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热管换热器--多用途的传热装置 | 热管换热器 | 粗略言之,热管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。
热管换热器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,可利用热管换热器从系统中传出无用的热。热管换热器仍然应用在这方面,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,均已装上热管换热器,藉以利用废弃的热。
热管换热器的优点包括:
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。
热管换热器是高性能的热导体,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。
热管换热器并非全是圆筒状的,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换热器。有种可弯曲的热管换热器通常用於蒸发器和凝结器不成直线,或热管换热器两端个别振动的地方。
製造热管换热器的材料多半用金属,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。工作流体依照热管换热器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)。大部分热管换热器在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:引导液体流过热管换热器,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,热管换热器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。但热管换热器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,热管换热器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,热管换热器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。
热管换热器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换热器,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。
热管换热器在电子工业界是真正的利器。某些製造商正考查100~400℃间运转的热管换热器在冷却二极体(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,包含有热管换热器冷却装置,在密闭容器裡的空气不断循环,以热管换热器冷却,热管换热器蒸发器在容器裡而凝结器在周围空气中。
其他的冷却应用,如用热管换热器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换热器以助冷却机油。据说一些大的汽车製造商正尝试把热管换热器装在汽车和卡车上以冷却发动机、传动流体和煞车装置。
热管换热器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,使用热管换热器就解决了。又如用来供应冷却水到大型油泵的一个补助泵用热管换热器取代之后,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,热管换热器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换热器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,热管换热器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换热器来使道路免於结冰。实验性的路段已经装设了使用氨的热管换热器;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。热管换热器方法即使证明可行,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,热管换热器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换热器作表面,以便烹调大量冷冻食品时既快且均匀。另外,一个由热管换热器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。
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