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熱管介質與管殼材料的選擇

       1. 熱管的工作溫度
       熱管作為傳熱元件能在-200~2000℃的溫度范圍內發揮作用,按工作溫度范圍的不同,把熱管分為以下類型,高溫熱管:工作溫度高于600℃;中溫熱管:工作溫度在250~600℃之間;常溫熱管:工作溫度在50~250℃之間;低溫熱管:工作溫度在-200~50℃之間;深低溫熱管:工作溫度-200℃。為了保證工質能實現液汽相變換熱,同時應避免接近臨界點及凝固點。當工作溫度接近臨界點時,工質的品質因數將急劇下降,并會出現過高的工作壓力而對工作可靠性及殼件強度要求甚高,以致難以滿足;當工作溫度接近凝固點時,則會因工質的飽和壓力過低和密度小,使蒸汽流量很大,造成大的蒸汽壓降或受到聲速、攜帶極限等性能限制。以傳熱為目的熱管,其工作溫度范圍處于工質飽和壓力線上比較平的區域則更好一些,這樣由于環境熱、冷源溫度變化所引起的工質溫度變化對于工作壓力的波及會小一些,即:當工作溫度增高時,不會使工作壓力急劇增大而對殼體強度提出過高要求。一般說來,把工作溫度范圍取在工質的正常沸點附近是令人滿意的。熱管加熱段和冷卻段完全對稱的結構,將使熱管工作在熱、冷源的平均溫度上[26]。
       結合工業生產實際,鋼鐵工業沖渣水溫度一般為50~90℃。本文實驗系統中熱管換熱器內流體的工作溫度,為常溫熱管。
       2. 熱管的工作介質
       熱管的工質是載熱體,在殼體內產生蒸發、凝結相變和汽相、液相的流動過程。一種優良的工質應具有以下的品質:①傳熱能力高;②在工作時有適中的飽和蒸汽壓;③與管芯、管殼材料能長期相容,本身化學組成穩定,不發生分解;④導熱系數高;⑤潤濕性能好。工質的選擇取決于使用要求。
       采用不同的工質,熱管可以在廣泛的溫度范圍內工作。根據溫度范圍可將熱管分為低溫、中溫和高溫熱管。低溫熱管是指工作溫度在 4~200K 范圍內的熱管。用氦做工質,可以在 4K 下工作。氫和氖可以在 20~30K 范圍內使用。溫度再高一些,則可用的工質有氮和氧。在 100~200K 范圍內常用的工質有甲烷、乙烷、F—13 等。低溫工質的特點是傳輸系數均很小,毛細升高系數也很小。它們與一般的工程材料均能相容,但用氫作工質時需注意材料的氫脆(腐蝕)問題。很多低溫工質是易燃易爆的,而且這些工質在常溫下貯存時均為超臨界狀態,壓力很高,因此需注意使用的安全性。中溫熱管是指工作在 200~700K 范圍內的熱管。這是迄今使用廣泛的一類熱管。在此溫度范圍內,水的熱性能好,能在 350~500K 溫度下使用,缺點是與鋁,鋼等常用工程材料不相容,只能與銅長期相容.而且其凝固點高,因此限制了它的使用。但近年來通過大量的研究,在鋼-水相容性方面取得了進展;鋼/水熱管已在余熱回收方面廣泛應用。在航天器溫度控制和空調系統所要求助 200~350K 范圍內,較好的工質是氨氣,其熱性能僅次于水。而且能與鋁、鋼等工程材料長期相容,凝固點也低,因此在衛星、飛船上得到了廣泛的使用。丙酮和甲醇可以在 300~400K 范圍內使用,其蒸汽壓比氨低,與氨相比,可在較高溫度時使用。特別是甲醇,其熱性能僅次于氨,有良好的控制靈敏度,因而在氣體控制熱管中很有用。此外 F—11、F—21、F—113 等氟利昂也可在這一溫區內使用。熱管工質的使用溫度范圍如表 2-1 所示。
 
工質 常壓沸點
(℃)
熔點
(℃)
臨界點
(℃)
合適的工作范圍
(℃)
對應的壓力范圍
(MPa)
33 -78 132.3 -40~60 0.076~2.98
氟利昂-11 24 -35   -20~120 0.016~1.32
丙酮 57 -98 235.5 20~120 0.027~0.67
甲醇 64 -98 240 30~130 0.025~0.786
100 0 374.2 50~250 0.012~3.98
導熱姆 257 12 497 200~350 0.025~0.555
361 -39   300~550 0.044~1.503
774 62   550~850 0.010~0.234
892 98   600~1200 0.004~0.959 
表2-1 幾種常見工質的適用范圍[27]
 
       3. 管殼材料的選擇
       管殼的作用是將工質與外界環境隔離,因此對它的基本要求就是密封不漏,并能承受內、外壓差。管殼還是熱量傳入與傳出熱管的必經之路,因此要求它的熱阻小。它還必須與工質相容。在具體應用時,還應滿足一定的形狀尺寸要求。一般情況下,熱管殼體均為金屬材料制成,但在特殊情況下,如要求熱管具有電絕緣性能時,也有用非金屬材料(如陶瓷)作熱管殼體的。
       選擇管殼材料應考慮如下幾個方面。
       (1)相容性及穩定性
       不僅與工質要相容,還應與外界環境介質相容。在工業應用中,特別是化工裝置中的換熱器或是煙氣廢熱回收換熱器中,熱管可能直接與腐蝕性介質或氣體接觸,這樣為了保證熱管能長期安全可靠地運行,與外部介質的相容性也需在選擇管材時加以考慮。
       (2)高的導熱系數
       在采用金屬材料殼體情況下,主要熱阻在管芯上,這個要求很容易滿足,但在溫差要求極小的等溫熱管(如黑體)或管殼采用電絕緣林料的情況下,應盡量選擇導熱系數高的材料。
       (3)工藝性好
       先要求材料有良好的焊接氣密性,例如用鋁合金作管殼時,應選用焊接氣密性好的純鋁或鋁—鎂合金(防銹鋁),一般不采用常用的結構材料鋁-銅合金,如 LY—12,因它的焊接氣密性較差。在結構鋼中,推薦采用易焊接的低碳鋼 10、 15 等。對槽道熱管,一般是用擠壓性能良好的鋁—鎂合金 LF21、LF2、紫銅等材料。
       (4)高強度,重量輕
       這個要求對空間應用是較為重要的,因此在航天器上使用的中、低溫熱管大都采用鋁合金做管殼。
       (5)材料致密,滲透率要小。
       (6)對工質有良好的浸潤性。
       (7)價廉。
                                              
工質 碳鋼 不銹鋼
 
甲烷      
×  
甲醇 ×  
丙酮    
       
× × ×
聯苯醚 ×    
×       ×
      ×
         
表2-2 常用管殼材料和工質的相容性
 
       常用管殼材料和工質的相容性如表 2-2 所示。根據選定熱管工質及溫度,以實驗材料容易取得和工業生產成本較低為原則,本實驗選擇管殼材料為碳鋼,加入緩蝕劑緩解腐蝕及生銹。
2020/08/17 09:11:56 210 次

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