動力型分離式熱管換熱器冷凝換熱研究

朱晨，董佳榕，任昊

(沈陽建筑大學 遼寧 沈陽 100168)

1 熱管技術

1.1 熱管的工作原理和結構

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，它可在無外加動力的情況下將大量熱量通過其很小的截面積遠距離地傳輸。熱管，又稱為“封閉的兩相傳熱系統”，它是在一個封閉體系內，依靠流體的相態變化傳遞熱量的裝置。

熱管的結構如圖所示。熱管的結構按軸向可分為3個區域：蒸發段、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，蒸發段的工質從熱源處吸熱蒸發，吸收汽化潛熱，由液體變為蒸汽，在壓差的作用下，流動到凝結段，再由氣體凝結成液體，放出熱量，通過管壁傳給外面的冷源，液體依靠毛細力或重力又流回蒸發段，重新開始新一輪的循環，熱管通過管內工質的連續相變，使熱量連續轉移，完成換熱。

1.2 熱管的傳熱極限

(1)黏性極限：當蒸汽由蒸發段流向冷凝段時，由于有黏性力的作用，導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，此時對應的傳熱量稱為黏性極限；

(2)聲速極限：當傳熱量增大時，管內蒸汽流速也隨之增大，當蒸發段出口處的蒸汽速度達到當地聲速或超聲速時，管內會出現阻塞現象，這時所對應的傳熱量稱為聲速極限；

(3)攜帶極限：由于熱管內蒸汽的流動方向與回流液體方向不相同，當蒸汽流動速度足夠高時，由于兩者之間存在剪切力，在蒸汽流動時會將部分回流液體攜帶至凝結段，使冷凝回流液減少，當攜帶量到一定程度時，熱管將無法正常工作，此時對應的傳熱量稱為攜帶極限；

(4)毛細極限：當冷凝液依靠毛細力回流時，由于毛細結構可提供的毛細壓頭有限制，蒸汽流動的阻力和凝結液回流的阻力超過了毛細力，使熱管不能正常運行。因此吸液芯最大毛細力所能達到的傳熱量就稱之為毛細極限；

(5)沸騰極限：如果熱流量增大，蒸發段管壁處的液體將逐漸過熱從而產生氣泡，熱管工作應盡量避免產生氣泡，因為氣泡會導致管壁溫度變得非常高從而破壞熱管正常工作，此時的最大傳熱量稱為沸騰極限。

2 動力型分離式熱管

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段，回流的驅動力由蒸發段、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段和冷凝段在安裝時，應保證冷凝器在上、蒸發器在下。同時，由于流動傳熱極限的限制，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，以及解決流動傳熱極限的問題，一種由泵和風機作為驅動力的機械驅動型分離式熱管誕生。

2.1 動力型分離式熱管的結構形式及工作原理

與重力型分離式熱管相比，動力型分離式熱管多了一個機械泵，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器，在蒸發段中，液態工質吸熱蒸發成飽和蒸汽，再從蒸發器流向低位的冷凝器，不斷循環，完成熱量的連續轉移。由于有了泵的強制驅動，動力型分離式熱管蒸發段、冷凝段的布置位置不再像普通分離式熱管一樣有嚴格的限制。

2.2 動力型分離式熱管優點

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

(2)動力型分離式熱管的傳熱量不再被流動傳熱極限限制。由于安裝了機械泵，使分離式熱管具有足夠的驅動力，足以克服工質在管內的流動阻力，因而其傳輸距離更遠，可進行遠距離熱量輸送；

(3)泵的存在可以克服冷凝段、蒸發段因高度差產生的靜壓差以及工質在管內的流動阻力，耗功很少；

(4)動力型分離式熱管可以通過變頻器調整泵的轉速，調節工質循環流量，進而調節熱管的傳熱量，使熱管的傳熱量與熱負荷相匹配。

3 總結

動力型分離式熱管與傳統重力型分離式熱管相比，其安裝位置更加方便，運行更可靠，環境適應性更強，且具有可調控性，因而可以應用到更多的場合。動力型分離式熱管具有廣闊的應用前景，值得大力推廣應用。