■ 張忠華 張建群 張波 安志良 劉群

（1.北京外國(guó)語(yǔ)大學(xué)信息技術(shù)中心；2.首鋼工學(xué)院計(jì)算機(jī)系；3.?？祫?chuàng)業(yè)(北京)科技有限公司）

一 引言

熱管自1964年發(fā)明問(wèn)世以來(lái)，近有50年的歷史，但其作為一種傳熱技術(shù)的應(yīng)用目前還處于研究階段。由于熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力，與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。因此，熱管技術(shù)被廣泛應(yīng)用在航空、軍工、石油、化工、太陽(yáng)能、冶金等諸多領(lǐng)域。

由于以全玻璃真空管式太陽(yáng)能熱水器為代表的傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器具有安全、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但存在體積較龐大、玻璃管易碎、管中易集結(jié)水垢、不能承壓運(yùn)行等諸多不足。所以，近年來(lái)太陽(yáng)能熱管熱水器開(kāi)始流行。太陽(yáng)能熱管熱水器主要是指太陽(yáng)能重力熱管熱水器，太陽(yáng)能重力熱管對(duì)于太陽(yáng)能熱水器的各項(xiàng)品質(zhì)有著很好的改善和提高，太陽(yáng)能重力熱管熱水器的利用率正在逐年提高。在太陽(yáng)能重力熱管熱水器的制造過(guò)程中，其熱管真空灌注技術(shù)是關(guān)鍵，而目前主要是采用手動(dòng)灌注技術(shù)，但手動(dòng)式太陽(yáng)能重力真空灌注技術(shù)的生產(chǎn)效率較低、工質(zhì)灌注精度不夠高、熱管的壽命和熱利用效果有待進(jìn)一步提高。本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)熱管真空灌注系統(tǒng)來(lái)改善這些不足，它對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二 重力熱管工作原理

重力熱管工作原理圖如圖1所示，在密閉的管內(nèi)先抽成真空，在此狀態(tài)下充入適量的工質(zhì)液體，在熱管的下端加熱，工質(zhì)液體吸收熱量汽化為蒸汽，在微小的壓差下上升到熱管的上端，并向外界釋放熱量凝結(jié)成液體，冷凝液在重力的作用下沿?zé)峁軆?nèi)壁返回受熱段并再次受熱汽化，如此循環(huán)往復(fù)連續(xù)不斷地將熱量由一端傳向另一端。其主要特點(diǎn)為：熱管的熱導(dǎo)系數(shù)是普通金屬的100倍以上，傳熱效率極高；同時(shí)，熱管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并具有單向?qū)岬奶攸c(diǎn)。

太陽(yáng)能重力熱管熱水器正是利用重力熱管的原理使得熱水器的熱利用率等各項(xiàng)性能得到較大的改善。

三 全自動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和本設(shè)計(jì)可達(dá)到的指標(biāo)

1 技術(shù)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)全自動(dòng)太陽(yáng)能重力熱管真空灌注系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)是在高真空環(huán)境下，將工質(zhì)液精確注入熱管內(nèi)并將管口封嚴(yán)，其過(guò)程要求全自動(dòng)、灌液精度高、生產(chǎn)效率高。

2 達(dá)到的指標(biāo)

經(jīng)過(guò)巧妙構(gòu)思、反復(fù)試驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)出獨(dú)創(chuàng)的高真空、帶千分尺精確定量的集成灌注系統(tǒng)，該系統(tǒng)集計(jì)量、抽真空、預(yù)灌、灌液、吹殘液等多功能于一體，其灌液精度為±0.2mL。該全自動(dòng)系統(tǒng)使設(shè)備操作變得更加簡(jiǎn)單、方便和可靠，生產(chǎn)效率得到很大提高。

該設(shè)計(jì)選用無(wú)油分子泵系統(tǒng)，真空度可達(dá)到8×10-4Pa，采用該設(shè)計(jì)生產(chǎn)的熱水器重力熱管，可達(dá)到用戶(hù)予定指標(biāo)，熱管底部尾管40mm插入70℃水中3s，2m長(zhǎng)的熱管頂端溫度達(dá)到60℃，傳熱效率高，熱均溫性好。

四 提高太陽(yáng)能重力熱管灌注精度的設(shè)計(jì)

根據(jù)近幾年來(lái)對(duì)熱管液體工質(zhì)灌裝的調(diào)研，目前熱管工質(zhì)主要采用沸騰法和針管注射法，這兩種灌裝方式的精度都較低，而且重復(fù)性較差，基本精度只能達(dá)到±1mL。

我們經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)、改進(jìn)，將灌液過(guò)程中的預(yù)灌、計(jì)量、灌液動(dòng)作設(shè)計(jì)成一個(gè)高精度組合閥門(mén)，利用該組合閥來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)抽真空、預(yù)灌液、灌液量精確調(diào)節(jié)、灌液、灌液后高壓吹殘液等功能，該組合閥具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖2所示。由于采用千分尺原理，因此，每旋轉(zhuǎn)一圈，預(yù)灌區(qū)容積變化1mL，而每圈有50個(gè)刻度，如此可精確控制到每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)刻度，預(yù)灌區(qū)容積變化0.02mL，考慮到其他加工精度的影響，灌液精度可控制在±0.2mL，與傳統(tǒng)方式相比精度提高了5倍。

五 提高太陽(yáng)能重力熱管導(dǎo)熱效率和使用壽命的設(shè)計(jì)

降低熱管灌裝時(shí)的真空度是提高熱管導(dǎo)熱效率和延長(zhǎng)熱管使用壽命的關(guān)鍵。通過(guò)降低熱管灌裝時(shí)的真空度，不但可有效提高熱管導(dǎo)熱效率，還可延長(zhǎng)其使用壽命。液體工質(zhì)灌裝時(shí)如果真空度低，對(duì)熱管的壽命及傳熱效果影響較大。真空度低直接影響液體工質(zhì)中的不可凝氣體不能很好排除，若排除不好，不可凝氣體會(huì)凝聚在熱管的頂部，形成一段不能產(chǎn)生熱效應(yīng)的死區(qū)，不可凝氣體越多該死區(qū)越長(zhǎng)，傳熱效果就越差。

要解決降低熱管灌裝時(shí)真空度的問(wèn)題，一方面要配置抽速足夠的真空泵，更重要的是保證在第一次灌液后在管路上不能留有殘液。因此，本設(shè)計(jì)配置的真空泵是2臺(tái)1600L/S的分子泵和2臺(tái)機(jī)械泵，這樣可保證合適的抽速；同時(shí)還首創(chuàng)在灌液結(jié)束后用一個(gè)特制閥門(mén)通入高壓氣體(高純氮?dú)?，經(jīng)過(guò)3～5次的高壓氣體的吹洗，粘接在管路內(nèi)壁上的殘液能全部吹出系統(tǒng)，保證下一次抽真空能順利高效地進(jìn)行。因此，本設(shè)計(jì)可使每次真空度都低于8×10-4Pa。

六 提高太陽(yáng)能重力熱管生產(chǎn)效率的設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)快速真空密封氣囊

為了提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)一個(gè)快速真空密封氣囊裝置(見(jiàn)圖3)，這樣可方便裝卸熱管，從而能提高效率。

采取圖3所示的裝置，可使熱管頂端密封部位插入氣囊內(nèi)，氣囊內(nèi)部充入3～6個(gè)大氣壓的高壓氣體，使氣囊內(nèi)壁受力緊貼熱管起到隔絕大氣與真空系統(tǒng)作用；需要卸熱管時(shí)，只需輕按泄壓開(kāi)關(guān)，高壓氣體自動(dòng)泄壓，氣囊不受力后熱管自動(dòng)脫落。

2 設(shè)計(jì)全自動(dòng)熱管真空系統(tǒng)消除殘液

目前熱管灌裝設(shè)備，真空度一般只能達(dá)到10-2Pa，有的只能達(dá)到10-1Pa甚至幾十Pa，因?yàn)槲茨芎芎玫亟鉀Q熱管灌液后工質(zhì)殘存在管路內(nèi)表面的問(wèn)題，抽真空時(shí)間很長(zhǎng)，要達(dá)到10-4Pa的真空度需要10h甚至更多，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率。目前很多企業(yè)為了提高效率，必然降低抽真空時(shí)間，這會(huì)影響熱管的傳熱效率和壽命。設(shè)計(jì)全自動(dòng)重力熱管真空灌裝系統(tǒng)，可解決殘液的影響，真空度達(dá)到10-4Pa只需要2h，大大提高了生產(chǎn)效率，是傳統(tǒng)設(shè)備的5倍效率。

七 全自動(dòng)太陽(yáng)能重力熱管真空灌裝系統(tǒng)的整機(jī)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為全自動(dòng)控制模式，即整機(jī)采用全自動(dòng)控制，完全不同于傳統(tǒng)的手工操作。采用PLC控制嚴(yán)格控制工藝流程；采用觸摸屏做為用戶(hù)輸入輸出界面，這樣可便于工藝參數(shù)的修改和維護(hù)。此外，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排氣和灌液功能，對(duì)工藝參數(shù)的修改可通過(guò)人機(jī)界面或上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。整機(jī)設(shè)計(jì)詳情如圖4所示。

全自動(dòng)太陽(yáng)能重力熱管真空灌裝的控制整機(jī)的設(shè)計(jì)不但可用于太陽(yáng)能熱水器，還可用于太陽(yáng)能真空集熱管、太陽(yáng)能集熱器和各類(lèi)電器元件的散熱器上重力熱管工質(zhì)的真空灌裝及其密封，它集成了物理、材料、機(jī)電和計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域、多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，解決了手工操作精度差、效率低等制約高效太陽(yáng)能等與熱管相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一大難題。因此，采用重力熱管技術(shù)的太陽(yáng)能熱水器等相關(guān)產(chǎn)品的推廣對(duì)于推動(dòng)太陽(yáng)能等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及國(guó)家低碳、節(jié)能產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

八 結(jié)束語(yǔ)

由于重力熱管被應(yīng)用在太陽(yáng)能熱水器上，是一件具有開(kāi)拓性的創(chuàng)新技術(shù)，直到2010年后，國(guó)內(nèi)少數(shù)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)才著手研發(fā)全自動(dòng)太陽(yáng)能重力熱管真空灌注技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備，但是目前都處于研究階段，還沒(méi)有出現(xiàn)成熟的產(chǎn)品。因此，研究科學(xué)的全自動(dòng)太陽(yáng)能重力熱管真空灌注系統(tǒng)勢(shì)在必行。雖然本設(shè)計(jì)目前處于研發(fā)階段，但國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能企業(yè)已經(jīng)在嘗試使用本項(xiàng)技術(shù)，如常州市斯普朗特太陽(yáng)能熱水器有限公司和德州皇明太陽(yáng)能真空管有限公司正在使用，且使用效果良好。由于該項(xiàng)技術(shù)也可給大型半導(dǎo)體器件提供重力熱管散熱器，株洲時(shí)代散熱器有限公司正在考慮使用該項(xiàng)技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體散熱器。

總之，太陽(yáng)能重力熱管熱水器的研究與應(yīng)用符合我國(guó)集約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，是時(shí)代的呼喚。

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