热管技术及其工程应用

热管技术

及其工程应用

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105W/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。

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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。

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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。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

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。

Atraditionalheatpipeisahollowcylinderfilledwithavaporizableliquid.

A.Heatisabsorbedintheevaporatingsection.

B.Fluidboilstovaporphase.C.Heatisreleasedfromtheupperpartofcylindertotheenvironment;vaporcondensestoliquidphase.D.Liquidreturnsbygravitytothelowerpartofcylinder(evaporatingsection).国外资料:

(Fromhttp://)HeatPipesforDehumidification(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。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”。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、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

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右上图所示。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(见右上图上部及右下图)。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。

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。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：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。第三章渔热管的牧分类由于热富管的用脆途、种小类和型联式较多迹，再加病上热管奸在结构希、材质田和工作秋液体等念方面各市有不同伶之处，爷故而对涛热管的爬分类也炼很多，锄常用的报分类方握法有以拢下几种剃。按照工作液体苍回流动力国区分有芯热新管、两学相闭式望热虹吸找管(又称重卖力热管)、重力秧辅助热就管、旋络转热管异、电流上体动力殃热管、棍磁流体蒙动力热标管、渗君透热管梨等等。按照热管管垦内工作诊温度区乱分有低温榨热管、逃常温热忠管、中腾温热管散、高温脚热管等缝。按照管壳与工炼作液体的嫩组合区分有铜-水热管抚、碳钢-水热管精、铝-丙酮热秃管、碳宵钢-萘热管绍、不锈搜钢-钠热管等东。按照结构形亮式区分有普通热押管、分离醉式热管、羊毛细泵回臭路热管、盈微型热管谁、平板热耳管、径向肃热管等。按照热管的匠功用划捏分有传输热地量的热管献、热二极折管、热开饿关、热控汁制用热管屡、仿真热宰管、制冷耐热管等。一.两相闭弊式热虹那吸管（Two-欺Phas诊eCl父osed座The孟rmal炒-si埋phon）两相闭式连热虹吸管那又称为重谜力热管，强简称热虹较吸管。彩其结构和住原理如右跟图所示。晶与普通热访管原理一路样，但不滤同的是热肉管内没有烘吸液芯，召冷凝液的鲜回流主要艘是靠自身音的重力作斥用，因此已，热虹吸旧管的作用介有一定的订方向性：旱冷凝段位黎置必须高吩于蒸发段挎。其结构挪简单、制裁造方便、匆成本低廉坟、而且传怖热性能优浮良、工作墨可靠，因车此他在地额面上的各狡类传热设抬备中都可郑以作为高汁效传热元慕件，其应荷用领域非面常广泛。两相闭立式热虹畏吸管对于两相随闭式热虹州吸管，所严可能发生正的传热极真限主要是蜡干涸极限哥、沸腾极递限(又称烧毁川极限)和携带极疫限。干涸孩极限一般冲发生在充防液量过小今时。为了避风免热管垫工作时居达到这聚些传热艇极限，头并强化油热管的友换热，乳国内外络许多传肢热界学忙者对热旗虹吸管否内的强屈化换热蚂作了许竖多实验资和理论州研究，菠也得出覆了很多巾行之有帽效的方刻法。例如：在热虹吸涂管的蒸发扶段内同心邻放置开孔晒抑泡管抑和制该段气己泡的脱离死；在冷凝激段内设置潮溢流同心齐导管降低咸该段的凝丝式结热阻；斧将热虹吸港管的内壁泛加工成为仙轴向槽道忆表面提高抬热虹吸管抗的换热系垦数；在热扎虹吸管内袭插入同心府的内热虹呢吸管；在趴热虹吸管逃内插入一街根同轴多邻孔管——流动分离南器，强化忍内部传热编。二.旋转热榨管旋转热管楚的概念是悉由Gra栋y于1969年首次督提出的交，他分舌析了旋顾转热管吵较普通孔热管具侵有更强邻的传热里能力。陷旋转热湾管的显刮著特征赚是热管津自身是嫁旋转件累，因而羊可以用愚于所有典需要冷订却散热张的旋转钩零部件棋，如电金机转子双，发动财机电动映机转轴跳等的冷豆却，具什有实际截应用价脊值。旋转热辫管为一考密闭的邀空心轴(管)，此空心屋轴内腔具专有一定初晚始真空度条，并充有压少量工顷作液。内蓝腔的形状着可以是空油心圆柱形酒、空心内娇锥形成圆陪柱台阶形胀。上图为假一锥形空抽腔的旋转喂热管工作惠原理简图退。在高转立速下，工邪作液覆盖境在空腔的松内壁面上引，并形成抄一层环状茫液膜。旋滴转热管的箭一端由于秩被加热，于该处液体瞎蒸发、液队膜变薄，讨所产生的堤蒸汽流到瞎另一端(冷却端)。蒸汽爱在冷却毕端放出盒潜热而好凝结成置液体。拨在热管舍的旋转成作用下资液体受劳到一离那心力，甜这一离皱心力沿包锥面的剖分力使嗓这些冷猫凝液沿伤锥面流哈回到蒸绍发段。浸这样连暑续地循怠环就完梢成了把挡热量从障加热段辜输送到驼冷却段至的过程耽。从传热性敬能来看，虾旋转热管气没有吸液粱芯，因此西不存在毛倒细极限，穴并且在热爱流回路中眨间少了由扫于吸液芯摔引起的热屿阻。旋转讽热管内部激空腔较大坏，蒸汽流强速不高，劈燕不易产生兼声速极限鄙，因此，岂其传热极杏限主要为乓：冷凝极乞限、携带俯极限和沸童腾极限。三.分离式热惠管分离式培热管结在构示意团图分离式热衫管的结构版如左图所检示，其蒸皆发段和冷哭凝段是分为开的，通灶过蒸汽上捞升管和液效体下降管多连通形成渴一个自然觉循环回路灿。工作时置，在热管伐内的工质诱汇集在蒸稳发段，蒸夫发段受热蚁后，工质裁蒸发，产印生的蒸汽疫通过蒸汽罢上升管到脱达冷凝段牛释放出潜尊热而凝结漏成液体，宇在重力作精用下，经断液体下降拒管回到蒸赞发段，如临此循环往逗复运行。分离式热遍管的冷凝萍段必须高模于蒸发段份，液体下恐降管与蒸种汽上升管报之间会形撑成一定的增密度差，客这个密度爱差所能提失供的压头壳与冷凝段握和蒸发段辨的高度差酬密切相关融，它用以逼平衡蒸汽忍流动和液馒体流动的钻压力损失跌，维系着冲系统的正氏常运行而嘴不再需要唤外加动力旦。分离式躺热管既掘有经典伍热管的刑共性——两相流否动、相香变传热盲、自然理循环等正，同时泄也具有和鲜明的蚂个性——管内汽液咏两相同向平流动。分离式惨热管内渗蒸汽与勤液体通慰向流动撞，故不距存在携慢带极限职，限制将其传热杠能力的牲主要极盗限为烧求干极限抽、声速盟极限和赖冷凝极困限。适挨当加大霞其冲液竟量，加逆大蒸汽父上升管社的管径猎或增加臭蒸汽上主升管的斧个数等眠方法可浮以适当夕消除这娱些极限落的影响斑。分离式立热管最绣大的特挂点是冷涉凝段和秧蒸发段由可以较皱远距离金安装，抛从而使缝得冷热馋流体完没全隔离址，避免展了相互刑渗漏的质问题害，安全筒性能较刺经典热沟管大为误提高。四.可变导红热管可变导遇热管热督阻的简戏化模型普通热悠管的工巧作温度厕是由热蛮源和热脊汇的条绒件确定惨的，因厌此，改冠变热负衫荷或蒸它发段的战温度就演将引起跑热管工略作温度寄的改变透。对于旧普通热龄管来说像，其导医热率接希近一个勾常量。娘然而在滴某些应陵用场合带，需要羡冷凝段(或蒸发段)的温度鄙随着热估负荷的公变化而鼓保持不熟变，因性而利用剩热管的惑热可控收性产生奔了可变当导热管(Var厘iabl竞eco贷nduc乡丰tanc饼ehe亏atp荷ipe，VCHP境)。可变导蜡热管的害基本原裳理如右介图所示再，这是目简化了写的热管些基本热饥阻模型毅。在这储个模型惨中，Re表示热源园与热管内宽蒸汽之间钻所有热阻陈之和，Rc表示热管海因蒸汽流米动等因素础引起的热赏阻，Rv表示热管柔内蒸汽与柏热汇之间查所有热阻隆之和。任流意一项热腐阻的变化致，将导致僵总热导的眉改变，热炕管的传热净率也将发毛生变化。可变导廉热管可炼以分成浸两大类阴：驰第一类木为随着贿热源温肤度或热渔流率的沾变化，谁保持热黑管的工秀作温度扎不变；爪另一类钻为保持朵热源温送度不变迷。五.微型热管运及小型热急管（MHP）微型热管歉横截面示务意图随着集成深芯片中电白路数目的饰增加，其境产生热量菜的散逸变馋得越来越劈燕困难，除览了最高芯袄片温度的尖限制外，焰对温度均统匀性也有树更高的要尖求，因而申热力特性莫是电子产腐品开发、娇研制中非嚷常重要的极技术，且邀直接影响河到最终产猾品的成本津、可靠性俱和表观。币微型热管瓶作为一项鄙很有前途奶的技术，充可用于计例算机芯片据以获得高堡的热量导摸出率及温只度均匀化扬。随着热管格尺寸的减也小，微型退热管遇到质了蒸汽连允续流动极填限。此极饱限限制了陈微型热管断在低温状鹊态下的工采作。如果佳热管工作施在较高的会工温度下脸，此极限饼为暂时的区，随着热忙管温度升碧高将会消近失。除了扣蒸汽连续亏自流动极滤限外，微抗型热管还活将遇到常僚规热管的州操作极限刃。如毛细拾极限，沸择腾极限等剂几种常见版的传热极推限。定义：微型卖热管被移为液汽蜓交界面枕的平均此曲率在丸数量上箭和液体思总流通早截面水热力半径射的倒数膨相当的括一种热滚管。典恋型的微蔬型热管批有凸面陷、锐角撇的截面(例如多爷边形)，水力半奴径范围为10～500μm。其典拴型横截闲面形状如上图漫所示。对于小躺型热管，纸其最小截肯面直径为1mm数量级涉，由于乳这种热隶管的体欧积不是殿很小，纱所以和慌常规热叫管的差撇别不是笔非常明胖显。在书小型热会管内部蓄往往加异吸液芯杆结构，殿较为常盗见的是续金属烧脚结吸液垃芯结构无、丝网牵结构、午干道结姿构、内茶槽道结烂构等。六.毛细泵让回路热管作顾为高效北的传热照元件已黑广泛应蹲用于各熔个领域亲，然而仰在地面产上，如标果热管怪的蒸发段旅位于冷话凝段之益上，其传击热能力椅就将受袍到限制衡，毛细效泵回路(CP洽L-C逃api配lla旷ry燃Pum搬ped候Lo农op)可以解决示这一问题谷，其基本购工理与普宰通热管的孟基本原理调相似，但尾其可处于换任何位置术长距离有茧效换热。其概念首伪先是由美隙国NAS盈AL汤ewi拖s研究中听心的Sten止ger于1966年提出河的，可地有效地默用于小缴温差、寨长距离维、无附局加动力围的热量民回收，醋也可用乖于航天脊器的热雕管理系扣统，并抄可能使帮大型航阶天器的巡寿热管理膛系统出仇现巨大该的变革让。毛细泵你回路以角其独特层的工作勉方式工担作，具叫有以下吼工作特矛点：(1)具有较百高的传军热能力(2)具有优释良的控居温特性(3)热分享低特性(4)压力灌注县特性(5)热二极岛管特性毛细泵回爹路的研究挽已经成为描目前研究察的热点之郊一，它在振空间站、糊现代通讯胳卫星、大遥功率宇宙猎飞船、电樱子元器件毫的冷却方缴面都有着柱广阔的应海用前景。各种类型朝的换热器妨对比总结参数热管类型是否有吸液芯液体回流动力传热极限常用场合两相闭式热管无重力干涸极限、沸腾极限、携带极限常用于热源在冷源下方的情况旋转热管无离心力冷凝极限、携带极限、沸腾极限所有需要冷却散热的旋转零部件分离式热管无重力烧干极限、声速极限、冷凝极限需要严格避免冷热流体相互渗漏的场合可变导热管有些有毛细力或其他烧干极限、携带极限、冷凝极限需要冷凝段(或蒸发段)的温度不随热负荷变化而变的场合微型热管及小型热管有毛细力毛细极限、沸腾极限电子产品等毛细泵回路有毛细力毛细极限等航空领域，电子元器件等第四章旱热管换瓣热器热管换县热器属鼠于热流誉体与冷番流体互涉不接触织的表面肾式换热惜器。典嫁型的热舞管换热动器如下绸图4.1a所示。热管换所热器的勉最大特歌点是：蕉结构简宜单，换罗热效率既高，在景传递相浑同热量睛的条件眯下，热敲管换热澡器的金芝属耗量傍少于其载他类型果的换热午器；换莫热流体核通过换但热器时哭的压力劳损失比境其他换电热器小各，因而盈动力消科耗也小立。由于霸冷、热雷流体是但通过热猛管换热马器不同金部位换换热的，杯而热管斩元件相雕互又是泻独立的称，因此缓即使有惠某根热也管失效虫、穿孔疮也不会枕对冷、稼热流体案间的隔放离与换杨热有多迷少影响贺。此外缘瑞，热管懒换热器散可以方序便地调丈整冷热雷侧换热助面积比铺，从而订可有效桶地避免浓有腐蚀才性气体拼的露点羽腐蚀。箱热管换淘热器的里这些特豆点正越小来越受丑到人们肌的重视薄，其用沿途亦日答趋广泛扰。图4.1尊a热管换厘热器示鬼意图b气-气热管算换热器民实物照所片热管换网热器的部分类按照热尺流体和算冷流体厦的状态坦，热管秃换热器制可分为矮气·气式、气·液式、液-液式、液-气式。从热管多换热器挨结构型聚式来看零，热管覆换热器绸又可分戴为整体菊式、分软离式、肃回转式喝和组合犹式。1整体式捆热管换乖热器该换热器浸是由许多苹单根热管黎组成的。掏热管数量化的多少取痒决于换热南量的大小荒。图4.1(凳b)是一种典摧型的整体嘴是热管换岂热器——气-气整体式旺热管换热崭器之实物荒照片。经廉过这种换捎热器的两顿种流体都因是气体。爷为了提高恨气体的换主热系数，条往往采取莫在管外加琴翅片的方僻法，这样摩所需的热乱管数目大挤大减少。4组合式热喂管换热器整体使热榴管换热器役均由同一亮类型的热伸管所组成锄。而组合怪式热管换茂热器则是谋根据换热怒器所处的沃温度不同劈燕，而选择索充有不同哗工作液体币的热管。薯这样可核以使大幅胀度的提高伞换热效率猜。3.回转式除热管换述热器该类换热现器有两个暴显著优点火：一是借绳助转动的鞋离心力来网实现工作熟液体循环牛，同时转呈动促使气贯流的搅动样，增强传库热，这对驱含尘较多赵的气体更寨为有效。腹二是这类歉换热器兼绞有送风机帝的功能。厉但由于增躬添了转动米机构使结堤构复杂化泄，另外还炕增加了动点力消耗。册回转热管雁换热器可餐分为离心饶式、轴流慈式和涡流幸式。2分离式热粮管换热器主要是利戒用热管的侄分离技术雀，将多根雕分离式热英管组合按黎实际应用穷现场条件辫组合在一岔起够成。认具有一些稿常规换热休器不具备蓄的特性；①根据现责场实际城情况，兼可灵活湖地布置悦发段和晓冷凝段窃；②一种热聪流体可觉同时加安热两种夕不同的羽冷流体雄安全而魄又可靠垂；⑧管排内的朱蒸汽温度荷可以调整蔬。第五章知．热管贪及热管泛换热器芽设计一．热朱管设计在进行泡热管设捧计前，幅首先应午该确定盼以下因趣素：①热管管内摩工作液体鞋的选择；②热管管内劲管内吸液平芯结构形轮式；③热管的工稠作温度，听以及工作墨情况下热梳管内部工深作液体的盒饱和蒸汽筐温度；④热管管仗壳材料扎的选择闲。一般说优来，这财与设计屿的目的容有关。,不同的应乏用场合，售热管的设渣计要求截贡然不同。热管的设厨计计算通与常按以下势几个步骤额进行：①管径设计管径设计斜的一个基食本原则就首是管内的西蒸汽速度恒不超过一挂定的极限所值，这个恋极限值就辅是在蒸汽语通道中最湿大马赫数倒不能超过0.2，这时蒸顶汽流动可律以被认为壳是不可压巧缩的流体盐流动，轴蜜向温度梯面度很小，杨可以忽略润不计。②管壳设倦计热管部工廉作时，一猜般处于负和压状态（铺低温热管棉除外），截外界压力嚷一般为大堵气压力，刺故可以不下考虑管壳使失稳的问广题，因而乱管壳的设纠计主要从洗强度考虑匙。管壳壁侵厚由强度拴计算所得励壁厚加上剧腐蚀裕度医得出，端葬盖则可以掘按照平板葬的设计较顿容易的设时计。③吸液芯场设计设计吸犹液芯的炼依据是室毛细极格限的计坛算。④毛细极限殃的检验⑤验算验算携带污极限、沸绘腾极限，昆最后核算Re数，验炮算是否比为层流馒流动。对于重由力式钢-水热管有愧如下规格浸可供参考登：项目规格基管公称直径D/mm2532384248（51）基管壁厚δ/mm2-32.5-43.5-5.翅片厚S/mm0.8-2.0翅片高h/mm

1012.514161820节距t/mm5-20总长L/mm≤10000各区段长由设计决定注：本标以外规格可由需方提出商定重力式钢-水热管的生产制造符合DG1015-94标准二．热乌管换热先器设计热管换热粪器的计算坡目前已经佳通过计算佩机程序化纲，其主要扩内容包括呈两部分：呀换热器的览热力计算亭和热管的梨极限校核斑。设计者趁只要根据侄工程的设夸计条件，总输入原始勒参数即可返得到设计仓结果。然伐而，热管这换热器与相其他通用慎换热器不补同，它对幕工程的实浑际情况比武较敏感，匹即通用性旧不强。在牺许多情况历下，计算州机程序计筑算的结果本并不完全至合理，必昨须作合理凝的调整，撞因而全面什了解热管汗换热器的历基本设计羊知识及计恶算方法仍准然非常必善要。热管换热局器的设计叶计算的主强要任务在垒于求出总验传热系数U，然后根必据平均温劈燕差及热负咱荷求得总惑传热面积A，从而丸定出管劝子数量愁。在设踪蝶计过程掌中，必私须认真嫂考虑一返下几点慈（以气-气换热器顷为例）：2．选择适骄当的翅片尝管参数净根女据设计条漏件，对不泽同类型的叶换热器体湖应选择合刚适的翅片叫管参数。睬对洁净气演体可选择哑较密的翅观片间距和秋较薄较高迹的翅片；畅对含尘夺雾得或有腐遭蚀性的气楚体则应选裤择间距较剩宽，翅片骗较厚较低堪的翅片管逼管的壁厚茂也应稍厚阅以抗腐蚀微和磨损，舌下表为工侄业常用的老规格参数躲，可供设帜计参考。1．选择覆适当的惧标准迎杨面风速段热很管换热为器设计钳应遵循亮一条重盒要原则侦，即把侧迎面风困速（标酒况）限姓制在2-3勺m/s的范围的内，风以速过高饼将导致悬压力将共过大和忽动力消舒耗增加炎，风速筒过低会尘导致关社外膜传飞热系数银降低，骗管子的劳传热能触力的不旗到充分占发挥。3．重视原目始设计参嗓数的核实啄及计算公伪式的验证他热管换热去器的设计哗应特别重节视原始设户计参数，可因为一般柳作为余热决回收设备顾通常是在案已运转的直系统中作袄为附加设灿备设计的水，因此对绪前后设备灵的影响要纲求颇为严痛格，现场从原始参数疏（气温、恰气量）必鞠须精确测腔定。根基棒场地情况歪、系统的骡要求（压荐降、温降省），选择蓬合适的结兄构。使用场合参数参数空调及一般行业工业大型装置备注管长/mm610-48803000-60001-1.2多为有色金属烟气侧，一般3-6管子外径/mm8-25.432-51壁厚/mm1-1.2,1.652.5-6翅片数/（片/mm）8,11,143或6翅片高度/mm12.5-1415，25翅片厚度/mm0.17-0.581.27-2管排数3,4,5,6,76,7,12管子排列方式错列（多）顺列（少）第六章．叫热管制造预过程简介热管的主印要零部件问为管壳、撕端盖（封思头）、吸葡液芯、腰悼板（连接福密封件）寨四部分。管壳热管的管驱壳大多数拍为金属无趁缝钢管，薪根据不同靠的应用需冬要可以采傻用不同的渴材料。管混子可以多科种不同形业状。管径习可以从2mm到200济mm，甚至要更大。圾长度可促以是从趋几毫米辩到100米以上。百工业热管拢换热器所律采用的管盼子一般为遣标准尺寸秩的无缝钢铸管。低温远热管换热抹器的管材略一般为铜雨或铝，满驳足与工作古液体相容葛性的要求由。对于以制水为工贿作液体糠的热管虹换热器崇常采用候内部为及铜管外克部为钢龙管的复柜合管，响这样既渔满足了酱管子的烂强度、雕刚度又卫使其具仁有了很床强的抗圈腐蚀能亦力。但歼在后来坦解决了护碳钢-水不相容肤的问题后逗，碳钢-水热管北逐渐取孟代了复横合热管宫，并已廉经大量装应用取册得了很醒好的效北果。端盖热管的摘端盖具贩有多种醉结构形释式，它蔬与热管泼的连接贸方式也栗因结构照形式而蹄异。密封隔板密封隔板财是指隔开帆冷、热气愉流通道的辆密封装置沉。用于热书管换热器洗的热管一和般是由带借翅片的热剃管组成，构当带翅片耍的热管穿蔽过中央管融板时，翅陪片管与管桨板之间便特形成了一朴个特殊结蓝构。由于咱管子较多晴，管子一埋般很小，完又要便于殿安装和拆顶卸，因此涌这种密封蒸技术具有扑一定的特圆殊性，设挺计也较困仿难。根据不刘同的使脏用场合宜，密封穿程度也灰有很大毯的不同爽，因此症结构也迹相差很味大。在假实际应榴用时，宜应根据京制造成西本，采这用合理顺的密封盾结构，尘提高工耍效、降横低成本乌。吸液芯愁结构吸液芯声是一个贵重要的魄组成部肌分。吸午液芯的减结构形扛式直接篮影响到差热管和猜热管换如热器的总性能。找近年来犹热管技努术得到浪了快速守的发展唇，各种斑形式的裳吸液芯诵液得到链了广泛霞的应用参。常用胁的有：滑网状吸糖液芯、嘉沟槽吸唐液芯、添线状吸脊液芯、障螺旋状慈吸液芯匀、不等拳宽槽吸捷液芯、钓不等厚萝吸液芯连、干道渠吸液芯练等。吸液芯赖的支撑缝结构蛇行弹缘瑞簧是吸政液芯常艇用的支股撑结构,它结构简喉单，安装郊容易，效驶果良好。孤常用圆钢速丝或扁刚玩丝制成。热管制裤造工艺热管质量耀的好坏，磁在很大程妙度上决定铲与热管的美制造方法姑，以及在摄制造过程勉中对各道咐工序质量股控制的松侍严程度。一般来说撑，对于工振作温度为50-2狠00oC的热管垄，器制能造工艺迎比较简笨单，主叔要包括晓化学清筑洗、机轻械加工屈、惰性芬气体保谁护焊、友管壳的练检漏、无高真空题的获得拳、封口颠测试等外主要过填程。对箩于工作号温度在300oC以上或50oC以下的灶热管，碍器制造嘉过程比罩较复杂洪，因为蒜低温介凤质的处撤理、高觉温介质坦的精馏征已级管煎道阀门称的密封给都有很遍高的要振求。下棕图为热依管换热纲器的制宽造工艺燥流程图慢：第七章毒．热管骨的应用热管技术够被公认是旬一种很有战价值的传青热新技术亏，在空间纠技术、电笼器工业、肺核电工业肤、化学工斜业、食品肚工业、动肺力机械、哄工业余热御回收等很歌多方面都薄得到了广违泛应用。娃如:1、小型锅魔炉烟气余抓热回收：做将热管换哀热器装在棒锅炉排烟点管道内，箱利用烟气酿余热，预醋热送风参霜加燃烧，厉可使用锅尖炉效率提百高5%左右。3、用于回辽收余热的沃热管开水肠器：可安肢装在STY伟-20型燃油喜锅炉排具烟管道恩中，利您用排烟赢余热，惧可将17oC冷水加热贱到98-1稳25oC，日产开吩水5T，回收蛙热量约188职2MJ。2、作为清空气预刊热器应头用：将蜂干噪炉缴排气作炕为热管席换热器突热端的撑加热介湖质，温舅度由204oC降到51oC，预热所圾需的干燥跳空气，每森小时可回蜓收热量287M豆J。一．热游管技术扬在化工庭及石化却领域的滔应用热管及胜热管换牧热器近悔年来在彻石油化词工领域明中的应菜用已愈吧来愈受凭人们的筛重视，副它具有冠体积紧翅凑、压稠力降小睛、可以滴控制露必点腐蚀盼、一段饿破坏不洒会引起始两相流阳互混等亿优点，肃提高的刃设备的冰运行效疲率和可编靠性。半它在石全化领域跪的应用凝可谓是头无所不亮在，如渐下所示脱为热管刘换热器墓在该领坊域的部碰分应用扶场合：在合成乖氨工业泡中：回收低温肿余热余热奸助燃空气想，或生产康低压蒸汽宪作为原料暗；回收高士温余热哀产生中波压蒸汽砍作原料腰蒸汽的级补充，蝴或生产躲高压蒸替汽作为假生产的谦动力源啦；控制固定登床催化反贫应器的化排学反应温荡度，使其犹向最佳反涛映温度曲展线无限逼纵近，从而殖提高合成氨的踪蝶效率秤。在硫酸蓬工业中馋：沸腾焙烧脉炉沸腾层以内的余热俯回收；沸腾焙户烧炉沸樱腾层内本的余热拒回收；SO2炉气余热朝回收；SO3气体冷却菌器；在盐酸朵、硝酸阴工业中逗也同样竭有大量身的应用在石化领解域应用更妈是广泛：热管裂解余炉；热管乙苯纸脱氢反映暮器；热管氧化肿反应器；催化裂向化再生战取热器驾；…………二．热场管技术破在建材神及轻纺财织工业衔领域的袖应用建材行帅业如水锻泥、陶早瓷等工鄙业都要魔消耗大干量的能摧量，以坡陶瓷为烟例，据炮统计，活能源费摩占生产林总成本阳的40%以上。开球发新型高劈燕效节能设阻备将极大饰的促进此膝行业的发萄展。80年代国内尚的许多单嫁位应用热资管换热技用术回收陶茶瓷、水泥燥生产中排塑放的余热首取得了良陡好的节能洋效果，90年代高垃温热管袖技术的枪工业开迫发应用倚获得成府功，这惧些都为输热管技盯术的工魄业推广艰打下了先良好的限基础。燃如下是仙近年来典热管技者术在建嘉材、轻衫工业中近成功应旬用的一晒些实例纸：高岭土闻喷雾干蹈燥热风妙炉；十二醇慨硫酸钠限喷雾干持燥；玻璃窑车炉的余胆热回收责；水泥生你产工业体中的回虚转窑冷左却机的什余热利容用、废贷尾气余孔热利用牛、悬浮预热右机、烘干产机等热工穿设备；陶瓷窑炉亩的隧道窑亏烟道气余滋热利用；电瓷厂遂减道窑冷却馋带余热利独用；纺织工革业中的坊热定型贪机余热辨回收利尤用、浆侄纱机的厌余热回肿收等。三．热棋管技术楚在冶金字工业中宏的应用冶金工业陪也是耗能要大户，不虚论是有色报冶金或黑湿色冶金工蛋业都存在再大量的节某能问题。以钢铁企码业为例，旺焦炉、高未炉及炼钢巷工序均有义相当数量丹的余热未越能回收利娃用。余热该的温度最必高可达160垄0oC，热能的燥形态有固夹体、气体让、液体，药其中最多尤的为间隙居排放，因减此给余热干回收带来免了一定的岁难度。由威于热管的敞众多特点惰，特别适盖宜于上述屑场合的余末热回收利雄用，从70年代开别始，国败内冶金裹界就有惊许多工减程技术士人员和形热管技贼术工作亚者进行众了卓有尚成效的缩慧合作开槐发，取宗得了良耳好的效麻果。目血前已经执在烧结桶排期限琴热核热减风炉燃塔烧废气算的余热撕回收方朴面，达过到了定创性设计根和系列些化、标妖准化的享程度。关高温热慢管及高栗温热感挎空气预艘热器、帜高温热食管空气路蒸发器张的开发即运行成毯功，又蚕给冶金桶业带来举了新的袖希望。继在冶金虾工业中且大量应桐用的热嚼管换热阴器设备钟有：坯件加热额炉热管空蜘气预热器惑；线材退够火炉；轧钢连奇续加热煤炉；热管余热源锅炉；热管省煤友器等。五．热死管技术举在电力应电子领唱域的应阿用电子技控术近年川来迅速互发展，核电子器章件的高压频、高默速以及马集成电狮路的密匠集和小损型化，概使得单岩位容积唉电子器熄件的发泊热量快番速提高就，而电还子器件均正常工致作必须师在一定占的温度始范围之匹内，电田子器件剑的散热微成为了趣其发展救的一个湾瓶颈，运因此电冲子技术后的发展洲需要有震良好的宁散热手震段来保宪证。管式热管叔散热器示爱意图1为冷凝何段2为蒸发段热管问份世以来训，使电印力电子障装置的绝散热系俗统有了寇新的发恐展。热学管使自和冷的应萄用范围化迅速扩歪大。因瓜为热管够自冷散烈热系统统无需风条扇、没驻有噪音次、免维奸修、安悼全可靠惩，热管乎风冷甚恒至自冷旋可以取访代水冷俗系统，葡节约水汽资源和壳相关的西辅助设塌备投资赞。此外当，热管丹散热还佛能将发插热件集泊中，甚屿至密封解，而将斜散热部蜘分移到奸外部或肺远处，酸能防尘事、防潮往、防爆冤，提高召电器设另备的安绳全可靠痕性和应撒用范围近年来西，大功箩率电子探器件的行冷却上库采用了侄热管，扮收到较蔽好效果功。如上图所绝示，对于烛大功率伍的晶体叔管采用抓圆柱形量热管作碌为散热败元件。在解决CPU温度的冬问题时粘，铜、地纯铝制他散热器参已经成惕为最为伤普及的弄产品但芬其传热艰性能仍办然远小名于热管斑散热器后。采用大热管技撑术的散歉热器也杨越来越跟多，有夏些厂商口甚至拿绒它作为棒卖点或迎者树立呆品牌形饿象。在电力领纺域，热管颜电机的出确现及实用丈化成为了劳一个典型切的代表。叙热管电机诱中的主要窜应用之一相是用一根王旋转热管兼来代替电惠机的传动异轴，将电寺机转子产迫生的热量奔通过热管草传到轴端纹的散热部筋分，并用耍风扇排致曾电机壳外劝。传递的迁功率显著爱提高。“神州号危飞船的热季控制系统为：热控制战系统用于脊保证飞船