| 一、概述
熱能工程一直以來是人類關注的焦點技術領域，早在二十世紀四十年代，國外首先發(fā)明了以液體為介質(zhì)的進行熱能傳遞的元件--熱管，作為一種特種傳熱元件，他以很小的溫差傳送大量熱量，其特性基本上可以歸納為兩：(一)導熱性好(二)均熱效果高。在所有的金屬非金屬材料中，就傳熱性能而言，幾乎沒有哪種材料能夠與熱管元件相比。熱管的工作介質(zhì)或稱工體流體(Working Fluid)可有多種，主要是采用水或油，乙醇等液體有機化合物為傳熱介質(zhì)，在封閉的真空金屬管中通過快速循環(huán)的相變達到傳熱的目的，即先在吸熱端接受熱能，使介質(zhì)受熱后由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，到冷端(即放熱端)釋放出熱能后，介質(zhì)冷凝還原為液態(tài)再返回吸熱端，完成一次相變循環(huán)。我們通常將這種熱管稱為常規(guī)熱管。
常規(guī)碳鋼--水熱管可以在30℃~200℃的溫度范圍內(nèi)工作，并有較高的傳熱效率，可以快速進行熱能傳遞，并達到一定的節(jié)能效果，所以在一些工業(yè)部門得到了應用。但是，由于有機介質(zhì)熱管工作時管內(nèi)存在較大壓強，而壓強大小與溫度密切相關，溫度過高，就會爆管，此外還存在載體材料與其內(nèi)部工質(zhì)材料不相容，產(chǎn)生不凝性氣體而腐蝕管壁的問題，容易導致熱管失效。進入九十年代以后，隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，許多尖端設備對溫度的傳遞范圍、傳熱效率、使用壽命等提出了更高的技術要求，使得普通熱管已無法滿足工作需要。我公司科研人員從八十年代后期，就一直關注熱管工業(yè)的發(fā)展，在傳統(tǒng)熱管(Heat pipe)的基礎上，經(jīng)過十余年的潛心研究和不管實驗，開發(fā)并研制出一種優(yōu)于傳統(tǒng)熱管的新型熱管--特種熱管。
二、特種熱管
特種熱管采用的是無機介質(zhì)作為熱傳導的一種高效傳熱技術，這是材料科學領域內(nèi)的一項新的技術發(fā)明，其新穎性和獨創(chuàng)性目前在國內(nèi)外有關文獻的檢索中未見報道，屬我國首創(chuàng)的一項領先技術。
特種熱管的技術原理為：獨立的(管狀、夾層板狀及組合狀等)系統(tǒng)內(nèi)加入A、B兩種工質(zhì)后，(管徑≥3mm，板狀間距≥1mm以上)經(jīng)過真空處理密封等等工序就構(gòu)成了特種傳熱原件。特種傳熱元件是一個獨立的真空系統(tǒng)，在熱能傳導過程中介質(zhì)受熱激發(fā)產(chǎn)生振蕩，可將熱能迅速由熱端向冷端快速傳遞并發(fā)生摩擦。眾所周知，所有材料(金屬和非金屬)，其自身均存在不同程度的熱阻，決定并制約了材料的導熱及熱交換能力。熱管的應用，減除了傳熱過程中的熱阻，使熱能更加適應遠距離傳遞和各種形式的熱能交換。特種熱管具有較高的傳熱能力。中國科學院一位從事化學和熱物理研究30余年的科學家譚志城教授經(jīng)過深入研究后說，特種熱管傳熱機理及與傳熱介質(zhì)傳熱方式的異同點，使其不僅可以在熱管上應用，而且可以在所有涉及熱交換和熱傳遞的設備系統(tǒng)中使用，特別是適用于一些有特殊要求的傳熱系統(tǒng)。這種無機傳熱材料的推廣、應用將影響所有熱量傳遞的領域，對提高熱能利用率，節(jié)約能源將產(chǎn)生重大影響，尤其將為取之不盡的太陽能的利用和用之不竭的地熱開發(fā)幾低品位熱能的回收開辟一條高速通道。
三、特種傳熱介質(zhì)及其載體技術參數(shù)
特種傳熱介質(zhì)為固體、液體兩種，其中固體介質(zhì)在常溫下為灰黑色粉末，由多種無機元素組成，當與液體介質(zhì)一同灌注在密閉的載體內(nèi)，并形成一定真空度時，即可實現(xiàn)熱能高速傳遞，傳熱介質(zhì)所灌注的載體(管子或夾層片狀體)經(jīng)密閉后，即形成高效熱管。熱管材料不受材質(zhì)限制，可采用金屬(如碳鋼、不銹鋼、銅)或玻璃，塑料等材料，并可采用盤旋管，彎曲板，同時可采用多管(板)組合形成。特種熱管其軸向的導熱是以分子告訴運動的特定方式來實現(xiàn)其熱能傳導的，介質(zhì)無毒，無污染，對金屬無腐蝕。
特種熱管的傳導速率
金屬、非金屬材料本身的導熱速率取決于材料的導熱系數(shù)，溫度梯度，正交于溫度梯度的截面面積，而金屬中以銀的導熱系數(shù)最高，其值在415W/MK左右。經(jīng)實測，高效熱管其軸向熱流密度為8.4×106W/ m2，徑向熱流密度為4.3×104W/ m2，有效導熱系數(shù)為3.2×106W/ MK，進行對比可知，高效熱管的導熱速度為白銀導熱速度的數(shù)千倍。
特種熱管的使用壽命
經(jīng)過載體材料(金屬、非金屬)的速失率測定，老化壽命13萬小時左右，介質(zhì)壽命實測為11萬小時，同時熱管中介質(zhì)與管壁的相容性好，可以使傳熱管長期在較高熱負荷下穩(wěn)定工作。
四、特種熱管與普通熱管的性能比較
特種熱管較普通熱管性能的優(yōu)勢主要由以下三方面體現(xiàn)1、完全性；2、使用壽命長；3、傳輸功率高。
傳統(tǒng)熱管是采用水或油、乙醇等液態(tài)有機化合物作為傳熱介質(zhì)；由于這些介質(zhì)的蒸氣壓、工作溫區(qū)及介質(zhì)相容性等一系列問題，使傳統(tǒng)熱管的應用范圍受到很大的限制，而高效傳熱管采用固態(tài)無機化合物作為傳熱介質(zhì)，它完全不同于傳統(tǒng)熱管的傳熱介質(zhì)，具備無污染，無放射性，無毒，無腐蝕，介質(zhì)蒸氣壓低，工作溫區(qū)寬，使用壽命長，成本低等一系列優(yōu)點，它具備傳統(tǒng)熱管無可比擬的優(yōu)良性能。
由于普通熱管工作時管內(nèi)產(chǎn)生交大壓強，而壓強的大小又與溫度密切相關，溫度一高就會爆管，此外，還存在高溫下管內(nèi)發(fā)生化學反應生成不凝性氣體，對管壁產(chǎn)生腐蝕性，容易導致普通熱管失效。
而特種熱管由于采用無機固態(tài)物質(zhì)及少量液態(tài)，管內(nèi)壓強小，從而使用溫度范圍大，不會發(fā)生爆管現(xiàn)象，也不會在管內(nèi)發(fā)生化學反應，而生成不凝性氣體。普通鋼水熱管的傳熱功率為415W/cm，而特種熱管的傳熱功率是其三倍。 |
