热管散热器（精选7篇）
热管散热器 篇1
1 引言
如今笔记本电脑以其方便携带等诸多优点, 在人们生活中已经普遍存在了, 在性能与便携性对抗中, 散热成为最关键的因素, 笔记本散热一直是笔记本核心技术中的瓶颈。有时笔记本电脑会莫名奇妙的死机, 一般就是系统温度过高导致。为了解决这个问题, 人们设计了散热底座, 好的底座可以延长笔记本电脑使用寿命, 而且也为笔记本使用者提供了很好的舒适度。半导体与热管一体化散热器的设计能高效率的散热, 在未来也将会有很好的应用。
2 市场分析
2.1 产品分析
CPU是一个电子计算机的核心, 主要包括运算和控制, 而且现在CPU的集成度已经越来越高, 这个核心部件随着科技研发的进步已经成为热量高温高度集中的一个核心区域。所以笔记本电脑散热主要是CPU方面, 目前市面上主要有风冷散热和水冷散热两种。风冷散热中, 热源将热量以热传导的方式传至导热介质, 再由导热介质传至散热片基部, 由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流, 将热量散发到空气中。优点是便宜。即使九州风神玄冰400, 超频三东海对于水冷也便宜太多了。但缺点是散热效率远低于水冷。水冷散热的工作原理就是利用水泵把水从储水器中抽出来, 通过水管流进水箱, 然后再在水箱的另外一个口出来, 通过水管流回储水器, 就这样不断循环, 把热量从CPU的表面带走。散热效率高, 能明显降低硬件工作时温度。同时因分担机箱风冷散热, 可对机箱防尘性, 进一步提升。但造价高, 几百到几千不等。但真正用水冷的人都知道, 诸如酷冷至尊海神120V、九州风神水元素等产品, 水冷入门及都算不上, 他们只能满足CPU的基本散热要求。另外水属于导电体在机箱内部循环有可能出现漏液导致主板短路、烧毁等问题。这也是水冷散热器价格一般比较高的原因, 高价格的水冷的散热器在导热率高的同时, 做工非常严谨, 基本不会出现漏水的情况, 低价的则会有很大风险。
2.2 未来发展
如图1所示为2014年12月-2015年3月笔记本电脑产品价格关注度调查分析, 由此可看出中高端笔记本电脑深受欢迎, 市场需求也很大, 相应的, 散热器作为笔记本电脑的一种辅助产品, 高效率高品质的产品也将会受到人们的追捧, 在未来将会有很大市场, 而半导体与热管一体化设计理念的提出将会对散热器的技术改进提供很大的帮助。
3 原理设计
散热器的热阻是由材料的导热性和体积内的有效面积决定的。实体铝或铜散热器在体积达到0.006m3时, 再加大其体积和面积也不能明显减小热阻了。而热管是一种具有极高导热性能的传热元件, 它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量, 具有极高的导热性, 高达纯铜导热能力的上百倍。但散热器内部空间有限且无法实现真正意义上的对流, 热管散热器整体性能不高。
半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时, 两端之间就会产生热量转移, 热量就会从一端转移到另一端, 从而产生温差形成冷热端。而两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差, 这两种热传递的量相等时, 就会达到一个平衡点, 正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。将冷端与热管接触, 就能快速的使热管降温。而制冷片能快速将温度降到零度左右, 一高一低的高温差很容易形成凝露, 直接用在CPU上会损坏器件。湿度分为绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指每立方米的空气中含有水蒸气的质量。相对湿度是指水蒸气在空气中达到饱和度的程度时, 在温度相对较低的物体上凝结的一种现象。凝露是在湿度达到一定程度时的一种特殊现象。但热管上的高温能很大程度上的降低周围空气的湿度, 且通过热传导不会出现零下温度, 辅助风扇的对流设计也能使半导体制冷片热端散热的同时排除空气, 热管与半导体散热片的一体化封装设计也有效地解决这个问题。
结语
随着笔记本电脑的热捧, 人们已经将日常的很多工作移到了笔记本电脑上, 笔记本的性能以及散热都将会是未来笔记本产品主力考虑点。而高效率高品质且实用性好的散热器才能满足人们的需求, 特别是像热爱网络游戏等活动的人群, 好的散热器将很大方面的提供笔记本电脑的工作性能。热管与半导体一体化设计在保证是散热器高效率的工作的同时更严密的考虑了设备安全等问题, 将会对散热器行业有很大的促进。
参考文献
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热管换热器传热效率分析 篇2
随着世界经济的不断发展,能源的形式日趋紧张,建筑空调的余热回收也逐渐被人们重视。在众多的余热回收设备中,热管换热器以其在结构上易于实现逆流、小温差时热效率高、占用空间小、易于安装等优点大量应用于建筑空调的余热回收中。作为热管换热器的基本元件热管,国内外已从理论和实验上做了广泛深入的研究,这些研究主要集中在热管的工作极限以及热管的工质充注、安装倾角、不同工质对传热效率的影响上,而对应用于建筑空调的热管换热器与其他类型的换热器相比,热效率高在什么地方分析的文章很少,有些学者甚至认为热管的导热性与相同的金属比较,要高几个数量级。这种夸张的比较显然是没有意义的。本文通过分析热管换热器与其他换热器的热阻,从理论上得出热管换热器传热效率高在什么地方。
2 热管换热器的热阻分析
在建筑空调中应用的热管换热器绝大部分为重力热管(又称两相闭式热虹吸管),它用热管这种标准元件进行组装来满足不同的热性能技术参数。热管的工作原理见图1所示,热量从热源到冷源的传递热阻由下列8部分组成(等效热阻示意图见图2):
1)热源与蒸发段外壁的换热热阻R1;
2)蒸发段管壁的导热热阻R2;
3)蒸发段管内沸腾换热热阻R3;
4)蒸发段到冷凝段工质流动换热热阻R4;
5)冷凝段管内凝结换热热阻R5;
6)冷凝段管壁导热热阻R6;
7)冷源与凝结段外壁的换热热阻R7;
8)热管管壁轴向导热热阻R8。
对于热管管壁的轴向导热,由于管壁很薄且热管轴向较长,其导热热阻与其他环节相比要大得多,因此,热管管壁轴向导热热阻R8可忽略不计[1]。蒸发段到冷凝段工质流动换热热阻R7数量级大约在10-7次方,R3、R5数量级大约在10-3次方。它们与热阻R1、R2相比是小量[2],在计算过程中可以忽略不计。
因此,热管整体热阻可简化表示为:
式中,α1、α2分别为冷热源与热管管壁对流传热系数,W/(m2·K);λ为热管管壁导热系数,W/(m·K);δ为热管壁厚,m。
对于建筑空调余热回收使用的热管换热器,由于冷热源全为空气,空气流速也近似相等,可认为α1=α2。因此
以直径9mm,壁厚1mm的铜管作为热管为例,热空气定性温度为30℃,冷空气定性温度为20℃,风速取2.5m/s。经计算可知,α1约为52.75(W/m2·K),因此热管热阻为
3 热管换热器与板式、管式换热器的热阻比较
根据传热学的知识,对流、导热是板式换热器热量传递的基本方式。其总热阻可表示为:
用在建筑空调余热回收中的板式换热器,也可近似认为α1=α2。因此
以1mm厚的锯齿翅片型板式换热器为例,热空气定性温度为30℃,冷空气定性温度为20℃,风速取2.5m/s。经计算可知约为73.34W/(m2·K),因此热管热阻为
通过以上计算比较说明,热管换热器与板式换热器一样,影响其热传效率的主要因素为外部对流换热热阻,若热管换热器采用光滑管时,用在建筑空调余热回收上显示不出优越性。
但热管换热器的吸热和放热段都在外表面,这样可以在其表面方便地增加翅片以达到强化换热的目的,而对于板式或管式换热器虽然也可以在外表面增加翅片扩大换热面积,但是内部受工艺限制很难做到[3],现假定热管换热器的肋化效率为η,忽略热管管壁的导热热阻,则加上翅片后的热管热阻为:
对于管式换热器,忽略热管管壁的导热热阻,同样假定外表面肋化效率为η,则加上翅片后的热阻为:
由于η>1,因此,无论管式换热器肋化效率有多大,其传热效率最多增大一倍,而热管换热器从理论上传热效率可以提高η倍(一般η>>1)。由于热管换热器与其他换热器相比较大,根据传热学基本公式Q=KFΔt可知,热管换热器可以在小温差下传递相同的热量。
对于建筑空调余热回收用的热管换热器,在合理的工作介质和热管倾角范围内,热管内部的传热极限要大于外界输入的热量,因此,如何强化热管与外界传热是此换热器设计的关键。
4 结论
通过以上分析可知,热管换热器与其他换热器相比,热效率高的原因主要在于其肋化效率远大于其他类型的换热器,由于热管的特殊结构,可方便地扩展吸热和放热面积,因此,在传递相同热量的情况下,热管换热器可以在小温差下运行,最大限度地回收余热。对于建筑空调余热回收使用的热管换热器,如何强化热管与外界传热是提高其效率的关键。
摘要：对热管换热器与其他类型换热器的传热热阻进行分析,从理论上说明热管换热器高效率的原因以及为什么热管能在小温差下进行余热回收。同时,给出提高建筑空调余热回收用的热管换热器的热效率的方法。
关键词：热阻,热效率,强化传热
参考文献
[1]李宗祥,王秀春.节能原理与技术[M].西安:西安交通大学出版社,2004.
[2]吴和英.热虹吸管换热热阻分析[J].中国科技信息,2006(11):308,327.
热管散热器 篇3
1 工艺设计
用水为热管工质。管壳材料为20g锅炉无缝钢管,翅片材料为低碳钢,翅片与管壳连接方式为高频焊接。热管参数为:光管外径,do=0.032m热管全长l=2m,热管内径di=0.027m,翅片高度Lf=0.015m,翅片厚度δf=0.012m,翅片间距Sf=4mm,翅片节距δ′f=δf+Sf=5.2mm,每米热管长的翅片数为192片/m。换热管子排列形式为等边三角形排列。横向管子中心距St=0.067m,S1=St=0.067m。
高温气体(水蒸汽和二氧化碳的混合物):进口温度325℃,出口温度200℃。高温气体中CO2和H2O的体积比为1:2, 质量比为44:18×2=11:9。
该温度下当CO2和H2O按1:2体积混合时的定压比热容
该温度下混合气体中组分的物性参数见表1。
该高温混合气体的物性参数的计算结果是:导热系数λ
高温混合气体放出热量1588.9kW。考虑烟气侧的3%热损热管传至冷流体侧的热量为1588.9×(1%~3%)=1541kW。 考虑冷侧的3%热损冷流体实际获得热量为1541×(1%~3%)=1494.8kW。
冷流体——水的199.5℃物性参数是:
密度ρ
导热系数λ
黏度μ
普朗特常数P
对数平均温差51.56℃
设冷热侧面积相等,热管几何尺寸及翅片参数亦相等,并取迎风面风速为2.5m/s,烟气侧迎风面积A
实际标准迎风面风速:WN
W
实际迎风面积A=0.603m2, 总传热系数:
UH=287.3W/(m2·℃)
加热侧总传热面积A
通过换热器的压力降:ΔP
热侧:ΔPh=2335Pa
冷侧:ΔPc=5407Pa
2 结构设计
热管管子材料为20号锅炉无缝钢。
封头厚度为3mm,经校核满足要求。上封头,依据设计温度199.5℃,设计压力1.1MPa,选用低合金钢,采用标准椭圆形封头,名义厚度为5mm。下封头,依据设计温度262.5℃,设计压力1.3MPa,采用标准椭圆形封头,名义厚度为。有效厚度:δe=δn-C2=5-1.5=3.5mm。经校核上下封头均满足要求。
垫片:采用不锈钢缠绕垫,密封面采用榫槽密封面,垫片内径d=850mm,外径D=900mm,压紧力作用中心圆直径882mm。螺栓:规格M36mm,数量n=7个,螺栓中心圆直径1009mm。
热管与管板的连接方式:管孔开槽胀接,许用拉脱力[q]=4MPa,壳程侧管板结构开槽深度3mm,管箱采用JB4703-92法兰A800-2.5即PN2.5,DN800长径对焊凹密封面法兰外径1094mm,螺栓中心圆直径1010mm,颈部大端厚26mm,颈部小端厚16mm,垫片采用JB-4706-92 垫片:铁包石棉垫片ø865,垫片接触宽度N=(865-825)/2=20mm。
保温层:厚度为6mm,辅助材料选用石油沥青油毡,采用350号油毡。
裙座外径Dob=900mm,裙座外径Dib=500mm,所选螺栓M30,Do=46mm,Di=26.2mm。设计出的换热器见图1。
3 结 语
热管换热器从余热资源吸收余热,且吸热的温度范围可以从常温到工业余热资源的1000℃。热管有等温性好,壁面温度高,耐腐蚀的特点,同时有了不易积灰的特点,松软的灰很容易清灰。按照热管换热器来更新改造烟草公司现有流程中普通的换热器,可以克服现有的换热器热效率低、不耐腐蚀的缺点。上面所提出的设计方法和设计结构可以为设计人员和相关单位参考。
摘要：简介了烟草干燥系统里热管换热器的热效率提高的意义和必要性。以烟草干燥系统工艺换热器的设计为背景,选择热管换热器结构,进行了热力计算、压力降计算和结构设计计算。热管换热器的设计方案可以为烟草干燥系统工艺换热器的更新改造提供一种新的思路。
关键词：烟草干燥,热管,换热器
参考文献
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热管散热器 篇4
1 热管的原理以及特性
热管是由不同的零件组成的一个封闭系统。这些零件包括管壳、吸液芯等。管壳在一般情况下都是由金属构成的, 并且在管壳的两端会分别焊接端盖, 在其内部也会装有由多孔性物质所组成的管芯, 但是应该注意的是, 如果热管属于重力式的, 那么在其内部就不会存在管芯的设计。将工质注入进管内后, 将其进行密封的处理。随着物理变化的发生, 会发生热传递的现象, 管内的工质会转化为蒸气的形式而被挥发掉, 从而将管中的压力移向另一边, 增加了另一边的压力, 当蒸气与吸热芯表面相接触时, 会产生放热的现象, 由此循环往复的进行着, 工质就是在这一过程中将产生的热量逐渐传导给冷的一段, 这就是热管的工作原理。
了解了热管的工作原理后, 我们可以总结出热管所具有的特性, 也就是具有较高的热传导效率, 这也是热管最大的优势所在。因为热管内具有较小的电阻, 我们又称热管为超导体。同时, 因为热管是封闭的构造, 因此在实际的工作中, 我们不需要向管中加入工作液, 在长时间的使用过程中也不必担心会出现损坏, 因为热管具有持久耐用的特点。随着时代的发展, 热管不仅仅应用在工业的生产活动中, 同时也广泛应用在其他的生产活动中, 这是热管的重要发展成果之一。下面, 我们以工业生产中的应用为例, 进行具体的阐述, 使人们更加了解热管的应用, 最终为促进社会的发展做出贡献。
2 热管换热器的工业应用实例
2.1 锅炉改造的基本情况
在实际的工作中, 热管的应用较为广泛, 其中主要还是应用在工业的生产活动中。在这一过程中, 我们以某化工公司的粉煤蒸汽锅炉为例, 进行具体的分析。该化工公司在进行生产的活动中, 长期使用粉煤蒸汽锅炉, 已经运行了8 年之久。在这一装置中, 我们主要采用了列管式换热器对烟道的尾气进行吸热处理, 这样有助于空气的进入, 起到助燃的效果, 使锅炉内的煤炭得到充分的燃烧, 从而起到提升锅炉燃烧效率的作用, 同时也能有效的降低煤炭的使用量, 因此具有一定的推广意义。但是在锅炉运行地过程中, 并没有达到完美无缺的地步, 其中依然是存在一定的缺陷是需要我们处理的。
首先, 通常情况下, 锅炉内的温度不能得到有效的提升是造成锅炉燃烧效率不高的主要原因, 在达到320℃后, 温度就很难得到进一步的提高, 所以需要消耗大量的煤炭资源, 造成一定的浪费。与此同时, 热风的温度也是需要进行严格的控制的, 如果热风的温度过低, 不仅会造成煤粉在后期无法得到充分的燃烧, 同时还会导致达不到指定的着火温度, 进而影响到锅炉的运行。
其次, 在烟道尾气进行排放的过程中, 温度始终难以得到有效的提升也是我们经常遇到的问题, 这就会导致热能无法达到正常的使用效率。锅炉在运行的过程中, 首先要对成本进行应有的控制, 因此提高燃烧效率是必要的举措, 充分地使用管道的余热能够将锅炉的运行成本得到有效的降低。在这种情况下, 我们就需要对锅炉所产生的余热进行有效的改造, 具体的改造方案应该遵循提高热传导效率的原则进行, 所以我们采用以下的方案进行改造。
首先将锅炉的尾部进行置换, 提高可用的空间, 安装热管空气预热器, 这一装置的运行主要是为了对烟气的热量进行有效的吸收, 以达到降低排放温度的效果。同时, 利用热管的优势, 将通过热管中的空气进行初级的预热, 在将温度进行第一次的提升后, 再进行第二次温度的提升, 最终达到50℃的效果, 这样一来, 装置的使用效率就会得到有效的提升, 同时也达到了降低成本的目的。
改造后, 整体框架保持不变。为适应热管换热器的布置, 将原烟道下灰管下移, 烟道气排出道和空气风道适当改变并尽量维持原烟道、空气道的特性。热管换热器分4 组, 采用与水平倾斜13°后并排放置在近空气风道的一侧。在原锅炉基础钢柱上架设横梁以支承热管装置, 并适当增加支梁和挡板以固定热管换热器, 同时封闭烟气道和空气道。
2.2 改造特点
热管空气预热器中所用热管为普通型、碳钢+水、热虹吸管 (重力热管) 式。为使热管装置持续高效、经济运行, 改造设计时综合考虑了装置的积灰、串风、阻力及使用寿命等问题, 具备下列特点。
2.2.1 注意避免露点现象
因为烟道气温度在170℃左右, 属于低温余热回收, 热管换热器工作时, 易出现凝露现象, 使换热管腐蚀, 导致换热管积灰。为此在改造设计中将每组换热器沿烟气流向分为2 个区, 通过调节热管表面翅片和翅片间距, 使每一区内热管的加热段和冷却段换热面积达到合适比值, 以控制热管壁温在工作状态下高于露点, 防止产生凝露现象。这样既达到了低温余热回收目的, 又避开灰堵现象, 从而延长热管装置寿命。
2.2.2 着重解决积灰问题
热管换热器设计不合理容易造成灰堵, 一方面影响换热效果, 另一方面会增加烟气道阻力, 从而相应增加风机功耗。为此, 在设计中除采取上述措施避免换热器在露点温度下工作外, 适当加大烟气流速, 使流速达到8m/s, 以便在合适的阻力范围内达到自清灰的目的。此外, 采用表面光滑的镍基钎焊翅片热管, 也为不积灰创造了有利条件。
2.2.3 保持系统阻力较小
采用全渗层镍基钎焊翅片管热管, 管片焊接率100%, 管排少, 使系统阻力控制在合适范围内。
2.2.4 装置漏风基本为零
冷热介质互窜, 不仅增加鼓、引风机功耗, 严重时还会影响到锅炉正常运行。因此换热器设计时采用热管全焊接工艺, 使之固定在中隔板上, 有效地将烟气和空气隔开, 彻底解决了换热器工作时两种介质互窜问题。
2.3 应用效果
利用热管进行余热回收改造后, 烟气排放温度降至140℃左右, 入炉一次热风温度从330℃提高至370℃左右, 达到了锅炉燃烧时对风温的要求。与此同时, 显著降低了锅炉的煤耗。经测试, 针对锅炉燃用热值为20900k J/kg的本地无烟煤, 在额定负荷 (75t/h) 下运行, 吨蒸汽煤耗从260kg下降至240kg, 按年运行8000h、燃煤价格160元每吨计算, 年经济效益为190 万元, 投资回收期为0.15 年。
3 结束语
由热管元件组成的热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、体积小、安装方便及对其它设备无影响、流体阻力小、不需维修和外加动力、有利于控制露点腐蚀等优点。用碳钢作管壳的热管换热器, 一般在一年之内可收回全部投资, 使用寿命七年以上。
参考文献
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热管散热器 篇5
阳光普照大地, 太阳将取之不尽的光能传播给我们生活的家园, 地球无偿地享受阳光的恩泽, 繁衍万物生灵。太阳能这种巨大的能量源, 可谓能量之母, 人类活动的所有能量都直接或间接取自太阳, 它具有取之不尽、用之不竭, 不受垄断, 洁净无污染等不可替代的优越特征。
目前, 人们对太阳能的开发利用主要有以下几种途径: (1) 光热转化; (2) 光电转化; (3) 光化学转化。其中最快捷、最直接、最易于产业化的转化方法是光热转化利用, 且已形成了具有相当规模的产业群。太阳能热水器的开发就是光热转化利用的一种。如何设计一种更高效的太阳能加热器就成为世界研究的主题。
1 背景技术
目前由于电价、气价、原材料价格全面攀升, 作为绿色环保节能的太阳能热水器迎来了前所未有的发展契机, 目前我国太阳能热水器年产值已超过120亿元。中国热水器总量有超过700万平方米, 占世界的76%, 据分析还将以5%~10%的速度递增。但目前国内外60%的太阳能热水器还是靠传统的圆柱形集热管集热, 而靠管内的冷水被加热后进行热交换, 所以存在热效率低、管内污垢沉积、爆管、系统漏水等缺陷。
热管技术是世界第二次能源危机时 (上世纪60年代) 问世的先进技术, 至今已有近半个世纪的历史。热管技术在我国已日臻成熟, 1993年已有GB/T14811热管术语等几项标准颁布实施。在我国石油、化工、机械、印染、工业等余热回收领域已有一定规模应用。超导热管是渠玉芝教授于上世纪80年代研究成功的, 超导热管的导热能力远远超过常规热管。
在全玻璃真空太阳集热管技术基础上, 我们提出了将内管设计为波纹型, 增加真空太阳集热管的采光面积, 而且在波纹玻璃管外表面镀上一层铝-氮-铝选择性吸能薄膜, 对太阳的吸收率可达94%, 并能维持15~20年的高真空, 从而实现高效集热。
2 高效加热器的设计
2.1 技术原理
波纹玻璃太阳能集热管构造像一个拉长的暖水瓶胆, 由两根同轴玻璃管组成, 内层玻璃制作成波形玻璃管, 内管和罩玻璃管间抽成真空, 太阳选择性吸收表面 (涂层) 利用强磁控单靶AL-N/AL离子溅射技术在波纹玻璃管的外表面构成吸热体, 将太阳光能转换为热能, 加热波纹玻璃管的传热流体, 流体蒸发汽化, 在压差作用下, 蒸汽以神速从受热端传到散热端, 周而复始, 通过相变进行热循环传送, 不可逆地将高效加热器的受热端获得的热量连续不断地传递给散热端。将高效加热器散热端与水箱连接, 散热端与水箱中的水进行热交换, 使水箱中的水加热。高效加热器通常采用单端开口的形式, 在一端将内、外玻璃管用不锈钢卡子联接在一起, 波纹玻璃太阳能集热管内装有高频蒸散吸气剂, 结构原理如图1所示。
高效加热器主要是在高效吸能和高效集热方面取得突破。高效加热器是制作在波形同轴双层玻璃的内层波形表面上一层对太阳吸收率高93%的铝—氮—铝, 选择性吸收热膜, 特别是由于表面的波形面积>普通光滑圆柱形, 所以 (截获) 吸收的太阳能的面积更大, 综合热效率η更高;高效集热是靠同轴双层玻璃夹层的“高真空”及其维持15~20年的高真空而实现高效集热。
2.2 工艺流程
高效加热器设计制作的过程中, 遇到的其中一个难题是:特种玻璃波纹模具成型工艺, 图2是波纹玻璃的主要制作工艺流程。
2.3 技术方案
高效加热器在设计研究中也遇到一些难点问题:
1) 如果通过手工制作波纹玻璃内管, 不仅效率低, 而且加工起来难度很大, 不能大批量进行生产。所以, 我们要将特种玻璃波纹模具成型工艺, 提高生产效率。如图3所示为LGQ-A离子溅射高能波纹玻璃太阳能集热管·热管高效加热器。
2) 在波纹玻璃管表面上利用强磁控单靶Al—N/Al离子溅射技术制成吸热效果更好的选择性吸能薄膜。波纹玻璃太阳能集热管是将太阳能量转换成热能的关键集热元件, 大部分是在我国生产和使用。它主要由高透光性能的高硼硅玻璃外管及涂有选择性吸收涂层的内管组成, 两者之间是高真空夹层。选择性吸收涂层对太阳光谱应具有尽可能高的吸收α值和尽可能低的发射ε值。集热面积是影响集热管性能的重要原因之一。本项目研究的是利用强磁控单靶Al—N/Al离子溅射技术在波纹玻璃内管表面上镀上纳米级的薄膜, 达到高效集热效果。
2.4 高效加热器的新颖性以及创造性
波纹玻璃太阳能集热管是高效加热器的核心部件, 热量传导是靠内管中的工质相变循环传递热量。作为一种新型的太阳能集热元件, 我们总结下它的新颖性以及创造性:
1) 玻璃管材是制造波形集热器的基础材料, 其融化工艺和“波形”自动化成形技术以及退火清除玻璃应力的设备是关键。制成波纹型表面 (模具成型) , 同等直径、同等长度的玻璃管, 表面积可增加30%, 从而使吸热面积增加30%, 集热管吸热总量Q也按正比例增加。普通的同轴双层光滑圆柱形玻璃管的真空集热管, 其内管外表面的镀膜面积为:S=∏×D×L (其中D:内层管直径;L:内层管有效长度) , 按标准管来计算:S=∏×D×L=3.14×0.037m×1.18m=0.137m2。波纹管表面镀膜面积为:S=∏×D×L×n (其中D:波纹管平均直径;L:两波纹斜面长度之和;n:波纹的个数) , 本项目技术论计, 如图1所示数据, L=6+6=12, n=1180÷6=196.67, 所以波纹管表面积S=∏×D×L×n=3.14×35mm×12mm×196.67=0.259m2, 与普通管相比, 波纹玻璃管的外表面积是普通集热管集热面积的1.89倍。面积越大, 综合集热效率越高。根据试验统计, 且考虑阳光对波纹斜面照射存在倾角问题, 波纹太阳集热管的集热效率比普通管增加15%~30%。
2) “波纹集热管”的结构特点是同轴双层玻璃, 而内层玻璃为波形, 在玻形表面上通过离子溅射高科技方法获得一种AL-N/AL纳米级太阳能吸收薄膜, 使其对太阳的吸收率α≥94%, 而发射率ε≤6%, 是本项技术的创新点及关键。
3) 波纹玻璃管与一种特种真空超导热管同轴装配。同轴双层玻璃中间层通过吸热铝片把波纹管和超导热管紧固, 要求热管高真空度高达10 Pa及其超过15年的真空度维持时间也是本项目的关键技术。
3 结语
高效加热器是太阳能热水器的关键部件, 目前处于国内外加热效率技术水平领先地位。根据国家发改委的要求到2012年我国电、燃气热水器停止生产;而且建设部制定的《建筑节能“十五”计划和2010年规划》提出:到2010年全国家庭住宅太阳能热水器普及要达到20%~30%。广东省建设厅更表示广东今后新建的公共建筑必须强制安装太阳能热水系统。以波纹玻璃太阳集热管为核心元件的高效加热器的热损低, 可以在冬季寒冷与太阳辐照度不很强的地区工作;可以运行在中、高温度。在寒冷地带能四季提供生活用热水.还可以烧开水, 高温消毒, 工业用热, 除湿、干燥、空调、制冷、温室种植, 水产养殖与海水淡化等方面的应用。通过市场调研研究, 该市场前景比较乐观。
摘要：本文主要研究利用一种强磁控单靶Al-N/Al离子溅射高科技工艺方法制成的高效波纹玻璃太阳集热管·热管高效加热器。这是一种新型的波纹玻璃太阳集热管, 在波纹玻璃内管表面镀上一层纳米级选择性吸收薄膜, 与同轴玻璃外管装配, 内外管之间为高真空夹层, 组成一种更高能高效集能的加热器。
关键词：集热管,波纹,Al-N/Al,磁控靶,真空超导热管
参考文献
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热管散热器 篇6
石化行业加热炉烟气余热广泛采用空气预热器回收, 通过预热加热炉用的空气, 提高加热炉的热效率。空气预热器的种类很多, 目前常用的有管式、热管式、水热媒、板式及铸铁板翅式等, 最常用的是热管式空气预热器。由于单一形式的预热器在实际运用上受到很多限制, 各种组合式预热器应运而生, 长效热管与扰流子组合式空预器为当前用于空气余热回收效果较佳的组合。
二、长效钢—水热管与扰流子预热器特点分析
热管式空气预热器是一种高效传热设备, 20世纪70年代末在国外开始应用, 我国从80年代初开始使用至今, 在石化行业得到广泛的应用。热管空气预热器采用了沸腾吸热和凝结放热这两项当今最强的热能传播方式, 其传热系数可高达100W/ (m2·K) 以上;另外, 设备紧凑、重量轻、可单管拆换, 相对其他几种预热器而言耐露点腐蚀能力较强。
但由于钢—水化学不相容性影响热管的工作寿命, 存在传热性能不够稳定现象。尽管在生产工艺流程及工质配方上对此有研究, 但在实际应用中的效果不够理想, 相当多的钢—水热管的工作寿命在两年左右, 远不能满足现有生产周期的要求。针对这一问题, 岳阳长岭设备研究所自主开发研究出热管氧化除氢技术, 用该技术生产的长效钢—水热管实现了常温及使用温度下的在线快速除氢, 提高传热性能的稳定性, 使用寿命大幅延长, 确保了运行周期内热管高效运行, 该技术用于旧热管修复时, 相对新热管可降低40%~60%左右费用, 但应用效果与新热管基本相同。
长效钢—水热管空气预热器的安全使用温度<250℃ (管内工质温度) , 而石化加热炉烟气出对流室温度大部分在300℃以上, 此时热管管内工质温度将超过250℃, 单独使用钢—水热管空气预热器常出现热管爆管或快速失效的问题。常用的解决方法是将烟气温度在300℃以上的部位采用有机热管, 热管管内的传热工质改为饱和蒸汽压较低的有机工质 (石化工业中常用的有N-甲基和荼) , 这样基本上可以解决热管爆管的问题。但仍存在一些弊端: (1) 有机工质挥发, 污染环境损害人体健康; (2) 有机物的传热效率不如水, 即热管传热效率下降; (3) 有机工质长期在高温下工作容易碳化失效, 不便于修复。对此, 分析认为采用扰流子空气预热器是比较好的选择。
扰流子空气预热器在普通管式空气预热器列管内增设了扰流片, 管外缠绕高频翅片, 增加管内、外流体的扰动, 提高管内、外的换热系数, 其传热系数K值比一般的列管式空气预热器增加约50%左右。扰流子预热器在较高烟气温度下使用, 不存在露点腐蚀及大量结垢问题, 因此不会发生堵塞或泄漏问题。目前, 对烟气温度高于280℃以上的余热回收采用扰流子空气预热器, 烟气温度在280℃以下的余热回收采用长效钢—水热管空气预热器应是最佳组合。其不仅余热回收能力大, 性价比高, 热管具有的可拆换性, 在低温部位局部即使发生腐蚀损坏, 也不会造成整体设备报废。
三、长效热管与扰流子组合式空气预热器的应用
例1某石蜡精细化工厂常减压炉共用一套余热回收系统, 采用钢—水热管预热器回收烟气余热, 烟气进预热器温度为340℃, 原设计排烟温度为170℃, 开工半年后现场实测其排烟温度高达240℃, 加热炉热效率不到86%。将热管抽出进行检测, 发现低温段热管已经严重腐蚀, 高温段热管也已失效, 唯有中间部分热管完好。
为了降低排烟热损失, 提高加热炉热效率, 决定采用热管与扰流子组合式空气预热器, 替换原有热管预热器, 并将排烟温度降到140℃, 使加热炉的热效率提高到91%以上。因其燃料含硫较高, 烟气露点温度也较高, 在热管空气预热器烟气出口部位安装了部分长效搪瓷热管, 其气体流程如下:340℃高温烟气首先进入扰流子空气预热器, 烟气温度降至280℃后, 进入长效钢—水热管空气预热器, 烟气温度降至180℃后, 进入搪瓷钢—水长效热管空气预热器, 烟气温度降至140℃后进入烟囱排空。常温空气由鼓风机进入搪瓷钢—水长效热管空气预热器, 温度升至91℃, 进入钢—水长效热管空气预热器, 温度升至186℃, 进入扰流子空气预热器, 温度升至254℃, 进入热风道送给燃烧器。该组合式空气预热器设计参数见表1。
因冬天环境温度较低, 为了不使排烟温度降至太低, 在组合式空气预热器空气进出口之间设置空气流量调节旁路, 当排烟温度低于135℃时, 将空气流量调节旁路打开, 使一部分冷空气直接与组合式空气预热器出来的热空气混合后进入燃烧器。为了清除换热管上的积灰, 搪瓷钢—水热管上方设置水冲洗装置, 在预热器下部设置排水设施并在预热器保温衬里外表面设置不锈钢保护层。
组合式空气预热器运行一年后, 检测排烟气温度138℃左右, 检查预热器内部, 大部分搪瓷热管只在翅片顶端有部分腐蚀, 分析认为是在装配搪瓷管时, 翅片顶端的搪瓷被损坏造成的;有小部分在搪瓷过程存在针孔的热管, 有穿孔现象。
一年多的使用表明, 此次空气预热器的改造是成功的, 排烟温度从240℃降到了140℃, 热效率从86%提升到91%以上。通过折算, 多回收的热量相当于年减少燃料油耗量320t, 折合人民币96万元, 该项目投资60万元, 投资回收期约8个月, 节能效果明显。
例2某公司800万t/a常减压蒸馏装置常减压炉预热器为热管预热器, 由于燃料的改变及负荷的加大, 于2009年12月停工时委托岳阳长岭设备研究所有限公司对该预热器进行改造, 改为长效钢—水与扰流子热管组合式空气预热器。其中, 烟气进口新增一组扰流子预热器, 原来的钢—水热管采用该公司的在线除氢专利技术修复为长效钢—水热管。改造后投用至今, 运行效果很好。改造前后标定测试数据对比见表2。
从改造前后测试数据对比情况看, 预热器运行情况良好, 在烟气入口温度相同的情况下, 排烟温度较改造前降低55℃, 热效率提高2.5%。通过折算, 多回收的热量相当于年减少燃料油耗量1632t, 折合人民币489.6万元, 该项目投资250万元, 投资回收期约半年, 节能效果明显。
四、结语
热管散热器 篇7
散热器是在工程应用中实现冷热流体热量交换的重要设备[1]。为了满足换热要求并最大可能的降低生产和使用成本,对散热器材料、结构以及冷热流体流动配合方面的研究一直都在进行。而用成本低廉、拆装方便的管内插入物来强化传热的研究更是得到了人们的青睐,包括形式多样的绕花丝、螺旋线、纽带及转子[2,3,4,5],然而对于不同适用情况的散热器,其可选择的插入物是有限制的,如果通过实验验证的方法则会浪费大量的时间、人力和物力,随着计算机技术的迅猛发展,利用计算软件来模拟各种情况的换热已经成为工程应用的前期参照。
本文就是利用CFD计算软件fluent对一款通过插入扰流丝产生扰动、强化传热的散热器进行了数值模拟,通过分析加入扰流丝前后高温流体的冷却情况来确定扰流丝的作用效果,并以水和P-32透平油分别作为高温流体进行了研究,得到了不同流速情况下换热效果的对比。
1数学模型
本文研究的扰流丝主要包括两个螺旋扭结在一起的、直径为2mm的铜条,其上分布着大小相等、直径为0.5mm的环形钢丝,钢丝按照一定的旋转间隔角度均匀地固定在铜条接触面上,钢丝距离换热管管壁的最短距离为0.8mm。散热管直径为20mm,总长度为100mm。利用网格处理软件hypermesh对实体模型进行网格划分,图1所示为扰流丝部分面网格,由于两铜柱之间为线接触,在网格划分过程中容易生成尖角,因而在铜柱之间加入直径为1mm的圆管,由于其尺寸很小,因而不会对流场造成影响。图2为含扰流丝时流体区域的部分网格,为了得到较为精确壁面温度边界层,利用fluent中的interface功能将流体分为两部分,实现管壁处网格的细化。
本文研究的主要目的是分析管内扰流丝的扰流和强化传热效果,因此可以先不考虑管外流体对传热效果的影响,假定管壁为300K的定壁温、静止条件,入口选择速度边界条件,出口为压力出口,表压为0,其他壁面静止绝热。压力和速度解耦采用SIMPLE算法,为提高精度,动量、能量以及湍流参量采用二阶迎风格式。
2结果显示与分析
2.1以95℃的水为研究对象,模拟得出的不同入口速度时无扰流丝和含扰流丝两种情况下,流体在出口处的平均温度和管壁传热系数如表1所示。
表1显示,不论有无扰流丝,流体的速度越低,在出口处的平均温度越低,这主要是因为流体在换热管内滞留的时间越长其被冷却的程度越高造成的。然而对于相同流速情况下,加入扰流丝后流体在出口处的平均温度要低于不加扰流丝的情况,传热系数都上升了30%,说明扰流丝在一定程度上增强了传热效果。
图3显示的是0.8m/s时无扰流丝和含扰流丝两种情况下流体在出口处的温度分布图,从图中可以看出,加扰流丝时流体在出口处得最低温度达到325K,比无扰流丝情况下低3K,由于在管内受到扰流丝的扰动,出口处的温度等值线产生褶皱,低温区较无扰流丝情况下更深入主流,而无扰流丝情况下温度等值线则是由外向内平滑过渡。
图4 显示的是0.8m/s时无扰流丝和含扰流丝两种情况下管壁处的表面传热系数的分布,由图可见,无扰流丝情况下,传热系数由入口端向出口端呈现逐渐减小的趋势,而加入扰流丝之后,在靠近扰流丝的管壁处传热系数明显大于其他部位,最大和最小传热系数均有所提高,说明流体受到扰动之后其速度发生了相应的变化,打破了原来的速度边界层,增强了湍流强化传热的效果。
纵向截面速度分布图和横向截面速度分布图。由图可见,由于扰流丝的扰动,管壁处的速度边界层被打破,主流体的速度在不同位置其大小也不同,这也有助于不同温度之间的流体发生对流运动进行混合,增强传热。在接近出口处,由于中心区流体速度较低,这就相对增长了中心流体向边缘区流体散热的时间,从而获得更好的冷却效果。
图5即为0.8m/s时加入扰流丝后管内流体的
2.2确定了扰流丝的强化传热效果之后,完善模型,考虑管外低温流体对传热的影响。如图6所示(由于整体网格模型太大,此处只显示其中一部分网格),管外是空气通道,空气通道由与换热管相接的肋片组成,肋片之间的距离为3.5mm,空气流经的长度为60mm,流速为10m/s。由于换热管管壁和肋片厚度均很小,在网格划分过程中将管壁和肋片简化为无限薄的薄壁,在fluent中将管壁和肋片均设置为耦合壁面,这样解算器会直接从相邻单元的解中计算出热传导。
此时,将管内流体换成100℃的P-32透平油,模拟在不同入口流速情况下,空气对其的冷却效果。表2所示即为无扰流丝和含扰流丝两种情况下透平油P-32在出口处的平均温度和总传热量。
由表2可见,和水相同的是,不论有无扰流丝,高温流体的速度越低,在出口处的平均温度越低,加入扰流丝后流体在出口处的平均温度要低于不加扰流丝的情况,总换热量都呈现不同程度的增加。由此进一步说明了扰流丝的强化传热效果。然而随着入口速度的上升,扰流丝的强化传热效果趋势逐渐减弱,与无扰流丝时出口平均温度的差值越来越小,并在lm/s时趋于一致,这说明扰流丝的强化传热并非适用于所有情况,在考虑其因扰动破坏边界、增强湍流传热的同时还要考虑其与流体速度的配合以及由摩擦碰撞产生的热量所带来的负面影响。因此,冷却方案的制定既要争取合理的降温又要同时保证液体的通过速度。
图7显示的是P-32透平油0.1m/s情况下在散热管出口处的温度分布以及此时散热管管壁各处的温度分布。由图可见,与定壁温条件不同,考虑了外部流动与传热之后,出口处流体的温度分布不再呈现有外向内逐步过渡的特点,而是在迎风侧出现了温度的最小值,背风面由于空气产生漩涡,流经此处的空气量骤减,带走的热量远不如迎风侧,因而温度相对较高。同样,散热管管壁各处的温度分布,除自进口端向出口端的方向温度递减之外,迎风侧温度也始终低于背风侧,与出口温度分布一致。
3结论
通过管内插入扰流丝的方法能够打破原有的速度边界层,形成湍流强化传热。在定壁温条件下,加入扰流丝后,出口的平均温度均有不同程度下降,最低温度小于无扰流丝的情况,传热系数提高30%。全模型情况下加入了迎风和背风因素的影响,得出流体和散热管管壁在迎风侧的温度均低于背风侧。由于流体的速度不同,传热系数也不同,因此,在制定冷却方案既要保证合理的温降,又要争取冷却速度。
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