热管技术及其工程应用
从实践中来 到实践中去
从实践中来到实践中去作者：范佳乐来源：《科学中国人·上半月》2020年第01期进入21世纪后，信息化浪潮引发的科技革命，为人类生产与生活带来了天翻地覆的变化。
在国内外多重变化的推动下，中国经济发展迈进了历史的关键拐点。
在这一进程中，发展以高端装备制造为代表的战略性新兴产业作为重中之重，已成为各国竞相追逐的赛场。
无数科研人员为此吹起了冲锋的号角，开拓创新，以期赢得智能未来，华南理工大学机械与汽车工程学院教授李勇就是其中一员。
以电子散热领域为基点，从20世纪末实现机械自动化目标到如今智能制造的梦想，李勇见证并参与了中国制造业飞速发展壮大的20年。
于他而言，最有成就感的地方莫过于将自己热爱的事业融入祖国和民族建设当中。
2019年国庆前夕，李勇收到了一份沉甸甸的荣誉——华南理工大学84人获得了“中华人民共和国成立70周年”纪念章，李勇就是其中多名科技工作者中的一位。
这是国家和时代对于奋斗者的馈赠，对李勇来说，更是一个莫大的鼓舞。
面对新时代日新月异的挑战，他也将不忘初心、牢记使命，继续以满腔热忱向更加智能的方向迈进。
工程科研要结合产业实践仅仅将时间倒退到20多年前，那时的国人也不敢想象今天的生活盛景：高铁随处可达、手机万物互联……科技的飞速发展，大幅度提高了14亿中国人的生活水平和质量，使中国人民的面貌发生了历史性改变。
在李勇小时候的印象中，国外业已普及的自动化机械在国内还很难见到，身在农村，那时仅能见到农用手扶拖拉机，不过这已足够引起他的兴趣了。
“尽管那些农业自动化机械现在看来都非常简陋，但在当时还是觉得很了不起。
就是这些能够大幅度提高農业生产效率的设备，引起了我的极大好奇心，所以后来大学就选择了机械制造专业。
”李勇说道。
1993年，李勇顺利考入哈尔滨理工大学机械制造工艺及装备专业。
4年求知若渴的岁月很快过去，急切渴望将学来的知识应用在实践中的李勇，本科毕业之后就找到了一家企业工作，但很快他就发现了问题与不足。
热管技术的应用及发展
热管技术的应用及发展逄 燕(大连熵立得传热技术有限公司,辽宁大连116600)摘要:简要介绍热管技术的发展经过。
通过列举实例,重点论述国内外热管技术在冻土病害防治、太阳能采暖、工业、电力电子、粮食果蔬储藏等领域的应用情况,并指出目前该技术发展存在的问题。
据此,对热管技术的发展提出展望。
关键词:热管;技术;应用;发展中图分类号:TK172 4 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2010)08-0008-03引言热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R S Gaug ler于1944年在美国专利中提出的。
1967年一根不锈钢 水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功,从此吸引了很多科学技术工作人员从事热管研究。
1970年在美国出现了供应商品热管的部门,热管的应用范围从宇航扩大到了地面。
1980年美国Q-Do t公司生产了热管废热锅炉,日本帝人工程公司成功地用热管做成锅炉给水预热器,解决了排烟的露点腐蚀问题。
1984年Cotter较完整地提出了微型热管的理论及展望,为微型热管的研究及应用奠定了理论基础。
20世纪70年代以来,热管技术飞速发展,各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均开展了多方面的开发、应用研究,国际间、地区间及各国的热管技术交流活动日益频繁。
我国于1970年开始热管研制工作,首先是为航天技术发展的需要而进行的。
由于我国是一个发展中国家,能源的综合利用水平较低,因此自20世纪80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用,相继开发了热管气 气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类产品。
1国内外热管技术的应用情况1 1冻土病害防治领域自20世纪60年代以来,国外已将热管技术广泛应用于多年冻土地区的铁路、公路、管线工程、桥梁、涵洞、隧道、机场跑道、通讯线路塔、输电线路塔、水利工程及港口工程中。
在这些基础工程中,热管被称为热棒,主要用于冷却地基,防止地基冻胀和融沉变形。
热管技术
从传热状况看，热管沿轴向可分为 蒸发段，绝热段和冷凝段三部分。
2.2. 热Байду номын сангаас的工作过程
如图：当热管的一端受热时毛细芯中的液 体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另 一端放出热量凝结成液体，液体在沿多孔 材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循 环往复，热量便从一端传到了另一端！
(1)热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行 这一特点对连续性生产的工程，如化工、冶金、动力等部门具有特别重要的意义。 常规换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有 泄漏，则将造成停产损失。由热管组成的换热设备，则是二次间壁换热，即热流要通 过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体，而热管一般不可能在蒸发段和冷 凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。 (2)热管管壁的温度可调性 热管管壁的温度可以调节，在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以通 过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点以上，从而可防止露点腐蚀， 保证设备的长期运行。这在电站锅炉尾部的空气预热方面应用得特别成功，设置在锅 炉尾部的热管空气预热器，由于能调整管壁温度不仅能防止烟气结露，而且也避免了 烟灰在管壁上的粘结，保证锅炉长期运行，并提高了锅炉效率。 (3)冷、热段结构和位置布置灵活 由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置布置非常灵活，可适 应于各种复杂的场合。由于结构紧凑占地空间小，因此特别适合于工程改造及地面空 间狭小和设备拥挤的场合，且维修工作量。 (4)热管换热设备效率高，节能效果显著。
2.5热管的相容性及寿命
热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发 生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。 相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管， 才能保证稳定的传热性能、长期的工作寿命及工业应用的可能性。影响 热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三 方面：
热管
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3.热管的基本工作
热管由管壳、吸液芯和端盖组 成，将管内抽成1.3×10-1-10-4Pa 的负压后充以适量的工作液体 ，使紧贴管内壁的吸液芯毛细 多孔材料中充满液体后加以密 封。管的一端为蒸发段(加热段) ，另一端为冷凝段(冷却段)，根 据应用需要在两段中间可布置 绝热段。当热管的一端受热时 毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸 汽在微小的压差下流向另一端 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。
热管电机
密闭电气柜散热
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5.6热管应用于电子元件及微型组件的散热
对于电子元件或部件进行热控制是电子设备向前发展的重 要问题，近年来，由于技术的进步电子设备向大功率，紧 凑化方向发展，因此，单位体积内产生的热量增长很快， 与此同时，有效的散热面积却相应的缩小，从而使散热问 题更为突出。
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上图分别为计算机显卡的热管散热产品，以及大功率电脑芯片的热管散热器， 它们形态各异，但是所完成的功能是一样的，而且都有散热能力大，重量轻， 尺寸小等优点。
即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效
果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开 辟了散热行业新天地。
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5 .1热管式换热器
从外型上看热管换热器的管束与普通空气散热器的管束相 类似，但两者的根本区别是，热管式换热器的冷热流体全 部在管外流动，每根热管可以看成一个独立的换热单元， 中间由隔板隔开，通过热管内部的工质的蒸发（或沸腾） —冷凝来传递热量
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空调用热管换热器原理
空调用热管换热器运行
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5.3热管余热回收装置的性能特点
安全可靠性高
常规的换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有 泄露，则将造成停产损失。热管余热回收器则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸 发段管壁和冷凝段管壁才能传到泠流体
热管技术在热能工程中的应用
热管技术在热能工程中的应用随着科学技术的不断发展，热能工程也在不断发展，但是在热能工程中却遇到了前所未有的难题，那就是高绝热材料和高导热材料的研究和使用。
在这种情况下，热管的发明解决了这一技术难题。
从数量级水平上来讲，热管的导热系数最高可以达到105 W/m·℃，是铝、柴铜、银等金属的几百倍甚至上千倍。
通过热管技术，可以从截面积非常小的热管中将大量的热进行远距离传输并且不需要施加任何动力。
目前，热管以它优良的导热性能，可靠的工作状态越来越受到热能工程的青睐。
1 热管的基本组成及工作原理1.1 热管的基本组成常用的热管主要包括3部分结构：主体、内部空腔和毛细结构等。
其中主体部分是一段封闭状态的金属管，金属管通常是由不锈钢、碳钢等金属制成的可以承受相当大压力的全封闭结构，在其内部空腔里面存在着少量的气态或者液态的工作液（水、甲醇、丙醇、氨等）以及毛细结构，金属管内的空气和杂物不能包括在内。
热管本身就是抽成真空的封闭系统。
1.2 热管的工作原理按照传热的状况，沿热管轴可以将热管分成三个工作段，即蒸发、冷凝、绝热三段。
在工作过程中，外部热量导致蒸发段以及内部的液体温度升高蒸发，蒸发后蒸发段的气压迅速升高，当气压达到饱和蒸发压时，热量便以潜热的形式传递给蒸汽。
在这个过程中，蒸发段内的饱和蒸汽压逐渐升高，这样就导致蒸汽段的气压远远大于冷凝段的气压，此时蒸汽便沿着蒸汽通道慢慢流向冷凝段，然后在冷凝段进行冷凝，从而放出潜热。
从冷凝段放出的潜热通过吸液芯和热管的管壁，将热量传递到管外，这样就完成了无外力的热传统过程。
在工作过程中，释放完热量的液体沿吸液芯进行回流，并最终回流到蒸发段，然后进行下一次的热量传递。
这样周而复始，就可以不断地将热量从蒸发段传递到冷凝段。
在热量传递的过程中，绝热段一方面为热管内流动的液体提供了流动的通道，另一方面还将蒸发段与冷凝段完整隔开，并且保证热管内的热量不向外界散失，从而保证了热量的有效传递。
热管技术及其工程应用
147～350 147～300 150～395 147～300 250～650
400～1 ,000 400～1 ,100 500～1 ,200 1 ,000～1 ,800 1 ,800～2 ,300
相容壳体材料
铝 、不锈钢 、低碳钢 铝 、铁
很多 ,如玻璃窑炉的烟气温度可达 500 ℃、大 型水泥窑尾废气温度一般在 900 ℃～1 ,000 ℃ 左右 、生产陶瓷的隧道窑排气温度也有高达 400 ℃,其中都含有大量余热 ,均可以用热管 回收加以利用 ,在节能领域也是相当有效的 措施.
(3) 深冷手术 深冷手术是在低于 - 60 ℃的温度下治疗 粘膜炎症的适宜方法 ,利用的是焦耳 ———汤 姆逊效应. 因具有无痛感 、不出血 、治疗时间 短等优点而广泛应用于临床. 关于深冷探针 用热管的研究 ,开始是由美国空军飞行动力 学研究所着手研究的 ,然后由美国利特公司 和修斯公司共同研制出来的 ,图 7 为深冷探
图 5 利用地热的热管融雪系统示意图
由于热管的导热率很高 ,可从地热低温热源 中取出热量加热公路表面. 这种系统利用的 是天然热源 ,具有不需能量成本 、不需维修等 优点. 同时 ,由于是低温差传热系统 ,铺路材 料中的热应力小 ,不易产生混凝土裂纹. 再 者 ,由于这一系统是由独立工作的多根热管 组成 ,因此 ,即便有一些热管损坏 ,也不致影 响整个系统. 此外 ,当由于太阳照射 ,公路表 面吸热而升温 ,其温度高于土壤温度时 ,热管 因单向导热性而停止传热 ,处于不工作状态.
物理与工程 Vol. 12 No . 3 2002
较为满意. 而对于大系统深穿透问题 ,算出的 结果往往偏低. 对于大系统 ,其他数值方法往 往很适应 ,能算出较好的结果. 因此 ,已有人将 数值方法与蒙特卡罗方法联合起来使用 ,克服 这种局限性 ,取得了一定的效果.
热管技术及其工程应用z
热管的应用领域广泛，涉及到不同的行业和领域，需要针 对不同的应用场景进行定制化设计和优化，以满足多样化 的需求。
热管技术的发展趋势与前景
高效化
随着科技的发展，对热管传热效率的要求越来越高，未来 热管技术将不断向高效化方向发展，提高热管的传热性能 和效率。
长寿命化
热管的使用寿命是衡量其性能的重要指标之一，未来热管 技术将不断追求长寿命化，提高热管的使用寿命和稳定性 。
微型化
随着微型化技术的发展，未来热管技术将向微型化方向发 展，应用于更小规模和更高精度的领域，如微型电子器件 散热等。
智能化
随着智能化技术的发展，未来热管技术将与智能化技术相 结合，实现热管的自适应调节和智能控制，提高热管的传 热热的案例分析
热管内部的相变过程
总结词
相变过程是热管内部传热的关键环节。
详细描述
在热管内部，工作液体在加热条件下发生相变，由液态变为气态，产生蒸汽流动 。这个相变过程伴随着大量热量的吸收和释放，是热管实现高效传热的关键。
热管的传热过程分析
总结词
热管的传热过程涉及多个物理现象。
详细描述
热管的传热过程包括工作液体的汽化、蒸汽的流动、蒸汽的冷凝和回流等环节。这些环节相互作用， 共同实现高效的热量传递。此外，热管内部的传热还受到管壁导热、蒸汽与管壁的对流换热等因素的 影响。
热管在余热回收和热能利用中的应用
总结词：节能环保
详细描述：热管技术广泛应用于余热回收和热能利用，将废弃的热量转化为可利用的能源，提高能源 利用效率，降低能耗和排放，符合节能环保的理念。
热管在新能源领域的应用
总结词：创新驱动
详细描述：随着新能源技术的不断发展，热管技术在太阳能 、风能等新能源领域得到广泛应用。热管能够高效地转换和 利用新能源产生的热能，推动新能源技术的创新和发展。
热管技术及其工程应用
热管技术及其工程应用
热管技术是空气压缩器的现代化技术，它是一种新型的节能和环境保护技术，具有结构简单、体积小、可靠性高等优点。
热管技术可以用来生产多种温度不同的空气压缩机，以满足客户的不同需求。
热管技术的工作原理是在高温条件下利用金属热管发挥其能量
转移的作用，通过热管内壁的热能传输，实现空气压缩机蓄热，把空气转变成较高压力的低温空气。
热管技术的应用非常多，它可以用在空调压缩机、冷却器和加热器等应用领域，其中，最常用的就是空调压缩机，它可以将空气从一端压缩到另一端，达到加热和冷却的效果。
此外，热管技术可以用在工业或者冶金等行业中，用来冷却或加热水，以便进行进一步的处理。
热管技术具有节能、高效、稳定性等优点，可以有效提高生产效率。
相比传统技术，热管技术工作效率更高，耗电量较低，更加环保。
此外，它的结构简单，体积小，可靠性高，可以有效满足客户的需求。
总的来说，热管技术是一种新型的节能和环保技术。
它具有节能高效、体积小、可靠性高等优点，目前已经广泛应用于空调压缩机、冷却器和加热器等多种领域，并可以为用户提供高质量的产品和服务，从而满足客户的需求。
随着科学技术的发展，热管技术将会发挥更大的作用，同时也将会持续研发出更多能够满足客户需求的新型热管产品。
我们相信，未来热管技术在不断推进中将会引领着更高水平的节能和环保技术，为社会发展和经济发展做出更大的贡献。
热管技术及其工程应用（清华大学内部资料）
Heat pipe Technology and Engineering Application北京交通大学机电学院热能与动力工程系热管种类工作介质相容材料工作温度/℃低温热管氨铝，低碳钢，不锈钢-60100常温热管丙酮铝，铜，不锈钢0120甲醇铜，碳钢，不锈钢12130水铜，内壁经化学处理的碳钢30250中温热管联苯碳钢，不锈钢147300导热姆A铜，碳钢，不锈钢150395汞奥氏体不锈钢250650高温热管钾不锈钢4001000钠不锈钢，INCONEL合金5001200银钨，钽18002300一．当今传热工程面临两大问题：具有良好导热性的材料有铝λ＝202W/m??℃、柴铜λ＝385W/ m??℃、和银：λ＝410W/ m??℃，但其导热系数只能达到102W/m??℃的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管的发明就解决了这一问题。
热管的相当导热系数可达105 W/m??℃的数量级．为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。
它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。
由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能．热管是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值。
热管的发展史· R.S.Gaugler1944·1962L.TrefethenGaugler·1967-· 1970· 1980Q-Dot· 1984Cotter7019 7319761978此后1981年在英国伦敦，1984年在日本筑波1987在法国格林贝尔，1990年在前苏联明斯克，1992年在中国北京，1995年在美国新墨西哥州，1997在德国斯图加特，1999年在日本东京，2002年在俄罗斯莫斯科，2004年在中国上海分别召开了第四至十三届国际热管会议；除此之外，中日双方从1985年至1994年分别召开了四届双边及多边热管技术研讨会；1996年在澳大利亚墨尔本召开的多边会议正式发展为1970197612780-198719918130th1983.1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液A traditional heat pipe is a hollow cylinder filled with a vaporizable liquid. A.Heat is absorbed in the evaporating section.B.Fluid boils to vapor phase.C.Heat is released from the upper part of cylinder to the environment vapor condenses to liquid phase.D.Liquid returns by gravity to the lower part of cylinder evaporating section.:FromHeat Pipes for Dehumidification除湿气二. 热管的工作过程在这一热量转移的过程中，具体包含了以下六个相互关联的过程：（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液的吸液芯传递到液-气分界面；（2）液体在蒸发段的液-气分界面上蒸发；（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流向冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段内的液-气分界面上凝结；（5）热量从液-气分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；（6）在吸液芯内由于毛细作用（或重力等）是冷凝后的工作也体回流到蒸发段。
热管技术及其工程应用
热管技术及其工程应用热管技术是一种先进的节能技术，它可以有效地降低用电量，减少能源消耗，从而改善和保护环境。
它的应用范围涉及汽车、建筑、制冷、供热、热水系统等多个领域，能有效改善能效，减少污染物的排放，提高能源利用率。
热管技术最早出现在20世纪50年代。
当时，它主要用于电力行业，以减少电力消耗。
随着科学技术的发展和人们对节能的重视，热管技术和热管工程得到了越来越多的应用。
汽车行业首先采用热管技术，其最突出的特征是体积小、重量轻、效率高。
它不仅可以减少发动机油耗，而且可以缩短发动机运行时间，减少排放，提高汽车性能。
热管技术还可以用于汽车空调系统，改善车辆内部环境，减少空调系统的耗电量。
在建筑行业中，热管技术的应用更加广泛。
它可以用于采暖和供热系统，可以改善房间的温度和湿度，减少用电量，延长设备的使用寿命。
热管技术还可以用于室外温控，改善外部建筑的热损失，保持室外环境的舒适度，减少能耗。
另外，热管技术也可以用于电子行业，如制冷系统、激光器、半导体芯片等。
它可以有效控制芯片的温度，降低元器件损坏的可能性，提高制冷系统的效率，减少制冷剂的排放量。
此外，热管技术在工业过程中也有重要应用。
热管可以有效控制工业设备的温度，维持运行环境的稳定，减少能源消耗，降低污染物排放。
比如，在石油化工、电镀、液体冶炼等领域，采用热管技术可以减少热能损失，提高能效，节约能源。
热管技术已经成为节能减排的重要解决方案。
热管工程应用可以大大减少用电量，同时还可以改善效率，提高能效，改善和保护环境，是21世纪最受欢迎的技术之一。
因此，决定采用热管技术的话，必须找到一个有经验的热管工程商来为系统定制布线方案，确保热管工程的顺利实施，实现节能减排的目标。
只有通过广泛采用热管技术和热管工程，才能推动绿色能源发展，实现节能减排，建设绿色家园。
总之，热管技术和热管工程的应用使能源资源有效利用，推动绿色能源发展，保障环境的健康发展，为构建美丽家园作出贡献。
热管实验报告
《空气热回收测试实验》实验报告指导老师:学生:学号:日期:北京工业大学建筑工程学院建筑环境与设备工程系一、实验背景随着社会的进步和人民生活水平的提高，建筑能耗已超过一次能源消耗的四分之一，采暖和空调能耗占到了50%以上。
由于空调系统能耗所占比例较大，也就同时具备了较大的节能潜力。
新风负荷占空调总负荷的20%~30%，采用热回收装置，回收排风的能量，对于减小建筑能耗是非常有必要的。
二、实验目的学生分别对模拟冬夏两季的空气热回收实验进行分析比较，增强对热回收技术的整体认识、对热回收技术的基础理论和设计方法立即，初步掌握空气热回收装置的工作原理和一般设计过程，加强学生的工程实践，拓宽学生的知识面，提高学生的创新设计能力与动手实践能力。
三、实验装置本实验装置的主要部件由新风模块(水系统、管式换热器、风机、风道)、排风模块(水系统、管式换热器、风机、风道)、直流电源、温度传感器、风速测试仪器、风压测试仪器、数据采集装置等组成。
其具体组成与测点分布如下图所示。
测点分布4.5.6 1.2.310.11.12 7.8.9图1 实验装置与测点分布四、实验步骤根据设计标准，室内最小新风量是30m3/(h·人)，针对2~5个人的新风量对换热器进行了测试。
具体实验步骤如下：（1）前期工作：按照所设计的实验系统将实验设备连接好，做好准备工作；热管换热器的准备，利用真空泵将热管换热器抽到所需的真空值，并灌入所需的充液量，最后将管口封死；将换热器装入实验台内，启动风机，通过调节直流电源的电压控制风机的转速，从而控制风速，找出所需要的风速对应的直流电源的电压值。
测出热管换热器两侧的压力损失；通过风机使风量达到一定值，保持风速恒定；（2）通过调节恒温水浴来控制通过换热器空气的温度，测量新风的温度；（3）调节恒温水浴的温度，测量排风的温度；（4）调整风量，稳定后重复（2）、（3）步骤；（5）实验完成后，拷贝数据，关闭所有实验设备、切断电源，整理实验台。
热管技术在化工余热回收中的应用
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广州化工 GUANGZHOU CHEMICAL INDUSTRY 2009,37(4)
参考文献(7条)
1.马永锡;张红 电子器件发热与冷却技术[期刊论文]-化工进展 2006(06)
在整个社会倡导节能降耗减排的今天，为热管技术及设备的 推广应用铺平了道路。在化工领域中，除了应用于余热回收，热管 技术还将渗透到化工单元操作中换热、搅拌、反应、分离等多个环 节，从根本上提高能源利用率，改善产品质量。
参考文献
ｐｉｐｅｓ［Ｒ］．ｋ 【ｌ】Ｃｏｔｔｅｒ Ｔ Ｐ．Ｔｈｅｏｒｙ《ｈｅａｔ
Ａｌａｍ∞Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｌａｂ．Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．
圈１烟气余热回收流程 在制酸行业中，由于炉气中含有较高浓度的Ｓ０２、ＳＯ，，或 ＨＣＩ，或ＮＯ：气体，一旦与水或水蒸气接触便具有强烈的腐蚀性。 这便对设备提出了特殊的要求，其必须具有高度的可靠性、安全 性和防止低温露点腐蚀的能力。热管式换热器因具有传热效率 高、结构紧凑，不会发生漏风现象，抗露点腐蚀等优点，正逐渐替 代传统的列管式和回转式换热器。这也是热管式换热器在该领域 内应用广泛的—个主要原因。
万方数据
· １６２·
广州化工
２００９年－－３７卷第４期
管通过控制加热段传热面积使管壁温度＞２３０。Ｃ，可有效地防止 露点腐蚀。如每吨蒸汽按６０元计，年运行７２００ｈ效益可达４３０余 万元，设备投资可在一年内收回。
热管技术的应用与现状
热管技术的应用与现状傅涛，周涛，张记刚，张明华北电力大学核科学与工程学院，北京（102206）E-mail ：ft198@摘 要: 本文介绍了目前热管技术的应用现状,主要论述了热管的结构、工作原理、特点和种类,同时讨论了其应用情况和我国热管目前存在的问题。
由于热管具有传热系数高、优良的等温性能、环境适应力强、结构简单和运行维修费用低等优点,因此其在各个领域应用极其广泛,在降低了企业的能耗同时,也保护了环境,取得了良好的经济效益和社会效益。
关键词: 热管；应用；现状中图分类号：TB41. 引言1963年，George M. Grover 第一个发明并且制造出了热管。
不过，通用汽车早在1935年就申请了类似元件的专利。
直到20世纪60年代，热管才受到人们的重视。
逐渐的，作为一种提高传热效率的元件，热管受到了众多国家实验室和商业实验室的重视，而不再仅仅是实验室的试验品。
令人吃惊的是，第一个将热管作为传热元件而加以接受和运用的主要客户竟然是政府。
因为，热管的第一个商业用途是用于卫星上的系统。
由于热管较高的成本和较小的需求，使得热管进入商业领域的进程非常缓慢。
在当时，大部分的电子元件散热问题，用简单的金属散热块就可以解决。
高端的军用设备是个例外，因为这样的设备需要热管的高性能，而且可以承受较高的成本。
20世纪80年代，作为高端电子产品的散热设备，热管逐渐被市场所接受。
随着热管的普及，增长的需求降低了热管的制造成本。
降低后的成本使得散热设计者们可以将热管应用于更多的产品。
在20世纪90年代初，热管开始被用于大量的家用电器。
今天，热管已经被运用于数千种电器产品之中[1]-[4]。
2. 热管简介2.1 热管结构热管通常是一个封闭的高真空金属管,管内有一定数量的蒸汽工质,管内壁覆盖有多孔材料构成的管芯(毛细吸液芯) 其中吸满液态工质,管芯的作用是回送冷凝液,管外壁根据传热需要可设置不同形式的翅片，常用的热管管壳截面为圆形。
热管技术及其工程的应用
热管技术及其工程应用(1)Heat pipe Technology and Engineering Application什么是热管？热管从何而来？有什么作用？热管工作的原理是什么？有何特性？热管跟普通的“管”有什么区别？什么是热管换热器？常见的热管有哪些种类？如何设计热管换热器？我们日常生活中有哪些场合使用了热管换热器？热管换热器的研究发展前景如何？第一章绪论一．热管换热器的研究背景当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。
具有良好导热性的材料有铝[(λ＝202W/m•℃)]、柴铜[λ＝385W/ m•℃]、和银：λ＝410W/ m•℃)]，但其导热系数只能达到102W/m•℃的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管的发明就解决了这一问题。
热管的相当导热系数可达105 W/m•℃的数量级．为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。
它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。
由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能．热管是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值。
热管的发展史· 热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler于1944年在美国专利中提出的。
· 1962年L.Trefethen再次提出类似于Gaugler的传热元件用于宇宙飞船，但因这种建议并未经过实验证明，亦未能付诸实施。
· 1967年一根不锈钢-水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功，从此吸引了很多科学技术工作人员从事热管研究。
· 1970年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用范围从宇航扩大到了地面。
· 1980年美国Q-Dot公司生产了热管废热锅炉，日本帝人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。
· 1984年Cotter较完整地提出了微型热管的理论及展望，为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。
热管技术在热能工程中的应用
热管技术在热能工程中的应用摘要：随着我国社会经济建设的进步与发展，进一步地推动科学技术的进步，尤其是在热能工程之中，热管技术得以广泛地应用与普及，人们越来越重视热管技术的应用。
热管技术以其良好的导热性能广泛地应用于热能工程之中。
本文主要对热管技术在热能工程中的应用加以分析与探讨。
关键词：热管技术；热能工程；应用热管由于在媒介之中的热能传递速度较快，因此不仅具有良好的导热性能，而且不会造成热量的损耗，也可以将其称之为传热超导体，不但使用寿命长，而且具有良好的导热性能与安全性，被作为传热设备广泛地应用于各个领域，特别是在热能工程之中的运用，推动与促进热能工程的可持续发展。
一、热管技术的工作原理在加热热管的过程中，其会释放出大量的热量，内部同时会出现大量的蒸汽，而且热管内部的热量会被蒸汽所带走。
在经过一段时间之后，在遇冷之后蒸汽则会转变为液态，在液化中则会释放出大量的热量。
在管芯的作用下，液态物质则会重新回流至蒸发段，整个过程则属于闭合的路线，在管内蒸汽进行无线的循环，确保热量可以由加热段传递至散热段。
倘若竖直摆放热管，加热段则位于下层，而冷却段则位于上层，无需管芯提供作用力，液体能够在重力的作用之下进行回流，也可以将此种热管称之为热虹吸管，在热能工程之中热虹吸管得以广泛地应用与普及。
如图1所示：1-管壳 2-管芯 3、4-工作液体图1热管工作原理图二、热管技术的主要特征（一）具有较强的适应性一般来说，比较容易控制的位置在热管的冷凝结构以及加热段的位置，从而可以分离热源。
与此同时，热管的换热设备的受热部分以及放热部具有灵活的结构设置，能够对热源的分离距离进行有效的控制，从而符合实际的需求。
针对于热源的分离距离来说，相对比较宽泛，一般大的距离甚至可以达到100cm以上，而小的距离则仅仅有几十厘米，从而可以确保不会泄露冷热液体。
就温差变化方面来说，热管具有良好的适应力，能够有效地控制好平衡温差。
（二）具有较高的传输热量效率作为一种传热介质，较之其他的金属，热管具有较高的传输热量的效率。
热管技术以及其在工程中的具体应用详解-精品图文
热管技术及其工程应用第一章绪论热管的发展史一.热管的组成第二章热管及其特性图2.1 热管示意图1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液Heat Pipes for Dehumidification(除湿气)热管的工作液要有较高的汽化潜热要有较高的汽化潜热、、导热系数导热系数，，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性较低的粘度及良好的稳定性。
工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力润湿毛细结构的能力，，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。
工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构质将积累在蒸发段破坏毛细结构。
二. 热管的工作过程（2）液体在蒸发段的液-气分界面上蒸发；（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流向冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段内的液-气分界面上凝结；（5）热量从液-气分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；（6）在吸液芯内由于毛细作用（或重力等）是冷凝后的工作也体回流到蒸发段。
三.热管的传热极限热管虽然是一种传热性能极好的元件热管虽然是一种传热性能极好的元件，，但也不可能无限加大热负荷但也不可能无限加大热负荷，，其传热能力的上限值会受到一种或几种因素的限制其传热能力的上限值会受到一种或几种因素的限制，，如毛细力如毛细力、、声速声速、、携带携带、、冷冻启动冷冻启动、、连续蒸气连续蒸气、、蒸气压力及冷凝等蒸气压力及冷凝等，，因而构成热管的传热极限(或叫工作极限)。
这些传热极限与热管尺寸这些传热极限与热管尺寸、、形状形状、、工作介质工作介质、、吸液芯结构吸液芯结构、、工作温度等有关工作温度等有关，，限制热管传热量的级限类型是由该热管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的。
具体来讲具体来讲，，这些极限主要有主要有（（如图所示如图所示）：）：从图中可以看出：当工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限。
关于热管技术在热能工程中的应用
关于热管技术在热能工程中的应用摘要：热管的应用越来越广泛，热管技术也受到越来越多的人们重视热管技术发展到现在，在热能工程中取得了很大的成效并与热能工程技术相互促使彼此不断发展本文将对热管技术的基础知识及其在热能工程中的应用作出介绍，以望能对热管技术及热能工程的研究者有所帮助。
关键词：热管技术；热能工程；应用1热管简析1.1热管的基本结构热管有三个主要组成部分管壳、吸液管（管芯）、与液体管壳一半采用不锈钢、铜、碳钢等金属材料作为主要材料热管是一种封闭式结构，能够承受极大压力吸液管紧贴管壁，通常由孔多毛细的结构材料构成工作液体存在于热管的内部空腔，是工作状态卜传递热量的介质工作液体一般有甲醇、丙醇、水、氨等，不包括管内可能存在的空气或者其他杂物工作液体在工作时处于液体与气体两种状态，一般在热管处于真空状态时被填充进去。
1.2热管的工作原理根据热管的状况可分为三个工作段：蒸发、冷凝、绝热在工作时外部的热量致使蒸发段和内部的液体温度升高继而蒸发，此时蒸发段的气压会迅速升高，当气压升高到饱和蒸发压时热量将会通过潜热的形式传递给蒸汽在这个工作过程中，由于蒸发段的饱和蒸汽压不断的升高，导致冷凝段的气压远低于蒸汽段的气压，这时蒸汽就会从蒸汽通道流向冷凝段，继而在冷凝段发生冷凝放出潜热放出的潜热会通过吸液管与热管管壁将热量传递至管外，如此一来就完成了无外力作用的热传统过程液体释放完热量后将会沿吸液管回流，最终返回到蒸发段，再继续进行卜一次的热传递在这个过程不断反复卜热量将不断的从蒸发段传递至冷凝段在这个过程中，绝热段将起到三点作用：为流动液体提供通道；将冷凝段与蒸发段完全区隔开；确保热管热量失散到外界绝热段的这三点作用有效地保证了热量的传递。
1.3热管技术的特点热管技术与常规换热技术相比具有以卜特点：1.3.1传热效率高热管式热转换器的传热单元，导热性强热管与铜、铝、银等金属相比，同重量状态卜能够多传递几个数量级的热量并且热管换热器的效率一般都在80%以上，能够有效利用形式多样、数量巨大的地热能、太阳能、工业废热等进行能源的回收。
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热管技术及其工程应用(2)晨怡热管2007-6-9 22:07:05第二章热管及其特性热管：是一种传热性极好的人工构件，常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（管壳），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管芯），管内的空气及其他杂物必须排除在外。
热管工作时利用了三种物理学原理：⑴在真空状态下，液体的沸点降低；⑵同种物质的汽化潜热比显热高的多；⑶多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。
从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分。
一.热管的组成图2.1 热管示意图1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液国外资料: (From )A traditional heat pipe is a hollow cylinder filled with a vaporizable liquid.A. Heat is absorbed in the evaporating section.B. Fluid boils to vapor phase.C. Heat is released from the upper part of cylinder to the environment; vapor condenses to liquid phase.D. Liquid returns by gravity to the lower part of cylinder (evaporating section).(Heat Pipes for Dehumidification(除湿气)热管的管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。
在材料的选择上必须考虑到热管在长期运行中管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。
管壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属铌、钽或玻璃、陶瓷等。
管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接受和放出热量，并承受管内外压力不等时所产生的压力差。
热管的管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减小接触热阻，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。
如右图所示为几种不同的管芯的结果示意图热管的工作液要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性。
工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。
工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构。
二. 热管的工作过程如图：当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。
如此循环不已，热量便从一端传到了另一端！在这一热量转移的过程中，具体包含了以下六个相互关联的过程：（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液的吸液芯传递到液-气分界面；（2）液体在蒸发段的液-气分界面上蒸发；（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流向冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段内的液-气分界面上凝结；（5）热量从液-气分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；（6）在吸液芯内由于毛细作用（或重力等）是冷凝后的工作也体回流到蒸发段。
热管工作过程动画三.热管的传热极限热管虽然是一种传热性能极好的元件，但也不可能无限加大热负荷，其传热能力的上限值会受到一种或几种因素的限制，如毛细力、声速、携带、冷冻启动、连续蒸气、蒸气压力及冷凝等，因而构成热管的传热极限(或叫工作极限)。
这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的级限类型是由该热管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的。
具体来讲，这些极限主要有（如图所示）：从图中可以看出：当工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限。
而在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限。
故热管的工作点必须选择在包络线的下方。
什么叫连续流动极限？对于小热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管内的蒸气流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态。
这时，由于不能获得连续的蒸气流，传热能力将受到限制。
什么叫冷冻启动极限？在从冷冻状态启动过程中，蒸发端来得蒸气可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作。
什么叫黏性极限？在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动受粘性力支配，即热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管的最大传热能力。
粘性极限只与工质物性、热管长度和蒸汽通道直径有关，而与吸液芯的几何形状和结构形式无关。
什么叫声速极限？热管中的蒸汽流动类似于拉伐尔喷管中的气体流动。
当蒸发段温度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大，传热量因而加大。
但当蒸发段出口汽速达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段出口处汽速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作达到了声速的极限。
什么叫携带极限?热管中蒸汽与液体的流动方向相反，在交界面上二者相互作用，阻止对方流动。
液体表面由于受逆向蒸汽流的作用产生波动，当蒸汽速度高到能把液面上的液体剪切成细滴并把它带到冷凝段时，液体被大量携带走，使应当通过毛细芯返回蒸发段去的液体不足甚至中断，从而造成蒸发段毛细芯干涸，使热管停止工作，这就达到了热管的携带传热极限。
什么叫毛细极限?在热管运行中，当热管中的汽体液体的循环压力降与所能提供的最大毛细压头达到平衡时，该热管的传热量也就达到了最大值。
如果这时加大蒸发量和冷凝量，则会因毛细压头不足使抽回到蒸发段的液体不能满足蒸发所需要的量，以致会发生蒸发段吸液芯的干涸和过热。
导致壳壁温度剧烈升高，甚至“烧毁”。
什么叫冷凝极限?冷凝极限指通过冷凝段汽-液交界面所能传递的最大热量。
热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在降低了冷凝段的冷却效率。
什么叫沸腾极限?热管工作中当其蒸发段径向热流密度很大时，将会使管芯内工作液体沸腾。
当径向热流密度达到某一临界值时，对于吸液芯的热管，由于所发生的大量汽泡堵塞了毛孔，减弱或破坏了毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不能满足蒸发要求。
四.热管的基本特性(1)很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。
(2)优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
(3)热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，这样即可以改变热流密度。
(4)热流方向的可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。
(5)热二极管与热开关性能热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。
(6)恒温特性普通热管的各部分热阻基本上不随着热量的变化而变化，因此热管各部分的温度亦加热量变化。
但可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。
(7)环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。
五.热管的工作特性对于普通热管，其液体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。
假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的，沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量流率、压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如图所示。
热管内质量流、压力和温度分布在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽液分界面缩回到管芯里，即向毛细孔一侧下陷，使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。
而在冷凝段，蒸汽逐渐凝结的结果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形状，即界面的曲率半径为无穷大(见上图上部及下图)。
曲率半径之差提供了使工质循环流动的毛细驱动力(循环压头)，用以克服循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及动量变化所引起的循环阻力。
热管液汽分界面的形状（a）管起动前的液—汽交界面（b）热管工作时的液—汽交界面（c）吸液芯内液—汽界面参数六.热管的相容性及寿命热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。
相容性在热管的应用中具有重要的意义。
只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能、长期的工作寿命及工业应用的可能性。
影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三方面：(1)产生不凝性气体由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化。
(2)工作液体物性恶化有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能。
(3)管壳材料的腐蚀、溶解工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。
当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。
（1）温度展平（均温技术）（2）汇源分隔（3）变换热流密度（4）热控制(可变导热管)（5）单向导热(热二极管)（6）旋转元件的传热(旋转热管)（7）微型热管技术（8）高温热管技术总结：热管技术的重要特点与常规换热技术相比，热管技术之所以能不断受到工程界欢迎，是因其具有如下的重要特点。
(1)热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行这一特点对连续性生产的工程，如化工、冶金、动力等部门具有特别重要的意义。
常规换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄漏，则将造成停产损失。
由热管组成的换热设备，则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体，而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。
(2)热管管壁的温度可调性热管管壁的温度可以调节，在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点以上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。
这在电站锅炉尾部的空气预热方面应用得特别成功，设置在锅炉尾部的热管空气预热器，由于能调整管壁温度不仅能防止烟气结露，而且也避免了烟灰在管壁上的粘结，保证锅炉长期运行，并提高了锅炉效率。