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

ProgressofTheoreticalResearchandApplicationInvestigationonHeatPipeTechnologyandItsApplicationinEngineering

LIYong-zan,HUMing-fu,LIYong(InstituteofSolarEngineering;KunmingUniversityofScienceandTechnology,Yunnan,Kunming,650224,China)

Abstract:Heatpipeisahigh-performanceheattransfercomponent.Inthispaper,theoperatingprinc-ipleofheatpipewasintroduced.Progressoftheoreticalresearchandapplicationinvestigationonheatpipetechnologywassummarizedindetail.Theapplicationofheatpipehasconvertedfromspacetogroundandfromindustrytohumanlife.Inengineering,theheatpipevacuumtubesolarcollector,theairpre-heat-er,heatpipeelectroniccooler,andotherdeviceswiththeheatpipewerewidelyused.Keywords:heatpipe;applicationinengineering;solarcollector

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

452008年第6期(总第126期) 应用能源技术 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(LoopHeatPipe,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ObzorMis-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HughesHS702上首次将LHP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;JentungKu[9]详细介绍了LHP的运行模式,并分析了其形成的机理。从LHP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LHP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

46 应用能源技术 2008年第6期(总第126期)替了传统的毛细力驱动,通过控制储液罐的温度调节整个系统的压力。LHP是目前发展较为成熟的采用两相流技术的流体回路,具有广阔应用前景。它不仅可以用于仪器设备的直接热控制,也可作为航天器中小型可展开式辐射器的传热元件。LHP在空间工程上的广泛应用对航天器热管理的优化具有重要意义。1.3 脉动热管技术脉动热管是由金属毛细管弯曲成蛇形结构,管内抽成真空后充注部分工作介质,由于管径足够小,管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端,工质吸热产生气泡,迅速膨胀和升压,推动工质流向低温冷凝端。那里,气泡冷却收缩并破裂,压力下降。这样,由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡,使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动,从而实现热量的传递。脉动热管是20世纪90年代出现的一种新型热管,由日本的Akachi[12]最早提出。Akachi在1993年的专利中提出了无流向控制阀的新型回路热管,并且提出了开式回路和闭式回路两种结构。在此专利的基础上,日本的TS-Heatronics公司开发出了一系列代号为-HEATLANE.,-KENZAN.[13,14]的商用产品,用于电子冷却。曲伟,周岩[15]等人建立了脉动热管启动和运行的物理和数学模型,关联了新汽泡的产生条件和毛细管内已有汽泡之间的关系,从而发现了尺度效应如何影响脉动热管启动和运行的规律。已有汽泡的形状强烈影响脉动热管的启动和运行,小汽泡更利于新汽泡的产生。与常规热管不同的是,脉动热管内部无需吸液芯材料,因而具有结构简单,制造容易,成本低廉的优点,现已成功应用在电力设备及微电子的散热装置中。2 热管技术的应用热管最早用于空间技术和电子工业领域,随着科学技术水平的不断提高,热管研究和应用的领域也将不断拓宽。目前,热管应用的重心已由航天转移到地面,由工业化扩展到民用产品。热管技术在太阳能利用、笔记本电脑CPU的冷却以及大功率晶体管的冷却、化工、冶金、动力等领域的传热传质设备中广泛应用,其中以热管式真空管太阳能集热器、热管空气预热器、热管蒸汽发生器等节能装置和电子冷却器装置最为普遍。2.1 热管式真空管太阳能集热器太阳能利用领域是热管技术新的应用领域,以热管式真空管集热器为代表。传统的全玻璃真空管太阳能集热器具有承压耐冻能力差、耐冲击能力弱等缺陷,在寒冷地区容易冻裂。全玻璃真空管太阳能集热器中只要有一支管子破损,整个系统都要停止工作。而热管式真空管太阳能集热器可以克服这些缺点,是寒冷地区的首选,广泛应用于我国北方的太阳能热水器中。Wolf和Bienert[16]在1976年介绍了热管在太阳能集热器中的应用,他们把热管的蒸发段插入太阳能集热器中,但结果并不令人满意。1977年Ramsey[17]等在热管和带有选择性涂层的太阳能集热器温度为300e的情况下得到50%的效率,取得较好的结果。Zanardi[18]在1989年研究了热管抛物线型太阳能集热器并获得了50%的效率。2002年江苏大学雷玉成[19]等人在原有平板集热器的基础上研制了一种与建筑结合的太阳能集中供热热管系统,并对重力热管的传热机理进行了分析,提出正常工况下该热管的集总参数模型,给出了热管的倾角范围。2005年长春洲通经贸有限公司研制了一种辐射和传导混合型导热的全玻璃管热管(授权公告号CN2610268Y),它由冷凝头组件、全玻璃真空管等组成。冷凝头组件通过冷凝头接头与蒸发管固定连接,蒸发管穿过端盖插在全玻璃真空管内,在蒸发管上安装有导热盘。本专利结构简单,安装使用方便。只要有热势则传热不会和比值有关,效率大大增加。2008年阎素英[20]等人对玻璃真空管内插热管式太阳能集热器的结构特点、非稳态效率进行了研究。通过能量平衡分析和实验对比,对两种集热器的非稳态效率进行了分析研究验结果表明:玻璃真空管内插热管式集热器与全玻璃真空管式集热器相比,热容小、启动快、防冻抗冻能力强、能承压、稳定、安全运行,具有较好的高温效率特性和保温特性,非稳态效率高出15%左右,为其在太阳能膜蒸馏系统上的应用研究奠定了基础。这些理论的研究,将进一步促进热管在太阳能利用领域的应用,为热管在新的领域的应用提供理论指导。2.2 空气预热器空气预热器是广泛应用于石油、化工、能源领域的重要节能装置。热管在空气预热器上的应用