多用途的热传装置

粗略言之,热管(heat pipe)是一种想儘量使它的两端保持相同温度的热传装置。例如太空船,一边受到直射的阳光,另一边却是深太空的超低温,神奇的热管使船上的温度相等。在较为现实的应用中,有人把热管装在烤肉叉子裡,加速烤肉烹熟。

热管在早期的商业应用上,主要用来作热穴(heat sink)。特别是电子装置,可利用热管从系统中传出无用的热。热管仍然应用在这方面,但它最近在热回收系统方面颇受注目。例如建筑物的加热通风和空气调节系统的热交换器,以及工业界类似的热回收设备中,均已装上热管,藉以利用废弃的热。

热管的优点包括:

1.默默运转:它没有动的部分,而且几乎是无声的。

2.不需保养:只需要週期性的外部清洁。

3.过程乾净:它不產生污染物。

4.没有接头,例如水管或电线之类的。

热管是高性能的热导体,其基本形式为一封闭容器,内装能蒸发的流体,与有毛细作用,称为芯(wick)的材料或结构。在基本上是等温的过程。输入端,即蒸发器的热使流体蒸发;蒸气流过容器中央到达输出端,即凝结器;在那里蒸气凝结,释放出它的潜热变回流体状态,再经由芯流向蒸发器那端。

热管并非全是圆筒状的,管状的较多是因为大部分由现成的管类材料製造。其实只要能保有基本的蒸发──凝结循环,任何形状的材料都能製成热管。有种可弯曲的热管通常用於蒸发器和凝结器不成直线,或热管两端个别振动的地方。

製造热管的材料多半用金属,例如铜或铝;但在一些电器的应用上,也有用非导体材料製造的。工作流体依照热管运转的温度需求范围和所要传导的热量来决定。如在低温用途上,可以使用在-259和-248℃间工作的氢。在高温时,则可用钠、鋰、银作为工作流体(钠可在550~1000℃间工作)。大部分热管在0到500℃间运转时,用水或一种氟氯烷(freon),或类如Dowtherm A的一种有机流体。

芯的材料或结构有两个功能:引导液体流过热管,润湿管的内部。芯的设计依工作流体、管的取向、和所需热流来决定。某些情形下,在管壁上切削成长槽或螺纹就足够了;有时候则需特殊材料,例如烧结的金属,网状物,或各种布料等。

冷却、加热、使温度相等

在有热差时,热管和任何导热材料的作用方式一样:它将热由较热部分传导到较冷部分。但热管比平常导热体的传热速率大很多。如和同样大小的实心铜棒相比,热管能以数千倍於铜棒的速率传递能量。这种传热能力可应用在加热、冷却、使温度相等各方面上。

冷却时,热管基本上是热的浪费者。一端从固体、液体或气体吸热,另一端通常把热散入强制或天然的气流裡。

热管在冷却上有许多用途。美军就曾在越野车辆驱动轮的马达装上热管,一组装进定子,另一组装进转子。这种设计省却了所有的外部冷却风扇,并且减少了马达活动部分的体积。

热管在电子工业界是真正的利器。某些製造商正考查100~400℃间运转的热管在冷却二极体(diode)和闸流电晶体(thyristor)上的用途。用於闸流电晶体时,製造公司相信其性能改良可能超过30%。另外有一家公司鉴於周围空气流动可能损害精巧组件,而设计出一种标準的19英吋的电子容器,包含有热管冷却装置,在密闭容器裡的空气不断循环,以热管冷却,热管蒸发器在容器裡而凝结器在周围空气中。

其他的冷却应用,如用热管从装有活性流体和变压器线圈的密闭容器裡移去热。摩托车的量油尺也装热管以助冷却机油。据说一些大的汽车製造商正尝试把热管装在汽车和卡车上以冷却发动机、传动流体和煞车装置。

热管用来冷却紧要的配件也相当成功。如在涡轮机深处一个过热轴承引起的问题,使用热管就解决了。又如用来供应冷却水到大型油泵的一个补助泵用热管取代之后,实用性大增,因为原来的补助泵位於一个不方便经常保养的偏远地点。

加热时,热管像在冷却时一样工作,不过是利用热而不是浪费热。为大型加热通风和空气调节设备设计增添的热管型热交换器普受欢迎,装好这种热交换器的新型设备的需求量大为增加。这种自立的单元只是置於现有系统的气流裡。冬天时,热管从排出的空气吸热以预热进来的空气;夏天时,则从进来的空气吸热移送给排出的空气。另一种为火炉和锅炉增设的装置,通常将废弃的热从家用火炉烟道中移走,家庭用与工业用均可。

美国联邦公路管理局正在设法用热管来使道路免於结冰。实验性的路段已经装设了使用氨的热管;L型管的一端埋入道路,另一端延伸入地下30或40英尺处,将天然地热吸上来融解道路的冰雪。热管方法即使证明可行,但因受成本限制,只能装设在转弯处、桥梁、陡坡等特别危险的地段。相同的方法也可用来开发接近地表面的地热能源。

使温度相等──或等温应用时,热管在容器内均匀传递热,一直到温度相等时为止。美国陆军有个实验性烤架,用一个平板式的大热管作表面,以便烹调大量冷冻食品时既快且均匀。另外,一个由热管做成内层管状的等温炉能保持一定的温度,主要用於需要均匀温度的实验工作。

使用热管应考虑的因素

热管的使用受到成本和运转变数的限制,不能不考虑一些因素。

温度:热管在特殊应用方面的运转温度超过2000℃,但大部分工业用的低成本热管的最高限度是250℃,在这个温度之下,平常的材料(如铜、钢、铝)均可用来做管子。工作流体可用简单、低价的液体,像水、甲烷和氨。这些型式的热管售价每支在美金20到100元之间,若超过600℃时,就要使用较贵的管类材料,如耐高温的材料和不銹钢,以及像液态金属类的工作流体。在超低温时,热管就可用氢为工作流体,在低至-259℃下顺利运转。

热负载:热传速率主要视工作流体而定,但温度差和热管设计也是重要因素。市场上可买到的热管,每支能传送数百到数千BTU/小时。

定位:热管运转的最高效率是在直立装设时,即蒸发器在下而凝结器在顶端。但在大部分设计裡,它的定位接近水平时,其效率只稍为减小。如果蒸发器那端高过水平,热管必须违抗重力来运转,效率显著降低,而且其长度也受到严格限制,通常约为1或2 英尺。

尺寸:商用热管的直径以3/16~1英寸为标準,大部分由现成的管子製造。其长度因考虑经济、大小和效率等因素,通常儘可能保持较短。最大的长度尚受黏性流体损失的限制。若干专家以60英尺为实用长度的限度,但较长的热管仍是可行的。

运转媒质:热管运转的媒质或它连接的固体及连接的方式,是决定热管功能是否良好,以及在某些情况下能否使用的重要因素。连接在固体表面通常比较简单,可以装入支架,或加螺纹后旋紧在其位置上。清洁流动的空气是理想的运转媒质。一般的情况下,要用凸片(翅)来增进热管的传热。但在工业场合,几乎所有液体或气体都带有污物,污物沉积在热管表面,会减低其性能或腐蚀其材料,所以设计时必须顾及热管的定期外部清洁。在加热通风和空气调节系统内,需要每个月清洁一次;在污秽的燃油炉排气管裡,就需要每天清洁了。热管有凸片时,凸片的间隔和组列通常以容易清洁为主要的考虑因素,热传性能反列为次要。

单向管、双向管或可变设计

大部分的热管是双向装置。当热管平放时,任何一端都能做蒸发器或凝结器,视各端感受的温度而定。但在某些应用中,单向热流也有必要。例如做热的止回阀,防止精巧的电子组件周围的空气温度遽增,或者封住热水器裡的热。

目前最大的热管买卖合约为单向热管。阿拉斯加油管线总共要十一万二千支这类热管,价值美金一千三百万元。这些热管将成为支持油管高架部分结构的一部分,确保地面终年冰冻,以防止油管支柱的抬起或下陷。在北极冬天,周围空气比土壤冷,热管从土壤吸热,使土壤坚冻,到夏天时仍不致有显著融冰雪现象发生;等空气比土壤温暖时,热管就不传热了。完成这种单向作用的热管不需用芯,或只用简单形状的芯,所以蒸发器那端只有很少一点芯作用或完全没有。

如果太阳能加热如所预料的普遍应用,单向热管在阳光热水系统上将有显著贡献。当阳光照射时,拋物线形槽的反射器可将阳光集结在热管上;经过阳光加热后的热管即将热传出作直接使用,或传入储水槽。无阳光时单向热管亦可防止热的散失。

双向热管具有可变性传导,其有效面积随热负载或热穴情况的变化而变动。可变性传导热管在一端有个不凝性气体的储存所,凝结器那端充满气体而减少热管的有效长度。自动操作时,可使气体所作体积随温度情况而变动。或者,气体体积可由一些外部控制的迴路来调整。

今后的展望

因节约能源的需要,研究者希望能改良凸片和芯的设计,以期获得效率更好的热管;但努力重点则在寻找寿命较长和热传容量较大的工作流体。有机流体在高温下长期运转后败坏;研究者正试验一些新的化合物的使用寿命。

内装液态金属的热管虽然在高温下运转良好,但价格太高,目前也未大量製造。美国Los Alamos科学实验室的研究者全力研究应用在核工方面的热管,已在550~1000℃间运转了内装钠的不銹钢製热管。美国太空总署在Lewis研究中心的热离子和热管部门,正在实验为太空应用、内装鋰和钠、可在900~1400℃间运转的不锈钢製热管,以及1300到2000℃间热管用耐高温材料。耐高温的合金,如鉭、鈮,1%的鋯和钨均可作为高温用芯和管子所需的材料。

至於商业方面的进展,对热管研究很积极的新墨西哥大学机械系教授福德曼(K. Thomas Feldman)说:「在热回收方面需要的是一种在500到1000℉温度间的低成本热管。水可使用到500℉,液态金属如钾,超过750℉仍然可用。现有可用的有机流体,例如Dowtherm A,只能使用到大约700℉。」
 

[来源:来自网络] [作者:不详] [日期:08-11-27] [热度:]

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