動(dòng)力型分離式熱管換熱器冷凝換熱研究

朱晨，董佳榕，任昊

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 100168)

1 熱管技術(shù)

1.1 熱管的工作原理和結(jié)構(gòu)

在眾多的傳熱元件中，熱管作為最有效的傳熱元件之一被人們所知，它可在無外加動(dòng)力的情況下將大量熱量通過其很小的截面積遠(yuǎn)距離地傳輸。熱管，又稱為“封閉的兩相傳熱系統(tǒng)”，它是在一個(gè)封閉體系內(nèi)，依靠流體的相態(tài)變化傳遞熱量的裝置。

熱管的結(jié)構(gòu)如圖所示。熱管的結(jié)構(gòu)按軸向可分為3個(gè)區(qū)域：蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。典型熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。

在熱管的一端加熱，蒸發(fā)段的工質(zhì)從熱源處吸熱蒸發(fā)，吸收汽化潛熱，由液體變?yōu)檎羝趬翰畹淖饔孟?，流?dòng)到凝結(jié)段，再由氣體凝結(jié)成液體，放出熱量，通過管壁傳給外面的冷源，液體依靠毛細(xì)力或重力又流回蒸發(fā)段，重新開始新一輪的循環(huán)，熱管通過管內(nèi)工質(zhì)的連續(xù)相變，使熱量連續(xù)轉(zhuǎn)移，完成換熱。

1.2 熱管的傳熱極限

(1)黏性極限：當(dāng)蒸汽由蒸發(fā)段流向冷凝段時(shí)，由于有黏性力的作用，導(dǎo)致熱管冷凝段末端的蒸汽壓力降為零，使熱管不能順利傳熱，此時(shí)對(duì)應(yīng)的傳熱量稱為黏性極限；

(2)聲速極限：當(dāng)傳熱量增大時(shí)，管內(nèi)蒸汽流速也隨之增大，當(dāng)蒸發(fā)段出口處的蒸汽速度達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀倩虺曀贂r(shí)，管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的傳熱量稱為聲速極限；

(3)攜帶極限：由于熱管內(nèi)蒸汽的流動(dòng)方向與回流液體方向不相同，當(dāng)蒸汽流動(dòng)速度足夠高時(shí)，由于兩者之間存在剪切力，在蒸汽流動(dòng)時(shí)會(huì)將部分回流液體攜帶至凝結(jié)段，使冷凝回流液減少，當(dāng)攜帶量到一定程度時(shí)，熱管將無法正常工作，此時(shí)對(duì)應(yīng)的傳熱量稱為攜帶極限；

(4)毛細(xì)極限：當(dāng)冷凝液依靠毛細(xì)力回流時(shí)，由于毛細(xì)結(jié)構(gòu)可提供的毛細(xì)壓頭有限制，蒸汽流動(dòng)的阻力和凝結(jié)液回流的阻力超過了毛細(xì)力，使熱管不能正常運(yùn)行。因此吸液芯最大毛細(xì)力所能達(dá)到的傳熱量就稱之為毛細(xì)極限；

(5)沸騰極限：如果熱流量增大，蒸發(fā)段管壁處的液體將逐漸過熱從而產(chǎn)生氣泡，熱管工作應(yīng)盡量避免產(chǎn)生氣泡，因?yàn)闅馀輹?huì)導(dǎo)致管壁溫度變得非常高從而破壞熱管正常工作，此時(shí)的最大傳熱量稱為沸騰極限。

2 動(dòng)力型分離式熱管

在重力作用下，重力型分離式熱管中冷凝回流液體回流到蒸發(fā)段，回流的驅(qū)動(dòng)力由蒸發(fā)段、冷凝段的高度差以及上升蒸汽與下降液體的密度差決定，所以這種熱管的蒸發(fā)段和冷凝段在安裝時(shí)，應(yīng)保證冷凝器在上、蒸發(fā)器在下。同時(shí)，由于流動(dòng)傳熱極限的限制，重力型分離式熱管在傳輸距離上不是無限大的。為了使重力型分離式熱管安裝位置可以更加靈活，以及解決流動(dòng)傳熱極限的問題，一種由泵和風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力的機(jī)械驅(qū)動(dòng)型分離式熱管誕生。

2.1 動(dòng)力型分離式熱管的結(jié)構(gòu)形式及工作原理

與重力型分離式熱管相比，動(dòng)力型分離式熱管多了一個(gè)機(jī)械泵，在泵的作用下，冷凝液體可以從低位置的冷凝器流向高位置的蒸發(fā)器，在蒸發(fā)段中，液態(tài)工質(zhì)吸熱蒸發(fā)成飽和蒸汽，再?gòu)恼舭l(fā)器流向低位的冷凝器，不斷循環(huán)，完成熱量的連續(xù)轉(zhuǎn)移。由于有了泵的強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力型分離式熱管蒸發(fā)段、冷凝段的布置位置不再像普通分離式熱管一樣有嚴(yán)格的限制。

2.2 動(dòng)力型分離式熱管優(yōu)點(diǎn)

(1)動(dòng)力型分離式熱管蒸發(fā)段、冷凝段的位置布置不再局限于熱源在下、冷源在上的場(chǎng)合，冷源在下、熱源在上的場(chǎng)合也可使用，動(dòng)力型分離式熱管的蒸發(fā)段、冷凝段的安裝位置更加隨意方便，少了許多限制；

(2)動(dòng)力型分離式熱管的傳熱量不再被流動(dòng)傳熱極限限制。由于安裝了機(jī)械泵，使分離式熱管具有足夠的驅(qū)動(dòng)力，足以克服工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)阻力，因而其傳輸距離更遠(yuǎn)，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱量輸送；

(3)泵的存在可以克服冷凝段、蒸發(fā)段因高度差產(chǎn)生的靜壓差以及工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)阻力，耗功很少；

(4)動(dòng)力型分離式熱管可以通過變頻器調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)工質(zhì)循環(huán)流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)熱管的傳熱量，使熱管的傳熱量與熱負(fù)荷相匹配。

3 總結(jié)

動(dòng)力型分離式熱管與傳統(tǒng)重力型分離式熱管相比，其安裝位置更加方便，運(yùn)行更可靠，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，且具有可調(diào)控性，因而可以應(yīng)用到更多的場(chǎng)合。動(dòng)力型分離式熱管具有廣闊的應(yīng)用前景，值得大力推廣應(yīng)用。