特种热管及传热介质

特种热管及传热介质

一. 概述

热能工程一直以来是人类关注的焦点技术领域.早在二十世纪四十年代.国外首先发明了以液体为介质的进行热能传递的元件--热管.作为一种特种传热元件.他以很小的温差传送大量热量.其特性基本上可以归纳为两 :(一)导热性好(二)均热效果高.在所有的金属非金属材料中.就传热性能而言.几乎没有哪种材料能够与热管元件相比.热管的工作介质或称工体流体(Working Fluid)可有多种.主要是采用水或油.乙醇等液体有机化合物为传热介质.在封闭的真空金属管中通过快速循环的相变达到传热的目的.即先在吸热端接受热能.使介质受热后由液态变为气态.到冷端(即放热端)释放出热能后.介质冷凝还原为液态再返回吸热端.完成一次相变循环.我们通常将这种热管称为常规热管.

常规碳钢--水热管可以在30℃~200℃的温度范围内工作.并有较高的传热效率.可以快速进行热能传递.并达到一定的节能效果.所以在一些工业部门得到了应用.但是.由于有机介质热管工作时管内存在较大压强.而压强大小与温度密切相关.温度过高.就会爆管.此外还存在载体材料与其内部工质材料不相容.产生不凝性气体而腐蚀管壁的问题.容易导致热管失效.进入九十年代以后.随着现代科学技术的迅猛发展.许多尖端设备对温度的传递范围.传热效率.使用寿命等提出了更高的技术要求.使得普通热管已无法满足工作需要.我公司科研人员从八十年代后期.就一直关注热管工业的发展.在传统热管(Heat pipe)的基础上.经过十余年的潜心研究和不管实验.开发并研制出一种优于传统热管的新型热管--特种热管.

二. 特种热管

特种热管采用的是无机介质作为热传导的一种高效传热技术.这是材料科学领域内的一项新的技术发明.其新颖性和独创性目前在国内外有关文献的检索中未见报道.属我国首创的一项领先技术.

特种热管的技术原理为:独立的(管状.夹层板状及组合状等)系统内加入A.B两种工质后.(管径≥3mm.板状间距≥1mm以上)经过真空处理密封等等工序就构成了特种传热原件.特种传热元件是一个独立的真空系统.在热能传导过程中介质受热激发产生振荡.可将热能迅速由热端向冷端快速传递并发生摩擦.众所周知.所有材料(金属和非金属).其自身均存在不同程度的热阻.决定并制约了材料的导热及热交换能力.热管的应用.减除了传热过程中的热阻.使热能更加适应远距离传递和各种形式的热能交换.特种热管具有较高的传热能力.中国科学院一位从事化学和热物理研究30余年的科学家谭志城教授经过深入研究后说.特种热管传热机理及与传热介质传热方式的异同点.使其不仅可以在热管上应用.而且可以在所有涉及热交换和热传递的设备系统中使用.特别是适用于一些有特殊要求的传热系统.这种无机传热材料的推广.应用将影响所有热量传递的领域.对提高热能利用率.节约能源将产生重大影响.尤其将为取之不尽的太阳能的利用和用之不竭的地热开发几低品位热能的回收开辟一条高速通道.

三. 特种传热介质及其载体技术参数

特种传热介质为固体.液体两种.其中固体介质在常温下为灰黑色粉末.由多种无机元素组成.当与液体介质一同灌注在密闭的载体内.并形成一定真空度时.即可实现热能高速传递.传热介质所灌注的载体(管子或夹层片状体)经密闭后.即形成高效热管.热管材料不受材质限制.可采用金属(如碳钢.不锈钢.铜)或玻璃.塑料等材料.并可采用盘旋管.弯曲板.同时可采用多管(板)组合形成.特种热管其轴向的导热是以分子告诉运动的特定方式来实现其热能传导的.

介质无毒.无污染.对金属无腐蚀.

特种热管的传导速率

金属.非金属材料本身的导热速率取决于材料的导热系数.温度梯度.正交于温度梯度的截面面积.而金属中以银的导热系数最高.其值在415W/MK左右.经实测.高效热管其轴向热流密度为8.4×106W/ m2.径向热流密度为4.3×104W/ m2.有效导热系数为3.2×106W/ MK.进行对比可知.高效热管的导热速度为白银导热速度的数千倍.

特种热管的使用寿命

经过载体材料(金属.非金属)的速失率测定.老化寿命13万小时左右.介质寿命实测为11万小时.同时热管中介质与管壁的相容性好.可以使传热管长期在较高热负荷下稳定工作.

四. 特种热管与普通热管的性能比较

特种热管较普通热管性能的优势主要由以下三方面体现

1. 完全性,

2. 使用寿命长,

3. 传输功率高.

传统热管是采用水或油.乙醇等液态有机化合物作为传热介质,由于这些介质的蒸气压.工作温区及介质相容性等一系列问题.使传统热管的应用范围受到很大的限制.而高效传热管采用固态无机化合物作为传热介质.它完全不同于传统热管的传热介质.具备无污染.无放射性.无毒.无腐蚀.介质蒸气压低.工作温区宽.使用寿命长.成本低等一系列优点.它具备传统热管无可比拟的优良性能.

由于普通热管工作时管内产生交大压强.而压强的大小又与温度密切相关.温度一高就会爆管.此外.还存在高温下管内发生化学反应生成不凝性气体.对管壁产生腐蚀性.容易导致普通热管失效.

而特种热管由于采用无机固态物质及少量液态.管内压强小.从而使用温度范围大.不会发生爆管现象.也不会在管内发生化学反应.而生成不凝性气体.普通钢水热管的传热功率为415W/cm.而特种热管的传热功率是其三倍.