第9章 熱管技術及應用

1、第第9 9章章 熱管技術熱管技術 及其工程應用及其工程應用順德職院機電系 1963年，熱管誕生于美國Los Alamos國家實驗室的G.M.Grover之手，它巧妙地利用了氣液變化過程中的吸放熱原理，具備了超過任何已知金屬的導熱能力. 熱管技術的原理，主要是利用工作流體的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量（熱管工作流體涵蓋從低溫應用的氦、氮，到高溫應用的鈉、鉀等液態(tài)金屬；較為常見的熱管工作流體則有氨、水、丙酬及甲醇等）。熱管一般是由管殼、吸液芯和端蓋三個部分組成。將管內抽至較高的真空度后充以適量的工作流體，使得緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應

2、用順德職院機電系9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用圖圖7.1 7.1 熱管示意圖熱管示意圖1管殼；2管芯；3蒸汽腔；4工作液 9.1 9.1 熱管的組成熱管的組成 順德職院機電系熱管：是一種傳熱性極好的人工構件，常用的熱管熱管：是一種傳熱性極好的人工構件，常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管殼），由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管殼），內部空腔內有少量工作介質（工作液）和毛細結構內部空腔內有少量工作介質（工作液）和毛細結構（管芯），管內的空氣及其他雜物必須排除在外。（管芯），管內的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學原理：熱管工作時利用了三種

3、物理學原理： 在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低；在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低； 同種物質的汽化潛熱比顯熱高的多；同種物質的汽化潛熱比顯熱高的多； 多孔毛細結構對液體的抽吸力可使液體流動。多孔毛細結構對液體的抽吸力可使液體流動。 從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段，絕熱蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段段和冷凝段三部分三部分。 9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系 （1）熱管的）熱管的管殼管殼是受壓部件，要求由高導熱率、是受壓部件，要求由高導熱率、耐壓、耐熱應力的材料制造。在材料的選擇上必耐壓、耐熱應力的材料制造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運行中

4、管殼無腐蝕，工質與須考慮到熱管在長期運行中管殼無腐蝕，工質與管殼不發(fā)生化學反應，不產生氣體。管殼不發(fā)生化學反應，不產生氣體。 管殼材料有多種，以管殼材料有多種，以不銹鋼、銅不銹鋼、銅、鋁、鎳鋁、鎳等等較多，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。較多，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱端和冷端接受和放出熱量，并承受管內外壓力不端和冷端接受和放出熱量，并承受管內外壓力不等時所產生的壓力差。等時所產生的壓力差。9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系 （2）熱管的）熱管的管芯管芯是一種緊貼管殼內

5、壁的毛細結構，是一種緊貼管殼內壁的毛細結構，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或貼內壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結金屬構成。如下圖所示為幾種不同的管芯的燒結金屬構成。如下圖所示為幾種不同的管芯的結果示意圖結果示意圖9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用燒結式熱管制造工藝燒結式熱管，顧名思義，其毛細結構是通過高溫下銅粉燒結制造而成的。我們最常見的水介質燒結式熱管制造流程大致為：選取99.5純度的銅粉，銅粉單體粒徑一定要控制在

6、75150微米。首先使用工具將外徑5mm紅銅管內部清除干凈，去除毛刺，接著將銅管放到稀硫酸中使用超聲波清洗。清洗干凈之后我們將得到一根內外壁皆十分光滑、無氧化物的銅管。此時將一根細鋼棍插到銅管里（需要工具精確地將鋼棍兒固定在銅管的中央，以方便銅粉均勻填充），將銅管底部用銅片暫時封閉。接著就可以把純銅粉倒入銅管了。裝填完畢之后就可以拿到燒結爐進行燒結。在燒結過程中，溫度的把控也很重要。一般燒結爐峰值溫度控制在800850度（根據(jù)熱管產品要求的滲透率規(guī)定）。燒結完成之后使用一個輔助工具把銅管加緊，使用工具把鋼棍抽出即可。順德職院機電系 （3）熱管的）熱管的工作液工作液要有較高的汽化潛熱、導熱系要有

7、較高的汽化潛熱、導熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好數(shù)，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。工作液體還應有較大的表面張力和潤的穩(wěn)定性。工作液體還應有較大的表面張力和潤濕毛細結構的能力，使毛細結構能對工作液作用濕毛細結構的能力，使毛細結構能對工作液作用并產生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結構并產生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結構和管壁產生溶解作用，否則被溶解的物質將積累和管壁產生溶解作用，否則被溶解的物質將積累在蒸發(fā)段破壞毛細結構。在蒸發(fā)段破壞毛細結構。9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用如圖

8、：當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體在沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量便從一端傳到了另一端！ 順德職院機電系 在這一熱量轉移的過程中，具體包含了以下六個相互關聯(lián)的過程：（1）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到液-氣分界面；（2）液體在蒸發(fā)段的液-氣分界面上蒸發(fā)；（3）蒸汽腔內的蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段內的液-氣分界面上凝結；（5）熱量從液-氣分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；（6）在吸液芯內由于毛細作用（或重力等）是冷凝后的工作也體回流到蒸發(fā)段。9 9 熱管技術及其工程應用熱管

9、技術及其工程應用順德職院機電系熱管工作過程動畫熱管工作過程動畫注意：熱管中的水會 因為內部低壓而在100 以下就沸騰蒸發(fā)。水蒸汽流熱量輸入液態(tài)水蒸發(fā)液體由于重力或吸附力回流水蒸汽冷凝熱量散失順德職院機電系 9.2熱管的特性熱管的特性 (1)很高的導熱性很高的導熱性 熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。 (2)優(yōu)良的等溫性優(yōu)良的等溫性 熱管內腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產生的壓降很小，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。 (3)熱流密度可變性熱流密度可變性 熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，這樣即可以改變熱流密度。9 9 熱

10、管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系(4)熱流方向的可逆性熱流方向的可逆性 一根水平放置的有芯熱管，由于其內部循環(huán)動力是毛細力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。 (5)熱二極管與熱開關性能熱二極管與熱開關性能 熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當 熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。 9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系(6)恒溫特性恒溫特性 普通熱管的各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，因此熱管各部分的溫度亦加熱量變化。但可變導熱管，使

11、得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。 (7)環(huán)境的適應性環(huán)境的適應性 熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術刀等等，熱管也可做成分離式的以適應長距離或冷熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場)，也可用于空間(無重力場)。 9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系9.3熱管的分類 （1）按照）按照工作液體回流動力區(qū)分工作液體回流動力區(qū)分有芯熱管、兩相閉式有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管熱虹吸管(又稱重力

12、熱管又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉熱管、電、重力輔助熱管、旋轉熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。 （2）按照）按照熱管管內工作溫度區(qū)分熱管管內工作溫度區(qū)分有低溫熱管、常溫熱有低溫熱管、常溫熱管、中溫熱管、高溫熱管等。管、中溫熱管、高溫熱管等。 （3）按照）按照管殼與工作液體的組合區(qū)分管殼與工作液體的組合區(qū)分有銅有銅-水熱管、碳水熱管、碳鋼鋼-水熱管、鋁水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼丙酮熱管、碳鋼-萘熱管、不銹鋼萘熱管、不銹鋼-鈉熱管鈉熱管等。等。 （4）按照）按照結構形式區(qū)分結構形式區(qū)分有普通熱管、分離式熱管、毛有普通熱管、分離式熱

13、管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。 （5）按照）按照熱管的功用劃分熱管的功用劃分有傳輸熱量的熱管、熱二極有傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等。管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等。9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用一一.兩相閉式熱虹吸管兩相閉式熱虹吸管 兩相閉式熱虹吸管又稱為重力熱管，兩相閉式熱虹吸管又稱為重力熱管，簡稱熱虹吸管。簡稱熱虹吸管。 其結構和原理如右圖所其結構和原理如右圖所示。與普通熱管原理一樣，但不

14、同的是示。與普通熱管原理一樣，但不同的是熱管內沒有吸液芯，冷凝液的回流主要熱管內沒有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，熱虹吸管是靠自身的重力作用，因此，熱虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必的作用有一定的方向性：冷凝段位置必須高于蒸發(fā)段。其結構簡單、制造方便、須高于蒸發(fā)段。其結構簡單、制造方便、成本低廉、而且傳熱性能優(yōu)良、工作可成本低廉、而且傳熱性能優(yōu)良、工作可靠，因此他在地面上的各類傳熱設備中靠，因此他在地面上的各類傳熱設備中都可以作為高效傳熱元件，其應用領域都可以作為高效傳熱元件，其應用領域非常廣泛。非常廣泛。順德職院機電系9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應

15、用二二.旋轉熱管旋轉熱管 旋轉熱管的概念是由旋轉熱管的概念是由Gray于于1969年首次提出的，他分析年首次提出的，他分析了旋轉熱管較普通熱管具有更了旋轉熱管較普通熱管具有更強的傳熱能力。旋轉熱管的顯強的傳熱能力。旋轉熱管的顯著特征是熱管自身是旋轉件，著特征是熱管自身是旋轉件，因而可以用于所有需要冷卻散因而可以用于所有需要冷卻散熱的旋轉零部件，如電機轉子，熱的旋轉零部件，如電機轉子，發(fā)動機電動機轉軸等的冷卻，發(fā)動機電動機轉軸等的冷卻，具有實際應用價值。具有實際應用價值。順德職院機電系9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用 三三.分離式熱管分離式熱管 順德職院機電系 分離式熱管的結構如

16、左圖所示，其蒸發(fā)段和冷凝段是分離式熱管的結構如左圖所示，其蒸發(fā)段和冷凝段是分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管連通形成一個自然分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管連通形成一個自然循環(huán)回路。工作時，在熱管內的工質匯集在蒸發(fā)段，蒸發(fā)循環(huán)回路。工作時，在熱管內的工質匯集在蒸發(fā)段，蒸發(fā)段受熱后，工質蒸發(fā)，產生的蒸汽通過蒸汽上升管到達冷段受熱后，工質蒸發(fā)，產生的蒸汽通過蒸汽上升管到達冷凝段釋放出潛熱而凝結成液體，在重力作用下，經(jīng)液體下凝段釋放出潛熱而凝結成液體，在重力作用下，經(jīng)液體下降管回到蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復運行。降管回到蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復運行。 分離式熱管的冷凝段必須高于蒸發(fā)段，液體下降管與蒸分離式熱

17、管的冷凝段必須高于蒸發(fā)段，液體下降管與蒸汽上升管之間會形成一定的密度差，這個密度差所能提供汽上升管之間會形成一定的密度差，這個密度差所能提供的壓頭與冷凝段和蒸發(fā)段的高度差密切相關，它用以平衡的壓頭與冷凝段和蒸發(fā)段的高度差密切相關，它用以平衡蒸汽流動和液體流動的壓力損失，維系著系統(tǒng)的正常運行蒸汽流動和液體流動的壓力損失，維系著系統(tǒng)的正常運行而不再需要外加動力。而不再需要外加動力。 9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系9.4 熱管的制造過程 熱管的主要零部件為熱管的主要零部件為管殼、端蓋（封頭）、吸液芯、管殼、端蓋（封頭）、吸液芯、腰板（連接密封件）腰板（連接密封件）四部

18、分。四部分。 管殼：管殼：熱管的管殼大多數(shù)為金屬無縫鋼管，根據(jù)不同的應用需要可以采用不同的材料。管子可以多種不同形狀。管徑可以從2mm到200mm，甚至更大。長度可以是從幾毫米到100米以上。工業(yè)熱管換熱器所采用的管子一般為標準尺寸的無縫鋼管。低溫熱管換熱器的管材一般為銅或鋁，滿足與工作液體相容性的要求。 對于以水為工作液體的熱管換熱器常采用內部為銅管外部為鋼管的復合管，這樣既滿足了管子的強度、剛度又使其具有了很強的抗腐蝕能力。但在后來解決了碳鋼-水不相容的問題后，碳鋼-水熱管逐漸取代了復合熱管，并已經(jīng)大量應用取得了很好的效果。 9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系端

19、蓋：端蓋：熱管的端蓋具有多種結構形式，它與熱管的連接方式也因結構形式而異。 密封隔板密封隔板：密封隔板是指隔開冷、熱氣流通道的密封裝置。用于熱管換熱器的熱管一般是由帶翅片的熱管組成，當帶翅片的熱管穿過中央管板時，翅片管與管板之間便形成了一個特殊結構。由于管子較多，管子一般很小，又要便于安裝和拆卸，因此這種密封技術具有一定的特殊性，設計也較困難。 根據(jù)不同的使用場合，密封程度也有很大的不同，因此結構也相差很大。在實際應用時，應根據(jù)制造成本，采用合理的密封結構，提高工效、降低成本。9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系吸液芯結構吸液芯結構 ：吸液芯是一個重要的組成部分。吸液

20、：吸液芯是一個重要的組成部分。吸液芯的結構形式直接影響到熱管和熱管換熱器的性芯的結構形式直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。近年來熱管技術得到了快速的發(fā)展，各種形能。近年來熱管技術得到了快速的發(fā)展，各種形式的吸液芯液得到了廣泛的應用。常用的有：網(wǎng)式的吸液芯液得到了廣泛的應用。常用的有：網(wǎng)狀吸液芯、溝槽吸液芯、線狀吸液芯、螺旋狀吸狀吸液芯、溝槽吸液芯、線狀吸液芯、螺旋狀吸液芯、不等寬槽吸液芯、不等厚吸液芯、干道吸液芯、不等寬槽吸液芯、不等厚吸液芯、干道吸液芯等。液芯等。吸液芯的支撐結構吸液芯的支撐結構 ：蛇行彈簧是吸液芯常用的支撐：蛇行彈簧是吸液芯常用的支撐結構結構,它結構簡單，安裝容易，效果良好

21、。常用圓它結構簡單，安裝容易，效果良好。常用圓鋼絲或扁剛絲制成。鋼絲或扁剛絲制成。9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用 熱管是最有效的傳熱元件之一，它可以將大量熱量通過很小的截面積而遠距離地傳輸，無需外加動力。熱管具有很高的導熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向的可逆性、熱二極管與熱開關性能和環(huán)境的適應性等特點。最初，熱管技術作為尖端技術首先被研究應用于空間飛行器上。1965年，一根不銹鋼-水熱管作為高效均溫傳熱設備首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運行成功。因

22、熱管的高效傳熱性和很高的均溫性，熱管現(xiàn)已廣泛應用于化工、動力、冶金、輕工、玻璃和陶瓷等領域的高效傳熱傳質設備中。熱管作為一種高效傳熱和均溫元件，應用于家用空調蒸發(fā)器前后中，可以增加空調的除濕量。 順德職院機電系9.5熱管在空調中的應用9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用 熱管作為一種高效傳熱和均溫元件，應用于家用空調蒸發(fā)器前后中，可以增加空調的除濕量。 順德職院機電系液體氣體連管a連管b冷凝段蒸發(fā)段工作原理9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系工作過程： 在熱管蒸發(fā)段，管內液態(tài)冷媒吸熱蒸發(fā)，部分液態(tài)冷媒轉變?yōu)槔涿秸羝＠涿秸羝诠軆确序v動力微小壓差的作用下，

23、通過連管a a進入冷凝段。在冷凝段，冷媒蒸汽放熱凝結為液態(tài)冷媒，液態(tài)冷媒在重力作用下聚集于管內底部。液態(tài)冷媒在熱管冷凝段高于熱管蒸發(fā)段而形成的重力作用下通過連管b b返回到熱管蒸發(fā)段。如此往復循環(huán)。9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系 整個循環(huán)過程都是工質自行循環(huán)，不需外加壓縮動力。熱管的整個工作過程都是在飽和壓力下進行，因而熱管的蒸發(fā)段和冷凝段的工作溫度是相近的。 利用熱管均溫性，室內較高的回風首先經(jīng)熱管蒸發(fā)段預冷，再經(jīng)空調蒸發(fā)器過冷，然后經(jīng)過與熱管蒸發(fā)段溫度相近的熱管冷凝段回升到人體較為舒適的溫度后送風 9 9 熱管技術及其工程應用熱管技術及其工程應用順德職院機電系蒸 發(fā) 器熱 管熱 管Tm1Tm2Tm3Tm4熱 管