一種高效耐蝕輕質熱管的製作方法

2023-10-04 15:56:19

專利名稱：一種高效耐蝕輕質熱管的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高效耐蝕輕質鈦制熱管，可用於化工、石油化工、溼法冶金、製藥、
核電、海水淡化、航空航天等領域。
背景技術：
眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它可將大量熱量 通過其很小的截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組 成，將管內抽成1. 3X (10—1 10—4)Pa的負壓後充以適量的工作液體，使緊貼內壁的吸液芯 毛細多孔材料中充滿液體後加以密封。管的一端為蒸發段，另一端為冷凝段。當蒸發段受熱 時毛細芯中的液體蒸發氣化，蒸氣在微小的壓差下流向冷凝段放出熱量凝結成液體，液體 再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此反覆，熱量由熱管的一端傳至另一端。目 前工業上應用的熱管多為碳鋼及銅製熱管，對於碳鋼-水熱管一個顯著的缺陷是存在管殼 與工作液體的相容性問題，很大程度上影響了熱管的使用壽命。且由於碳鋼和銅的比重較 高、耐蝕性能較差等特性，限制了其熱管在特殊領域(如航空航天、一些強腐蝕環境)的應 用。 鈦材最突出的特點是其一，密度小、比強度(尤其是高溫下的比強度)高，這一特 點使其在航空航天領域得到了日益廣泛的應用；其二，具有優異的耐腐蝕性能，可在中性、 氧化性、弱還原性介質，如淡水、海水、溼氯氣、硝酸、醋酸、苯二甲酸、尿素等中長期使用。另 外，鈦作為換熱元件使用具有以下優點①因其優良的耐腐蝕性，管壁可以很薄，提高了換 熱效果；②表面光潔、無垢層，汙垢係數大大降低；③鈦的表面能較低，液體對鈦的浸潤性 小，在其表面易於形成滴狀冷凝，這種冷凝方式，與液體在碳鋼、銅表面通常所形成的膜狀 冷凝相比，傳熱係數可提高一個數量級。目前，鈦制換熱器在艦船、動力、石油化工、海水淡 化等工業領域的應用日益增多，約佔鈦制化工設備的57 % 。

發明內容
本發明提供了一種內壁擴散焊多孔層狀結構、工作介質為純水、管殼材料為工業 純鈦的熱管，其耐蝕性、傳熱效率大大提高，且不存在管殼、吸液芯與工作液的相容性問題。
本發明是通過以下技術方案實現的 —種高效耐蝕輕質熱管，由管殼1、吸液芯2、上封頭4-a、下封頭4-b和保護套5組
成，其特徵在於，管殼l的材質為鈦，管內吸液芯2為經真空擴散焊而成的多孔層狀結構的
鈦金屬絲網，所述的絲網為3 6層，目數為100 400目，與管殼內壁冶金結合，絲網的目
數從管殼內壁處沿管徑向向內逐漸增大，絲網形成的孔隙為內凹型孔穴3。 上述技術方案中，靠近管殼內壁的最外層絲網目數為100 200目，沿管徑向的最
內層絲網目數為400目。 上述技術方案中，熱管長度一定時，絲網層數隨著熱管長徑比的減小而增加。
本發明還提供一種上述熱管的製備方法
—種高效耐蝕輕質熱管的製備方法，其特徵在於，採用特殊焊接工藝消除吸液芯 與內壁間熱阻，同時形成內凹型多孔結構強化蒸發段傳熱，所述方法步驟如下
1、清洗管壁，將絲網纏繞在芯棒上，絲網與管內壁為過盈配合，將纏繞網的芯棒一 起推壓到管內後把芯棒抽出； 2、將3 6層100 400目的絲網及絲網與管壁進行真空擴散焊，擴散焊工藝如 下真空度10—屮a，溫度1000 1200。C，壓力在20 30MPa之間，焊接時間為15 30分 鍾； 3、向管內充裝純水介質，充液量為熱管總容積的20% 30%，對管內抽真空，並 對熱管進行真空封口。 本發明的管內吸液芯是一種由網眼尺寸不同的絲網組成的多孔層狀網芯結構，如 圖2、3所示。多孔層狀結構為不同目數的多層鈦金屬絲網擴散焊而成，這樣可以消除絲網 型吸液芯與管壁的接觸熱阻，防止在蒸發段出現局部過熱。 靠近管內壁處為目數較小(孔徑較大)的絲網，沿徑向絲網的目數逐漸增大(孔 徑減小)，這樣做的目的，其一是充分利用小孔絲網的毛細力同時，大孔絲網使得液體回流 的阻力較小；其二是所形成的多孔結構的孔隙形式為內凹型孔穴3，如圖4所示，可對蒸發 段工作介質的沸騰起到顯著的強化作用，並顯著降低沸騰過熱度，強化熱管的啟動性能。
鈦金屬絲網層數及層數選擇與熱管長度及長徑比有關，隨著熱管長度增加選擇絲 網目數也相應增大，以提高吸液芯的毛細力，但靠近管內壁絲網目數不低於100目，也不宜 超過200目。內層絲網目數，沿徑向逐漸增大。吸液芯絲網層數則根據熱管長徑比進行 選取，在熱管長度一定的前提下，絲網層數隨著長徑比的減小而增加，選擇範圍應不少於3 層，不超過6層。同時要考慮到吸液芯毛細極限和最大傳遞功率，綜合選取。
利用蒸汽在鈦表面易於形成滴狀冷凝的特點，鈦制熱管的冷凝段傳熱得以強化。 研究表明，鈦_水兩相閉式熱虹吸管的冷凝段傳熱係數為碳鋼_水和銅_水兩相閉式熱虹 吸管的2 4倍。 這樣，通過蒸發段和冷凝段的同時強化，實現熱管整體傳熱性能的高效化。
有益效果 用本發明的方法製造的鈦-水熱管不存在鈦和水的相容性問題，管內不易產生不
凝性氣體，並大幅度提高了熱管的耐蝕性、減輕了熱管重量、提高了換熱效率。 本發明的熱管吸液芯與管壁採用擴散焊技術，消除了管壁和與吸液芯接觸熱阻，
避免了蒸發段的局部過熱問題；吸液芯採用不同目數絲網，強化了熱管蒸發段傳熱和啟動
性能，減小了管內流體阻力。 本發明利用蒸汽在鈦表面易於形成滴狀冷凝的特性，強化了熱管冷凝段的傳熱性


圖1是本發明的熱管結構示意圖 其中，l :管殼，l-a:冷凝段，l-b :蒸發段，2 :吸液芯，4_a :上封頭，4_b :下封頭，
5-保護套。
0025] 圖2是本發明的熱管及吸液芯剖面結構示意圖
其中，l :管殼，201，202，203，204 :由管壁沿管徑向向內的第1、2、3、4層絲網。 圖3是本發明管內組合網吸液芯示意圖 其中，l :管殼，2 :吸液芯，3 :內凹型孔穴。 圖4是本發明管內組合網吸液芯示意圖 其中，l :管殼，201，202，203，204 :由管壁沿管徑向向內的第1、2、3、4層絲網，3 :內
凹型孔穴。 圖5是本發明熱管與對比熱管蒸發段傳熱係數對比。 圖6是本發明熱管與對比熱管冷凝段傳熱係數對比。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
如圖1、2、3、4所示。
實施例1 製備如圖所示的鈦制熱管，由冷凝段l-a和蒸發段l-b組成的殼體1，吸液芯2為 由網眼尺寸不同的絲網組成的多孔層狀網芯結構。吸液芯由4層鈦金屬絲網201、02、203、 204通過擴散焊連接組成，由管壁向內絲網目數逐漸增大。外層絲網201與內壁通過擴散 焊形成冶金結合，同時保證不同目數的各層鈦金屬絲網在擴散焊過程中形成了多孔層狀結 構。 具體製造步驟如下 先清洗管壁、除去氧化膜。然後將絲網纏繞在芯棒上，絲網與管內壁的配合性質為
過盈配合，裝配時，將纏繞網的芯棒一起推壓到管內，再單獨把芯棒抽出。 絲網目數和層數根據熱管長度及長徑比進行選取，熱管長1000mm，管內徑25mm，
則可選擇目數分別為200、250、300、350目的4層絲網，靠近管內壁為200目，沿徑向目數逐
漸增大。 其次，通過擴散焊將絲網與管壁l，及絲網之間進行焊接，擴散焊的具體工藝參數 為真空度為10—屮a，確保材料不受氧化和汙染；控制焊接溫度在IIO(TC ;壓力在25MPa ;焊 接時間，25分鐘。 第三，對熱管殼體進行檢漏後，向管內充裝純水介質，充液量為熱管總體積的 25%，在充裝前需要對工作介質進行除氣。然後對管內抽真空，工藝可參考碳鋼及銅熱管相 關工藝。 最後，是對熱管進行真空封口 ，封口過程可參照鈦材焊接及熱管制造相關手冊。本
發明未涉及部分，可採用現有技術加以實現。
對比例1 : 對比熱管1管殼材質為紫銅，內壁燒結多孔層，形成燒結型吸液芯，孔隙率約為 45%，管內工作介質為水，充液量為25%。
對比例2: 對比熱管2管殼材質為紫銅光管，吸液芯為4層200目銅絲網，貼合於熱管內壁， 管內工作介質為水，充液量為熱管總體積的25%。 圖5、6分別為本發明熱管與相同內徑、壁厚和長度的對比熱管1及對比熱管2的蒸發段和冷凝段在不同熱通量條件下傳熱係數的對比曲線。顯然，在相同熱流密度下，本發 明熱管蒸發段傳熱係數較對比熱管2有顯著提高，與對比熱管1基本持平，冷凝段傳熱係數 較其它兩種對比熱管均有較大程度提高，傳熱強化效果明顯。
權利要求
一種高效耐蝕輕質熱管，由管殼1、吸液芯2、上封頭4-a、下封頭4-b和保護套5組成，其特徵在於，管殼1的材質為鈦，管內吸液芯2為經真空擴散焊而成的多孔層狀結構的鈦金屬絲網，所述的絲網為3～6層，目數為100～400目，與管殼內壁冶金結合，絲網的目數從管殼內壁處沿熱管徑向向內逐漸增大，絲網形成的孔隙為內凹型孔穴3。
2. 如權利要求1所述的高效耐蝕輕質熱管，其特徵在於，所述的靠近管殼內壁的最外 層絲網目數為100 200目，沿管徑向的最內層絲網目數為400目。
3. 如權利要求1所述的高效耐蝕輕質熱管，其特徵在於，在確定的熱管長度下，所述的 絲網層數隨著熱管長徑比的減小而增加。
4. 一種製備如權利要求1所述的高效耐蝕輕質熱管的方法，其特徵在於，所述方法步 驟如下1) 清洗管壁，將絲網纏繞在芯棒上，絲網與管內壁為過盈配合，將纏繞網的芯棒推壓到 管內後把芯棒抽出；2) 將3 6層100 400目的絲網進行真空擴散焊，且絲網與管壁也進行真空擴散焊， 擴散焊的工藝參數如下真空度10—屮a，溫度1000 1200°C ，壓力在20 30MPa之間，焊接 時間為15 30分鐘;3) 向管內充裝純水介質，充液量為熱管總容積的20% 30%，對管內抽真空，並對熱 管進行真空封口。
全文摘要
本發明提供了一種高效耐蝕輕質熱管，其管殼材料為工業純鈦，工作介質為純水。熱管內壁真空擴散焊3～6層鈦金屬絲網(100～400目)形成多孔層，絲網的目數從管殼內壁處沿管徑向向內逐漸增大，絲網形成的孔隙為內凹型孔穴，在為冷凝段的液體回流提供毛細力的同時，可為蒸發段工質提供大量穩定的氣化核心，強化沸騰傳熱，且可大大降低沸騰過熱度，強化熱管的啟動性能。冷凝段利用蒸汽在鈦表面形成滴狀和膜狀冷凝共存的混合機制強化冷凝換熱，從而實現了熱管傳熱性能的整體高效化，與同規格銅-水熱管相比，該熱管的傳熱性能至少可提高1倍以上。
文檔編號B23P15/26GK101694358SQ20091019751
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月22日 優先權日2009年10月22日
發明者侯峰, 張莉, 徐宏, 朱登亮, 齊寶金 申請人:華東理工大學;