专利名称：一种高效耐蚀轻质热管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高效耐蚀轻质钛制热管，可用于化工、石油化工、湿法冶金、制药、
核电、海水淡化、航空航天等领域。
背景技术：
众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量热量 通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组 成，将管内抽成1. 3X (10—1 10—4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴内壁的吸液芯 毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段。当蒸发段受热 时毛细芯中的液体蒸发气化，蒸气在微小的压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，液体 再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此反复，热量由热管的一端传至另一端。目 前工业上应用的热管多为碳钢及铜制热管，对于碳钢-水热管一个显著的缺陷是存在管壳 与工作液体的相容性问题，很大程度上影响了热管的使用寿命。且由于碳钢和铜的比重较 高、耐蚀性能较差等特性，限制了其热管在特殊领域(如航空航天、一些强腐蚀环境)的应 用。 钛材最突出的特点是其一，密度小、比强度(尤其是高温下的比强度)高，这一特 点使其在航空航天领域得到了日益广泛的应用；其二，具有优异的耐腐蚀性能，可在中性、 氧化性、弱还原性介质，如淡水、海水、湿氯气、硝酸、醋酸、苯二甲酸、尿素等中长期使用。另 外，钛作为换热元件使用具有以下优点①因其优良的耐腐蚀性，管壁可以很薄，提高了换 热效果；②表面光洁、无垢层，污垢系数大大降低；③钛的表面能较低，液体对钛的浸润性 小，在其表面易于形成滴状冷凝，这种冷凝方式，与液体在碳钢、铜表面通常所形成的膜状 冷凝相比，传热系数可提高一个数量级。目前，钛制换热器在舰船、动力、石油化工、海水淡 化等工业领域的应用日益增多，约占钛制化工设备的57 % 。
发明内容
本发明提供了一种内壁扩散焊多孔层状结构、工作介质为纯水、管壳材料为工业 纯钛的热管，其耐蚀性、传热效率大大提高，且不存在管壳、吸液芯与工作液的相容性问题。
本发明是通过以下技术方案实现的 —种高效耐蚀轻质热管，由管壳1、吸液芯2、上封头4-a、下封头4-b和保护套5组
成，其特征在于，管壳l的材质为钛，管内吸液芯2为经真空扩散焊而成的多孔层状结构的
钛金属丝网，所述的丝网为3 6层，目数为100 400目，与管壳内壁冶金结合，丝网的目
数从管壳内壁处沿管径向向内逐渐增大，丝网形成的孔隙为内凹型孔穴3。 上述技术方案中，靠近管壳内壁的最外层丝网目数为100 200目，沿管径向的最
内层丝网目数为400目。 上述技术方案中，热管长度一定时，丝网层数随着热管长径比的减小而增加。
本发明还提供一种上述热管的制备方法
—种高效耐蚀轻质热管的制备方法，其特征在于，采用特殊焊接工艺消除吸液芯 与内壁间热阻，同时形成内凹型多孔结构强化蒸发段传热，所述方法步骤如下
1、清洗管壁，将丝网缠绕在芯棒上，丝网与管内壁为过盈配合，将缠绕网的芯棒一 起推压到管内后把芯棒抽出； 2、将3 6层100 400目的丝网及丝网与管壁进行真空扩散焊，扩散焊工艺如 下真空度10—屮a，温度1000 1200。C，压力在20 30MPa之间，焊接时间为15 30分 钟； 3、向管内充装纯水介质，充液量为热管总容积的20% 30%，对管内抽真空，并 对热管进行真空封口。 本发明的管内吸液芯是一种由网眼尺寸不同的丝网组成的多孔层状网芯结构，如 图2、3所示。多孔层状结构为不同目数的多层钛金属丝网扩散焊而成，这样可以消除丝网 型吸液芯与管壁的接触热阻，防止在蒸发段出现局部过热。 靠近管内壁处为目数较小(孔径较大)的丝网，沿径向丝网的目数逐渐增大(孔 径减小)，这样做的目的，其一是充分利用小孔丝网的毛细力同时，大孔丝网使得液体回流 的阻力较小；其二是所形成的多孔结构的孔隙形式为内凹型孔穴3，如图4所示，可对蒸发 段工作介质的沸腾起到显著的强化作用，并显著降低沸腾过热度，强化热管的启动性能。
钛金属丝网层数及层数选择与热管长度及长径比有关，随着热管长度增加选择丝 网目数也相应增大，以提高吸液芯的毛细力，但靠近管内壁丝网目数不低于100目，也不宜 超过200目。内层丝网目数，沿径向逐渐增大。吸液芯丝网层数则根据热管长径比进行 选取，在热管长度一定的前提下，丝网层数随着长径比的减小而增加，选择范围应不少于3 层，不超过6层。同时要考虑到吸液芯毛细极限和最大传递功率，综合选取。
利用蒸汽在钛表面易于形成滴状冷凝的特点，钛制热管的冷凝段传热得以强化。 研究表明，钛_水两相闭式热虹吸管的冷凝段传热系数为碳钢_水和铜_水两相闭式热虹 吸管的2 4倍。 这样，通过蒸发段和冷凝段的同时强化，实现热管整体传热性能的高效化。
有益效果 用本发明的方法制造的钛-水热管不存在钛和水的相容性问题，管内不易产生不
凝性气体，并大幅度提高了热管的耐蚀性、减轻了热管重量、提高了换热效率。 本发明的热管吸液芯与管壁采用扩散焊技术，消除了管壁和与吸液芯接触热阻，
避免了蒸发段的局部过热问题；吸液芯采用不同目数丝网，强化了热管蒸发段传热和启动
性能，减小了管内流体阻力。 本发明利用蒸汽在钛表面易于形成滴状冷凝的特性，强化了热管冷凝段的传热性
图1是本发明的热管结构示意图 其中，l :管壳，l-a:冷凝段，l-b :蒸发段，2 :吸液芯，4_a :上封头，4_b :下封头，
5-保护套。
0025] 图2是本发明的热管及吸液芯剖面结构示意图
其中，l :管壳，201，202，203，204 :由管壁沿管径向向内的第1、2、3、4层丝网。 图3是本发明管内组合网吸液芯示意图 其中，l :管壳，2 :吸液芯，3 :内凹型孔穴。 图4是本发明管内组合网吸液芯示意图 其中，l :管壳，201，202，203，204 :由管壁沿管径向向内的第1、2、3、4层丝网，3 :内
凹型孔穴。 图5是本发明热管与对比热管蒸发段传热系数对比。 图6是本发明热管与对比热管冷凝段传热系数对比。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1、2、3、4所示。
实施例1 制备如图所示的钛制热管，由冷凝段l-a和蒸发段l-b组成的壳体1，吸液芯2为 由网眼尺寸不同的丝网组成的多孔层状网芯结构。吸液芯由4层钛金属丝网201、02、203、 204通过扩散焊连接组成，由管壁向内丝网目数逐渐增大。外层丝网201与内壁通过扩散 焊形成冶金结合，同时保证不同目数的各层钛金属丝网在扩散焊过程中形成了多孔层状结 构。 具体制造步骤如下 先清洗管壁、除去氧化膜。然后将丝网缠绕在芯棒上，丝网与管内壁的配合性质为
过盈配合，装配时，将缠绕网的芯棒一起推压到管内，再单独把芯棒抽出。 丝网目数和层数根据热管长度及长径比进行选取，热管长1000mm，管内径25mm，
则可选择目数分别为200、250、300、350目的4层丝网，靠近管内壁为200目，沿径向目数逐
渐增大。 其次，通过扩散焊将丝网与管壁l，及丝网之间进行焊接，扩散焊的具体工艺参数 为真空度为10—屮a，确保材料不受氧化和污染；控制焊接温度在IIO(TC ;压力在25MPa ;焊 接时间，25分钟。 第三，对热管壳体进行检漏后，向管内充装纯水介质，充液量为热管总体积的 25%，在充装前需要对工作介质进行除气。然后对管内抽真空，工艺可参考碳钢及铜热管相 关工艺。 最后，是对热管进行真空封口 ，封口过程可参照钛材焊接及热管制造相关手册。本
发明未涉及部分，可采用现有技术加以实现。
对比例1 : 对比热管1管壳材质为紫铜，内壁烧结多孔层，形成烧结型吸液芯，孔隙率约为 45%，管内工作介质为水，充液量为25%。
对比例2: 对比热管2管壳材质为紫铜光管，吸液芯为4层200目铜丝网，贴合于热管内壁， 管内工作介质为水，充液量为热管总体积的25%。 图5、6分别为本发明热管与相同内径、壁厚和长度的对比热管1及对比热管2的蒸发段和冷凝段在不同热通量条件下传热系数的对比曲线。显然，在相同热流密度下，本发 明热管蒸发段传热系数较对比热管2有显著提高，与对比热管1基本持平，冷凝段传热系数 较其它两种对比热管均有较大程度提高，传热强化效果明显。
权利要求
一种高效耐蚀轻质热管，由管壳1、吸液芯2、上封头4-a、下封头4-b和保护套5组成，其特征在于，管壳1的材质为钛，管内吸液芯2为经真空扩散焊而成的多孔层状结构的钛金属丝网，所述的丝网为3～6层，目数为100～400目，与管壳内壁冶金结合，丝网的目数从管壳内壁处沿热管径向向内逐渐增大，丝网形成的孔隙为内凹型孔穴3。
2. 如权利要求1所述的高效耐蚀轻质热管，其特征在于，所述的靠近管壳内壁的最外 层丝网目数为100 200目，沿管径向的最内层丝网目数为400目。
3. 如权利要求1所述的高效耐蚀轻质热管，其特征在于，在确定的热管长度下，所述的 丝网层数随着热管长径比的减小而增加。
4. 一种制备如权利要求1所述的高效耐蚀轻质热管的方法，其特征在于，所述方法步 骤如下1) 清洗管壁，将丝网缠绕在芯棒上，丝网与管内壁为过盈配合，将缠绕网的芯棒推压到 管内后把芯棒抽出；2) 将3 6层100 400目的丝网进行真空扩散焊，且丝网与管壁也进行真空扩散焊， 扩散焊的工艺参数如下真空度10—屮a，温度1000 1200°C ，压力在20 30MPa之间，焊接 时间为15 30分钟;3) 向管内充装纯水介质，充液量为热管总容积的20% 30%，对管内抽真空，并对热 管进行真空封口。
全文摘要
本发明提供了一种高效耐蚀轻质热管，其管壳材料为工业纯钛，工作介质为纯水。热管内壁真空扩散焊3～6层钛金属丝网(100～400目)形成多孔层，丝网的目数从管壳内壁处沿管径向向内逐渐增大，丝网形成的孔隙为内凹型孔穴，在为冷凝段的液体回流提供毛细力的同时，可为蒸发段工质提供大量稳定的气化核心，强化沸腾传热，且可大大降低沸腾过热度，强化热管的启动性能。冷凝段利用蒸汽在钛表面形成滴状和膜状冷凝共存的混合机制强化冷凝换热，从而实现了热管传热性能的整体高效化，与同规格铜-水热管相比，该热管的传热性能至少可提高1倍以上。
文档编号B23P15/26GK101694358SQ20091019751
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者侯峰, 张莉, 徐宏, 朱登亮, 齐宝金 申请人:华东理工大学;