钢—水重力热管基本原理在《工程热力学》课程中的教学应用
热管的传热原理及其应用特点
热管的传热原理及其应用特点在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量的热量通过其很小截面积远距离地传输而无需外加动力。
国际上对热管技术的研究和应用是在20世纪60年代开始的。
我国在这方面的研究起始于上世纪70年代，当时主要侧重的方向为电子器件冷却和空间飞行器上的应用。
80年代初，我国的热管研究和开发重点转向节能和能源的合理利用，相继开发了热管气—气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器等各类热管产品。
由于碳钢—水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，使得此类热管得到了广泛的应用。
随着科学技术的不断提高，热管研究和应用的领域也在不断拓宽。
目前，热管及热管换热器已广泛应用于石油、化工、动力、冶金、建材、轻工等领域的高效传热设备，以及电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却及电路控制板等的冷却。
目前，除微型热管已批量化、大规模生产外，工业中余热回收用的热管换热器由于各种设备规模、大小、使用情况的不同，几乎每台设备都根据设备的工艺条件、现场情况设计、制造。
一、热管工作原理热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。
由热管组成的热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点。
目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业中，作为废热回收和工艺过程中热能利用的节能设备，取得了显著的经济效益。
典型的重力热管如图所示，在密闭的管内先抽成真空，在此状态下充入适量工质，在热管的下端加热，工质吸收热量汽化为蒸汽，在微小的压差下,上升到热管上端，并向外界放出热量，凝结为液体。
冷凝液在重力的作用下，沿热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断的将热量由一端传向另一端。
由于是相变传热，因此热管内热阻很小，热管的高导热能力与银、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，所以能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点，特别是由于热管的特有机理，使冷热流体间的热交换均在管外进行，这就可以方便地进行强化传热。
热管的原理及应用实例
热管的原理及应用实例1. 热管的原理热管是一种利用毛细作用传递热量的热传输器件。
它主要由一个密封的金属管内部充填着工作流体组成。
热管的原理可以简要概括为以下几个步骤：•蒸发段：热管的工作流体在蒸发段受热变成蒸汽，并且吸热带走热量。
•对流段：蒸汽在对流段中传递到冷凝段，同时冷凝为液体，并且释放出吸收的热量。
•冷凝段：冷凝的工作流体液体通过毛细作用返回到蒸发段，完成循环。
热管通过不断的汽化和冷凝过程，实现了高效率的热传输。
它具有以下一些特点：•高传热效率：热管能够实现高效率的热传输，因为工作流体在蒸发和冷凝过程中，具有高传热系数的特点。
•无需外部动力：热管是靠毛细作用来实现液体循环，无需外部动力，因此具有较低的功耗。
•温度均匀性：热管可以实现温度均匀分布，适用于对温度要求较高的应用场景。
•避免热应力：热管的高传热效率可以避免在恶劣工况下产生热应力造成的热破坏。
2. 热管的应用实例热管作为一种高效的热传输器件，已经在多个领域得到了广泛的应用。
以下是几个热管应用的实例：2.1 汽车发动机散热系统热管在汽车发动机散热系统中的应用已经成为一种趋势。
热管可以将发动机上产生的热量传递到散热器上，实现高效的散热。
它可以提高发动机的工作效率，延长发动机寿命。
2.2 电子设备散热热管在电子设备散热领域也有着广泛的应用。
例如，在笔记本电脑中，热管可以将电子设备产生的热量传递到散热风扇上，从而保持设备的正常工作温度。
热管可以提高设备的稳定性和寿命。
2.3 太阳能热水器热管在太阳能热水器中的应用也很常见。
热管可以将太阳能板上的热量传递到水箱中，从而实现太阳能的热水供应。
热管具有高效的传热性能，可以提高太阳能热水器的热转换效率。
2.4 空调系统热管在空调系统中的应用也逐渐增多。
热管可以用于室内和室外机之间的热量传递，提高空调系统的能效比。
热管还可以降低室内机的噪音和震动，提高舒适度。
2.5 光伏系统热管在光伏系统中的应用也具有重要意义。
工程热力学热管技术在热力循环中的应用
工程热力学热管技术在热力循环中的应用工程热力学热管技术是一种基于传热、传质、传动和传感的研究方法和工程应用技术。
它利用液体在热管内循环流动的特性，实现热的传递、驱动和控制。
热管技术广泛应用于工业生产中，特别是在热力循环中，具有诸多优势。
本文将以几个方面来介绍工程热力学热管技术在热力循环中的应用。
一、热管在热力循环中的原理热力循环是一种能量转换过程，通过热源使工质的温度和热量变化，从而实现能量转换。
而热管作为热力循环中的一个重要组成部分，起到传热、传质和传动的作用。
热管的基本结构由内外两层金属管壳组成，内层为蒸发段，外层为冷凝段。
其中，内层充满工质，通过蒸发和冷凝循环流动，实现热的传递；外层则起到隔热的作用，保证热管的热效率。
当热管的一端受到热源的加热，蒸发段内的工质蒸发成气态向另一端的冷凝段传递热量，在冷凝段被冷却介质吸收热量并变为液态，然后再次返回蒸发段进行循环。
二、热管在热力循环中的应用1. 热管在核电厂中的应用热管技术在核电厂中具有广泛的应用前景。
核电厂需要对核反应堆进行冷却，而传统的冷却方式有许多问题，如过热、不均匀、温度梯度大等。
而利用热管技术可以解决这些问题，提高核电厂的安全性和效率。
2. 热管在太阳能热能利用中的应用太阳能热能是一种绿色、清洁的能源，利用太阳能进行热能转换可以有效减少能源消耗和环境污染。
而热管技术可以提高太阳能的热能利用效率，将太阳能转化为实用的热能，广泛应用于太阳能热水器、太阳能空调等领域。
3. 热管在航空航天中的应用热管技术在航空航天领域中有着重要的应用价值。
在宇宙空间中，传统的传导和对流传热方式受到限制，而热管技术可以通过液体流动的方式实现热量的传输和均衡，提高航空航天器的散热效果，保证设备的正常运行。
4. 热管在工业生产中的应用热管技术在工业生产中有着广泛的应用。
例如，在钢铁冶炼过程中，热管技术可以用于冷凝和回收高温废气中的热能，提高能源利用效率。
此外，在工业热处理、电子设备制造等领域，热管技术也可以用于温度控制和热能回收。
热管技术在热能工程中的应用
热管技术在热能工程中的应用随着科学技术的不断发展，热能工程也在不断发展，但是在热能工程中却遇到了前所未有的难题，那就是高绝热材料和高导热材料的研究和使用。
在这种情况下，热管的发明解决了这一技术难题。
从数量级水平上来讲，热管的导热系数最高可以达到105 W/m·℃，是铝、柴铜、银等金属的几百倍甚至上千倍。
通过热管技术，可以从截面积非常小的热管中将大量的热进行远距离传输并且不需要施加任何动力。
目前，热管以它优良的导热性能，可靠的工作状态越来越受到热能工程的青睐。
1 热管的基本组成及工作原理1.1 热管的基本组成常用的热管主要包括3部分结构：主体、内部空腔和毛细结构等。
其中主体部分是一段封闭状态的金属管，金属管通常是由不锈钢、碳钢等金属制成的可以承受相当大压力的全封闭结构，在其内部空腔里面存在着少量的气态或者液态的工作液（水、甲醇、丙醇、氨等）以及毛细结构，金属管内的空气和杂物不能包括在内。
热管本身就是抽成真空的封闭系统。
1.2 热管的工作原理按照传热的状况，沿热管轴可以将热管分成三个工作段，即蒸发、冷凝、绝热三段。
在工作过程中，外部热量导致蒸发段以及内部的液体温度升高蒸发，蒸发后蒸发段的气压迅速升高，当气压达到饱和蒸发压时，热量便以潜热的形式传递给蒸汽。
在这个过程中，蒸发段内的饱和蒸汽压逐渐升高，这样就导致蒸汽段的气压远远大于冷凝段的气压，此时蒸汽便沿着蒸汽通道慢慢流向冷凝段，然后在冷凝段进行冷凝，从而放出潜热。
从冷凝段放出的潜热通过吸液芯和热管的管壁，将热量传递到管外，这样就完成了无外力的热传统过程。
在工作过程中，释放完热量的液体沿吸液芯进行回流，并最终回流到蒸发段，然后进行下一次的热量传递。
这样周而复始，就可以不断地将热量从蒸发段传递到冷凝段。
在热量传递的过程中，绝热段一方面为热管内流动的液体提供了流动的通道，另一方面还将蒸发段与冷凝段完整隔开，并且保证热管内的热量不向外界散失，从而保证了热量的有效传递。
浅谈热管技术在热能工程中的应用
浅谈热管技术在热能工程中的应用热管是由管壳、管芯（或称吸液管）和工作液体三部分组成。
管壳是由碳钢、不锈钢、铜等金属材料制造的能承受一定压力的完全密闭的管状容器内部空腔具有较高的原始真空度。
管芯是紧贴管壁的由毛细多孔结构材料制成它一般为金属丝网或烧结的金属粉末。
工业用热管也有采用槽道吸液结构或丝网与槽道复合结构。
工作液体是热管工作时传递热量的工作介质一般有水、氨、甲醇、丙酮、R-21、R-113等，其中水的工作范围为45~210℃。
工作液在热管内呈气态和液态两种工作状态它是在热管处于真空状态下被充入并填满毛细材料中的微孔然后予以密封的。
2 热管的工作原理热管一端为蒸发段中间一段为绝热段（即与外界无热交换），另一端为冷凝段。
当蒸发段受热时毛细材料中的液体蒸发产生蒸汽流向另一端冷凝段。
冷凝端由于放热冷却使蒸汽又凝结成液体，液体再沿毛细多孔材料流回蒸发段，如此不断循环将热量从一端传到另一端。
从热管内部的工作过程来看也对应分成三个工作段即汽化段、输运段和放热凝结段。
利用这种原理工作的热管称为毛细管式热管。
另有一种重力式热管又称为两相热虹吸管，重力热管是热能工程中应用最广泛的一种热管。
它可以不用管芯，而是利用凝结段液态工质自身重力沿热管内壁下流到蒸发段（汽化段）。
3 热管技术在热能工程的应用3.1用高温热管蒸汽发生器取代余热锅炉在小氮肥生产中余热回收利用。
3.1.1小氮肥厂生产中用高温热管蒸汽发生器能克服常规余热锅炉的缺点。
氮肥厂造气工艺均以焦炭为原料在煤气发生炉中以富氧空气加水蒸气为气化剂，连续产生750~950℃的高温半水煤气，经过热交换器使半水煤气的温度降至250℃以下，进入后续工艺。
如何利用煤气工段高温半水煤气的余热是节约能源、降低氮肥成本的关键。
常规的方法是采用余热锅炉，煤气走管程，水、汽走壳程，只能产生0.3MPa以下的低压蒸汽，无法满足后续工艺中使用的蒸汽，同时，由于半水煤气成份复杂，含有大量的水蒸气、CO、CO2、N2、H2、O2、CH4及少量的H2S且温度高、含尘量大、飞灰粒度大，易造成换热器的磨损、腐蚀，再加上热应力也容易引起管板和管子的损坏，这些都将严重影响生产和安全。
具有两种冷却流体的重力热管换热器在工程中的应用
具有两种冷却流体的重力热管换热器在工程中的应用浙江大学能源工程系 捷曼尔.M 冯踏青 袁海 胡亚才 屠传经摘要 具有两种冷却流体的重力热管组成的换热器,在工程实际中具有一定的应用特色。
本文通过介绍这类热管在4种不同场合的应用,分析归纳了该类热管的工作原理和设计特点。
关键词 重力热管 换热器 特殊应用 随着热管技术的发展及其应用的日益广泛,至今已开发了无数种不同功能的热管。
在热管器的推广应用中,我们认为,具有两种冷却流体的重力热管在工程实际中具有一定的应用特色。
以下,我们通过该类热管在4种不同工业场合的应用加以讨论。
1 第一种应用情况在蒸发量为4t/h 的小型工业锅炉尾部烟道中,安装了一台具有两种冷却流体(空气、水)的热管换热器,用以回收烟气余热。
表1和表2分别为该热管器的设计参数和额定负荷时的工况。
余热利用的方式是产生热空气和热水。
热空气通入炉膛助燃;热水供生活用,其流程见图1(a)。
由于工业锅炉负荷变动很大,在低负荷时热管仅用一种冷却流体工作,使换热器烟气侧的出口烟温不至于过低,以避免低温腐蚀。
图1(b)和(c)分别为低负荷时热管仅用水作冷却流体保证热水供应和仅用空气作冷却流体产生热空气助燃或供工艺需要的工作示意图。
图2为该换热器的烟气进出口温度随锅炉负荷的变化曲线。
2 第二种应用情况此种热管换热器用于排烟温度周期性短期剧烈变化(上升)的工业炉尾部余热回收。
在表1 热管换热器设计参数热管外径mm 32热管加热段长m1.10热管全长m1.87热管冷却段长m0.45(空气)0.28(水,无翅片)翅片外径mm 60热管绝热段长m0.04翅片厚度mm1热管横向节距mm76烟气侧翅片节距mm 8热管纵向节距mm 66空气侧翅片节距mm 3热管数量52排数7排列方式叉排表2额定负荷工况进口温度℃出口温度℃流量Kg /h 烟气2201708076水20452000空气20753800图1 热管换热器工作示意图正常温度下,热管换热器使用一种冷却流体(空气),产生的热空气用于工业炉助燃,如图3(a)图2 烟气进出口温度随锅炉负荷的变化曲线所示,正常排烟温度600℃。
重力热管数学模型的建立及求解过程及程序设计
三章重力热管数学模型的建立及其模拟求解3.1重力式热管模型建立的分析思路对于重力式热管的凝结换热特性进行深入的分析。
分析的基本思想如下: （1）对层流状态下的竖壁凝结换热建立模型，提出合理的假设条件；（2）取液膜微元控制体，对它进行受力分析和能量平衡分析，建立动量方程和能量方程，合理简化边界条件。
简化方程，找出液膜厚度、切应力与液膜下降高度间的关系式；（3）通过能量平衡关系式，由己知的热管内压强（定性温度）和冷却介质带走的热热流，计算出热管的内壁温度；（4）离散液膜长度，假设在每一个微元液膜段内，液膜内的各个参数都是一样的（如果微元液膜足够小的话，这个假设是成立的），积分得到边界方程，并求得各个关系式；（5）在各个离散点处求出凝结换热系数，然后计算出所有离散点的凝结换热系数的算术平均值作为所要求的凝结换热系数的数值解。
3.2物理模型建立和数学描述3.2.1模型合理的简化和假定图3-1重力式热管冷凝段模型热管内部的冷凝液膜和热管的内径比起来很薄，因此研究热管内部的凝结换热可以简化成研究大平板表面的凝结换热处理，这样可以使问题变得简单化。
只考虑竖直方向，其他方向不考虑。
在竖直的热管中，没有不凝结气体的影响，建立坐标系，它的流动模型如图3-1所示。
在分析中，作若干合理的简化假定以忽略次要因素。
除了已经明确的纯净饱和蒸汽层流液膜的假定外，还有:（1）蒸汽及凝结液的热物性是常数；（2）液膜的惯性力可以忽略（即控制方程中的对流项可以忽略不计）；；（3）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度tsat（4）膜内的温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用；（5）液膜表面平整无波动。
（6）忽略不凝结气体的影响。
3.2.2理论推导建立如图 3-1所示的凝结液膜柱坐标系统，进行理论分析。
应用N-S 方程，列出液膜在竖直管内的连续性方程、动量方程和能量方程。
（1）连续性方程0)(1=∂∂+∂∂rv rr x u （3.1） （2）轴向动量方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂++∂∂-=∂∂+∂∂r u r r r x u x g x pr rvu r x uu 1)(1)(μρρρ 应用假设条件可以得到动量方程的简化形式： 0)(1=-+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂g r u r r r v l ρρμ（3.2） 动量方程的边界条件为0,==u R r ru R r ∂∂=-=μτδδ, 其中u 为冷凝液膜的流动速度，μ为冷凝液膜的动力粘度。
重力热管技术研究与应用概述
重力热管技术研究与应用概述
任鹏飞;杨楠
【期刊名称】《东方电气评论》
【年(卷),期】2024(38)3
【摘要】重力热管是一种高效的传热元件,因其结构简单、等温性良好、换热性能优异、不含有能动部件等特点,被广泛应用于各个领域。
本文全面总结讨论了重力热管的传热机制,包括膜状冷凝和努塞尔理论、降膜蒸发和降膜沸腾等机理,并对相关的理论模型进行了讨论分析,给出了比较合适可靠的理论模型选择建议。
此外还介绍了重力热管在工程领域的应用现状,指出了重力热管技术应用所面临的问题和发展方向。
【总页数】6页(P1-6)
【作者】任鹏飞;杨楠
【作者单位】中国东方电气集团有限公司;华北电力大学
【正文语种】中文
【中图分类】TK172.4
【相关文献】
1.径向式热管与重力式热管管壁温度的影响因素分析
2.热管式真空管太阳集热器所用重力热管的研制
3.应用于动力电池热管理的重力型热管仿真研究
4.重力热管技术在燃煤电厂MGGH系统的应用
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钢—水重力热管基本原理在《工程热力学》课程中的教
学应用
将钢-水重力热管的基本原理及其换热器，应用到《工程热力学》这门课程的教学过程中，解决了该课程中很多知识点，使这门课程的教学取得了较好的教学效果，使学生不再认为该课程抽象、难理解、枯燥，给课堂教学带来了生机与活力，学生也从中学习到了《工程热力学》这门课程相关理论在工程实际中的应用实例，也为他们今后中遇到热量利用时提供了一种具有特高导热性能的新颖传热元件——热管。
热管原理换热器课程应用工程热力学是一门概念多、公式多及抽象性较强的一门课程。
如何在教学过程中增强教学效果，既使学生对该课程产生浓厚兴趣，又能从中到知识，是该课程教学的一难点。
为此，笔者将热管原理到该课程的教学过程中，学生反响较好，很多学生认为通过热管基本原理的讲解，解决了《工程热力学》课程中很多较抽象的知识，使这门课程学起来不再枯燥，而且对该课程产生了较强的学习兴趣。
不仅使学生学习到了课本知识，而且为学生今后工作中遇到热量利用时提供了一种具有特高导热性能的新颖传热元件——热管。
一、钢-水重力热管概述
1.热管的发展及应用。
热管技术是美国LosAlamos国家实验室的
G.M.Grover于1963年发明的一种称为“热管”的传热元件。
1967年，美国首次将一根（不锈）钢-水热管应用于地球同步卫星上，以解决地球同步卫星内部因昼夜存在较大温差及在运转过程中的向阳面与背阳面存在的较大温差，避免由此而造成的热应力对卫星的破坏，以确保卫星的安全，并获得成功运行。
热管理论一经提出，就受到了世界各国科学家的高度重视，并作了大量的研究工作，使得热管技术得以很快发展。
我国对热管技
术的研究起步较晚，始于二十世纪七十年代。
热管技术开始主要用于航天
航空领域，由于研究的深入和技术的进步，热管的应用向民用领域推广普及。
如我国自80年代以来相继开发的各类热管产品有：气-气换热器、气
-水型热管换热器、热管余热锅炉、热管蒸汽发生器、热管热风炉等。
热
管的种类较多，其中碳钢-水重力式热管由于价格低廉、结构简单、制造
方便以及碳钢-水相容性问题得到了基本解决，使钢-水重力式热管在很多
领域内得以广泛的推广应用，如在动力、化工、干燥、建材等。
3.基本工作原理。
如结构图所示，一般将热管人为分为热端（也称蒸
发段，放入温度高的热源）和冷端（也称冷凝段，放入冷源），使用时水
平倾角10°左右。
当热管的蒸发段或热端受热时，热管内的工质吸热而
蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向冷凝段或冷端放出热量凝结成液体，液
体在重力的作用下流回蒸发段。
如此循环不已，热量就由一端传到了另一端。
二、钢-水重力热管基本原理及其设备在《工程热力学》课程中涉及的知
识点
1.热力系统。
将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔
出来的研究对象，称为热力系统，简称系统。
2.边界。
分隔系统与外界的分界面，称为边界。
如我们将热管空气预
热器与外界（大气环境）人为分开，分开的界面就为边界。
3.外界。
边界以外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。
如在2
中的边界以外的大气环境就为外界。
5.工质。
人们把实现能量转化的媒介物质称为工质。
对工质的要求是：（1）膨胀性；（2）流动性；（3）热容性；（4）稳定性、安全性；（5）
对环境友善；（6）价廉，易大量获取。
在钢-水重力热管中的工质为经过
处理后的水。
它完全达到对工质的六点要求。
因此，它是极其理想的工质。
6.工质在实现能量转化过程中的液态和汽态变化。
在钢-水重力热管
中的工质—水，当热管的蒸发段受热时热管内的工质水吸收热量而蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，在重力的作用下
流回蒸发段。
工质实现：“液态——汽态——液态——汽态——液态——
液态”的反复循环，热量就由一热端传到了冷端。
7.蒸汽的流动和实现流动的条件。
在钢-水重力热管中的工质—水，
不断实现：从“热端——冷端——热端——冷端——热端”的反复过程。
工质—水，在冷端由于自身重力作用而回流到热端，这里的工质自身重力
就是压力差，从而实现了流动应具备的条件。
8.饱和状态。
汽化和凝结的动态平衡状况称为饱和状态。
钢-水重力
热管中的工质—水，在热端吸热汽化流向冷端，在冷端放热而凝结而回流
至热端，当工质—水，达到汽化和凝结的动态平衡状况时，此时工质—水
就处于饱和状态。
9.饱和蒸汽和饱和蒸汽。
处于饱和状态下的蒸汽和液体分别称为饱和
蒸汽和饱和蒸汽。
在钢-水重力热管中的工质—水，时而处于蒸汽状态，
时而处于液体状态。
10.热量传递的条件——温差。
在钢-水重力热管中的工质—水，由于
热端和冷端之间存在温差，进而能够实现要将热量由热端传递到冷端。
11.正循环和逆循环。
在热管中工质—水，既有从高温状态到低温状态，也有从低温状态到高温状态。
因此工质—水存在着正循环和逆循环过程。
12.负压。
在讲到基本概念中的压力时，出现了真空度或负压，在钢-水重力热管中也体现负压。
因为热管是将管内抽成
三、结语
综上不难知道，钢-水重力热管的基本原理中包含了《工程热力学》课程中的很多知识点，笔者在将其应用到教学过程中，取得了较好的教学效果，使学生不再认为该课程抽象、难理解、枯燥，给课堂教学带来了生机与活力，学生也从中学习到了学习《工程热力学》这门课程在工程实际中的应用实例，也为他们今后工作中遇到热量利用时提供了一种具有特高导热性能的新颖传热元件—热管。
当然钢-水重力热管换热器及其它热管换热器中包含的《工程热力学》课程中的知识点远不限于上述罗列的知识点，还有待于在今后的教学中进一步挖掘和整理，以便更进一步贯穿于教学过程中，使该门课程的教学取得更好的成绩。