的散热示意图

100m 。英国研制开发了一种由4500根长16m 的热虹吸管(单管功率达20k W )组成的大型热管空气预热器。日本制

成40m 和100m 长的热管用于道路融雪和地下电缆的冷却。美国制造的直径33.8mm 、长24m 的热管在西佛吉尼亚道路融雪上应用。美国阿拉斯加有600多千米的输油管需要架设在地面之上。为防止夏季冻土化解使地面下沉以及冬季再次冰冻使地面拱起造成输油管道支架及输油管破裂,要求保持永久冻土层的稳定。为此采用约10万支9.4～

20.1m 的液氨———碳钢重力热管,每根支架支柱内壁两侧

插入两支重力热管。冬季把地下热量排入大气,使支柱下土壤冻结范围扩大而又结实,保证支柱基础稳定。夏季因重力热管的二极管性能,热管上部冷凝段外热源(大气)的温度接近或超过下部蒸发段外热源(土壤)的温度时,热管自动停止工作,不会使大气热量传入冻土层内,从而保持永久冻土层的稳定。试验表明,安装热管后,支柱壁面和6m 深处的温度很快下降,1月初达到-24℃,4月中回升到-7℃,夏天也在0℃以下,10月初热管又开始工作,如此循环,冻土保持稳定。公路为防冰埋设地热热管的混凝土路面剖面图见图2。

我国在“十五”期间的四大工程中“青藏铁道”常年冻土区域占不少比例,在过渡区冻土防化问题的解决;“西气东输”管道大多处于我国北方,冬天管道地基的防冻问题的解决;“西电东送”工程中也有不少工程地处北方,电线杆地基的防冻问题也特别突出;西部大开发已经展开,高速公路遍及全国,大多数在冬季处于降雪地带,如能解决高速公路防冰问题,将极大地提高高速公路的通车率。这些问题的解决不仅有重大的现实意义,还有巨大的经济意义。热管技术一定会在这些问题的解决中发挥其应有作用

。

图2　公路为防冰埋设地热热管的混凝土路面剖面图

2.3　各种类型的热管在不同领域的纵深方向发展

当前,各种类型的热管在不同领域进一步向纵深发展。比如,重力热管与重力辅助热管,重力热管(两相闭式热虹吸管)去掉了吸液芯而使结构简化并强化传热量,特别是碳钢

-水热管以其成本低廉、无毒无害而受到民用常温余热利用

的青睐,但是相容性问题始终是个重要问题。重力热管和热管换热器的寿命和可靠性受到关注,国内外已对钢水相容性问题作了大量工作并积累了不少经验。有关理论、工艺和方法的总结和扩大及改进,无疑会对我国更广泛地应用重力和

重力辅助热管起到重大作用。热管以其优良性能和逐步成熟的技术应用领域也在向纵深方向发展。尤其表现在节能方面,热管低品位热量发电引擎就是其中的例子[4]。

2.4　热管结构的新兴发展

在传统意义上的热管应用领域不断发展的同时,热管结构的研究也在不断发展。针对热管应用的一些问题乃自特殊领域的应用,研究出了有别于传统意义上的热管的新型热管,比如,无相变热管、无机热管、两相半开式热管、变热导率热管、制冷热管等等[326]。

为克服普通热管在高温工况下长期使用时寿命较低,由于相变而易爆管以及长期使用产生不凝汽直接影响传热效果等缺点,我国物理学家梁玉芝教授历经多年的研究,提出了无机工质高效热管,其基本原理就是无相变传热。传统意义上的热管是一种二次间壁式热管,热源和冷源分开,工质与冷、热介质均不接触。浙江大学针对传统意义上的热管由于相变,管内要求真空度,从而制造工艺要求高;热管工质在使用中不能根据工况的不同而更换;长期使用产生不凝汽直接影响传热效果等缺点,提出了两相半开式热动力热管。根据介绍可知,这种热管已不是二次间壁式热管。此外,为进一步提高热管的传热效率,一些科研机构在研究变热导率热管,以便于提高温度变化范围大的场合的传热效率。多年以来,热管的研究大多集中在单种工质、相对恒定热传导率热管的研究与应用,而变热导率热管则提出了如何改变热导率,怎样保证传热稳定等一系列问题。这些不仅丰富了热管的内容,更推进了热管及热管换热器的进一步发展。

3　结语

从总体而言,热管技术的理论与实验仍在深化,众多领域的应用仍在扩展,不同功能的各型热管的出现使热管技术的应用日趋向纵深方向发展。热管向小型微型化和大型超大型化两极延伸以及适应某些特种用途所需的进展,尤其是当今世界受到普遍关注的节能迫切需求,使热管技术倍受青睐,从而更加促进了相关技术的发展。此外,同国外热管的发展水平相比,我国的热管研究还有较大差距,这就为相关科研院所、企业提出了开拓新思路,加强国际交流,加强基础研究,学习和引进国外的先进技术和经验,不断开发新型热管技术和新的应用领域,使热管技术在我国的各项事业的建设中发挥更大作用。

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9第3期 魏新宇,等:热管技术的应用展望