第9章热管技术及应用

第9章热管技术

及其工程应用

1963年，热管诞生于美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover之手，它巧妙地利用了气液变化过程中的吸放热原理，具备了超过任何已知金属的导热能力.

热管技术的原理，主要是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量（热管工作流体涵盖从低温应用的氦、氮，到高温应用的钠、钾等液态金属；较为常见的热管工作流体则有氨、水、丙酬及甲醇等）。热管一般是由管壳、吸液芯和端盖三个部分组成。将管内抽至较高的真空度后充以适量的工作流体，使得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。9热管技术及其工程应用9热管技术及其工程应用图7.1热管示意图1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液

9.1热管的组成

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。

9热管技术及其工程应用

（1）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。9热管技术及其工程应用（2）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。如下图所示为几种不同的管芯的结果示意图9热管技术及其工程应用9热管技术及其工程应用烧结式热管制造工艺烧结式热管，顾名思义，其毛细结构是通过高温下铜粉烧结制造而成的。我们最常见的水介质烧结式热管制造流程大致为：选取99.5％纯度的铜粉，铜粉单体粒径一定要控制在75～150微米。首先使用工具将外径5mm红铜管内部清除干净，去除毛刺，接着将铜管放到稀硫酸中使用超声波清洗。清洗干净之后我们将得到一根内外壁皆十分光滑、无氧化物的铜管。此时将一根细钢棍插到铜管里（需要工具精确地将钢棍儿固定在铜管的中央，以方便铜粉均匀填充），将铜管底部用铜片暂时封闭。接着就可以把纯铜粉倒入铜管了。装填完毕之后就可以拿到烧结炉进行烧结。在烧结过程中，温度的把控也很重要。一般烧结炉峰值温度控制在800～850度（根据热管产品要求的渗透率规定）。烧结完成之后使用一个辅助工具把铜管加紧，使用工具把钢棍抽出即可。（3）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。9热管技术及其工程应用9热管技术及其工程应用如图：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。9热管技术及其工程应用热管工作过程动画注意：热管中的水会因为内部低压而在100℃以下就沸腾蒸发。水蒸汽流热量输入液态水蒸发液体由于重力或吸附力回流水蒸汽冷凝热量散失9.2热管的特性(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，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。9热管技术及其工程应用(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。9热管技术及其工程应用(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)。9热管技术及其工程应用9.3热管的分类（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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。9热管技术及其工程应用9热管技术及其工程应用一.两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。其结构和原理如右图所示。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。9热管技术及其工程应用二.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。9热管技术及其工程应用

三.分离式热管

分离式热管的结构如左图所示，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。

9热管技术及其工程应用9.4热管的制造过程热管的主要零部件为管壳、端盖（封头）、吸液芯、腰板（连接密封件）四部分。

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。

9热管技术及其工程应用端盖：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。

密封隔板：密封隔板是指隔开冷、热气流通道的密封装置。用于热管换热器的热管一般是由带翅片的热管组成，当带翅片的热管穿过中央管板时，翅片管与管板之间便形成了一个特殊结构。由于管子较多，管子一般很小，又要便于安装和拆卸，因此这种密封技术具有一定的特殊性，设计也较困难。根据不同的使用场合，密封程度也有很大的不同，因此结构也相差很大。在实际应用时，应根据制造成本，采用合理的密封结构，提高工效、降低成本。9热管技术及其工程应用吸液芯结构：吸液芯是一个重要的组成部分。吸液芯的结构形式直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来热管技术得到了快速的发展，各种形式的吸液芯液得到了广泛的应用。常用的有：网状吸液芯、沟槽吸液芯、线状吸液芯、螺旋状吸液芯、不等宽槽吸液芯、不等厚吸液芯、干道吸液芯等。吸液芯的支撑结构：蛇行弹簧是吸液芯常用的支撑结构,它结构简单，安装容易，效果良好。常用圆钢丝或扁刚丝制成。9热管技术及其工程应用9热管技术及其工程应用9热管技术及其工程应用热管是最有效的传热元件之一，它可以将大量热量通过很小的截面积而远距离地传输，无需外加动力。热管具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、热二极管与热开关性能和环境的适应性等特点。最初，热管技术作为尖端技术首先被研究应用于空间飞行器上。1965年，一根不锈钢-水热管作为高效均温传热设备首次被送入地球卫星轨道并运行成功。因热管的高效传热性和很高的均温性，热管现已广泛应用于化工、动力、冶金、轻工、玻璃和陶瓷等领域的高效传热传质设备中。热管作为一种高效传热和均温元件，应用于家用空调蒸发器前后中，可以增加空调的除湿量。

9.5热管在空调中的应用9热管技术及其工程应用热管作为一种高效传热和均温元件，应用于家用空调蒸发器前后中，可以增加空调的除湿量。

工作原理9热管技术及其工程应用工作过程：在热管蒸发段，管内液态冷媒吸热蒸发，部分液态冷媒转变为冷媒蒸汽。冷媒蒸汽在管内沸腾动力微小压差的作用下，通过连管a进入冷凝段。在冷凝段，冷媒蒸汽放热凝结为液态冷媒，液态冷媒在重力作用下聚集于管内底部。液态冷媒在热管冷凝段高于热管蒸发段而形成的重力作用下通过连管b返回到热管蒸发段。如此往复循环。9热管技术及其工程应用整个循环过程都是工质自行循环，不需外加压缩动力。热管的整个工作过程都是在饱和压力下进行，因而热管的蒸发段和冷凝段的工作温度是相近的。利用热管均温性，室内较高的回风首先经热管蒸发段预冷，再经空调蒸发器过冷，然后经过与热管蒸发段温度相近的热管冷凝段回升到人体较为舒适的温度后送风

9热管技术及其工程应用9热管技术及其工程应用热管结构本热管是由蛇行翅片管密闭而成，属分离型重力热管。也就是在原空调蒸发器前后各添加一个单排翅片管（即与蒸发器结构相同的单排），把这两个单排翅片管通过歧管分别连接成四个独立密闭循环，每个密闭循环在折弯连管上各焊接一根毛细工艺管e。热管冷凝器略高于蒸发器19.5mm，使热管冷凝器和蒸发器的连管与水平方向夹角为15°。热管内充注R22，每个热管充注量相同，每个热管都是一个独立密闭循环，即由图二中所示的abcd的循环，不参与空调机组冷媒循环。9热管技术及其工程应用热管灌注工艺在连管弯头处，焊接一根毛细