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。

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、地区间及各国自身的热管技术交流活动日益频繁。

1973年在德国斯图加特召开了第一届国际热管会议后；
1976年在意大利的波伦亚召开了第二届国际热管会议；
1978年在美国加尼福利亚州召开了第三届国际热管会议；
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国际热管技术研讨会。

我国于1970年开始的热管研制工作．首先是为航天技术发展的需要而进行的。

1976年12月7日，在卫星上首次应用热管取得了成功；我国气象卫星也应用了热管，取得了预期的效果。

由于我国是一个发展中国家，能源的中和利用水平较低，因此自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、高温热管蒸气发生器，高温热管热风炉等各类热管产品。

从1987到1991年．我国
先后在四川、福建、北京、浙江、河北等地8台130t／h以上电站锅炉上应用了大型热管换热器，回收烟气余热加热锅炉鼓风空气。

我国的热管技术工业化应用的开发研究发展迅速，学术交流活动也十分活跃，从1983年起已经先后召开了八届全国性的热管会议。

热管技术及其工程应用(2)
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。

(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。

热管技术及其工程应用(3)
第三章热管的分类
由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。

按照工作液体回流动力区分有芯热管、两相闭式热虹吸管(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。

按照热管管内工作温度区分有低温热管、常温热管、中温热管、高温热管等。

按照管壳与工作液体的组合区分有铜-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。

按照结构形式区分有普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。

按照热管的功用划分有传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等。

一.两相闭式热虹吸管（Two-Phase Closed Thermal- siphon）
两相闭式热虹吸管
两相闭式热虹吸管又称为重力热管，简称热虹吸管。

其结构和原理如图所示。

与普通热管原理一样，但不同的是热管内没有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，热虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段。

其结构简单、制造方便、成
本低廉、而且传热性能优良、工作可靠，因此他在地面上的各类传热设备中都可以作为高效传热元件，其应用领域非常广泛。

对于两相闭式热虹吸管，所可能发生的传热极限主要是干涸极限、沸腾极限(又称烧毁极限)和携带极限。

干涸极限一般发生在充液量过小时。

为了避免热管工作时达到这些传热极限，并强化热管的换热，国内外许多传热界学者对热虹吸管内的强化换热作了许多实验和理论研究，也得出了很多行之有效的方法。

例如：在热虹吸管的蒸发段内同心放置开孔抑泡管抑制该段气泡的脱离；在冷凝段内设置溢流同心导管降低该段的凝结热阻；将热虹吸管的内壁加工成为轴向槽道表面提高热虹吸管的换热系数；在热虹吸管内插入同心的内热虹吸管；在热虹吸管内插入一根同轴多孔管——流动分离器，强化内部传热。

二.旋转热管
旋转热管的概念是由Gray于1969年首次提出的，他分析了旋转热管较普通热管具有更强的传热能力。

旋转热管的显著特征是热管自身是旋转件，因而可以用于所有需要冷却散热的旋转零部件，如电机转子，发动机电动机转轴等的冷却，具有实际应用价值。

旋转热管为一密闭的空心轴(管)，此空心轴内腔具有一定初始真空度，并充有少量工作液。

内腔的形状可以是空心圆柱形、空心内锥形成圆柱台阶形。

上图为一锥形空腔的旋转热管工作原理简图。

在高转速下，工作液覆盖在空腔的内壁面上，并形成一层环状液膜。

旋转热管的一端由于被加热，该处液体蒸发、液膜变薄，所产生的蒸汽流到另一端(冷却端)。

蒸汽在冷却端放出潜热而凝结成液体。

在热管的旋转作用下液体受到一离心力，这一离心力沿锥
面的分力使这些冷凝液沿锥面流回到蒸发段。

这样连续地循环就完成了把热量从加热段输送到冷却段的过程。

从传热性能来看，旋转热管没有吸液芯，因此不存在毛细极限，并且在热流回路中间少了由于吸液芯引起的热阻。

旋转热管内部空腔较大，蒸汽流速不高，不易产生声速极限，因此，其传热极限主要为：冷凝极限、携带极限和沸腾极限。

三.分离式热管
分离式热管的结构如图所示，其蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通形成一个自然循环回路。

工作时，在热管内的工质汇集在蒸发段，蒸发段受热后，工质蒸发，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段释放出潜热而凝结成液体，在重力作用下，经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行。

分离式热管的冷凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度差密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运行而不再需要外加动力。

分离式热管结构示意图
分离式热管既有经典热管的共性——两相流动、相变传热、自然循环等，同时也具有鲜明的个性——管内汽液两相同向流动。

分离式热管内蒸汽与液体通向流动，故不存在携带极限，限制其传热能力的主要极限为烧干极限、声速极限和冷凝极限。

适当加大其冲液量，加大蒸汽上升管的管径或增加蒸汽上升管的个数等方法可以适当消除这些极限的影响。

分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离安装，从而使得冷热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题，安全性能较经典热管大为提高。

四.可变导热管
普通热管的工作温度是由热源和热汇的条件确定的，因此，改变热负荷或蒸发段的温度就将引起热管工作温度的改变。

对于普通热管来说，其导热率接近一个常量。

然而在某些应用场合，需要冷凝段(或蒸发段)的温度随着热负荷的变化而保持不变，因而利用热管的热可控性产生了可变导热管(Variable conductance heat pipe，VCHP)。

可变导热管热阻的简化模型
可变导热管的基本原理如图所示，这是简化了的热管基本热阻模型。

在这个模型中， Re表示热源与热管内蒸汽之间所有热阻之和，Rc 表示热管因蒸汽流动等因素引起的热阻，Rv 表示热管内蒸汽与热汇之间所有热阻之和。

任意一项热阻的变化，将导致总热导的改变，热管的传热率也将发生变化。

可变导热管可以分成两大类：
第一类为随着热源温度或热流率的变化，保持热管的工作温度不变；
另一类为保持热源温度不变。

五.微型热管及小型热管（MHP）
随着集成芯片中电路数目的增加，其产生热量的散逸变得越来越困难，除了最高芯片温度的限制外，对温度均匀性也有更高的要求，因而热力特性是电子产品开发、研制中非常重要的技术，且直接影响到最终产品的成本、可靠性和表观。

微型热管作为一项很有前途的技术，可用于计算机芯片以获得高的热量导出率及温度均匀化。

微型热管横截面示意图
定义：微型热管被为液汽交界面的平均曲率在数量上和液体总流通截面水力半径的倒数相当的一种热管。

典型的微型热管有凸面、锐角的截面(例如多边形)，水力半径范围为10～500μm。

其典型横截面形状如上图所示。

对于小型热管，其最小截面直径为1mm数量级，由于这种热管的体积不是很小，所以和常规热管的差别不是非常明显。

在小型热管内部往往加吸液芯结构，较为常见的是金属烧结吸液芯结构、丝网结构、干道结构、内槽道结构等。

随着热管尺寸的减小，微型热管遇到了蒸汽连续流动极限。

此极限限制了微型热管在低温状态下的工作。

如果热管工作在较高的工温度下，此极限为暂时的，随着热管温度升高将会消失。

除了蒸汽连续自流动极限外，微型热管还将遇到常规热管的操作极限。

如毛细极限，沸腾极限等几种常见的传热极限。

六.毛细泵回路
热管作为高效的传热元件已广泛应用于各个领域，然而在地面上，如果热管的蒸发段位于冷凝段之上，其传热能力就将受到限制，毛细泵回路(CPL-Capillary Pumped Loop)可以解决这一问题，其基本工理与普通热管的基本原理相似，但其可处于任何位置长距离有效换热。

其概念首先是由美国NASA Lewis研究中心的Stenger于1966年提出的，可有效地用于小温差、长距离、无附加动力的热量回收，也可用于航天器的热管理系统，并可能使大型航天器的热管理系统出现巨大的变革。

毛细泵回路以其独特的工作方式工作，具有以下工作特点：
(1)具有较高的传热能力
(2)具有优良的控温特性
(3)热分享特性。