熱管散熱器的制造工藝和工程應用問題

熱管散熱器的制造工藝和工程應用問題

　　提要熱管是一種高效導熱元件。近年來研制鋼制熱管散熱器成為我國散熱器開發(fā)的一個熱點。通過分析其制造工藝和工程應用上的問題，指出目前研制的以鋼制柱或板型為外殼的熱管散熱器在工程上是不可靠的。

　　關(guān)鍵詞重力熱管工質(zhì)相容性啟動溫度熱管散熱器

　　AbstractThesteelradiatorincorporatingaheatpipehasbecomeofgeneralinterestinrecentyearsinChina.Throughanalysisofitintechnologicalrequirementsandpracticalinstances,concludesthattheheatpiperadiatorbasedontheexistingsteelcolumnandpaneltyperadiatorshashardlyandadvantageoverconventionalonesduetothedifficultiesinpreventingthelossofvacuum,ensuringthecompatibilitybetweentheworkingmediumandsteel,etc.

　　Keywordsgravityheatpipe,workingmedium,compatibility,startingtemperature,heatpiperadiator

　　1標準熱管和重力熱管

　　熱管是依靠其內(nèi)部工質(zhì)在一個高真空的封閉殼體內(nèi)循環(huán)相變傳遞熱量的裝置。按傳熱工質(zhì)回流方式，熱管可分為標準熱管和重力熱管（兩相閉式熱虹吸管）。標準熱管內(nèi)部具有毛細吸液芯，工質(zhì)依靠吸液芯回流，使熱管可以向任何方向傳遞熱

　　量，這種熱管首先在空間技術(shù)領(lǐng)域使用。重力熱管內(nèi)部沒有毛細吸液芯，工質(zhì)靠重力回流，因此，結(jié)構(gòu)簡單，成本也較低，可以用于工業(yè)廢熱的回收。我國70年代以來，已有數(shù)千臺重力熱管式換熱器投入運行。目前，已經(jīng)制訂國家標準的有《鋁無管芯重力熱管》（GB9082.2-87），其它熱管有的也制訂了省級標準。

　　2重力熱管的特點和制造要求

　　2.1簡單原理

　　如圖1所示，熱管由管殼1、工質(zhì)2構(gòu)成，管殼是一個內(nèi)部需要保持真空的密封容器。由于熱管初始真空度很高，管殼內(nèi)部的工質(zhì)處于氣液兩相共存的飽和狀態(tài)，且無不可凝氣體。工作時處于熱管下部的加熱段3內(nèi)的工質(zhì)吸熱汽化，產(chǎn)出蒸氣，此段又稱為汽化段，蒸氣分子流向上部，在放熱段4的冷壁面上凝結(jié)，釋放汽化潛熱，此段又稱為凝結(jié)段。隨后，凝結(jié)的工質(zhì)靠得力回流而下，重新吸熱汽化，循環(huán)不已。

　　2.2技術(shù)特征

　　(1)具有很強的導熱能力。重力熱管利用工質(zhì)相變，其導熱能力比金屬大百倍以上。

　　(2)優(yōu)良的均溫性。熱管工作時，工質(zhì)由吸熱段流至放熱段，壓降甚微，使熱管放熱段蒸氣空間內(nèi)，具有很好的溫度均一性。

　　(3)傳熱方向不可逆性。因借助重力使工質(zhì)回流，決定了重力熱管必須是加熱段在下，而放熱段在上。

　　(4)具有一定的工作溫度范圍。每一種工質(zhì)都有自己的工作溫度范圍，熱管在工作溫度內(nèi)，在真空狀態(tài)下，從低溫啟動工作，隨著工作溫度的提高，殼內(nèi)壓力上升。以水為例，其凝固點為0℃，臨界點為374.15℃，但當水溫低于50℃時，蒸汽密度太小，傳熱量很低，使熱管性能變差；而當溫度達到300℃時，相應的飽和壓力已達到8.59Mpa，接受碳鋼殼體的強度上限。因此，水的實用溫度范圍規(guī)定為50～300℃。在這個范圍內(nèi)工作時，殼內(nèi)相應的壓力則從初始壓力0.0123Mpa升至8.59Mpa。通常，增加加熱段熱量，使熱管進入等溫工況的溫度稱為熱管的啟動溫度。對于初始真空條件為0.0123Mpa，水為工質(zhì)的熱管，其啟動溫度為50℃。

　　按工作溫度范圍，熱管有低溫（-40～60℃）、常溫（0～300℃）、中溫（300～500℃）和高溫（＞500℃）之分。

　　在將熱管應用于實際時，必須了解在怎樣的條件下，熱管能順利地啟動，以及其實用工作溫度的范圍。

　　2.3制造工藝要求和檢驗

　　(1)制造工序多且要求嚴格。熱管外殼必須具有良好的氣密性和承壓能力，一般用無縫鋼管制作；為保證氣密性和機械強度，往往需要采用重焊法。制造工藝是熱管質(zhì)量的關(guān)鍵。

　　(2)要保證工質(zhì)與殼體材料的相容性。工質(zhì)在殼體內(nèi)循環(huán)相變傳熱，因而要求在熱管的實用溫度范圍內(nèi)，工質(zhì)與殼體材料必須有良好的化學相容性。即在工作過程中，不會發(fā)生化學或電化學反應，也會產(chǎn)生不可凝氣體。如果選擇不當，則可能產(chǎn)生固態(tài)物質(zhì)的沉積或不可凝氣體的阻塞，使熱管工作性能惡化，甚至失效。常見的工質(zhì)--材料搭配見表1。

　　表1常溫工質(zhì)與殼體材料相容搭配舉例

　　工質(zhì)

　　實用工作溫度范圍/℃

　　相容殼體材料

　　氨

　　R-11

　　丙酮

　　甲醇

　　水

　　-60～100

　　-40～120

　　20～120

　　10～130

　　50～300

　　鋁及其合金，低碳鋼，不銹鋼

　　鋁及其合金，銅，不銹鋼

　　鋁及其合金，不銹鋼

　　銅，不銹鋼

　　銅

　　(3)嚴格的性能檢驗。工業(yè)熱管產(chǎn)品，必須進行嚴格的性能檢驗，包括工作性能試驗、相容性壽命試驗、極限傳熱能力試驗，以及安全性、耐久性、環(huán)境適應性和出廠檢驗等。

　　3熱管散熱器的開發(fā)

　　為了提高我國鋼制散熱器的承壓能力，節(jié)約熱媒用量和解決容易出現(xiàn)的氧化化腐蝕問題，近年來，一些以熱管散熱器開發(fā)的一個新熱點，諸如"熱超導節(jié)能散熱器"、"熱超導散熱器"和"熱管節(jié)能散熱器"等。

　　3.1基本型式

　　熱管散熱器利用目前的鋼制柱型或板型散熱器為殼體，在散熱器底部穿入熱媒管，殼體內(nèi)注入工質(zhì)，并建立真空環(huán)境。這是一種常溫用重力式熱管。

　　工作過程是：在散熱器底部，供熱系統(tǒng)通過熱媒管將殼體內(nèi)的工質(zhì)加熱，在工作溫度內(nèi)，工質(zhì)沸騰，蒸氣上升至散熱器上部凝結(jié)放熱，凝結(jié)液順散熱器殼體內(nèi)壁回流至加熱段。

　　3.2熱管散熱器開發(fā)需要探討的幾個問題

　　熱管是一種有效的傳熱元件，應用前景廣闊，但不是萬能。一般當導熱是主要矛盾時，采用熱管技術(shù)可能是合理而有效的。即使如此，也還要顧及開發(fā)條件和技術(shù)經(jīng)濟性，應該將熱管與其它傳熱方案進行科學而A的對比論證。目前利用我國的鋼制柱子型（或板型）散熱器為外殼，制作熱管散熱器，用于集中供暖系統(tǒng)，就存在一些難以解決的問題，其可行性如何，還需要研究。

　　(1)外殼真空的建立和保持，是熱管生產(chǎn)中最難實現(xiàn)的一個關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。在我國散熱器廠目前的生產(chǎn)工藝條件下，沒有大的工藝成本投入和技術(shù)改造，要想利用簡單縫焊工藝制作的散熱器殼體，達到保持高真空的技術(shù)要求，是困難的；由于工藝和原材料的原因，散熱器初始真空度不夠，啟動溫度上移的情況最為常見。這種狀態(tài)下，在過渡季節(jié)供暖或熱媒溫度較低時，熱管散熱器就不能啟動，因而不能供暖。

　　(2)工質(zhì)與散熱器殼體化學相容性不能保證。目前見到的一些熱管散熱器，多為無表面處理的鋼制外殼，因而在與工質(zhì)的相容性上存在問題較多。有的產(chǎn)品使用一段時間后，工質(zhì)渾濁變色，不凝氣體產(chǎn)生，工作性能惡化失效。

　　(3)熱工性能并不優(yōu)越。從傳熱分析可知，常規(guī)鋼制散熱器傳熱主要取決于散熱器外表面熱阻的大小，而熱管散熱器的傳熱能力，主要取決于熱媒管內(nèi)的傳熱熱阻。這就是說，采用熱管后，總傳熱熱阻比以前增加，將使以散熱器外表面計算的總傳熱系數(shù)下降。目前有研究表明，增強管內(nèi)熱媒向管壁的傳熱，可以使散熱器總傳熱系數(shù)提高30%以上。但即使如此，強化后的熱管散熱器，在相同的熱媒條件下，其散熱量也低于同型的常規(guī)散熱器，這已為實驗所證明。

　　(4)與現(xiàn)有鋼制散熱器相比，制造成本提高。熱管制造工藝要求嚴格，工藝成本大大高于原料成本，所以，嚴格按照工藝要求制造的熱管散熱器，其成本要高于一般散熱器。可以預見，隨著供暖管理的改善和制造工藝水平的提高，我國鋼制散熱器腐蝕問題的逐步解決，熱管散熱器成本高的弊病將更為突出。

　　3.3熱管散熱器工程應用實例

　　某工程在40棟（約8萬m2）的住宅建筑中，使用鋼制柱型熱管散熱器5萬余片，價值100萬元。1994年11月首期供暖后，用戶普遍反映不熱，經(jīng)現(xiàn)場檢查，并采取改造供熱管網(wǎng)、提高供熱溫度和更換散熱器等一系列措施，情況仍無改善。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，1994年供暖開始時，散熱器失效率為13.8%，供暖結(jié)束時達到38%，至1995年供暖結(jié)束，失效率已達85%。值得注意的是，在此期間，一些用戶自行拆除熱管散熱器，改用普通散熱器，室內(nèi)溫度立即上升，供暖得以改善。這一情況，已經(jīng)引起強烈的社會反響。

　　4結(jié)論

　　4.1熱管是一種新型高效傳熱元件，適用于高效傳熱、恒溫控制、變熱流和工業(yè)余熱利用等方面，具有廣泛應用價值。

　　4.2我國目前開發(fā)制作的熱管散熱器，是利用現(xiàn)有鋼制散熱器為外殼，其成型、焊接工藝簡陋落后，難以保持真空。因

　　此，熱管散熱器熱工性能指標不高，制造成本增加，使用可靠性差，不宜取代集中供暖系統(tǒng)的常規(guī)供暖散熱器。

　　4.3一種新技術(shù)成果的應用開發(fā)，需要考慮新技術(shù)的技術(shù)特征、使用條件和現(xiàn)有的工藝水平，而且應進行嚴格全面的科學實驗和分析，力戒僅僅通過一些實驗現(xiàn)象，得出片面的結(jié)論，以減少開發(fā)研究和技術(shù)決策中的盲目性，保證應用開發(fā)的健康進行。

　　5參考文獻

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