热管技术以及其在工程中的具体应用详解-精品图文

热管技术及其工程应用
第一章绪论
热管的发展史
一.热管的组成
第二章
热管及其特性
图2.1 热管示意图
1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液
Heat Pipes for Dehumidification(除湿气)
热管的工作液要有较高的汽化潜热要有较高的汽化潜热、、导热系数导热系数，，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质将积累在蒸发段破坏毛细结构。

二. 热管的工作过程
（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。

三.热管的传热极限
热管虽然是一种传热性能极好的元件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，，如毛细力如毛细力、、声速声速、、携带携带、、冷冻启动冷冻启动、、连续蒸气连续蒸气、、蒸气压力及冷凝等蒸气压力及冷凝等，，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这些传热极限与热管尺寸、、形状形状、、工作介质工作介质、、吸液芯结构吸液芯结构、、工作温度等有关工作温度等有关，，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管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的。

具体来讲具体来讲，，这些极限主要有主要有（（如图所示如图所示）：）：
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。

什么叫黏性极限什么叫黏性极限？？ 在蒸汽温度低时在蒸汽温度低时，，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传热能力。

粘性极限只与工质物性物性、、热管长度和蒸汽通道直径有关径有关，，而与吸液芯的几何形状和结构形式无关状和结构形式无关。

什么叫声速极限
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尔喷管中的气体流动。

当蒸发段温度一定度一定，，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大流速加大，，传热量因而加大传热量因而加大。

但当蒸发段出口汽速达到声速时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段出口处汽速超过声速，，因而传热量也不再增加量也不再增加，，这时热管的工作达到了声速的极限到了声速的极限。

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
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
能力的限制，
，不凝性气体的存在降低了冷凝段的冷却效率
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
密度很大时，
，将会使管芯内工作液体沸腾
沸腾。

当径向热流密度达到某一临界值时
值时，
，对于吸液芯的热管
对于吸液芯的热管，
，由于所发生的大量汽泡堵塞了毛孔
生的大量汽泡堵塞了毛孔，
，减弱或破坏了毛细抽吸作用
坏了毛细抽吸作用，
，致使凝结液回流量不能满足蒸发要求
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。

I
(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)。

热管内质量流
热管内质量流、、压力和温度分布五.热管的工作特性
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
(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。

七.热管关键技术
（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
总结总结：：热管技术的重要特点
第三章热管的分类
一.两相闭式热虹吸管两相闭式热虹吸管（（Two-Phase Closed Thermal- siphon ）
两相闭式热虹吸管
对于两相闭式热虹吸管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)和携带极限和携带极限。

干涸极限一般发生在充液量过小时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——流动分离器流动分离器，，强化内部传热传热。

二.旋转热管
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此空心轴内腔具有一定初始真空度，，并充有少 量工作液量工作液。

内腔的形状可以是空心圆柱形内腔的形状可以是空心圆柱形、、空心内锥形成圆柱台阶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为一锥形空腔的旋转热管工作原理简图。

在高转速下在高转速下，，工作液覆盖在空腔的内壁面上面上，，并形成一层环状液膜并形成一层环状液膜。

旋转热管的一端由于被加热旋转热管的一端由于被加热，，该处液体蒸发该处液体蒸发、、液膜变薄变薄，，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过程。

从传热性能来看从传热性能来看，，旋转热管没有吸液芯旋转热管没有吸液芯，，因此不存在毛细极限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旋转热管内部空腔较大，，蒸汽流速不高蒸汽流速不高，，不易产生声速极限不易产生声速极限，，因此因此，，其传热极限主要为其传热极限主要为：：冷凝极限冷凝极限、
、携带极限和沸腾极限携带极限和沸腾极限。

三.分离式热管
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安全性能较经典热管大为提高。

四.可变导热管
可变导热管热阻的简化模型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微型热管及小型热管（（MHP ）
微型热管横截面示意图
随着热管尺寸的减小随着热管尺寸的减小，，微型热管遇到了蒸汽连续流动极限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如果热管工作在较高的工温度下，，此极限为暂时的时的，，随着热管温度升高将会消失随着热管温度升高将会消失。

除了蒸汽连续自流动极限外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将遇到常规热管的操作极限。

如毛细极限如毛细极限，，沸腾极限等几种常见的传热极限沸腾极限等几种常见的传热极限。

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力半径的倒数相当的一种热管。

典型的微型热管有凸面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 数量级数量级，，由于这种热管的体积不是很小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是金属烧结吸液芯结构、、丝网结构丝网结构、、干道结构干道结构、、内槽道结构等内槽道结构等。

六.毛细泵回路
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
(4)压力灌注特性
(5)热二极管特性
毛细泵回路的研究已经成为目前研究的热点之一，它在空间站、现代通讯卫星、大功率宇宙飞船、电子元器件的冷却方面都有着广阔的应用前景。

第四章热管换热器
图4.1 a热管换热器示意图 b气-气热管换热器实物照片
热管换热器的分类
1 整体式热管换热器 该换热器是由许多单根热管组成的。

热管数量的多少取决于
换热量的大小。

图4.1(b)是一种典型的整体是热管换热器——气-气整体式热管换热器之实物照片。

经过这种换热器的两种流体都是气体。

为了提高气体的换热系数，往往采取在管外加翅片的方法，这样所需的热管数目大大减少。

4 组合式热管换热器 整体使热管换热器均由同一类型的热管所组成。

而组合式
热管换热器则是根据换热器所处的温度不同，而选择充有不同工作液体的热管。

这样可以使大幅度的提高换热效率。

3. 回转式热管换热器 该类换热器有两个显著优点：一是借助转动的离心力来实现
工作液体循环，同时转动促使气流的搅动，增强传热，这对含尘较多的气体更为有效。

二是这类换热器兼有送风机的功能。

但由于增添了转动机构使结构复杂化，另外还增加了动力消耗。

回转热管换热器可分为离心式、轴流式和涡流式。

2 分离式热管换热器 主要是利用热管的分离技术，将多根分离式热管组合按实际
应用现场条件组合在一起够成。

具有一些常规换热器不具备的特性；①根据现场实际情况，可灵活地布置发段和冷凝段；②一种热流体可同时加热两种不同的冷流体安全而又可靠；⑧管排内的蒸汽温度可以调整。

第五章
第五章．．热管及热管换热器设计一．热管设计
在进行热管设计前在进行热管设计前，，首先应该确定以下因素首先应该确定以下因素：： ① 热管管内工作液体的选择热管管内工作液体的选择；；
② 热管管内管内吸液芯结构形式热管管内管内吸液芯结构形式；；
③ 热管的工作温度热管的工作温度，，以及工作情况下热管内部工作液体的饱和蒸汽温度体的饱和蒸汽温度；；
④ 热管管壳材料的选择热管管壳材料的选择。

一般说来一般说来，，这与设计的目的有关这与设计的目的有关。

,不同的应用场合不同的应用场合，，热管的设计要求截然不同热管的设计要求截然不同。

热管的设计计算通常按以下几个步骤进行热管的设计计算通常按以下几个步骤进行：：
①管径设计
管径设计的一个基本原则就是管内的蒸汽速度不超过一定的极限值，这个极限值就是在蒸汽通道中最大马赫数不能超过0.2，这时蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动，轴向温度梯度很小，可以忽略不计。

②管壳设计
热管部工作时，一般处于负压状态（低温热管除外），外界压力一般为大气压力，故可以不考虑管壳失稳的问题，因而管壳的设计主要从强度考虑。

管壳壁厚由强度计算所得壁厚加上腐蚀裕度得出，端盖则可以按照平板的设计较容易的设计。

③吸液芯设计
设计吸液芯的依据是毛细极限的计算。

④毛细极限的检验
⑤验算
验算携带极限、沸腾极限，最后核算Re 数，验算是否为层流流动。

二．热管换热器设计
热管换热器的设计计算的主要任务在于求出总传热系数U ，然后根据平均温差及热负荷求得总传热面积A ，从而定出管子数量从而定出管子数量。

在设计过程中在设计过程中，，必须认真考虑一下几点虑一下几点（（以气-气换热器为例气换热器为例）：）：
2．选择适当的翅片管参数 根据设计条件，对不同类型的换热器体应选择合适的翅片管参数。

对洁净气体可选择较密的翅片间距和较薄较高的翅片；对含尘夺得或有腐蚀性的气体则应选择间距较宽，翅片较厚较低的翅片管管的壁厚也应稍厚以抗腐蚀和磨损，下表为工业常用的规格参数，可供设计参考。

1．选择适当的标准迎面风速 热管换热器设计应遵循一条重要原则，即把迎面风速（标况）限制在2-3m/s 的范围内，风速过高将导致压力将过大和动力消耗增加，风速过低会导致关外膜传热系数降低，管子的传热能力的不到充分发挥。

第六章
第六章．．热管制造过程简介
管壳 热管的管壳大多数为金属无缝钢管，根据不同的应用需要可以采用不同的材料。

管子可以多种不同形状。

管径可以从2mm 到200mm ，甚至更大。

长度可以是从几毫米到100米以上。

工业热管换热器所采用的管子一般为标准尺寸的无缝钢管。

低温热管换热器的管材一般为铜或铝，满足与工作液体相容性的要求。

对于以水为工作液体的热管换热器常采用内部为铜管外部为钢管的复合管，这样既满足了管子的强度、刚度又使其具有了很强的抗腐蚀能力。

但在后来解决了碳钢-水不相容的问题后，碳钢-水热管逐渐取代了复合热管，并已经大量应用取得了很好的效果。

端盖 热管的端盖具有多种结构形式，它与热管的连接方式也因结构形式而异。

热管制造工艺 热管质量的好坏热管质量的好坏，，在很大程度上决定与热管的制造方法的制造方法，，以及在制造过程中对各道工序质量控制的松严程度控制的松严程度。

一般来说一般来说，，对于工作温度为50-200o C 的热管的热管，，器制造工艺比较简单工艺比较简单，，主要包括化学清洗主要包括化学清洗、、机械加工机械加工、、惰性气体保护焊保护焊、、管壳的检漏管壳的检漏、、高真空的获得高真空的获得、、封口测试等主要过程。

对于工作温度在300o C 以上或50o C 以下的热管以下的热管，，器制造过程比较复杂过程比较复杂，，因为低温介质的处理因为低温介质的处理、、高温介质的精馏已级管道阀门的密封都有很高的要求级管道阀门的密封都有很高的要求。

下图为热管换热器的制造工艺流程图 ：
第七章第七章．．
热管的应用
1、小型锅炉烟气余热回收：将热管换热器装在锅炉排烟管道内，利用烟气余热，预热送风参加燃烧，可使用锅炉效率提高5%左右。

3、用于回收余热的热管开水器：可安装在STY-20型燃油锅炉排烟管道中，利用排烟余热，可将17o C 冷水加热到98-125o C ，日产开水5T ，回收热量约1882MJ 。

2、作为空气预热器应用：将干噪炉排气作为热管换热器热端的加热介质，温度由204o C 降到51 o C ，预热所需的干燥空气，每小时可回收热量287MJ 。

一．热管技术在化工及石化领域的应用
二．热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用 建材行业如水泥建材行业如水泥、、陶瓷等工业都要消耗大量的能量陶瓷等工业都要消耗大量的能量，，以陶瓷为例以陶瓷为例，，据统计据统计，，能源费占生产总成本的40%以上以上。

开发新型高效节能设备将极大的促进此行业的发展大的促进此行业的发展。

80年代国内的许多单位应用热管换热技术回收陶瓷陶瓷、、水泥生产中排放的余热取得了良好的节能效果水泥生产中排放的余热取得了良好的节能效果，，90年代高温热管技术的工业开发应用获得成功技术的工业开发应用获得成功，，这些都为热管技术的工业推广打下了良好的基础好的基础。

如下是近年来热管技术在建材如下是近年来热管技术在建材、、轻工业中成功应用的一些实例：
高岭土喷雾干燥热风炉；
十二醇硫酸钠喷雾干燥；
玻璃窑炉的余热回收；
水泥生产工业中的回转窑冷却机的余热利用、废尾气余热利用、 悬浮预热机、烘干机等热工设备；
陶瓷窑炉的隧道窑烟道气余热利用；
电瓷厂遂道窑冷却带余热利用；
纺织工业中的热定型机余热回收利用、浆纱机的余热回收等。

三．热管技术在冶金工业中的应用
五．热管技术在电力电子领域的应用管式热管散热器示意图
1为冷凝段 2为蒸发段
热管问世以来，使电力电子装置的散热系统有了新的发展。

热管使自冷的应用范围迅速扩大。

因为热管自冷散热系统无需风
扇、没有噪音、免维修、安全可靠，热管风冷甚至自冷可以取代
水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。

此外，热管散热
还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，
能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围 近年来，大功率电子器件的冷却上采用了热管，收到较好效果。

如上图所示，对于大功率的晶体管采用圆柱形热管作为散热元件。

在解决CPU 温度的问题时，铜、纯铝制散热器已经成为最为普及的产品但其传热性能仍然远小于热管散热器。

采用热管技术的散热器也越来越多，有些厂商甚至拿它作为卖点或者树立品牌形象。

在电力领域在电力领域，，热管电机的出现及实用化成为了一个典型的代表热管电机的出现及实用化成为了一个典型的代表。

热管电机中的主要应用之一是用一根旋转热管来代替电机的传动轴主要应用之一是用一根旋转热管来代替电机的传动轴，，将电机转子产生的热量通过热管传到轴端的散热部分通过热管传到轴端的散热部分，，并用风扇排致电机壳外并用风扇排致电机壳外。

传递的功率显著提高传递的功率显著提高。