熱管技術在采暖散熱器上的應用研究

崔燕鵬

摘 要：本文論述了一種新型熱管板型散熱器，這種采暖散熱器采用了熱管原理，熱網(wǎng)熱媒不進入散熱器內(nèi)部，解決了普通散熱器內(nèi)腐蝕嚴重、耐壓性能差、易結垢、使用壽命低等缺陷。由于這種散熱器不受熱網(wǎng)壓力變化的影響，因此，在設計選材上無需考慮散熱器承受巨大壓力和內(nèi)部腐蝕的因素，因而降低了原材料消耗和生產(chǎn)成本。這種熱管板型散熱器的結構簡單，主要有兩塊冷軋鋼板沖壓成型后相對焊接而成。其分布均勻、相互連通、完全封閉的橢圓形通道組成了熱管，在熱管底部設計有供熱媒通過的波紋導流管。這種結構設計保證了導流管對熱管工作的熱動力，導流管外熱管工作的全過程，從而實現(xiàn)了熱交換的目的。

關鍵詞：采暖散熱器 熱管 工質(zhì) 多頭波紋導流管 鋼制板型熱管散熱器

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0096-02

采暖散熱器被廣泛應用于工業(yè)、民用等社會各領域。它的結構形式主要有鑄鐵、鋼制和鋁制三大類。目前無論何種結構形式的采暖散熱器，其工作原理無一例外的都是熱媒（鍋爐熱水或蒸汽）都要進入到散熱器的內(nèi)部以加熱散熱器本身，然后通過對流或輻射換熱方式完成對空間的加熱，以達到冬季采暖的目的。

以上這些散熱器，由于其結構和工作原理的原因致使其金屬熱強度小、金屬消耗量大、結構笨重、經(jīng)濟性能差、耐壓性差，已逐步被其它散熱器所取代（鑄鐵）。鋼制散熱器雖然具有熱工性能好，重量輕，承壓高外形美觀等優(yōu)點，但由于內(nèi)部易結垢影響了熱效率的穩(wěn)定性，再加上耐腐蝕性差、使用壽命低成為了其進一步發(fā)展的致命缺陷。鋁制散熱器雖然具有其它散熱器的所有優(yōu)點，但內(nèi)部易結垢的世界性難題和造價高、經(jīng)濟性能差和耐壓力受限等缺陷限制了它的發(fā)展。

為此，本文從改變散熱器的工作原理入手，利用“超速導熱”的熱管原理實現(xiàn)散熱器的放熱目標，以克服目前散熱器存在的弊端。探索采暖散熱器發(fā)展進入一個新領域的可能性。

1 熱管的工作原理及其應用

熱管是一種具有超高導熱性能的傳熱原件。工作原理可以簡要地描述為：工質(zhì)在密閉的空間內(nèi)的某一位置吸收熱量，由液態(tài)轉變?yōu)槠麘B(tài)發(fā)生蒸發(fā)，而后在它上方的某一位置釋放熱量，由汽態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)，在不附加任何動力而使冷凝的液體再回到原來的位置，繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，往復循環(huán)，達到熱量從一個地點快速傳遞到另一個地點的目的。

熱管技術從40年代提出，經(jīng)過幾十年的探索研究，有了飛速發(fā)展。熱管的研究工作和在工業(yè)上的應用進展很快。特別在國家號召節(jié)能減排以來，熱管的應用越來越多，發(fā)揮著越來越積極的作用。

熱管換熱技術是一種高效、緊湊、耐用的換熱設備。它的結構形式多樣，使用方便靈活，特別適用于中、低溫方面的換熱。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，熱管技術正越來越廣泛地滲入到工業(yè)、民用領域的許多方面，發(fā)揮出獨特的作用。熱管在采暖散熱器方面的應用設想也越來越成熟，筆者經(jīng)過幾年來的研究和實驗，通過投入小規(guī)模的運行，表現(xiàn)出了很好的換熱能力，研制出的新產(chǎn)品通過了省級技術鑒定，得到了業(yè)界專家的一致好評，具有很高的推廣價值。

2 熱管板形散熱器的結構及工作原理

熱管板形散熱器，由兩塊板形結構的部件相對組成。在板形結構上制作有分布均勻的若干垂直凸槽和與其相連通的水平凸槽。這些凸槽對稱分布，組焊后它的斷面形狀呈橢圓形結構。這些分布均勻、相互連通、完全封閉的橢圓形柱狀通道網(wǎng)，組成了熱管板形散熱器的熱管部分。在板形結構下部，安裝有供熱媒（鍋爐熱水或蒸汽）通過的導流管。在熱管板形散熱器的熱管上，焊接有波形結構的波形板。在熱管內(nèi)裝有工質(zhì)，供熱管板形散熱器工作之用。

以上的焊接結構件，組成了一種新型的熱管板形散熱器。熱管板形散熱器的面板向外，它的主要作用：一是增加產(chǎn)品的美感，二是在散熱器工作時向室內(nèi)釋放輻射熱量，提高散熱器的熱效率。焊接在背板上的波形板，一是要增加散熱器的散熱面積，二是要完成散熱器的放熱對流通道，這樣才能有效提高熱管板形散熱器的整體放熱功能。

導流管是熱管板形散熱器的核心部件，這是因為熱媒從導流管內(nèi)經(jīng)流時，熱網(wǎng)的熱量要通過導流管轉換到熱管板形散熱器的熱管。同時導流管又是熱管工作的起動部件和工作部件，只有導流管不斷循環(huán)的啟動，才能確保熱管板形散熱器的正常工作。因此，它的結構設計是關系到整個熱管板形散熱器性能的關鍵。經(jīng)過筆者最佳的紊流和水阻計算和反復試驗，確定多頭波汶管做為導流管的斷面設計。這樣的設計考慮，一方面是增加熱媒放熱面積，也增加了熱管的吸熱面積。另一方面當受壓的熱媒流經(jīng)帶波紋的導流管時，在波紋的導向下熱媒發(fā)生高速旋轉，高速旋轉且流動的熱媒破壞了固有的層流，形成了很好的紊流效果，也就達到了理想的換熱效果。同時，高速旋轉流動的紊流體又不會使熱媒中的污垢沉積，很好的解決了散熱器的結垢問題，有效提高了散熱器的熱功性能和使用壽命，大大縮短了散熱器的維護周期。

導流波紋管的外部，是熱管板形散熱器熱管部分的工作面，由于多頭波紋的設計，使這個工作面高低起伏、錯落有致，當工質(zhì)受熱蒸發(fā)時，工質(zhì)蒸發(fā)面處在不同的方向和層面上，可以很好的解決熱管工作的“爆沸”和“共振”，使熱管工作起來更加平穩(wěn)。

熱管板形散熱器的工作原理是：當熱媒進入熱管板形散熱器的導流管時，熱媒的熱量通過導流管傳遞給工質(zhì)，處在熱管板形散熱器腔體內(nèi)負壓環(huán)境下的工質(zhì)，吸熱后由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，發(fā)生蒸發(fā)的蒸汽工質(zhì)在負壓作用下迅速上升，上升后的氣態(tài)工質(zhì)遇到較低溫度的橢圓形熱管壁后，釋放熱量，迅速凝結，由氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)，液態(tài)工質(zhì)在重力作用下，回落到熱管板形散熱器的蒸發(fā)段—— 波紋導流管的部分。

波紋導流管由于供熱熱網(wǎng)的高溫熱媒源源不斷的經(jīng)流，因此，保持了其高溫狀態(tài)，確保了工質(zhì)蒸發(fā)所需要的動力—— 高溫。蒸發(fā)上升的工質(zhì)，在凝結回落（流）時，將自身攜帶的熱量傳遞給熱管的冷凝段—— 由背、面板凹槽相對組成的橢圓形熱管壁。由于熱管散熱器的面板向室內(nèi)釋放的輻射熱、背板及對流通道向室內(nèi)釋放的對流熱量和輻射熱量，形成了熱管壁（冷凝段）的低溫特征。

熱管板形散熱器蒸發(fā)段的高溫特征與冷凝段的低溫特征確保了工質(zhì)的吸熱—— 蒸發(fā)—— 凝結—— 回落連綿不斷，反復循環(huán)的過程，實現(xiàn)了熱管板形散熱器的設計目標。

3 熱管板形散熱器的制作工藝

熱管板形散熱器主要有面板、背板、對流片、導流管、安裝掛件組成。制作工藝分為沖壓成型及沖孔——導流管制作安裝——焊接——抽真空及注工質(zhì)——表面處理等四個工藝過程。

面、背板組成的熱管在工作或非工作狀態(tài)時，由于熱網(wǎng)熱媒不進入其內(nèi)部，熱網(wǎng)壓力變化對其沒有影響，基本處于常壓狀態(tài)，在其背板熱管通道上焊接的對流片，主要作用是傳遞熱量。因而這些部件的材質(zhì)均選擇比較薄的冷扎鋼板。

導流管是熱管板形散熱器的關鍵部件，主要承擔熱媒的壓力，建筑層高壓力變化對散熱器的影響，還要克服熱媒的腐蝕。因而選擇性能優(yōu)越的不銹鋼。

鋼制熱管板形散熱器的面、背板在設計上是對稱體，因此，制作成型只需要一套模具沖壓完成，周邊采用高頻縫焊。立柱熱管間（橢圓形通道間）采用點焊技術加工。在背板的熱管外壁上，點焊有波形板。波形板的凹槽與熱管間隔形成的對流通道，組成了熱管板形散熱器的對流換熱器。導流管安裝在背板下部水平凹槽內(nèi)。

經(jīng)過組裝、焊接、清理的鋼制熱管板形散熱器，進行負壓工序和加注工質(zhì)，進行涂裝后即已完成了全部制作過程。

4 經(jīng)濟性和其他性能評價

鋼制熱管板形散熱器，主要耗材為冷扎鋼板，由于所耗鋼板的厚度不到同類產(chǎn)品的二分之一，省去了普通形板散熱器的進出口部件，總體鋼材消耗量較同類產(chǎn)品降低50%以上，雖然導流管選擇的材質(zhì)為價格較昂貴的不銹鋼，但重量所占鋼制熱管板形散熱器總體重量比重較小，對總體成本影響不大。

鋼制熱管板形散熱器，一方面具有熱功性能好、散熱快、裝飾性好、制作工藝簡單、安裝方便等優(yōu)點。另一方面，由于熱媒經(jīng)流導流管，不進入散熱器內(nèi)部，具有了很好的抗腐蝕性能，大大提高了產(chǎn)品的使用壽命，并且減少了維修更換次數(shù)，減少了維修更換成本。同時，波形導流管的承壓能力非常強，熱網(wǎng)的壓力變化與建筑層高的壓力增加，幾乎對其沒有影響，因此，鋼制熱管板形散熱器的使用范圍更加廣泛。還由于熱媒經(jīng)流本產(chǎn)品時高速旋轉，有極好的紊流效果，在提高執(zhí)效率的同時，又解決了結垢難題，具有良好的社會效益。

總之，鋼制熱管板形散熱器由于自身優(yōu)勢突出，結構形式與表面顏色完全可按照建筑裝飾的適應性、協(xié)調(diào)性來組織加工，是一種新型的采暖散熱設備，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益，推廣應用價值非常廣泛。

參考文獻

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