畢業(yè)設(shè)計---分離式熱管冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計）</p><p><b>　　相關(guān)資料</b></p><p>　　設(shè)計（文獻綜述）題目：</p><p>　　xxxrpm分離式熱管冷卻系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　學(xué) 院： 化學(xué)與化工學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 過程裝備

2、與控制工程</p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　年 月 日</b></p&

3、gt;<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要II</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1.1設(shè)計目的和意義2</p><p>　　2.1 熱管的結(jié)構(gòu)和工作原理2</p><p>　　2.1

4、.1 熱管的結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2.1.2 熱管的工作原理2</p><p>　　2.2熱管的發(fā)展歷程2</p><p>　　2.3 熱管的應(yīng)用2</p><p>　　2.3.1 空間應(yīng)用2</p><p>　　2.3.2 電機電器的散熱冷卻2</p><p>　　2.3.3

5、 節(jié)能技術(shù)2</p><p>　　2.3.4等溫應(yīng)用2</p><p>　　2.3.5太陽能的利用2</p><p>　　2.4 熱管的擴展2</p><p>　　2.4.1 熱管的小型微型化2</p><p>　　2.4.2 熱管的大型超大型化2</p><p>　　2.5 熱管發(fā)

6、動機的構(gòu)思[2</p><p>　　2.6發(fā)展中的熱管技術(shù)2</p><p>　　2.7 我國熱管現(xiàn)存的問題2</p><p><b>　　2.8 結(jié)語2</b></p><p><b>　　參考文獻2</b></p><p>　　xxxxrpm分離式熱管冷卻系統(tǒng)的

7、設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　真空室中高速旋轉(zhuǎn)的主軸軸承會產(chǎn)生大量的熱量，若不將熱量及時導(dǎo)走，將直接影響到系統(tǒng)的正常工作。本設(shè)計通過向高速旋轉(zhuǎn)主軸真空系統(tǒng)引入熱管，利用熱管的高效導(dǎo)熱性，將軸承產(chǎn)生的大量熱量及時導(dǎo)走，使系統(tǒng)維持在正常的溫度范圍。</p><p>　　研究表明：利用高效的熱管導(dǎo)熱技術(shù)，

8、能迅速帶走主軸電機和主軸軸承上的熱量，能有效控制溫升，最大限度的減少由于高速主軸產(chǎn)生的熱量引起的系統(tǒng)故障，同時也將大大提高軸和軸承的使用壽命。</p><p>　　關(guān)鍵詞：真空系統(tǒng) 高速軸承 熱管</p><p>　　The design of 20000rpm separate heat pipe cooling system</p><p><b>　

9、　Abstract</b></p><p>　　When the high speed shafts rotate at a high speed in vacuum chamber, bearings will produce a great quantity of heat, if they can not be removed in time, that can directly influen

10、ce the move of the bearing system, In this paper, we introduce heat pipes into the vacuum chamber and take advantage of the high thermal conductivity to remove a great quantity of heat in time which are produced when the

11、 high speed shafts rotate at a high speed, and make this system maintain at a normal temperature range</p><p>　　Research shows that we apply efficient heat pipe heat conduction technology to remove the heat

12、that produced by spindle motor and main shaft bearings and can control temperature rising efficiently, also we can decrease system failure that caused by heat at the maximum extend and can largely enhance the service lif

13、e of the shafts and the bearings.</p><p>　　Key words: vacuum system high-speed bearing heat pipe</p><p>　　1.1設(shè)計目的和意義</p><p>　　近年來，熱管技術(shù)逐漸成熟，生產(chǎn)成本隨之降低，熱管受到了人們的廣泛重視，尤其是在高速主軸和機械軸承之間因為摩

14、擦發(fā)熱這個領(lǐng)域，熱管冷卻系統(tǒng)可以收到高精度、節(jié)能、減少占地面積，不用維護與保養(yǎng)，成本低等全面效果[1]，是一種比較理想的節(jié)能經(jīng)濟型冷卻系統(tǒng)。</p><p>　　熱管冷卻系統(tǒng)能迅速、高效地帶走高速轉(zhuǎn)軸與機械軸承間因為摩擦產(chǎn)生的熱量，使軸承迅速達到合適的工況溫度，避免軸和軸承溫度過高，大大提高了軸、軸承的使用壽命和系統(tǒng)的安全性。</p><p>　　通過分離式熱管冷卻系統(tǒng)的設(shè)計計算使我們能夠

15、掌握工藝過程中的傳熱計算，結(jié)構(gòu)計算中的材料選擇、強度計算、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、附件選擇設(shè)備制造工藝等，并通過文獻檢索，計算機繪圖，計算機編程，電子文檔處理，真正的將所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課知識與實際的工程問題有機的結(jié)合。</p><p>　　2.1 熱管的結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　2.1.1 熱管的結(jié)構(gòu)</p><p>　　熱管的典型結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，熱管由熱

16、管殼體、工作介質(zhì)、毛細吸液芯三部分組成。它以一種封閉的管子或簡體作為殼體，形狀可以是各種各樣的，其內(nèi)表面鑲套著多孔毛細吸液芯，待殼體抽成真空后充入適量的工作介質(zhì)（液體），密封殼體即成熱管。</p><p>　　熱管殼體是一個能承受壓力的、完全密封的容器，它的幾何形狀沒有特殊的要求，一般情況下為圓管形。熱管在工作時殼體往往需承受一定的壓力，但熱管在制作時預(yù)先要建立很高的真空，一般為102～10-2Pa。所以熱管殼體

17、任何道焊縫都要經(jīng)得起高真空檢漏及一定壓力的嚴(yán)格考驗。熱管殼體一般用鋁、銅、碳鋼、不銹鋼、合金鋼等金屬材料制成。</p><p>　　工作介質(zhì)在熱管工作時起載熱、輸熱的作用，依靠其相變過程來完成熱管的工作循環(huán)。殼體內(nèi)的工質(zhì)汽液兩相共存，液態(tài)工質(zhì)在多孔的吸液芯內(nèi)．汽態(tài)工質(zhì)則充滿熱管的內(nèi)部空腔。由于制作熱管時的真空很高，所以除非是溫度比工作液凝固點還低，熱管內(nèi)汽液兩相共存的工作介質(zhì)通常是飽和的。</p>

18、<p>　　圖1-1 熱管的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　1—管殼；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液體</p><p>　　熱管能在-200～2000℃的溫度范圍內(nèi)工作。工作溫度超過500℃的高溫?zé)峁懿捎勉y、鋰、鈉、汞、鉀、銫等金屬作工質(zhì)；工作溫度為100～500℃的中溫?zé)峁懿捎盟?dǎo)熱姆、萘作工質(zhì)；工作溫度低于100℃的低溫?zé)峁懿捎冒?、乙醇、氟里昂作工質(zhì)。在50～250℃

19、的溫度范圍內(nèi)，水是最理想的工質(zhì)，在250～450℃的溫度范圍內(nèi)，萘是理想的工質(zhì)。</p><p>　　毛細吸液芯緊貼于殼體內(nèi)壁。它沿徑向分配液態(tài)工質(zhì)，使其在吸液芯中均勻而穩(wěn)定地保持一層薄薄的液膜，并產(chǎn)生毛細抽吸力，通過通道使凝結(jié)液沿軸向回流。毛細吸液芯是凝結(jié)液回流的動力和可靠通道。由金屬網(wǎng)、泡沫材料、毛氈、纖維或燒結(jié)金屬等多孔材料制成，也有只在管殼內(nèi)部開溝槽、裝干道管[2]。</p><p&g

20、t;　　2.1.2 熱管的工作原理</p><p>　　從熱管與外界的傳熱狀態(tài)來看，沿其殼體軸向可分為蒸發(fā)段、絕熱段和凝結(jié)段。</p><p>　　當(dāng)熱源向蒸發(fā)段又稱吸熱段（供熱）供熱時，工質(zhì)液體自熱源吸熱汽化，蒸汽高速流向凝結(jié)段（又稱放熱段），在凝結(jié)段向冷源放出汽化潛熱而凝結(jié)成液體，凝結(jié)液在毛細吸液芯抽吸力的作用下，從凝結(jié)段返回蒸發(fā)段，完成一個循環(huán)。如此循環(huán)不停，熱源的熱量Ｑ就不斷地由熱

21、管的一端傳至另一端，放給冷源。如圖1-1所示，當(dāng)熱管正常工作時，其內(nèi)部進行著工質(zhì)液體的蒸發(fā)、蒸汽的流動、蒸汽的凝結(jié)和凝結(jié)液的回流等四個工作過程，這四個過程就構(gòu)成了熱管工作的閉合循環(huán)。</p><p>　　在管殼內(nèi)部不放置毛細吸液芯，依靠重力回流凝結(jié)液的熱管稱為重力熱管。為了回流凝結(jié)液，重力熱管的凝結(jié)段必須高于蒸發(fā)段。重力熱管結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，適于地面上的應(yīng)用，已經(jīng)成功地應(yīng)用于電子器件的冷卻、余熱回收、永久凍土層

22、的穩(wěn)定及新能源的開發(fā)。</p><p>　　而分離式熱管是內(nèi)部抽成真空，注入適量的工作液，然后密封。工作液在加熱段受熱汽化，吸收大量的熱量，蒸汽由于有壓力差的存在而向上流動，受到冷卻段的冷卻，向空間放出熱量，使蒸汽冷凝為液休，再由重力作用流回加熱段。工作液在管內(nèi)不斷地進行相變循環(huán)。相變時，吸收的汽化潛熱，可在溫差很小的情況下，將大量的熱從加熱段傳到冷卻段，熱管本身就成為傳熱動力源，從而得到較好的冷卻效果和溫度均一

23、化效果。把加熱段和冷卻段做成必要的形狀和尺寸，就可以成為有效的冷卻系統(tǒng)。</p><p>　　2.2熱管的發(fā)展歷程</p><p>　　最早的熱管構(gòu)思是本世紀(jì)四十年代美國俄亥俄州通用發(fā)動機公司的Gaugler[3]提出的，1942年12月提出專利申請，1944年6月發(fā)表，用于致冷系統(tǒng)，獲得輕便傳熱裝置專利。由于無實踐效果的支持，以及處于戰(zhàn)爭歷史背景下，無生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的明確需要而被埋沒了。直

24、到六十年代初，隨著航天事業(yè)的開發(fā)，向傳熱傳質(zhì)學(xué)提出了新的要求，對技術(shù)的發(fā)展及創(chuàng)新形成了強烈的刺激，這樣，熱管又才應(yīng)時而生。1964年美國Los Alamos科學(xué)實驗室的Grover等人重新獨立發(fā)明了類似于Gaugler的傳熱裝置，并進行了性能測試實驗，正式以“熱管”命名，在“應(yīng)用物理”雜志士發(fā)表了一篇論文[4]，指出：“在某些應(yīng)用范圍內(nèi)熱管可看成為一種最佳組合的工程結(jié)構(gòu)，它相當(dāng)于導(dǎo)熱率大大超過任何己知金屬的一種物體”。至此，熱管才受到重

25、視。</p><p>　　由于熱管原理構(gòu)思的先進和巧妙，以及在應(yīng)用中嶄露出的強大生命力，引起了傳熱界的極大興愚，激發(fā)了學(xué)者們的研究熱情，他們除對熱管理論進行研究外，還對熱管在空間技術(shù)及地面各領(lǐng)域的應(yīng)用也進行了廣泛的探索。美國、意大利、英國、蘇聯(lián)、西德、法、日等國相繼掀起研究熱潮，進行了大量的理論與實驗研究工作，發(fā)表的論文逾千篇。已舉行了五次國際熱管會議：</p><p>　　第一次，197

26、3年在西德舉行；</p><p>　　第二次，1976年，意大利；</p><p>　　第三次，1978年，美國；</p><p>　　第四次，1981年，英國；</p><p>　　第五次，1984年，日本。</p><p>　　這標(biāo)志著熱管研究取得了可喜的進展。</p><p>　　七十年代

27、初，我國一些高等院校和研究機關(guān)開始對熱管技術(shù)進行探索與研究。資料被大量引進[5～11]、消化、創(chuàng)新。結(jié)合我國情況，十余年來，已取得了一些成果，例如在飛行器溫度控制，高精度均溫爐，機載雷達，行波管以及電子設(shè)備的散熱與溫控，余熱回收等方面都有成功的應(yīng)用。國內(nèi)一些學(xué)會的例會及行業(yè)會議，如中國工程熱物理學(xué)會、宇航學(xué)會、建筑學(xué)會，制冷學(xué)會、換熱器技術(shù)會議、變流技術(shù)行業(yè)會議等都列入了熱管報告的內(nèi)容，1980年四機部雷達專業(yè)科技情報網(wǎng)在四川綿陽召開了

28、熱管技術(shù)交流會，1983年中國工程熱物理學(xué)會在哈爾濱主持召開了我國第一屆熱管會議，1984年，我國首次派代表團出席了在日本東京舉行的第五屆國際熱管會議……。這說明熱管技術(shù)的研究及應(yīng)用正在我國蓬勃發(fā)展。</p><p>　　就今后的熱管技術(shù)發(fā)展而言，文獻[12]提出了以下幾方面的課題：</p><p>　　（1）進一步降低熱管的制造成本，包括碳鋼—水熱管長期使用壽命考核，熱管批量生產(chǎn)工藝的改

29、進和完善等，以便為熱管技術(shù)在各種領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造條件；</p><p>　?。?）熱管余熱回收裝置的大型化（回收余熱量達數(shù)千千瓦至數(shù)萬千瓦）、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和系列化研究與發(fā)展，以及進一步解決合污染物載熱質(zhì)對熱管束的腐蝕和積灰問題；</p><p>　?。?）多孔介質(zhì)內(nèi)的兩相流動與相變傳熱機理方面的理論與實驗研究；兩相閉式熱虹吸管內(nèi)降膜和液池中的沸騰傳熱研究，低溫?zé)岷缥軆?nèi)沸騰與凝結(jié)傳熱強化

30、及提高攜帶限的措施；</p><p>　?。?）熱管工質(zhì)的探索，尤其是300～500℃范圍內(nèi)的高傳輸性能工質(zhì)的探索；</p><p>　?。?）解決高溫?zé)峁苡谐尚У墓こ虘?yīng)用與延長使用壽命的問題；</p><p>　?。?）開辟各類熱管新的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p><b>　　2.3 熱管的應(yīng)用</b></p>

31、;<p>　　2.3.1 空間應(yīng)用</p><p>　　熱管技術(shù)是為適應(yīng)空間技術(shù)的需要而發(fā)展起來的，特別是航天器和衛(wèi)星的溫度控制領(lǐng)域應(yīng)用熱管技術(shù)最為廣泛[13]。</p><p>　　（1）星體溫度展平（均溫）</p><p>　　不自旋的星體（衛(wèi)星或航天器）在空間運行時，向陽面和背陰面的溫差很大，對星體結(jié)構(gòu)、儀器設(shè)備等造成不利影響．如衛(wèi)星上的天文望遠

32、鏡就可能因熱變形過大而大失水準(zhǔn)。例如1969年美國發(fā)財?shù)囊活w同步軌道衛(wèi)星，安裝了8支環(huán)形熱管，將向陽面的熱量傳至背陰向，整個衛(wèi)單表面溫度約在13～27℃左右，溫差約14℃，面無熱管時，表面溫度卻在—44℃（背陰面）～74℃（向陽面），溫差高達約118℃。向陽面太陽電池溫度也降至7.5℃。而無熱管時卻高達49℃。</p><p>　　（2）儀器設(shè)備的溫控（溫度控制） </p><p>　　航

33、天器內(nèi)儀器設(shè)備常有熱量耗損，不進行溫控就可能因溫升過高而無法正常工作。例如美國一種航天飛機的溫控系統(tǒng)，裝有普通熱管與可控?zé)峁?，可以使儀器艙在0～30℃范圍中的任何溫度下工作，上下波動在±1℃之內(nèi)，使儀器設(shè)備可靠穩(wěn)定工作。我國70年代中后期發(fā)射的回收衛(wèi)星的儀器艙內(nèi)裝有21根6.55mm的氨—鋁軸向槽道熱管，將儀器產(chǎn)生的熱量傳給電池，降低了儀器的溫升，又保持了電池溫度。</p><p>　　（3）空間輻射器

34、散熱</p><p>　　飛行器的排熱量較大時，通常使用輻射散熱的散熱方式。如德國—個通訊衛(wèi)星上采用可控?zé)峁軐ξ⒉ňw管功率放大器進行溫控散熱。</p><p>　?。?）紅外深測器溫控</p><p>　　紅外探測器深需在深冷溫度（—80～—120℃左右）工作。美國休斯飛機公司采用熱管為深冷熱開關(guān)將探測器與兩個冷源聯(lián)接，選樣較冷源工作。試驗表明，這種溫控是成功的。

35、</p><p>　　2.3.2 電機電器的散熱冷卻</p><p><b>　　（1）電機</b></p><p>　　電機散熱冷卻不僅能維護電機的正常運轉(zhuǎn)，還可以提高電機輸出功率。</p><p>　　應(yīng)用熱管冷卻時，可以利用旋轉(zhuǎn)體自身作為熱管，即旋轉(zhuǎn)熱管，也可在相關(guān)部件埋設(shè)熱管。利用部件為熱管結(jié)構(gòu)的方式，可以在旋轉(zhuǎn)

36、體內(nèi)或外殼中采用空心而構(gòu)成旋轉(zhuǎn)熱管。相關(guān)部件埋沒熱管的方式，在轉(zhuǎn)子上可以在鐵心、繞組或端環(huán)埋設(shè)，在定子上可以在鐵心、繞組或端板埋設(shè)，也可在外殼、軸承式集電環(huán)上埋設(shè)[14]。</p><p>　　Siemens公司在異步電機上采用空心軸旋轉(zhuǎn)熱管，可使轉(zhuǎn)子溫降數(shù)十度。交流傳動機車的異步電機冷卻，可以采用不同型式熱管分別對轉(zhuǎn)子和定子進行冷卻，例如有一種方案在轉(zhuǎn)子上環(huán)狀埋設(shè)無翅片的銅一水熱管，在定子上埋設(shè)帶翅片的銅一水熱

37、管。為在低轉(zhuǎn)速或停機時能繼續(xù)散熱冷卻，定子及部分轉(zhuǎn)子熱管要帶吸液芯，如軸向槽道或覆網(wǎng)槽道。</p><p><b>　　（2）電器</b></p><p>　　電子器件和電氣設(shè)備的冷卻是繼空間技術(shù)的熱管應(yīng)用之后的一大應(yīng)用范疇，因為熱管換熱器的體積和質(zhì)量均較小，技術(shù)經(jīng)濟比較表明，大功率電子器件、半導(dǎo)體集成電路等冷卻采用熱管技術(shù)更為有利。國內(nèi)外普遍采用圓管熱管散熱器用于大

38、功率晶體管和大電流硅元件的散熱。對于半導(dǎo)體集成電路常采用電子組件的熱管線路板，例如，美國休斯飛機公司設(shè)計的幾種電子組件熱管散熱板，將熱管技術(shù)引入了海軍標(biāo)準(zhǔn)電子組件系統(tǒng)。</p><p>　　2.3.3 節(jié)能技術(shù)</p><p>　　70年代初，由于能源（石油）危機的刺激，熱管技術(shù)在余熱回收等節(jié)能工程方面獲得迅速發(fā)展[15]。70年代中期，美國首先推出熱管換熱器的系列化商品。例如美國的Q—D

39、ot公司的TRU系列，休斯飛機（Hughes aircraft）公司生產(chǎn)的Heat—bank熱管換熱器的四種T系列。日本歷來對節(jié)能技術(shù)甚為重視。日本古河工業(yè)公司生產(chǎn)名為Heat—E40n熱管換熱器有八種類型，昭和鋁公司生產(chǎn)名為Thermal—coil熱管換熱器的三個系列，鈴木金屬工業(yè)公司的Thermo—Deairator。此外，美國Faster—wheeler公司。日本日立造船公司、日本廉倉機械制作所等都發(fā)展了自己的熱管換熱器。據(jù)報道，

40、熱管換熱器除廣泛用于鍋爐、加熱爐和工業(yè)窯爐外還大量用于干燥器、干燥爐、空調(diào)等范疇。我國通常是根據(jù)實際情況設(shè)計專用熱管換熱器，外購熱管元件，加工組裝換熱器[16]。</p><p><b>　　2.3.4等溫應(yīng)用</b></p><p>　　熱管的等溫特性使其在要求等溫領(lǐng)域（恒溫室或恒溫器）獲得應(yīng)用，例如溫度標(biāo)定設(shè)備用高溫等溫?zé)峁?，一般采用鈉不銹鋼熱管，工作溫度范圍約為

41、650～1300℃；中、低溫度系數(shù)測試臺用中低溫等溫?zé)峁艿?，可采用丙酮一銅熱管，工作溫度范圍—55～70℃。</p><p>　　2.3.5太陽能的利用[17]</p><p>　　利用熱管合理開發(fā)利用太陽能前景良好，如平板式（不聚焦）和聚焦式太陽能熱管集熱器前者可采用水（加防凍劑如Licl?NaoH）一銅熱管或乙醇一碳鋼等中溫?zé)峁?，后者采用鈉、鉀等高溫?zé)峁苡靡约訜釅嚎s氣體。美國—種兼有平

42、板式和聚焦式優(yōu)點的不跟蹤式太陽能熱管集熱器，用于房屋取暖和供應(yīng)熱水相當(dāng)有效。此外，一種熱管太陽能水處理裝置，可用太陽能蒸發(fā)器使海水淡化。</p><p><b>　　2.4 熱管的擴展</b></p><p>　　2.4.1 熱管的小型微型化</p><p>　　在容積受限的條件下，普通的換熱措施無法實現(xiàn)，一般熱管也難以安置，小型和微型熱管的發(fā)

43、展解決了這一難題。T．P．Cotter（熱管理論創(chuàng)始者之一）在1984年第五屆國際熱管會議上的論文《微型熱管的原理和前景》為熱管的微型化開辟了道路。微型熱管一般指直徑10～500μm、長約10～30mm、無吸液芯的熱管。據(jù)估算，一根等邊二角形截面（邊長0.2mm）、長10mm的微型熱管，工作溫度50℃，工質(zhì)為甲醇，充液量18%。最大傳熱能力為0.03W。利用多支微型熱管鑲嵌入硅片中可以解決小型電子元件及大規(guī)模集成電路的散熱冷卻問題。日本

44、制成外徑0.6mm、內(nèi)徑0.1mm、長25mm的銅—水微型熱管（帶槽道或網(wǎng)狀吸液芯），可用于集成電路等周邊設(shè)備的冷卻。美國研制的小型手持開式液氮熱管手術(shù)器，質(zhì)量僅1kg，包括液氨貯存器、熱管和探針尖三大件，借助毛細作用，使液氮從貯存器流過305mm長的探針內(nèi)腔到達鍍金的銅尖。液氮蒸發(fā)吸收汽化潛熱由尼龍帽排出，保證在半小時內(nèi)探針尖溫度郁在77K（—196℃）左右，可用以凍殺腫瘤組織。日本開發(fā)的一種熱管溫?zé)嶂委焹x，是外徑1.48mm、內(nèi)徑1

45、.1mm的不銹鋼熱管。蒸發(fā)段外設(shè)循環(huán)恒</p><p>　　2.4.2 熱管的大型超大型化</p><p>　　大容量的余熱回收、融化道路積雪（防凍）、地下電力電纜的冷印、地下煤氣化的冷卻以及地?zé)衢_發(fā)利用和保持永久凍土層的穩(wěn)定等領(lǐng)域都要求熱管的大型甚至超大型化。據(jù)報道，目前世界最大的熱管直徑達300mm，長度達100m。日本的一種撓性熱管甚至可達200m之長，日本古河電氣公司采用2600根

46、10m長的帶吸液芯的熱管組成的號稱世界最大的熱管換熱器，用于電廠燒油鍋爐的排煙脫硫裝置，處理煙氣流為35×104m3/h。鑒于煙氣的腐蝕件，采取了特殊的除灰裝置。英國研制開發(fā)了一種由4500根長16m的熱虹吸管（單管功率達20KW）組成的大型熱管空氣預(yù)熱器。美國—些公司的熱管換熱器已經(jīng)形成系列，且熱管空氣預(yù)熱器在多處電站不同功率機組上成功運行。美國電力研究院認為，加裝熱管空氣預(yù)熱器是老電站最有前途的改造措施之一。</p&

47、gt;<p>　　要想廣泛利用開發(fā)地?zé)豳Y源，有時需要開發(fā)應(yīng)用長數(shù)公里、直徑數(shù)千厘米的超長超大型熱管。對于抽熱型地?zé)崂每梢圆豢紤]地?zé)崃黧w的存在，并可利用空井、枯井甚至油氣廢井而無用需另行鉆井。對大量小規(guī)模分散型的地?zé)衢_發(fā)可能更為有利。</p><p>　　從一定意義來說，分離型熱管換熱器也是一種熱管超長和大型化的應(yīng)用。</p><p>　　2.5 熱管發(fā)動機的構(gòu)思[18]&l

48、t;/p><p>　　熱管發(fā)動機是一種外燃機的構(gòu)思，熱管在這里已成為能動的動力源，而不再是被動的傳熱元件。日本的一種熱管發(fā)動機樣機由一個壓力容器和一個缸體組成，兩者相通，缸體在上，內(nèi)裝活塞。壓力容器在下，內(nèi)有可上下滑動的中空圓柱體——隔熱套(Thermal shutter)。簡單而言，壓力容器下段相當(dāng)于熱管的蒸發(fā)段，上段相當(dāng)冷凝段，而缸體相當(dāng)于絕熱段。熱管發(fā)動機工作時，蒸發(fā)段吸收熱源熱量，工質(zhì)蒸發(fā)，蒸汽等容壓縮，此時

49、冷凝段因隔熱套作用而處于絕熱狀態(tài)，蒸汽的壓力和溫度上升到一定程度時，缸體內(nèi)活塞被推動作功，然后隔熱套下降，阻斷蒸發(fā)段而開放冷凝段，冷凝段向熱匯放熱，蒸汽壓力及溫度下降，活塞下落，蒸汽絕熱壓縮，隔熱套回升阻斷冷凝段而開放蒸發(fā)段，構(gòu)成一個循環(huán)。樣機試驗表明，熱管發(fā)動機可回收中低溫?zé)崮埽⒁蛲馊挤绞蕉^易控制，但其熱效率較低，若干技術(shù)難題尚待解決，但這種構(gòu)思引人注目。</p><p>　　2.6發(fā)展中的熱管技術(shù)<

50、/p><p>　　熱管發(fā)展至今，已經(jīng)深入到人們生活的各個領(lǐng)域。下面介紹一些正在發(fā)展中的熱管技術(shù)，它們代表著目前熱管發(fā)展的前沿。</p><p>　　（1）單槽縫熱管[19]</p><p>　　單槽縫熱管有兩個軸向通道，一個是蒸汽流道，另一個是液體流道。分隔這兩個通道的小縫是為了造成高毛細壓力差。蒸汽通道含有沿著周向的槽道，這是為了分布由小縫流過來的液體。這兩個通道結(jié)構(gòu)

51、使液流與蒸汽流分隔開來，在很大程度上消除了相向流動的工作極限。而且，液體的粘性壓降較小，因為液體沒有阻礙地流進通道，這與常規(guī)網(wǎng)芯型熱管結(jié)構(gòu)不同。蒸汽通道中的周向槽道不僅能讓液體有效地分布，而且使液體汽化的傳熱面積增大。</p><p>　　（2）鍥形干道熱管[20]</p><p>　　鍥形干道熱管在結(jié)構(gòu)和工作原理上與單槽縫熱管相似，但是它考慮了借助于液體單通道的鍥形面把汽泡或氣體從液體通

52、道中自動排出去。正常工作期間，只有液體流經(jīng)液體干道。當(dāng)通道中由于液體的沸騰或從不凝結(jié)氣體中產(chǎn)生汽泡時，周向槽道由于缺乏液體供應(yīng)開始干涸，槽縫處的凹液面開始退至周向槽的底部。進一步加熱，干道中產(chǎn)生過熱液體并且凹液面與液體通道中汽泡相連接，然后排入蒸汽通道。液體干道的鍥形形狀也保證了凹液面的穩(wěn)定性和防止阻塞流動，這種阻塞是由于當(dāng)熱通量增加時，從通道流向壁面槽道的液體流率增大所引起的。于是就防止了通道中液體沸騰。</p><

53、;p>　　這種熱管具有以下特性：</p><p>　　量充裝工質(zhì)對性能的影響可以忽略不計，而充裝不足則性能降低；</p><p>　　管不需要裝抽吸內(nèi)襯與絲網(wǎng)；</p><p>　?、蹮峁荛L度影響起動能力，對于長熱管要求輸入功率的增量幅度較小，以便在幾倍于整個系統(tǒng)的距離上提供充分的循環(huán)；</p><p>　?、芾淠蔚目焖倮鋮s可產(chǎn)生液體

54、過熱和芯的沸騰；</p><p>　　（3）先進的梯形軸向槽道熱管(ATAG)[21]</p><p>　　研制這種熱管的目是為了把熱量從空間建造的輻射器上排放出去，輻射器在1—g與20℃時的環(huán)境下熱傳輸能力的指標(biāo)要大于30kWm。 </p><p>　　ATAG熱管有以下特點：①園形截面；②供液時沒有重力輔助也能得到1一g環(huán)境下的性能；③軸向槽道熱管對由于欠冷與沸

55、騰而產(chǎn)生的液體失供現(xiàn)象不太敏感。</p><p>　?。?）雙縫道熱管[22]</p><p>　　這種熱管由平板式擋扳所組成，擋扳把蒸汽通道與液體通道隔開。圓管內(nèi)表面上加工的軸向槽道有毛細抽吸作用，借助于表面張力的作用，軸向槽道為工質(zhì)從液體通道輸送到蒸汽通道然后再流向蒸發(fā)段提供了一條通路。在擋扳與管內(nèi)壁接觸處形成兩道縫隙，在管徑很小時，由于流體的流通面積小故而傳熱能力低，而在大管徑時熱傳

56、輸能力也比較低，因為軸向槽道中流體的阻力增大了。</p><p>　?。?）雙壁于道熱管（DWA）[23]</p><p>　　高性能DWA熱管幾年來已在Wright航天實驗室進行研制。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由復(fù)合吸液芯所組成，該吸液芯把液體和蒸汽的流動通道分隔開。熱管由同心管裝置構(gòu)成。為了輸運液體，內(nèi)管的外表面開有槽道，為了讓蒸汽更順利地排出，還開了槽縫。在蒸發(fā)段外管的內(nèi)表面與開了縫的內(nèi)管的外槽

57、表面之間置有絲網(wǎng)，目的是為了使傳熱與自身供液的能力增大。最新的設(shè)計取消了絕熱段與冷凝段中的絲網(wǎng)，因為當(dāng)采用原來的結(jié)構(gòu)時，會產(chǎn)生較高的流動與傳熱的阻力。</p><p>　?。?）高性能柔性熱管[24]</p><p>　　柔性熱管在絕熱段或輸運段采用柔性的絲網(wǎng)干道，在蒸發(fā)段與冷凝段則用與之適當(dāng)配合的吸液芯結(jié)構(gòu)。有人對蒸發(fā)段與冷凝段結(jié)構(gòu)三種不同的吸液芯配置進行了評述：①周向“V”型槽；②多層

58、絲網(wǎng)卷；③燒結(jié)金屬粉末吸液芯。把這三種吸液芯的形式納入一個分析模型，以確定各個吸液芯的幾何參數(shù)對最大傳熱量的影響。</p><p>　　“V”型槽道參數(shù)研究的結(jié)果表明20°槽道角且每厘米長度上有40到60頭螺紋的槽道有最大的傳熱能力，同時保障了槽道加工所需的條件。此外，地面上螺旋槽道的性能低下，因為最佳管徑在0.95cm與1.59cm之間。絲網(wǎng)吸液芯在網(wǎng)層間及絲網(wǎng)與管之間有間隙，這將產(chǎn)生傳熱熱阻。蒸發(fā)段

59、與冷凝段中的金屬粉末吸液芯產(chǎn)生的徑向功率密度超過8W/cm2。</p><p>　　為了辨明柔性熱管的最大熱負荷能力，這種熱管仍然是他們繼續(xù)研制的目標(biāo)。</p><p>　?。?）雙對干道液態(tài)金屬熱管[25]</p><p>　　Los Alamos國家實驗室Merrigan等人研制了雙對干道液態(tài)金屬熱管，用鋰作工質(zhì)，工作溫度約1500K。用鉬合金(絲網(wǎng)與本體材料)

60、制成2m長（Le=0.3，Lc=0.50）的熱管在1465K時軸向功率密度達19 kW/cm2，相應(yīng)的蒸發(fā)段徑向通量為150W/cm2。熱管在15kW，1500K條件下工作了100個小時，其性能沒有降低。</p><p>　?。?）燒結(jié)金屬粉末吸液芯熱管[26]</p><p>　　燒結(jié)的金屬粉末或金屬纖維吸液芯，同獨立的徑向與軸向液體流道和蒸汽流道結(jié)合時，能大大改善熱管性能。有關(guān)文獻報道

61、了附在管壁內(nèi)表面青銅燒結(jié)芯的研制情況。若將該熱管與50～100目多層網(wǎng)芯水熱管相比，燒結(jié)金屬芯由于減少了網(wǎng)芯與管壁之間的熱阻而顯示出優(yōu)良的性能。燒結(jié)芯熱管比常規(guī)熱管便宜50％以上。</p><p>　　（9）陶瓷熱管[27]</p><p>　　陶瓷熱管在空氣和燃燒產(chǎn)物的環(huán)境中具有1200K以上的工作能力。它的發(fā)明者最初想把這種熱管用在有腐蝕性廢氣高溫工業(yè)余熱回收器中，熱管用鈉或鋰作為工質(zhì)

62、。因為鈉和鋰與陶瓷材料不相容，這種材料必須進行適當(dāng)?shù)谋Ｗo，有人用化學(xué)蒸汽沉積方法以耐熱金屬給陶瓷熱管內(nèi)表面加上一層襯里。周向吸液芯可作成單獨的結(jié)構(gòu)，也可以作為</p><p>　　金屬內(nèi)襯的一部分。陶瓷管和耐熱金屬內(nèi)襯必須滿足強度、化學(xué)穩(wěn)定性、熱沖擊阻抗、加工性及與真空封裝接頭相連接的能力。</p><p>　　研究表明工質(zhì)為鈉時，滿足上述要求的主要選用材料是碳化硅（熱管的陶瓷材料）與鎢（

63、金屬襯里）。陶瓷熱管的制造包括先加工Lt=0.61m，D=25mm和壁厚為0.3mm的CVD管，而后用化學(xué)沉積鎢的辦法給熱管加襯里（0.1～0．3mm厚），襯里也用來作為吸液芯材料。熱管的性能實驗是在1200K的真空爐中進行的。</p><p>　?。?0）強化沸騰表面熱虹吸管[28]</p><p>　　Larkin最近在蒸發(fā)段內(nèi)表面采用下列強化方法研究了水一銅熱虹吸管中的強化傳熱問題：

64、①銅網(wǎng)；②插入帶有許多凹坑的銅制套筒；⑧聚四氟乙烯套筒；④帶有捕獲液體的凹槽聚四氟乙烯套筒。當(dāng)溫度超過50C時，各種不同的強化方法的實驗數(shù)據(jù)說明對傳熱并無強化作用，而在較低溫度下它們表明在蒸發(fā)段全都鋪滿銅網(wǎng)的情況下可以達200％的強化傳熱效果。</p><p>　　從以上的進展可以看出，熱管技術(shù)正向著高、精、尖方向發(fā)展，各個方向都有很強的針對性和目的性，它們代表著熱管目前發(fā)展的最新動態(tài)。</p>&

65、lt;p>　　2.7 我國熱管現(xiàn)存的問題</p><p>　　我國熱管研究開始1970年左右，1972年第一根鈉熱管運行成功，以后相繼研制成功氨、水、鈉、汞、連苯等各種介質(zhì)的熱管，并在應(yīng)用上取得了一定的進展。1980年國內(nèi)第一臺實驗性熱管換熱器運轉(zhuǎn)成功，各地相繼出現(xiàn)各種不同類型的、不同溫度范圍的氣—氣熱管換熱器及氣—液換熱器，在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良好的作用，并積累了一定的使用經(jīng)驗。盡管如此，同國外熱管的

66、發(fā)展水平相比，我國熱管研究還存在一些迫切需要解決的問題：</p><p><b>　　（1） 價格偏高。</b></p><p>　　（2） 工業(yè)使用的時間還不夠長，應(yīng)用面也不夠廣。盡管熱管換熱器在國內(nèi)使用的最長時間已超過7年，但為數(shù)不多，一些問題還未充分暴露。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了灰堵、露點腐蝕等問題，還需進一步尋求有效的解決辦法。</p><p>　　

67、（3） 實際應(yīng)用的熱管技術(shù)含量低，真正在實驗室研究的成果到實際應(yīng)用需要很長一段時間。</p><p>　?。?） 對中溫?zé)峁苎芯勘容^多，對高溫和低溫?zé)峁艿难芯肯鄬^少。</p><p>　　（5） 在基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究工作開展較少，這在很大程度上制約了我國熱管水平的飛速發(fā)展。熱管雖然存在這些問題，但我們科研工作者相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些問題都能夠不斷地被解決。</p><

68、;p><b>　　2.8 結(jié)語</b></p><p>　　與常規(guī)換熱技術(shù)相比，熱管技術(shù)之所以能不斷受到工程界歡迎，是因其具有如下的顯著優(yōu)勢：</p><p>　?。?）熱管管壁的溫度可調(diào)性 </p><p>　　熱管管壁的溫度可以調(diào)節(jié)，在低溫余熱回收或熱交換中是相當(dāng)重要的，因為可以通過適當(dāng)?shù)臒崃髯儞Q把熱管管壁溫度調(diào)整在低溫流體的露點

69、以上，從而可放置腐蝕， 保證設(shè)備長期運行。</p><p>　　（2）熱管換熱設(shè)備較常規(guī)設(shè)備更安全、可靠、可長期連續(xù)運行。 </p><p>　　這一優(yōu)勢對連續(xù)性生產(chǎn)的工程，如化工、冶金、動力等部門具有特別重要的意義。常規(guī)換熱設(shè)備一般都是間壁換熱，冷熱氣體分別在器壁的兩側(cè)流過，安全，放置交叉污染，可靠性高。</p><p>　?。?）熱管換熱器效率高，節(jié)能效果

70、顯著。</p><p>　?。?）冷、熱段結(jié)構(gòu)和位置布置靈活。 </p><p>　　由于熱管換熱器的受熱部分和放熱部分結(jié)構(gòu)設(shè)計和位置布置靈活，可適應(yīng)于各種復(fù)雜場合。</p><p>　　將熱管冷卻技術(shù)應(yīng)用到高速主軸系統(tǒng)，能有效降低主軸由于軸芯的摩擦熱膨脹所引發(fā)的制造加工精度誤差。在機電主軸可承受的情況下，也能更進一步的提高主軸的轉(zhuǎn)速，使機床的加工效率更高。同時

71、也可以緩解機電主軸軸承的熱膨脹，提高軸承的使用壽命。 </p><p>　　國產(chǎn)的數(shù)控機床電主軸的轉(zhuǎn)速一直未能提高,其中的主要原因就高轉(zhuǎn)速下的內(nèi)部散熱問題[29]。而采用熱管冷卻技術(shù)，能有效的解決高速機電主軸領(lǐng)域的內(nèi)部散熱問題。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　［1］柴田宗一等，機床譯叢，1

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