热管技术概述

第一章热管技术概述

1、发展现状

迄今为止，在众多的传热元件中，热管（heat pipe）是最有效的传热元件之一，它可以将大量热量通过很小的截面远距离地传输而无须辅助动力。热管原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R·S·Gauger与1944年在美国专利(N0.2350348)中提出的；1963年GMGrover在美国《应用物理》公开发表了一篇命名为“Heat Pipe”的学术论文；在1965年Cotter首次提出了比较完善的热管理论，为以后的热管理论研究奠定了基础；1967年第一根不锈钢——水热管首次被送入卫星轨道并运行成功；1969年前苏联与日本开始将热管表面通过物理办法缠绕翅片，并应用到控制恒温技术领域；1970年在美国已经开始出来商用热管，例如；横穿阿拉斯加输油管线永冻层就是用热管技术支撑的；1974年后，热管开始用于节约能源与新能源开发利用领域。我国是70年代开展热管热管热性能研究以及热管在电子器件冷却和空间飞行器方面的应用研究。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、热管蒸发器、热管热风炉、热管省煤器等节能热回收设备。

2、热管用语

热管：以毛吸结构的抽吸作用来驱动工作介质完循环流动的蒸发、凝结传热元件。

无机高效热管：无机传热元件是以多种无机元素为传热载体，注入到各类金属（或非金属）管状、夹板空腔内，经抽真空密封处理后，形成具有高效热传导特性的元件。

管芯：管芯是指无机传热元件中为液态工质提供毛细抽吸力及流动通道的结构。

管壳：管壳是指包容了管芯和工质的热管壳体。

有效长度：有效长度是指计算热管传热能力的折合后的长度。

工作温度范围：工作温度范围是指由工质、管壳和管芯材料及管芯结构的性能和安全运行要求决定的无机传热元件工作温度区域。

无机介质：介质是指无机传热元件管壳空腔内部用于传递热量的多种无机元素为主的液态混合流体。

工作状态：能连续维持热管吸热、导热、散热过程并维持温度均匀的状态。

最大传热量：热管在稳定工作状态下所能传递的最大热流量。

最大传热能力：热管有效长度与最大传热量的乘积。

轴向热流密度：通过垂直于热管壳轴线的内截面单位面积的热流量。

径向热流密度：通过热管内表面单位面积的沿径向的热流量。

3、热管特性

热管是依靠自身内部工作介质特性来实现传热的传热元件，一般具有如下特性：（1）很高的导热性由于真空度、热管介质特性的存在，热管内部的热阻R

V 非常之小，Rv无限趋近于0，所以有些地方夸张地称它为“超导”。山东博源热能科技有限公司制造的热管，其当量导热系数比目前金属银的导热系数还要高上千个数量级，数值上超过音速。当然，高效导热也是相对而言，这个速度已经被社会所认可，能够满足日前的生产生活需要。

（2）优良的等温特性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，分子的无规则运动，使得热管的受热段与散热段的温度一致，甚至偶尔出现散热段温度比受热段温度高的现象。出现这种现象是特殊，不具有什么利用价值，但等温特性在实际工程应用价值就很广泛了。

（3）热流密度可变性热管可以独立改变受热段或冷却段的面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者增大热管受热面积输入量而减小吸热面积的输出热量，就可以改变一些传统方法难以解决的传热模式。得到一个我们需要得到的换热热流密度。

（4）适应性广泛热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可以作成电机轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，可以用在地面，也可以用在无

重力厂的宇宙空间。

第二章热管技术应用

由于热管技术日趋完善，并被人类所认可，已经被广泛的应用于诸多行业，主要表现在如下领域。

1、宇航工程：电子舱冷却散热，飞船表面的均温，生命保障系统的建立等；

2、IT产业、电力、电子设备：CPU, 电子器件的散热和均温等；

3、新能源的开发和利用：太阳能，地热，冻土工程等；

4、余热的回收和利用：锅炉、工业炉余热回收，各种场合的烟气余热回收；

5、其它需要散热或均温的场合。

山东博源热能科技有限公司目前的热管利用主要是余热回收和利用领域的传热元件，主要论述一些关于热交换的设备知识：

热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。其只要特点是：结构简单，换热效率高，传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器；换热流体通过换热器时的压力损失比其他换热器小，消耗辅助动力小。同时，由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的，而热管传热元件又是相互独立的，因此，即便有少数热管穿孔失效，冷、热流体也不会混融而造成损失。由于冷、热侧换热面积的比例关系是对应的，不会使换热系统失衡，从而有效避免腐蚀性气体的露点腐蚀。

正由于热管换热器的诸多优点，已经越发受到人们的重视，其用途亦日趋广泛。种类繁多，可从下述不同的角度进行分类：

按冷源，热源的换热机理分类：

对流---对流型

a.气---气型热管换热器

b.气---液型热管换热器

c.气---汽型热管换热器

d液---液型热管换热器

辐射---对流型

a.太阳辐射---水（汽）型热管换热器

b.高温固体---水（汽）型热管换热器

导热---对流型

a.移动床式热管换热器

b.冻土蓄冷式热管换热器

按温度范围及相应介质分类

a.高温热管换热器：汞热管换热器、钠热管换热器等。

b.中温热管换热器：萘热管换热器、水热管换热器等。

c.中低温热管换热器：丙酮热管换热器、甲醇热管换热器等。

d.低温热管换热器：氨热管换热器、致冷剂热管换热器等。

按用途进行分类

a、热管空气预热器；

b、热管省煤器；热管热水器；

c、热管余热锅炉；热管蒸汽发生器；

d、热管式太阳能集热器；

e、热管式蒸汽冷凝器等。

2、无机高效热管的特点：

无机高效热管是指采用多种无机元素的混合物作为主要导热介质注入到各类金属(或非金属)管状、板状腔体内，经密封成型后，形成具有高速传热性能的一种新型热传导技术。目前该技术已经获得美国（ US6132823）、欧共体等27个国家的专利授权。

1、启动迅速、传热速度快：自元件一端加热，数秒钟就可将热量传递到另一

端。

2、热阻小、均温性好：无机高效热管主要是通过腔体内部的无机介质来实现

传热过程，传热能力远高于金属材料，沿无机高效热管轴向温差趋于零，从而使无机高效热管的表面温度趋于一致。

3、导热系数高：当量导热系数为14MW/m.℃，是纯银的3.2万倍。

4、传热能力大：轴向热流密度27.2MW / m2，径向热流密度158kW / m2

5、适用温度范围广：介质适用温度范围-30～1100℃，具备批量生产的元件壁