第11章工程应用实例

第十章工程应用实例主要内容：10.1.热管原理及其分类10.2.热管的特点及其一些应用10.3.一些热设计的应用10.1.热管原理及其应用1.热管原理

物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。2.热管的分类由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类很多，常用的分类方法有以下几种：（1）按照热管管内工作温度可分为：低温热管按照热管管内工作温度可分为：低温热管(-273～0℃)、常温热管、常温热管(0～250℃)、中温热管、中温热管(250～450℃)、高温热管、高温热管(450～1000℃)等。(2)按照工作液体回流动力可分为：有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力管)、重力辅助热管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。(3)按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习惯的划分方法)可分为：铜—水热管、碳钢—水热管、铜钢复合—水热管、铝—丙酮热管、碳钢—萘热管、不锈钢—钠热管等等。(4)按结构形式区分可分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。(5)按热管的功用划分可分为：传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。10.2.热管特点及应用（1）很高的导热性:比普通的金属导体高几个数量级。（2）优良的等温性:蒸汽处于饱和状态,从而保证了很小的温差，利用该特性来实现温度展平。（3）热流密度可变性:可以通过改变蒸发段和冷凝段的面积来很方便的调节热流密度。（4）热流方向的可逆性:由于其内部循环动力是毛细力由于其内部循环动力是毛细力,所以任意一端受热都可以成为蒸发段。（5）环境的适应性:热管的形状可以随热源和冷源的条件热管的形状而变化而变化,并可以将热源和冷源分隔在两个场所进行热交换。1.热管的特点2.热管的应用目前热管技术被广泛应用在宇航、军工、石油、化工、冶金、机械、电力、煤炭、铁路、通讯、纺织、家电、IT产品等领域。在高原地带铺设石油管道或铁路，使用热管可以防止冻土层被破坏。利用热管组成换热器来回收工业生产中的废热可节约大量的能源。在电力电子行业，因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、噪音、免维修、安全可靠、使用寿命长，热管风冷甚至免维修、安全可靠、使用寿命长，自冷可以取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。热管技术在化工及石化领域的应用

热管及热管换热器近年来在石油化工领域中的应用已愈来愈受人们的重视，它具有体积紧凑、压力降小、可以控制露点腐蚀、一段破坏不会引起两相流互混等优点，提高的设备的运行效率和可靠性。它在石化领域的应用可谓是无所不在。如下所示为热管换热器在该领域的部分应用场合：在合成氨工业中：回收低温余热余热助燃空气，或生产低压蒸汽作为原料；回收高温余热产生中压蒸汽作原料蒸汽的补充，或生产高压蒸汽作为生产的动力源；控制固定床催化反应器的化学反应温度，使其向最佳反映温度曲线无限逼近，从而提高合成氨的效率。在硫酸工业中：沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收；SO2炉气余热回收；SO3气体冷却器；在盐酸、硝酸工业中也同样有大量的应用

在石化领域应用更是广泛：热管裂解炉；热管乙苯脱氢反映器；热管氧化反应器；催化裂化再生取热器；热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用

建材行业如水泥、陶瓷等工业都要消耗大量的能量，以陶瓷为例，据统计，能源费占生产总成本的40%以上。开发新型高效节能设备将极大的促进此行业的发展。80年代国内的许多单位应用热管换热技术回收陶瓷、水泥生产中排放的余热取得了良好的节能效果，90年代高温热管技术的工业开发应用获得成功，这些都为热管技术的工业推广打下了良好的基础。如下是近年来热管技术在建材、轻工业中成功应用。实例：高岭土喷雾干燥热风炉；

十二醇硫酸钠喷雾干燥；玻璃窑炉的余热回收；水泥生产工业中的回转窑冷却机的余热利用、废尾气余热利用、悬浮预热机、烘干机等热工设备；陶瓷窑炉的隧道窑烟道气余热利用；电瓷厂遂道窑冷却带余热利用；纺织工业中的热定型机余热回收利用、浆纱机的余热回收等热管技术在冶金工业中的应用冶金工业也是耗能大户，不论是有色冶金或黑色冶金工业都存在大量的节能问题。以钢铁企业为例，焦炉、高炉及炼钢工序均有相当数量的余热未能回收利用。余热的温度最高可达1600oC，热能的形态有固体、气体、液体，其中最多的为间隙排放，因此给余热回收带来了一定的难度。由于热管的众多特点，特别适宜于上述场合的余热回收利用，从70年代开始，国内冶金界就有许多工程技术人员和热管技术工作者进行了卓有成效的合作开发，取得了良好的员和热管技术工作者进行了卓有成效的合作开发，取得了良好的效果。目前已经在烧结排期限热核热风炉燃烧废气的余热回收方面，达到了定性设计和系列化、标准化的程度。高温热管及高温热感空气预热器、高温热管空气蒸发器的开发运行成功，又给冶金业带来了新的希望。

在冶金工业中大量应用的热管换热器设备：备坯件加热炉热管空气预热器；线材退火炉；轧钢连续加热炉；热管余热锅炉；热管省煤器等。热管技术在电力电子领域的应用电子技术近年来迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得单位容积电子器件的发热量快速提高，而电子器件正常工作必须在一定的温度范围之内，电子器件的散热成为了其发展的一个瓶颈，因此电子技术的发展需要有良好的散热手段来保证。热管问世以来，使电力电子装置的散热系统有了新的发展。热管使自冷的应用范围迅速扩大。因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠，热管风冷甚至自冷可以取代水冷系没有噪音、免维修、安全可靠，热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围热管在航天领域的应用热管适应航天技术的发展的要求而发展的，所以热管技术在航天领域得到了许多非常重要的应用。由于航天领域中热管运行可靠性及其本身的各种性能都有严格的要求。这些要求也促进了热管技术的发展。下面是两个具体的应用实例，从中就可以看出热管技术在航天领域的重要位置。“神州号飞船的热控制系统：热控制系统用于保证飞船各舱仪器设备、结构以及乘员所需要的环境温度条件，合理调配飞船之间的热量的传输，并排放到宇宙空间。他通常采用流体对流换热方式。其传热回路可以采用泵驱动液体回路、热管辐射回路和毛细泵抽吸回路等。”——摘自《神舟圆梦》热管在其他领域中的应用热管在核电工程中的应用

随着热管技术的成熟和核能技术的迅速发展，热管技术在核电工程中的应用显得越来越重要。最早的开发在空间核电源中的应用，已逐渐发展到地面核反应堆及核废料的散热及事故预防等方面。在这个领域具体应用有：空间核电源中的应用、核废料的冷却、事故情况下的安全壳体保护、热管蒸汽发生器等、热管蒸汽发生器等热管在太阳能利用中的应用太阳能取之不尽、用之不尽的洁净无污染的能源。广泛利用太阳能将是未来世界能源利用中的重要途径。由于热管本身具有的特性，使得其在太阳能中的利用具有极其广阔的应用前景。我国的热管太阳能应用技术主要集中于民用热水器的开发研究，但其制造价格昂贵，在采用新的技术后，其成本有了显著降低，普及程度也得以大幅度的提高。此外，还有热管太阳能灶、热管太阳能电站也进入了市场。化工与机械行业，如热管搅拌反应设备、热管高速刀具等。在煤转换技术领域，如煤粉连续气化炉等。此外，热管散热还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围。因而广泛应用在工业变流技术、软启动技术、变频调速技术、无功补偿技术等电力半导体分立器件、模块和组件等电力电子设备上。1.电池组的热管理混合动力汽车已经逐渐成为未来汽车的重要发展方向之一。但迄今为止，制约整个电动汽车行业发展的重要因素之一是电动汽车用动力电池。动力电池均是成组使用的，温度的变化势必会使电池之间存在一定的温度差异性。温差主要影响电池组的整体寿命和稳定性。在所有环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，因为在电极、电解液界面上的电化学反应与环境温度有关，电极、电解液界面被视为电池的心脏。

10.3.一些热设计的应用（1）电池热模型电池的模型都是依托三维（如proe、UG、CATIA、solidworks等等）建模软件，经过简化处理，建立起来的。

（2）工作温度范围锂离子动力电池正常工作温度范围在-20℃~60℃之间，低温条件下性能受到影响，放电容量变少。要比铅酸动力电池和镍氢动力电池的低温性能好。混合动力汽车用镍氢电池散热系统的目标为：将电池的工作温度控制在其最佳范围20～40℃，模块间的温差在5℃以下，从而保证电池组的性能，延长其寿命。（3）电池组仿真分析结果同侧出风异侧出风动力电池的成本、性能、寿命在很大程度上决定了HEV的成本和可靠性。电池的温度和温度场的均匀性对蓄电池的性能和寿命有很大的影响。因此进行电池散热结构的优化设计与散热性能的预测对提高混合动力汽车及动力电池的成熟度和可靠性具有重要的现实意义。2.长安杰勋的热管理热管理系统原始方案整车实验验证；原始模型的CFD仿真分析；A样电池包优化方案；B样电池包优化方案；

热管理系统原始方案整车实验验证试验在长安公司试验环境舱中进行按双方设定循环工况试验试验发现电池组温度分布严重不均衡。B.原始模型的CFD仿真

A样电池包优化方案一（改变倾斜角度和电池的间距）取上下层电池倾斜角度为3.5度，两排电池的距离为30mm，极限工况最大温差为9.5℃;变工况的温差为14.3℃A样电池包优化方案二:电池位置不动,添加挡板电池的位置不动,通过增加圆弧形的导流板、长条形的引流板以及菱形的引流板减少了前部电池的热交换面积为后部电池增加了冷却风量，极限工况温差11.6℃。变工况温差5.83℃。A样电池包优化方案三:给电池包热阻通过在电池表面增加不同厚度热阻改变了电池和空气换热热阻，电池组的温度均匀性有了很大的改善。在极限工况温差5.7℃，变工况温差2.83℃。B样电池包优化方案3：长安志勋中混原始模型的CFD仿真分析中混优化方案一CFD分析结果中混优化方案二CFD分析结果中混外围冷却系统CFD仿真分析及实验证中混圆形电池瞬态仿真分析及实验验证原始模型的CFD仿真CFD分析时取入口空气的初始温度35℃，电池发热功率为650W,入口空气流量为140m3/h。仿真结果为最高温度76.08℃，最低温度51.48℃，温差为24.6℃，出口空气温度49.5℃。优化方案一CFD分析结果CFD分析时取入口空气的初始温度35℃，电池发热功率为650W,入口空气流量为140m3/h。仿真结果为：最高温度60.03℃，最低温度50.85℃，温差为9.5℃。优化方案二CFD分析结果CFD分析时取入口空气的初始温度35℃，电池发热功率为650W,入口空气流量为140m3/h。仿真结果为：电池壳体表面最高温度53.457℃，最低温度49.423℃，温差为4.03℃。进出口压力损失为142.2Pa，出口空气温度为46.12℃。各单个模块的不均匀性除了进风口第一排的三个电池迎风面和背风面的温差在6℃，其他各模块的均匀性均在5℃以内。外围冷却系统CFD仿真分析与实验验