換熱管輸送介質(zhì)與管殼材料相容性
不相容引起的后果主要有二個:一個是腐蝕材料,另一個是產(chǎn)生不凝結(jié)氣體。如果換熱管管殼或管芯材料溶解于工質(zhì)中,則在冷凝段和蒸發(fā)段之間多半要發(fā)生傳質(zhì)。溶解的固體材料沉積到蒸發(fā)段內(nèi),這將導(dǎo)致或者產(chǎn)生局部熱點或者堵住管芯的毛細(xì)孔,產(chǎn)生不凝結(jié)氣體。這些是熱管出故障最常見的跡象。由于不凝結(jié)氣體趨向于聚集到冷凝段,便冷凝段逐漸被氣體堵塞。這種現(xiàn)象,可從不凝結(jié)氣體與蒸氣界面處的急劇溫降上鑒別出來。
很多實驗室進行過壽命試驗,但是,一個實驗室取得的壽命試驗數(shù)據(jù)可能得到令人滿意的相容性。而另一個實驗室由于采用不同的組裝方法,例如采用非標(biāo)準(zhǔn)的材料處理過程,就可能得出不同的腐蝕特性或產(chǎn)生不凝結(jié)氣體的特性。因此,無論是改變清洗方法或者是改變熱管組裝方法,都應(yīng)重新取得相容性的數(shù)據(jù),這一點是很重要的。
從相容性的觀點看,以丙酮、氨和金屬為工質(zhì)時,不銹鋼適于作管殼和管芯材料,其缺點是熱導(dǎo)率低。而銅和鋁則可用于需要熱導(dǎo)率高的地方。銅特別適合于做批量生產(chǎn)的水熱管的材料。塑料也可被用來做管殼材料,而且已認(rèn)真考慮過在非常高的溫度下采用陶瓷這類耐熔材料做熱管管殼。為了使管殼產(chǎn)生一定的撓性,采用了不銹鋼波紋管。在要求電絕緣的情況下,采用陶瓷或玻璃與金屬封接材料做管殼。當(dāng)然,這種管殼必須和不導(dǎo)電的管芯和工質(zhì)配合使用。
對中等溫度范圍內(nèi)材料的組合作過綜合性評述,歸納如下。表2-1中列出一些液體與材料的組合。
有人對表2-1中熱管作了最新壽命試驗,試驗結(jié)果表明,銅水熱管可以長期運行,現(xiàn)在已超過20000小時,性能不降低。但是對不銹鋼-水熱管觀察到的結(jié)果產(chǎn)生了嚴(yán)重的不凝結(jié)氣體。而對丙酮銅、丙酮-不銹鋼的組合提出了某些保留條件,即必須適當(dāng)注意丙酮和金屬兩者的純度,才能使其相容。對采用甲醇的情況也有同樣的看法。
對不銹鋼-水熱管進行了破壞性試驗,試驗的蒸氣溫度高達(dá)250℃.發(fā)現(xiàn)在250℃下產(chǎn)生的氫氣量大為減少,可是,這既不是因為改變了加工參數(shù),也不是因為在氣體中加入了大比率的氧。某些情況下,只在啟動兩小時以內(nèi)產(chǎn)生氫氣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鋼上所形成的一層氧化膜制止了進一步產(chǎn)生氫氣。
熱管的壽命試驗主要是鑒定工質(zhì)與管芯和外殼材料之間可能出現(xiàn)的任何不相容性。然而,基本的壽命試驗應(yīng)是在實際運行條件下進行長期的性能試驗。假如顯著增加蒸發(fā)段的熱通量,使熱管在超過其設(shè)計能力下運行,就可能引起燒毀。因此,難以用增加蒸發(fā)段熱通量的辦法來加快壽命試驗。
加快壽命試驗另一種可能的途徑是加快任何降低熱管性能過程的速度。如果設(shè)計允許,可提高熱管運行溫度。此法的缺點是升高溫度可能影響到工質(zhì)本身的穩(wěn)定性。例如,丙酮的分解可能是產(chǎn)生金屬氧化物的一個因素,生成雙丙酮醇。其沸點比純丙酮的高很多。顯然,制定壽命試驗方案時要考慮很多因素,包括熱管用閥門的必要性或者像試驗熱管一樣把試驗熱管全部密封起來等。這個課題很重要。
在國際熱管會議上提出了大量新的相容性資料。有關(guān)相容性的建議如表2-2所示。
在作管殼與工質(zhì)相容性的試驗時,有的人成功了,有的人不成功,這可能與溫度有關(guān)。
幾年來,對于水-不銹鋼的組合進行了相當(dāng)多的研究,并且存在著爭論。有人用347型不銹鋼作水熱管的管殼,銅作管芯的水熱管,在165℃C下,沒有出現(xiàn)產(chǎn)生氣體的跡象(347型不銹鋼不含鈦,但含鉭。它是一種吸氫劑)。意外的是,若用347型不銹鋼作管芯卻會引起迅速地產(chǎn)生氣體。在制作熱管時,必須強調(diào)用嚴(yán)格和正確的清洗方法進行清洗,并且指出在充裝工質(zhì)時把清洗劑和溶劑排凈同樣是重要的。
用一種新工質(zhì)-硫作硫熱管在200 ~ 600℃范圍內(nèi)運行這一范圍內(nèi)最難找到合適的工質(zhì))。純硫的熔點為112℃,沸點為44℃臨界溫度為1040℃,然而,硫有些性質(zhì)尤其是黏度對溫度格外敏感,致使它不適于在較寬的溫度范圍內(nèi)作熱管工質(zhì)。
在硫中加入少量的碘就可以顯著改變硫的動力黏度。在不加碘時,硫在187℃下的流動黏度很大。不過,加熱到300℃時,黏度迅速降低到與120℃C左右測得的黏度處于同一個數(shù)量級。在硫中加入3%5%及10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碘,對黏度的影響是黏度顯著降低,并且完全消除了純硫時出現(xiàn)的值,即消除了在熱管容許運行溫度范圍內(nèi)的不連續(xù)現(xiàn)象。
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