热管技术的研究进展及其工程应用

热管技术的研究进展及其工程应用

李永赞,胡明辅,李勇

(昆明理工大学太阳能工程研究所,云南昆明650224)

摘要:介绍了热管的工作原理,详细综述了国内外热管技术理论研究和应用研究的进展与现状,指出热管技术研究的重心已经从理论研究转移到应用研究,热管的应用已经由航天转向地面、由工业转向民用。在工程中,以热管式真空管太阳能集热器、热管空气预热器、热管式电子冷却器等热管式装置的应用最为普遍。

关键词:热管;工程应用;太阳能集热器

中图分类号:TK172.1文献标识码:B文章编号:1009-3230(2008)06-0045-04

Progress of Theoretical Research and Application Investigation on Heat Pipe Technology and Its Application in Engineering

LI Yong-zan,HU Ming-fu,LI Yong

(Institute of Solar Engineering;Kunming University of Science

and Technology,Yunnan,Kunming,650224,China)

Abstract:Heat pipe is a high-performance heat transfer component.In this paper,the operating princ-i ple of heat pipe was introduced.Progress of theoretical research and application investigation on heat pipe technology was summarized in detail.The application of hea t pipe has converted from space to ground and from industry to human life.In engineering,the heat pipe vacuum tube solar collector,the air pre-heat-er,heat pipe electronic c ooler,and other devices with the heat pipe were widely used.

Key words:heat pipe;application in engineering;solar collector

0前言

热管是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置,由于它具有超常的热传导能力,而且几乎没有热损耗,因此它被称作传热超导体,其导热系数为铜的数千倍。热管的基本工作原理如图1所示,管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时,毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体。液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段,如此循环不已,热量从热管的一端

收稿日期:2008-04-11修订稿日期:2008-04-20

作者简介:李永赞(1982~),男,河南周口人,昆明理工大学

在读硕士,研究方向为新能源技术与工程。传至另一端。当热管倾斜或垂直放置时,其工质的循环流动将受重力的影响,可将蒸发段置于下方,则在上方冷凝的液体工质可借助重力而回流到蒸发段,因此可不采用吸液芯,这就是重力热管。重力热管,工质靠重力在热管内回流,无需采用吸液芯,这就减小了热管的加工难度,降低了制造成本,广泛应用于各领域。

1热管的研究现状

早在1944年,Gauler[1]就曾提出热管的原理。1962年,L.Trefethen再次提出类似于Gauler的传热元件,但因故未能实施。直到1964年,Grover[2]等人独立地提出了类似于Gauler的传热元件,并且取名热管,此后吸引了很多的科学技术工作者从事热管研究,使热管得到了很快的发展。由于

图1热管工作原理图

篇幅有限,重点介绍了平板型热管技术、环路热管技术以及脉动热管技术的研究现状。

111平板型热管技术

平板热管是由两块平行的板壳和吸液芯组成,通道截面为扁平的矩形。目前,出现了由多个微型热管平行排列组成的新型平板热管,它的两块平行紫铜板中间采用焊接的方式固定若干互相平行的细铜丝,其中每相邻两根铜丝和上下两块紫铜板之间围成一个通道,通道截面由两条半圆曲线和两条平行直线构成。平板热管由于质量轻、良好的启动性和均温性的优势,而成为目前电子元件散热方面的热点研究,在国外已经得到应用。

1969年,Feldman首次提出平板热管的结构,并获得专利。随后,Edelstein提出了一种平板式可控热管。Ooijen等则采用数值计算的方法,研究了有绝热顶板的平板热管中的蒸汽流动情况,这是平板热管由经验设计制造到理论分析研究的开端。K.Vafai和W.Wang[3]研究了非对称平板式热管中的流动和热传输特性,采用积分方法研究了平板热管中的压力场、速度场。应用于硼中子吸收治疗中,被加速器加速的质子来产生中子,用于脑部肿瘤的治疗,而该平板热管则对锂靶进行冷却,防止其熔化。C.B.Sobhan[4]等建立了平板热管的瞬态计算模型。热管中工质蒸发,蒸气轴向传热,蒸发区域相应增大,相对于铜块的一维轴向传热而言,热管管壁的温差相应减小,起动加速,稳定后热管的管壁均温性也较好。

2003年张丽春[5]等人对内部蒸汽通道互相连通的微细矩形槽道结构的不锈钢-水、铜-水热管的传热性能,进行了较全面的实验研究。分析了热管充液率、工作温度、倾角、冷却方式等因素对热管传热性能的影响,得到微型热管的最佳充液率范围、当量导热系数和热管的传热能力。2006年清华大学、岂兴明[6]等人以丙酮、乙醇和水为工质,对小型平板热管在充液率为20%~ 90%的传热性能进行了实验研究。测量了热管蒸发段和冷凝段管壁、加热和冷却风道进、出口截面等处的温度分布,计算了传热量和传热系数。根据实验结果总结出了工质、充液量和热流密度对热管传热系数的影响。得出该平板热管以乙醇为工质的传热性能最好,传热极限qmax为l6~ 17kW/m,最佳充液率为50%,并给出平均传热系数综合关联式。2006年中国科学院广州能源研究所唐琼辉[7]等人对一种新型的平板式微热管-零切角曲面微热管进行了实验研究。通过实验得出如下结论:微热管总热阻的主要变化因素是冷凝段热阻和蒸发段热阻;与相应的无工质平板式换热器相比,实验件主要热阻变为热沉热阻,蒸发段和冷凝段热阻所占比例较低。

1.2环路热管技术

环路热管(Loop Heat Pipe,以下简称LHP)作为一种新型热控技术,经过近三十年的发展,已日趋成熟,并开始应用到空间飞行器的热控制上,将成为未来高功率卫星的热控制的有效手段[8]。1989年,前苏联在GRANAT第一次搭载LHP实验装置,进行了LHP的寿命实验及可靠性性能实验,取得良好的效果;1995年,俄罗斯在Obzor Mis-sion中第一次把LHP技术应用到飞行器的热控制上;1997年,美国在航天飞机(STS.87)进行了LHP 的空间实验;1999年,美国在Hughes HS702上首次将L HP回路应用于展开式辐射器;LHP还在俄罗斯的Mars.96、中国的FY.1上得到应用;Jentung Ku[9]详细介绍了LHP的运行模式,并分析了其形成的机理。从L HP的结构原理上看,LHP的运行温度是由液体补偿器的温度控制的,因此,可以控制与调节液体补偿器的温度来控制回路的工作温度。Michael[1-]等根据LHP回路的P-T图提出了LHP温度控制的几种方法,包括主动控制与被动控制,并介绍了LHP温度控制的基本原理。

我国的L HP技术经过多年的发展,已开始在我国研制的卫星上应用。苗建印等人在模拟空间环境条件下进行LHP性能实验,实验了LHP在小功率启动、低温条件下的稳态运行、液体补偿器对LHP的温度控制等项目,取得圆满成功;中山大学裴念强,郭开华[11]等人提出一种新型的主动式环路热管(ALHP)该环路热管系统,该系统采用泵代