热管技术原理、性能及应用

热管技术原理、性能及应用
热管概述：热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管原理：热管利用蒸发制冷，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。

热管内部是被抽成负压状态，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。

热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，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。

基本工作过程:典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1．3×(10负1－－－10负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纫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。

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。

(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，不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)优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，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。

(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。

此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。

(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，热管备部分的温度亦随之变化。

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，以适应长距离或冲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)。

右图表示了热管管内汽-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。

△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可以是正值,是负值或为
零,视热管在重力场中的位置而定)。

因此，△Pc ≥△Pl +△P v +△Pg是热管正常工作的必要备件
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。

碳钢－水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢—水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。

影响热管寿命的因素:
影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：
产生不凝性气体：工作液体热物性恶化：管壳材料的腐蚀、溶解。

(1)产生不凝性气体由于工作液体与管完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冲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，传热能力降低甚至失效。

(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，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。

(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。

这类现象常发生在碱金属高温热管中。

热管的应用领域：热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。

热管应用实例：
例1：德天节能公司06年12月曾作一工程：中关村地区高档写字楼银科大厦天然气锅炉，烟气量2400 m3/h，排烟温度180℃，排烟后因有大量冷凝水，风道两侧房间潮湿，墙皮脱落。

采用两级德天换热器，第一级德天气-水换热器，将烟温降至57℃，升高温度后的热水供整个大厦生活热水，原生活热水锅炉停用。

第二级采用气-气德天热管换热器，热风入口温度57℃，饱和湿空气，冷风进口温度0℃，相对湿度40%，热管换热器片高9.5mm，片距2.5mm，6排，迎面风速1.7m/s，实测热风出口温度46℃，回收焓值56kj/kg，比计算高出36%。

交换后热风直接进入锅炉房，供锅炉房采暖。

例2：北京银科五星级大厦：采用汽－汽，汽－液二级热回收装置，根据用户要求，将锅炉烟气温度从180℃降至冷凝点10℃以下（过冷度10℃），析出大量冷凝水，解决了排烟道周边墙皮潮湿脱落问题。

例3：北京凯宾斯基酒店2台2.7吨燃气锅炉，排烟温度180℃，未改造前日耗天燃气量360Nm3/日，改造后耗气量250－260Nm3/日，不到一年收回全部投资。

例4：北京皇家大饭店为著名涉外饭店，共有11套组合式空调机组，未加热管换热器前，冬季供热水阀门必须全部打开；改造后冬季最冷时，热水阀门只需打开12%，即可满足使用。

执笔：商量
协助：王龙龙
刘东东
杨永欢
2010-7-12。