热管技术

渠氏热管


渠玉芝的热超导介质研究成果分别在1997年和2000年取得 了国际和美国专利。 这项发明在美国斯坦福研究院进行了长达数年的测试，结果 表明：传热效率达100％，热流密度每平方米大于8000千瓦， 连续1400天运行后性能无衰减。他们的结论是：热导率是金 属银的3万倍；对环境无污染，对人体无害；是在传热技术 上很有潜力的突破，会在许多工业领域中找到广泛应用。 华南理工大学化学工程系一个科研小组对此所做的检测报告 称：热超导管的出现，将影响所有的热量传递领域，尤其对 热能利用率将产生重大的影响，并为太阳能、地热的开发利 用，为低能级热量的回收再利用等开通了一条高速通道，其 发展前景目前还难以估量。
环路热管
环路热管结构
环路热管
环路热管应用 最初的环路型热管主要应用于空间技术热控制方面。 1995年，俄罗斯第一次把LHP技术应用到飞行器的 热控制上；1999年，美国首次将LHP回路应用于展 开式辐射器； 随着环路热管的技术不断成熟，小型环路热管在电 子散热方面得到了很多应用。 在超级计算机、航空电子设备、通讯设备和光电设 备等各种设备中，会经常遇到中央处理器（CPU） 和图形处理器（GPU）等大功率电子芯片散热问题。 对于这些设备的正常运转而言，电子散热的角色是 至关重要的，涉及到设备的安全性、可靠性以及生 命周期等。


传统的冷却方式包括：（1）带有或不带风扇的散 热片；（2）带有或不带风扇的热管与散热片结合。 （3）高热流密度热控制的液冷技术-即微通道热沉 （microchannel heat sink）。

热管在电子芯片散热中的应用：工作时，蒸发器底面接收从 发热器件（如电子芯片）传递过来的热量，工作介质在毛细 结构内部蒸发，蒸汽通过弯曲的蒸汽管道流到冷凝器，蒸汽 经自然冷却或风扇强制冷却后转变为液体，液体在毛细力的 作用下经由液体管道返回蒸发器。
径向热管




特点： 具有高度的等温性能，与轴向传热热管比较而言，由于其工作 介质蒸汽流通横截面大，蒸汽流速低，蒸汽动通距离短，摩擦 损失小，有足够的毛细压头，因此具有高度的等温性能。 具有较大的传输功率，由于径向热管工作介质汽流运动距离较 短，汽相流动的压力损失小，相应地热量传输的温差也就小， 而且沿工作介质汽流方向径向热管的传热面积比轴向传热热管 的面积大得多，因此径向传热热管的传热毛细极限、声速极限、 携带极限等比轴向传热热管高得多，因而，径向传热热管就比 轴向传热热管能传输更多的热量。 容易启动，通过虞斌等人对径向热管启动性能的研究表明，在 不同的冷源流体雷诺数和加热热流密度条件下，径向热管都能 正常平稳启动，且重复性能好。

脉动热管
受热产生的蒸气和冷凝产 生的液体在毛细管力和弯 曲力的作用下，管内最后 将形成气塞和液塞间隔随 机分布的振荡状态。 正是这样，由于冷热两端 间存在压差以及相邻管间 存在压力不平衡，使得工 质在加热段和冷凝段之间 振荡流动，从而实现热量 的传递。

脉动热管
影响脉动热管运行与性能的因素有很多，大致可分 为以下三类: 几何参数：包括脉动热管的总长、管径、横截面形 状、高度、弯数、以及蒸发段和冷凝段长度等等; 运行参数：包括热流密度大小、装置倾斜角、加热 冷却方式等等; 物理参数：包括充液率、工质物性、管子材料的物 性等等。
脉动热管

脉动热管可以作为一种高效的导热元件广泛应用于 电子元器件冷却，如下图用于冷却多芯片模块的脉 动热管散热翅和用于cpu散热的无风扇散热器。
径向热管

热管工作介质沿热管轴向流动时沿轴向传递热量， 这种热管称为轴向热管，而径向热管的工作介质是 沿热管径向流动沿径向传递热量。
有吸液芯径向热管
旋转热管
欧洲的NRI公司将旋转热管应用于10 千瓦异步电机, 在额定转速1800转/分时, 转子温降约30℃,定子温 降约15℃, 温度的降低使电机输出功率提高15% , 可 见用旋转热管冷却电机的经济效益是明显的。 浙江省能源研究所研制的旋转热管安装在上海南洋 电机厂生产的ZJZ型直流电机上。该电机由于采用 了旋转热管, 不仅增加了散热能力, 缩小了电机体积, 节省了电机材料, 降低了绝缘等级, 而且还提高了电 机的出力。
渠氏热管

渠玉芝发明的渠氏超导热管技术，被国外称之为“渠氏理论 传热技术”，已应用于我国的部分炼油厂、钢铁厂的余热回 收、电脑CPU的散热器、青藏两路冻土地带的路基加固处理 等方面，其传热和节能效果十分明显，已引起国外关注。
渠氏热超导管与上世纪60年代发展起来的常规热管完全不 同。常规热管是靠管内介质液态和气态的相变传递汽化潜能， 它受到温度和循环相变速度的限制，有热损，寿命也不高； 而渠氏热超导管的传热介质是由多种无机元素组成，在外因 热的激发下利用微粒子的高频率振动（每秒2亿次以上）传 递热量，无相变，热阻为零，故称为热超导。

脉动热管
脉动热管： Pulsating Heat Pipe（PHP），也叫振 荡热管（Oscillating Heat Pipe，OHP） 将管内抽成真空并充入部分工质后,由于管径足够小, 管内将形成不均匀分布的汽柱和液柱。 在蒸发端，工质吸热产生汽泡，气泡膨胀升压推动 液柱和汽柱从蒸发段流向冷凝段，汽柱到冷凝段后 遇冷收缩并破裂，被冷凝成液体。 在压差推动下，冷却液体从冷凝段回流到蒸发段， 从而实现热量从热端到冷端的传递。

高温热管的 启动过程
高温热管
阶段一：初始状态，吸液芯内工质处于凝固状态， 热管中心区域处于真空状态。 阶段二：加热开始后，吸液芯内工质开始熔化，但 液固界面未达到吸液芯气侧界面，还没有蒸发现象 发生。 阶段三：蒸发段吸液芯内工质全部熔化，蒸发开始 在气液界面发生，但蒸汽压力很低，蒸汽流处于自 由分子运动状态。 阶段四：随着蒸发的进行，蒸汽聚集到一定量后逐 渐建立起连续流，但冷凝段仍是自由分子流。 阶段五：吸液芯内工质全部液化，整个热管空间建 立起连续流，热管进入稳定运行阶段。
渠氏热管
主要特点： 适应温度范围宽。可在- 100～1300℃范围内工作。 传热速度快,热载能力大,传热效率大于100% ,也就 是说热阻为“零”。这种特点在当今热管技术中是 空前的。 无相变热管在外型结构上与钢—水型普通热管一样, 都是真空的。所不同的只是内部充填的无机工质为 无机物,是无相变传热。 沿轴向的温度分布奇特，距热源远端的温度比近端 还高；
与通常换热用的热管不同，该径向热管在蒸发段内布置有一定形式的吸液 芯，吸液芯的作用是1）利用毛细力的作用，起着提升和输送工作介质的 功能，将其由放热侧输送到吸热侧，对径向热管而言，就是将工质由热管 的底部提升到顶部，2）同时也起着均布工质的作用，使工质均布在吸热 侧的壁面上，3）吸液芯也是热流传输的通道，热量通过吸液芯传递给工 质。

脉动热管
管径的影响：振荡热管内液塞和气泡的共存
依赖于重力与表面张力间的平衡：
脉动热管
当d>dmax，不工作时，液体存在热管底部，
工作时，蒸发、沸腾以及冷凝现象同热虹吸 管，伴有间歇的振荡。 d<dmax时，在工作和 不工作时管内均出现液塞和气泡共存现象。 充液率的影响：充液率范围为20%-80%直接， 小于20%时工作不稳定，容易烧干，大于 80%时气泡较少，严重削弱振荡和传热效果。 一般认为最佳充液率大于50%。
热管换热器
环路热管
环路热管：Loop

Heat Pipe（LHP）
利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和 冷凝来传递热量，实现小温差、长距离下传递大热量。

最主要的特点：液体管路和气体管路分开连接蒸发器和冷凝器，从而形 成环路
环路热管



环路热管主要有五部分组成：包括 蒸发室（Evaporator）、储液室 （Compensation Chamber）、蒸 汽段（Vapor Line）、冷凝器 （Condenser）以及液体段（Liquid Line）等各组件。 蒸发室内有多孔毛细结构，是环路 热管的吸液芯，蒸发室壁面或吸液 芯上设有沟槽结构，作为加热时蒸 气的流动通道。 环路热管的毛细结构只存在于蒸发 器内。

高温热管
高温热管是指工作温度大于750K的热管，其工质主 要是液态金属，如钠、钾和锂。当热管运行温度高 于1400K时，可选用钡、锶、钙、铅等。 目前高温热管工质中技术成熟、应用广泛的主要是 钠和钾。 高温热管工质使用温度的上限取决与相应的饱和蒸 汽压力，压力对热管的强度具有决定性的影响。
热管技术
常规热管1
在一个密闭结构中装 有若干工质，借助于 液体的蒸发、蒸汽输 运后冷凝、然后靠毛 细作用使冷凝液从冷 凝段返回到蒸发段， 用这种办法把热能从 结构的一部分传递给 另一部分，这样一种 结构就称为热管。
常规热管1


热虹吸管（重力式热管）
普通热管有所不同的是重力热 管管内没有吸液芯，冷凝液从 冷凝段返回蒸发段不是靠吸液 芯所产生的毛细力，而是靠冷 凝液自身的重力，因此重力热 管的工作具有一定的方向性， 蒸发段必须位于冷凝段的下方， 这样才能使冷凝液靠自身的重 力返回蒸发段。

高温热管
高温热管的应用：高温热管换热器
高温热管
高温热管换热器的优点： 传热性能好：热管换热器任意一个腔体内的 流动都是垂直外掠流动，而且两个腔体内的 流形很容易实现纯逆流流动，可以在不改变 冷、热流体入口温度的条件下，增大平均温 差，提高传热效果。 冷、热流体两侧的传热面积可以自由扩展。 传热面局部破坏时，能确保两流体彼此不渗 混合。
径向热管
Fra Baidu bibliotek
径向热管因为将冷凝段置于蒸发段中，使得冷却段 进出口流速易于调节，且蒸发段内充液率可变，使 得壁温控制易于实现。
径向热管
将许多根径向热管串联起来构成蛇形盘管束，烟气 冲刷外管，锅炉给水从内管管内流过。当腐蚀性烟 气流过由隔板围成的箱体空间，与热管管束的外表 面(包括翅片)进行热交换后，热管工作腔内的工质 被汽化，加热热管内管内的给水形成热水。 热管的壁面温度由工质充装量、管束的布置结构以 及烟气和给水的状态共同决定。只要进行合理周密 的设计，就能使热管的外壁工作温度始终高于烟气 酸露点温度，从而避免腐蚀发生，实际应用中可根 据需要灵活布置盘管束。
旋转热管
旋转热管：Rotating Heat Pipe（RHP） 对一些具有特殊用途的电动机, 如用作牵引动力的 电机, 要求体积和重量尽可能小, 而功率则要大。相 对来说, 这就引起电机内部发热增加, 温度升高, 从 而影响电机的绝缘等级。因此需要有一个强制的冷 却系统能有效地排除电机功率损耗所产生的热量。 国外重视用旋转热管冷却电机, 旋转热管的传热性 能高, 结构简单体积小等优点, 正好适用于传递这种 热量至某一区域。

旋转热管
由一根密闭的空心轴构成,
沿轴向长度上略带锥 度。旋转热管绕其轴线旋转产生离心加速度， 相应产生的力推动冷凝段工质沿热管壁面回流 到蒸发段。
旋转热管

与普通热管相比, 旋转热管的液体回流是利用旋转 液体在管内产生离心力而驱动的, 只要有足够的旋 转速度, 就能保证足够的液体回流, 因此它不需要像 普通热管那样安装毛细材料, 而且能在不同角度下 回流, 达到连续运行的目的。
高温热管换热器的应用
高温热管热风炉：精细化 工行业需要400-600℃的 热风气源，常规换热设 备很难将空气加热到这 一温度范围，如果直接 用燃料烟气往往会带入 污染物，利用如图所示 的高温热管热风炉，可 满足工艺要求。
高温热管换热器的应用
催化再生器烟气取热
器：利用高温热管将 催化再生器的热量取 出，确保进入下一级 烟气透平机的烟气温 度小于645℃.
脉动热管

曲伟等、杨洪海等、曹小林等通过可视化实验都发 现当输入热量较低时，管内基本为塞状流，流体只 能在局部范围内作小幅度荡，传热性能较差。但随 着热流密度的增加，流体振荡幅度增加，管内流型 从塞状流逐渐转化为环状流，传热性能得到改善。 由于脉动热管的运行机 理相当复杂而且带有随 机性，所以其理论分析 与数值模拟较为困难。