动力型分离式热管换热器冷凝换热研究

朱晨，董佳榕，任昊

(沈阳建筑大学 辽宁 沈阳 100168)

1 热管技术

1.1 热管的工作原理和结构

在众多的传热元件中，热管作为最有效的传热元件之一被人们所知，它可在无外加动力的情况下将大量热量通过其很小的截面积远距离地传输。热管，又称为“封闭的两相传热系统”，它是在一个封闭体系内，依靠流体的相态变化传递热量的装置。

热管的结构如图所示。热管的结构按轴向可分为3个区域：蒸发段、绝热段和冷凝段。典型热管由管壳、吸液芯和端盖组成。

在热管的一端加热，蒸发段的工质从热源处吸热蒸发，吸收汽化潜热，由液体变为蒸汽，在压差的作用下，流动到凝结段，再由气体凝结成液体，放出热量，通过管壁传给外面的冷源，液体依靠毛细力或重力又流回蒸发段，重新开始新一轮的循环，热管通过管内工质的连续相变，使热量连续转移，完成换热。

1.2 热管的传热极限

(1)黏性极限：当蒸汽由蒸发段流向冷凝段时，由于有黏性力的作用，导致热管冷凝段末端的蒸汽压力降为零，使热管不能顺利传热，此时对应的传热量称为黏性极限；

(2)声速极限：当传热量增大时，管内蒸汽流速也随之增大，当蒸发段出口处的蒸汽速度达到当地声速或超声速时，管内会出现阻塞现象，这时所对应的传热量称为声速极限；

(3)携带极限：由于热管内蒸汽的流动方向与回流液体方向不相同，当蒸汽流动速度足够高时，由于两者之间存在剪切力，在蒸汽流动时会将部分回流液体携带至凝结段，使冷凝回流液减少，当携带量到一定程度时，热管将无法正常工作，此时对应的传热量称为携带极限；

(4)毛细极限：当冷凝液依靠毛细力回流时，由于毛细结构可提供的毛细压头有限制，蒸汽流动的阻力和凝结液回流的阻力超过了毛细力，使热管不能正常运行。因此吸液芯最大毛细力所能达到的传热量就称之为毛细极限；

(5)沸腾极限：如果热流量增大，蒸发段管壁处的液体将逐渐过热从而产生气泡，热管工作应尽量避免产生气泡，因为气泡会导致管壁温度变得非常高从而破坏热管正常工作，此时的最大传热量称为沸腾极限。

2 动力型分离式热管

在重力作用下，重力型分离式热管中冷凝回流液体回流到蒸发段，回流的驱动力由蒸发段、冷凝段的高度差以及上升蒸汽与下降液体的密度差决定，所以这种热管的蒸发段和冷凝段在安装时，应保证冷凝器在上、蒸发器在下。同时，由于流动传热极限的限制，重力型分离式热管在传输距离上不是无限大的。为了使重力型分离式热管安装位置可以更加灵活，以及解决流动传热极限的问题，一种由泵和风机作为驱动力的机械驱动型分离式热管诞生。

2.1 动力型分离式热管的结构形式及工作原理

与重力型分离式热管相比，动力型分离式热管多了一个机械泵，在泵的作用下，冷凝液体可以从低位置的冷凝器流向高位置的蒸发器，在蒸发段中，液态工质吸热蒸发成饱和蒸汽，再从蒸发器流向低位的冷凝器，不断循环，完成热量的连续转移。由于有了泵的强制驱动，动力型分离式热管蒸发段、冷凝段的布置位置不再像普通分离式热管一样有严格的限制。

2.2 动力型分离式热管优点

(1)动力型分离式热管蒸发段、冷凝段的位置布置不再局限于热源在下、冷源在上的场合，冷源在下、热源在上的场合也可使用，动力型分离式热管的蒸发段、冷凝段的安装位置更加随意方便，少了许多限制；

(2)动力型分离式热管的传热量不再被流动传热极限限制。由于安装了机械泵，使分离式热管具有足够的驱动力，足以克服工质在管内的流动阻力，因而其传输距离更远，可进行远距离热量输送；

(3)泵的存在可以克服冷凝段、蒸发段因高度差产生的静压差以及工质在管内的流动阻力，耗功很少；

(4)动力型分离式热管可以通过变频器调整泵的转速，调节工质循环流量，进而调节热管的传热量，使热管的传热量与热负荷相匹配。

3 总结

动力型分离式热管与传统重力型分离式热管相比，其安装位置更加方便，运行更可靠，环境适应性更强，且具有可调控性，因而可以应用到更多的场合。动力型分离式热管具有广阔的应用前景，值得大力推广应用。