热管技术在采暖散热器上的应用研究

崔燕鹏

摘 要：本文论述了一种新型热管板型散热器，这种采暖散热器采用了热管原理，热网热媒不进入散热器内部，解决了普通散热器内腐蚀严重、耐压性能差、易结垢、使用寿命低等缺陷。由于这种散热器不受热网压力变化的影响，因此，在设计选材上无需考虑散热器承受巨大压力和内部腐蚀的因素，因而降低了原材料消耗和生产成本。这种热管板型散热器的结构简单，主要有两块冷轧钢板冲压成型后相对焊接而成。其分布均匀、相互连通、完全封闭的椭圆形通道组成了热管，在热管底部设计有供热媒通过的波纹导流管。这种结构设计保证了导流管对热管工作的热动力，导流管外热管工作的全过程，从而实现了热交换的目的。

关键词：采暖散热器 热管 工质 多头波纹导流管 钢制板型热管散热器

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0096-02

采暖散热器被广泛应用于工业、民用等社会各领域。它的结构形式主要有铸铁、钢制和铝制三大类。目前无论何种结构形式的采暖散热器，其工作原理无一例外的都是热媒（锅炉热水或蒸汽）都要进入到散热器的内部以加热散热器本身，然后通过对流或辐射换热方式完成对空间的加热，以达到冬季采暖的目的。

以上这些散热器，由于其结构和工作原理的原因致使其金属热强度小、金属消耗量大、结构笨重、经济性能差、耐压性差，已逐步被其它散热器所取代（铸铁）。钢制散热器虽然具有热工性能好，重量轻，承压高外形美观等优点，但由于内部易结垢影响了热效率的稳定性，再加上耐腐蚀性差、使用寿命低成为了其进一步发展的致命缺陷。铝制散热器虽然具有其它散热器的所有优点，但内部易结垢的世界性难题和造价高、经济性能差和耐压力受限等缺陷限制了它的发展。

为此，本文从改变散热器的工作原理入手，利用“超速导热”的热管原理实现散热器的放热目标，以克服目前散热器存在的弊端。探索采暖散热器发展进入一个新领域的可能性。

1 热管的工作原理及其应用

热管是一种具有超高导热性能的传热原件。工作原理可以简要地描述为：工质在密闭的空间内的某一位置吸收热量，由液态转变为汽态发生蒸发，而后在它上方的某一位置释放热量，由汽态转变为液态，在不附加任何动力而使冷凝的液体再回到原来的位置，继续吸热蒸发，往复循环，达到热量从一个地点快速传递到另一个地点的目的。

热管技术从40年代提出，经过几十年的探索研究，有了飞速发展。热管的研究工作和在工业上的应用进展很快。特别在国家号召节能减排以来，热管的应用越来越多，发挥着越来越积极的作用。

热管换热技术是一种高效、紧凑、耐用的换热设备。它的结构形式多样，使用方便灵活，特别适用于中、低温方面的换热。随着工业技术的发展，热管技术正越来越广泛地渗入到工业、民用领域的许多方面，发挥出独特的作用。热管在采暖散热器方面的应用设想也越来越成熟，笔者经过几年来的研究和实验，通过投入小规模的运行，表现出了很好的换热能力，研制出的新产品通过了省级技术鉴定，得到了业界专家的一致好评，具有很高的推广价值。

2 热管板形散热器的结构及工作原理

热管板形散热器，由两块板形结构的部件相对组成。在板形结构上制作有分布均匀的若干垂直凸槽和与其相连通的水平凸槽。这些凸槽对称分布，组焊后它的断面形状呈椭圆形结构。这些分布均匀、相互连通、完全封闭的椭圆形柱状通道网，组成了热管板形散热器的热管部分。在板形结构下部，安装有供热媒（锅炉热水或蒸汽）通过的导流管。在热管板形散热器的热管上，焊接有波形结构的波形板。在热管内装有工质，供热管板形散热器工作之用。

以上的焊接结构件，组成了一种新型的热管板形散热器。热管板形散热器的面板向外，它的主要作用：一是增加产品的美感，二是在散热器工作时向室内释放辐射热量，提高散热器的热效率。焊接在背板上的波形板，一是要增加散热器的散热面积，二是要完成散热器的放热对流通道，这样才能有效提高热管板形散热器的整体放热功能。

导流管是热管板形散热器的核心部件，这是因为热媒从导流管内经流时，热网的热量要通过导流管转换到热管板形散热器的热管。同时导流管又是热管工作的起动部件和工作部件，只有导流管不断循环的启动，才能确保热管板形散热器的正常工作。因此，它的结构设计是关系到整个热管板形散热器性能的关键。经过笔者最佳的紊流和水阻计算和反复试验，确定多头波汶管做为导流管的断面设计。这样的设计考虑，一方面是增加热媒放热面积，也增加了热管的吸热面积。另一方面当受压的热媒流经带波纹的导流管时，在波纹的导向下热媒发生高速旋转，高速旋转且流动的热媒破坏了固有的层流，形成了很好的紊流效果，也就达到了理想的换热效果。同时，高速旋转流动的紊流体又不会使热媒中的污垢沉积，很好的解决了散热器的结垢问题，有效提高了散热器的热功性能和使用寿命，大大缩短了散热器的维护周期。

导流波纹管的外部，是热管板形散热器热管部分的工作面，由于多头波纹的设计，使这个工作面高低起伏、错落有致，当工质受热蒸发时，工质蒸发面处在不同的方向和层面上，可以很好的解决热管工作的“爆沸”和“共振”，使热管工作起来更加平稳。

热管板形散热器的工作原理是：当热媒进入热管板形散热器的导流管时，热媒的热量通过导流管传递给工质，处在热管板形散热器腔体内负压环境下的工质，吸热后由液态变为气态，发生蒸发的蒸汽工质在负压作用下迅速上升，上升后的气态工质遇到较低温度的椭圆形热管壁后，释放热量，迅速凝结，由气态转变为液态，液态工质在重力作用下，回落到热管板形散热器的蒸发段—— 波纹导流管的部分。

波纹导流管由于供热热网的高温热媒源源不断的经流，因此，保持了其高温状态，确保了工质蒸发所需要的动力—— 高温。蒸发上升的工质，在凝结回落（流）时，将自身携带的热量传递给热管的冷凝段—— 由背、面板凹槽相对组成的椭圓形热管壁。由于热管散热器的面板向室内释放的辐射热、背板及对流通道向室内释放的对流热量和辐射热量，形成了热管壁（冷凝段）的低温特征。

热管板形散热器蒸发段的高温特征与冷凝段的低温特征确保了工质的吸热—— 蒸发—— 凝结—— 回落连绵不断，反复循环的过程，实现了热管板形散热器的设计目标。

3 热管板形散热器的制作工艺

热管板形散热器主要有面板、背板、对流片、导流管、安装挂件组成。制作工艺分为冲压成型及冲孔——导流管制作安装——焊接——抽真空及注工质——表面处理等四个工艺过程。

面、背板组成的热管在工作或非工作状态时，由于热网热媒不进入其内部，热网压力变化对其没有影响，基本处于常压状态，在其背板热管通道上焊接的对流片，主要作用是传递热量。因而这些部件的材质均选择比较薄的冷扎钢板。

导流管是热管板形散热器的关键部件，主要承担热媒的压力，建筑层高压力变化对散热器的影响，还要克服热媒的腐蚀。因而选择性能优越的不锈钢。

钢制热管板形散热器的面、背板在设計上是对称体，因此，制作成型只需要一套模具冲压完成，周边采用高频缝焊。立柱热管间（椭圆形通道间）采用点焊技术加工。在背板的热管外壁上，点焊有波形板。波形板的凹槽与热管间隔形成的对流通道，组成了热管板形散热器的对流换热器。导流管安装在背板下部水平凹槽内。

经过组装、焊接、清理的钢制热管板形散热器，进行负压工序和加注工质，进行涂装后即已完成了全部制作过程。

4 经济性和其他性能评价

钢制热管板形散热器，主要耗材为冷扎钢板，由于所耗钢板的厚度不到同类产品的二分之一，省去了普通形板散热器的进出口部件，总体钢材消耗量较同类产品降低50%以上，虽然导流管选择的材质为价格较昂贵的不锈钢，但重量所占钢制热管板形散热器总体重量比重较小，对总体成本影响不大。

钢制热管板形散热器，一方面具有热功性能好、散热快、装饰性好、制作工艺简单、安装方便等优点。另一方面，由于热媒经流导流管，不进入散热器内部，具有了很好的抗腐蚀性能，大大提高了产品的使用寿命，并且减少了维修更换次数，减少了维修更换成本。同时，波形导流管的承压能力非常强，热网的压力变化与建筑层高的压力增加，几乎对其没有影响，因此，钢制热管板形散热器的使用范围更加广泛。还由于热媒经流本产品时高速旋转，有极好的紊流效果，在提高执效率的同时，又解决了结垢难题，具有良好的社会效益。

总之，钢制热管板形散热器由于自身优势突出，结构形式与表面颜色完全可按照建筑装饰的适应性、协调性来组织加工，是一种新型的采暖散热设备，具有很好的经济效益和社会效益，推广应用价值非常广泛。

参考文献

[1] 热管与热管换热器[M].上海交通大学出版社.

[2] 热管制造工艺及其应用.国家建工总局东北设计院.

[3] 机械工程手册[M].机械工业出版社.