第十章工程應用實例主要內(nèi)容：10.1.熱管原理及其分類10.2.熱管的特點及其一些應用10.3.一些熱設計的應用10.1.熱管原理及其應用1.熱管原理

物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。熱傳遞有三種方式：輻射、對流、傳導，其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。2.熱管的分類由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結構、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對熱管的分類很多，常用的分類方法有以下幾種：（1）按照熱管管內(nèi)工作溫度可分為：低溫熱管按照熱管管內(nèi)工作溫度可分為：低溫熱管(-273～0℃)、常溫熱管、常溫熱管(0～250℃)、中溫熱管、中溫熱管(250～450℃)、高溫熱管、高溫熱管(450～1000℃)等。(2)按照工作液體回流動力可分為：有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力管)、重力輔助熱管、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。(3)按管殼與工作液體的組合方式劃分(這是一種習慣的劃分方法)可分為：銅—水熱管、碳鋼—水熱管、銅鋼復合—水熱管、鋁—丙酮熱管、碳鋼—萘熱管、不銹鋼—鈉熱管等等。(4)按結構形式區(qū)分可分為：普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。(5)按熱管的功用劃分可分為：傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。10.2.熱管特點及應用（1）很高的導熱性:比普通的金屬導體高幾個數(shù)量級。（2）優(yōu)良的等溫性:蒸汽處于飽和狀態(tài),從而保證了很小的溫差，利用該特性來實現(xiàn)溫度展平。（3）熱流密度可變性:可以通過改變蒸發(fā)段和冷凝段的面積來很方便的調(diào)節(jié)熱流密度。（4）熱流方向的可逆性:由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力,所以任意一端受熱都可以成為蒸發(fā)段。（5）環(huán)境的適應性:熱管的形狀可以隨熱源和冷源的條件熱管的形狀而變化而變化,并可以將熱源和冷源分隔在兩個場所進行熱交換。1.熱管的特點2.熱管的應用目前熱管技術被廣泛應用在宇航、軍工、石油、化工、冶金、機械、電力、煤炭、鐵路、通訊、紡織、家電、IT產(chǎn)品等領域。在高原地帶鋪設石油管道或鐵路，使用熱管可以防止凍土層被破壞。利用熱管組成換熱器來回收工業(yè)生產(chǎn)中的廢熱可節(jié)約大量的能源。在電力電子行業(yè)，因為熱管自冷散熱系統(tǒng)無需風扇、沒有噪音、噪音、免維修、安全可靠、使用壽命長，熱管風冷甚至免維修、安全可靠、使用壽命長，自冷可以取代水冷系統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關的輔助設備投資。熱管技術在化工及石化領域的應用

熱管及熱管換熱器近年來在石油化工領域中的應用已愈來愈受人們的重視，它具有體積緊湊、壓力降小、可以控制露點腐蝕、一段破壞不會引起兩相流互混等優(yōu)點，提高的設備的運行效率和可靠性。它在石化領域的應用可謂是無所不在。如下所示為熱管換熱器在該領域的部分應用場合：在合成氨工業(yè)中：回收低溫余熱余熱助燃空氣，或生產(chǎn)低壓蒸汽作為原料；回收高溫余熱產(chǎn)生中壓蒸汽作原料蒸汽的補充，或生產(chǎn)高壓蒸汽作為生產(chǎn)的動力源；控制固定床催化反應器的化學反應溫度，使其向最佳反映溫度曲線無限逼近，從而提高合成氨的效率。在硫酸工業(yè)中：沸騰焙燒爐沸騰層內(nèi)的余熱回收；SO2爐氣余熱回收；SO3氣體冷卻器；在鹽酸、硝酸工業(yè)中也同樣有大量的應用

在石化領域應用更是廣泛：熱管裂解爐；熱管乙苯脫氫反映器；熱管氧化反應器；催化裂化再生取熱器；熱管技術在建材及輕紡織工業(yè)領域的應用

建材行業(yè)如水泥、陶瓷等工業(yè)都要消耗大量的能量，以陶瓷為例，據(jù)統(tǒng)計，能源費占生產(chǎn)總成本的40%以上。開發(fā)新型高效節(jié)能設備將極大的促進此行業(yè)的發(fā)展。80年代國內(nèi)的許多單位應用熱管換熱技術回收陶瓷、水泥生產(chǎn)中排放的余熱取得了良好的節(jié)能效果，90年代高溫熱管技術的工業(yè)開發(fā)應用獲得成功，這些都為熱管技術的工業(yè)推廣打下了良好的基礎。如下是近年來熱管技術在建材、輕工業(yè)中成功應用。實例：高嶺土噴霧干燥熱風爐；

十二醇硫酸鈉噴霧干燥；玻璃窯爐的余熱回收；水泥生產(chǎn)工業(yè)中的回轉(zhuǎn)窯冷卻機的余熱利用、廢尾氣余熱利用、懸浮預熱機、烘干機等熱工設備；陶瓷窯爐的隧道窯煙道氣余熱利用；電瓷廠遂道窯冷卻帶余熱利用；紡織工業(yè)中的熱定型機余熱回收利用、漿紗機的余熱回收等熱管技術在冶金工業(yè)中的應用冶金工業(yè)也是耗能大戶，不論是有色冶金或黑色冶金工業(yè)都存在大量的節(jié)能問題。以鋼鐵企業(yè)為例，焦爐、高爐及煉鋼工序均有相當數(shù)量的余熱未能回收利用。余熱的溫度最高可達1600oC，熱能的形態(tài)有固體、氣體、液體，其中最多的為間隙排放，因此給余熱回收帶來了一定的難度。由于熱管的眾多特點，特別適宜于上述場合的余熱回收利用，從70年代開始，國內(nèi)冶金界就有許多工程技術人員和熱管技術工作者進行了卓有成效的合作開發(fā)，取得了良好的員和熱管技術工作者進行了卓有成效的合作開發(fā)，取得了良好的效果。目前已經(jīng)在燒結排期限熱核熱風爐燃燒廢氣的余熱回收方面，達到了定性設計和系列化、標準化的程度。高溫熱管及高溫熱感空氣預熱器、高溫熱管空氣蒸發(fā)器的開發(fā)運行成功，又給冶金業(yè)帶來了新的希望。

在冶金工業(yè)中大量應用的熱管換熱器設備：備坯件加熱爐熱管空氣預熱器；線材退火爐；軋鋼連續(xù)加熱爐；熱管余熱鍋爐；熱管省煤器等。熱管技術在電力電子領域的應用電子技術近年來迅速發(fā)展，電子器件的高頻、高速以及集成電路的密集和小型化，使得單位容積電子器件的發(fā)熱量快速提高，而電子器件正常工作必須在一定的溫度范圍之內(nèi)，電子器件的散熱成為了其發(fā)展的一個瓶頸，因此電子技術的發(fā)展需要有良好的散熱手段來保證。熱管問世以來，使電力電子裝置的散熱系統(tǒng)有了新的發(fā)展。熱管使自冷的應用范圍迅速擴大。因為熱管自冷散熱系統(tǒng)無需風扇、沒有噪音、免維修、安全可靠，熱管風冷甚至自冷可以取代水冷系沒有噪音、免維修、安全可靠，熱管風冷甚至自冷可以取代水冷系統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關的輔助設備投資。此外，熱管散熱還能將發(fā)熱件集中，甚至密封，而將散熱部分移到外部或遠處，能防塵、防潮、防爆，提高電器設備的安全可靠性和應用范圍熱管在航天領域的應用熱管適應航天技術的發(fā)展的要求而發(fā)展的，所以熱管技術在航天領域得到了許多非常重要的應用。由于航天領域中熱管運行可靠性及其本身的各種性能都有嚴格的要求。這些要求也促進了熱管技術的發(fā)展。下面是兩個具體的應用實例，從中就可以看出熱管技術在航天領域的重要位置。“神州號飛船的熱控制系統(tǒng)：熱控制系統(tǒng)用于保證飛船各艙儀器設備、結構以及乘員所需要的環(huán)境溫度條件，合理調(diào)配飛船之間的熱量的傳輸，并排放到宇宙空間。他通常采用流體對流換熱方式。其傳熱回路可以采用泵驅(qū)動液體回路、熱管輻射回路和毛細泵抽吸回路等?！薄浴渡裰蹐A夢》熱管在其他領域中的應用熱管在核電工程中的應用

隨著熱管技術的成熟和核能技術的迅速發(fā)展，熱管技術在核電工程中的應用顯得越來越重要。最早的開發(fā)在空間核電源中的應用，已逐漸發(fā)展到地面核反應堆及核廢料的散熱及事故預防等方面。在這個領域具體應用有：空間核電源中的應用、核廢料的冷卻、事故情況下的安全殼體保護、熱管蒸汽發(fā)生器等、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管在太陽能利用中的應用太陽能取之不盡、用之不盡的潔凈無污染的能源。廣泛利用太陽能將是未來世界能源利用中的重要途徑。由于熱管本身具有的特性，使得其在太陽能中的利用具有極其廣闊的應用前景。我國的熱管太陽能應用技術主要集中于民用熱水器的開發(fā)研究，但其制造價格昂貴，在采用新的技術后，其成本有了顯著降低，普及程度也得以大幅度的提高。此外，還有熱管太陽能灶、熱管太陽能電站也進入了市場。化工與機械行業(yè)，如熱管攪拌反應設備、熱管高速刀具等。在煤轉(zhuǎn)換技術領域，如煤粉連續(xù)氣化爐等。此外，熱管散熱還能將發(fā)熱件集中，甚至密封，而將散熱部移到外部或遠處，能防塵、防潮、防爆，提高電器設備的安全可靠性和應用范圍。因而廣泛應用在工業(yè)變流技術、軟啟動技術、變頻調(diào)速技術、無功補償技術等電力半導體分立器件、模塊和組件等電力電子設備上。1.電池組的熱管理混合動力汽車已經(jīng)逐漸成為未來汽車的重要發(fā)展方向之一。但迄今為止，制約整個電動汽車行業(yè)發(fā)展的重要因素之一是電動汽車用動力電池。動力電池均是成組使用的，溫度的變化勢必會使電池之間存在一定的溫度差異性。溫差主要影響電池組的整體壽命和穩(wěn)定性。在所有環(huán)境因素中，溫度對電池的充放電性能影響最大，因為在電極、電解液界面上的電化學反應與環(huán)境溫度有關，電極、電解液界面被視為電池的心臟。

10.3.一些熱設計的應用（1）電池熱模型電池的模型都是依托三維（如proe、UG、CATIA、solidworks等等）建模軟件，經(jīng)過簡化處理，建立起來的。

（2）工作溫度范圍鋰離子動力電池正常工作溫度范圍在-20℃~60℃之間，低溫條件下性能受到影響，放電容量變少。要比鉛酸動力電池和鎳氫動力電池的低溫性能好?；旌蟿恿ζ囉面嚉潆姵厣嵯到y(tǒng)的目標為：將電池的工作溫度控制在其最佳范圍20～40℃，模塊間的溫差在5℃以下，從而保證電池組的性能，延長其壽命。（3）電池組仿真分析結果同側(cè)出風異側(cè)出風動力電池的成本、性能、壽命在很大程度上決定了HEV的成本和可靠性。電池的溫度和溫度場的均勻性對蓄電池的性能和壽命有很大的影響。因此進行電池散熱結構的優(yōu)化設計與散熱性能的預測對提高混合動力汽車及動力電池的成熟度和可靠性具有重要的現(xiàn)實意義。2.長安杰勛的熱管理熱管理系統(tǒng)原始方案整車實驗驗證；原始模型的CFD仿真分析；A樣電池包優(yōu)化方案；B樣電池包優(yōu)化方案；

熱管理系統(tǒng)原始方案整車實驗驗證試驗在長安公司試驗環(huán)境艙中進行按雙方設定循環(huán)工況試驗試驗發(fā)現(xiàn)電池組溫度分布嚴重不均衡。B.原始模型的CFD仿真

A樣電池包優(yōu)化方案一（改變傾斜角度和電池的間距）取上下層電池傾斜角度為3.5度，兩排電池的距離為30mm，極限工況最大溫差為9.5℃;變工況的溫差為14.3℃A樣電池包優(yōu)化方案二:電池位置不動,添加擋板電池的位置不動,通過增加圓弧形的導流板、長條形的引流板以及菱形的引流板減少了前部電池的熱交換面積為后部電池增加了冷卻風量，極限工況溫差11.6℃。變工況溫差5.83℃。A樣電池包優(yōu)化方案三:給電池包熱阻通過在電池表面增加不同厚度熱阻改變了電池和空氣換熱熱阻，電池組的溫度均勻性有了很大的改善。在極限工況溫差5.7℃，變工況溫差2.83℃。B樣電池包優(yōu)化方案3：長安志勛中混原始模型的CFD仿真分析中混優(yōu)化方案一CFD分析結果中混優(yōu)化方案二CFD分析結果中混外圍冷卻系統(tǒng)CFD仿真分析及實驗證中混圓形電池瞬態(tài)仿真分析及實驗驗證原始模型的CFD仿真CFD分析時取入口空氣的初始溫度35℃，電池發(fā)熱功率為650W,入口空氣流量為140m3/h。仿真結果為最高溫度76.08℃，最低溫度51.48℃，溫差為24.6℃，出口空氣溫度49.5℃。優(yōu)化方案一CFD分析結果CFD分析時取入口空氣的初始溫度35℃，電池發(fā)熱功率為650W,入口空氣流量為140m3/h。仿真結果為：最高溫度60.03℃，最低溫度50.85℃，溫差為9.5℃。優(yōu)化方案二CFD分析結果CFD分析時取入口空氣的初始溫度35℃，電池發(fā)熱功率為650W,入口空氣流量為140m3/h。仿真結果為：電池殼體表面最高溫度53.457℃，最低溫度49.423℃，溫差為4.03℃。進出口壓力損失為142.2Pa，出口空氣溫度為46.12℃。各單個模塊的不均勻性除了進風口第一排的三個電池迎風面和背風面的溫差在6℃，其他各模塊的均勻性均在5℃以內(nèi)。外圍冷卻系統(tǒng)CFD仿真分析與實驗驗