热管的换热原理及其换热计算

热管的换热原理及其换热计算

一热管简介

热管是近几十年发展起来的一种具有高导热性能的传热元件，热管最早应用于航天领域，时至今日，已经从航天、航天器中的均温和控温扩展到了工业技术的各个领域，石油、化工、能源、动力、冶金、电子、机械及医疗等各个部门都逐渐应用了热管技术。

热管一般由管壳、起毛细管作用的通道、以及传递热能的工质构成，热管自身形成一个高真空封闭系统，沿轴向可将热管分为三段，即蒸发段、冷凝段和绝热段。其结构如图所示：

热管的工作原理是：外部热源的热量，通过蒸发段的管壁和浸满工质的吸液芯的导热使液体工质的温度上升；液体温度上升，液面蒸发，直至达到饱和蒸气压，此时热量以潜热的方式传给蒸气。蒸发段

的饱和蒸汽压随着液体温度上升而升高。在压差的作用下，蒸气通过蒸气通道流向低压且温度也较低的冷凝段，并在冷凝段的气液界面上冷凝，放出潜热。放出的热量从气液界面通过充满工质的吸液芯和管壁的导热，传给热管外冷源。冷凝的液体通过吸液芯回流到蒸发段，完成一个循环。如此往复，不断地将热量从蒸发段传至冷凝段。绝热段的作用除了为流体提供通道外，还起着把蒸气段和冷凝段隔开的作用，并使管内工质不与外界进行热量传递。

在热管真空度达到要求的情况下，热管的传热能力主要取决于热管吸液芯的设计。根据热管的不同应用场合，我公司设计有多种不同的热管吸液芯，包括：轴向槽道吸液芯、丝网吸液芯和烧结芯等。基于热管技术的相变传热原理、热管结构的合理设计以及专业可靠的品质保证，多年实践证明，我公司生产的热管及热管组件正逐渐迈向越来越广阔的市场。

(1) 产品展示

(2) 产品参数说明

项目技术参数

热管长度> 100mm

主体材料铜管

毛细结构槽沟/烧结芯/丝网管

工作介质冷媒

设计工作温度30~200℃

设计使用倾角> 5°

传热功率50~1000w (根据实际产品规格型号) 热阻系数< 0.08℃/W (参考值)

传热功率测试原理

测试总体要求1）加热功率有功率调节仪控制输入；

2）热管保持与水平台面α角度(根据具体应用定)；

3）管壁上监测点的温度变化在5min内小于

0.5℃认为传热达到稳定状态，记录此时传

热功率为最大传热功率。

(3) 产品性能测试图例

图1 长度700mm的真空退火管最大传热功率测试

图2 热管等温性测试曲线

二热管技术的原理应用与发展

热管传热利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外。采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式，同样可以得到满意的散热效果，使得困扰风冷散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解决，开辟了散热行业的新天地。

1.热管的基本工作原理

1.1工作原理

物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

1.2组成与工作过程

典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1．3×(10-1－－－10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯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，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：

(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－－汽）分界面；

(2)液体在蒸发段内的（液－－汽）分界面上蒸发；

(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；

(4)蒸汽在冷凝段内的汽－－液分界面上凝结；

(5)热量从（汽－－液）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使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。1.3工作条件

图1热管管内汽-液交界面质量流、压力

和温度沿管长的变化示意图

图1表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量、流量、压力以及管壁温度Tw和管内蒸气温度Tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。

热管正常工作的必要条件是△ Pc ≥△Pl +△ P v +△ Pg 其中△ Pc：毛细压头—是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降△Pv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降△Pl，和重力场对液体流动的压力降△Pg(△Pg可以是正值,是负值或为零,视热管在重力场中的位置而定)。

2.热管的基本特性

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。

2.1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。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。

2.2优良的等温性

热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。

2.3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。

2.4热流方向可逆性