热管原理

关于热管的调研报告

1概述

1.1 热管研究的意义

由于世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临着能源短缺的局面、各国都致力于新能源开发并积极开展余热回收及节能工作。余热回收是节约能源和提高能源的利用率的重要途径，热管换热器作为一种新型换热器与常规的换热器相比有着换热效率高、适用换热范围广、工作可靠等优点，在余热利用方面越来越引起人们的重视。热管性能的优劣直接影响着换热设备运行状况的好坏，热管性能及制造工艺的研究有非常重要的意义。

1.2 热管的工作原理

热管的基本工作原理如图1-1所示，典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将热管内抽成1.3×（10-1~10-4）Pa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（加热的），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两端中间可布置绝热段。当热管的加热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冷凝段，蒸汽遇冷凝结成液体，液体靠多孔材料的毛细力或重力的作用流回到蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。

1.3 热管的特点

热管是靠自身内部工作液体想变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性：

（1）很高的导热性

热管内部主要靠工作液体的气、液相变传热、热阻很小，具有很高的导热性。

（2）优良的等温性

热管内腔的蒸汽是处于饱和状态的，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发阶段流向冷凝阶段所产生的压降很小，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，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，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

（4）热流方向的可逆性一根水平放置的有芯热管，由于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管可做成热二极管或热开关，所谓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（可控热管）普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管——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，这样可使热管在加热量大幅变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的等温特性。

（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，热管也可以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）。

1.4热管的分类

热管的形式较多，常用的分类方法有以下几种。

（1）按照热管管内工作温度区分热管可分为低温热管（-273~0℃）、常温热管（0~250℃）、中温热管（250~450℃）、高温热管（450~1000℃）等。

（2）按照工作液体回流动力区分热管可分为有芯热管、两项闭式热虹吸管（又称重力热管）、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。

（3）按管壳与工作液体的组合方式划分，可分为铜-水热管、碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管等。

（4）按结构形式区分可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回热管、微型热管、平板热管、径向热管等。

（5）按热管的功用划分可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等。

1.5 热管的导热极限

（1）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，热管内的蒸汽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汽流，传热能力将受到限制。

（2）冷冻启动极限

在冷冻状态启动过程中，蒸发端来的蒸汽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。

（3）粘性极限

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。

（4）声速极限

热管中的蒸汽流动类似于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，传热量因而加大。但当蒸发段出气口气速达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段的出口处气速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作达到了声速极限。

（5）携带极限

热管中蒸汽也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。

（6）毛细极限

在热管运行中，当热管中的气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”。

（7）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。

（8）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