第9章熱管技術(shù)及應(yīng)用

第9章熱管技術(shù)

及其工程應(yīng)用

1963年，熱管誕生于美國LosAlamos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(dǎo)熱能力.

熱管技術(shù)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(yīng)用的氦、氮，到高溫應(yīng)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(nèi)抽至較高的真空度后充以適量的工作流體，使得緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用圖7.1熱管示意圖1—管殼；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液

9.1熱管的組成

熱管：是一種傳熱性極好的人工構(gòu)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），內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)（工作液）和毛細結(jié)構(gòu)（管芯），管內(nèi)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(xué)原理：

⑴在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低；

⑵同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多；

⑶多孔毛細結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可使液體流動。從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段三部分。

9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用

（1）熱管的管殼是受壓部件，要求由高導(dǎo)熱率、耐壓、耐熱應(yīng)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管殼無腐蝕，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生氣體。管殼材料有多種，以不銹鋼、銅、鋁、鎳等較多，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，在熱端和冷端接受和放出熱量，并承受管內(nèi)外壓力不等時所產(chǎn)生的壓力差。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用（2）熱管的管芯是一種緊貼管殼內(nèi)壁的毛細結(jié)構(gòu)，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內(nèi)壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成。如下圖所示為幾種不同的管芯的結(jié)果示意圖9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用燒結(jié)式熱管制造工藝燒結(jié)式熱管，顧名思義，其毛細結(jié)構(gòu)是通過高溫下銅粉燒結(jié)制造而成的。我們最常見的水介質(zhì)燒結(jié)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75～150微米。首先使用工具將外徑5mm紅銅管內(nèi)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(nèi)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(jié)爐進行燒結(jié)。在燒結(jié)過程中，溫度的把控也很重要。一般燒結(jié)爐峰值溫度控制在800～850度（根據(jù)熱管產(chǎn)品要求的滲透率規(guī)定）。燒結(jié)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。（3）熱管的工作液要有較高的汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(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(yīng)有較大的表面張力和潤濕毛細結(jié)構(gòu)的能力，使毛細結(jié)構(gòu)能對工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結(jié)構(gòu)和管壁產(chǎn)生溶解作用，否則被溶解的物質(zhì)將積累在蒸發(fā)段破壞毛細結(jié)構(gòu)。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用如圖：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(jié)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！

在這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，具體包含了以下六個相互關(guān)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(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段內(nèi)的液-氣分界面上凝結(jié)；（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(nèi)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熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用熱管工作過程動畫注意：熱管中的水會因為內(nèi)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9.2熱管的特性(1)很高的導(dǎo)熱性熱管內(nèi)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(dǎo)熱能力。(2)優(yōu)良的等溫性

熱管內(nèi)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(chǎn)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熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用(4)熱流方向的可逆性

一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)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(guān)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(guān)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熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用(6)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(dǎo)熱管，使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(yīng)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(zhuǎn)軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的以適應(yīng)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熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9.3熱管的分類（1）按照工作液體回流動力區(qū)分有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。（2）按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分有低溫?zé)峁?、常溫?zé)峁?、中溫?zé)峁?、高溫?zé)峁艿?。?）按照管殼與工作液體的組合區(qū)分有銅-水熱管、碳鋼-水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼-萘熱管、不銹鋼-鈉熱管等。（4）按照結(jié)構(gòu)形式區(qū)分有普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。（5）按照熱管的功用劃分有傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用一.兩相閉式熱虹吸管兩相閉式熱虹吸管又稱為重力熱管，簡稱熱虹吸管。其結(jié)構(gòu)和原理如右圖所示。與普通熱管原理一樣，但不同的是熱管內(nèi)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(jié)構(gòu)簡單、制造方便、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(shè)備中都可以作為高效傳熱元件，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用二.旋轉(zhuǎn)熱管旋轉(zhuǎn)熱管的概念是由Gray于1969年首次提出的，他分析了旋轉(zhuǎn)熱管較普通熱管具有更強的傳熱能力。旋轉(zhuǎn)熱管的顯著特征是熱管自身是旋轉(zhuǎn)件，因而可以用于所有需要冷卻散熱的旋轉(zhuǎn)零部件，如電機轉(zhuǎn)子，發(fā)動機電動機轉(zhuǎn)軸等的冷卻，具有實際應(yīng)用價值。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用

三.分離式熱管

分離式熱管的結(jié)構(gòu)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循環(huán)回路。工作時，在熱管內(nèi)的工質(zhì)匯集在蒸發(fā)段，蒸發(fā)段受熱后，工質(zhì)蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽上升管到達冷凝段釋放出潛熱而凝結(jié)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(fù)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(guān)，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)的正常運行而不再需要外加動力。

9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9.4熱管的制造過程熱管的主要零部件為管殼、端蓋（封頭）、吸液芯、腰板（連接密封件）四部分。

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(yīng)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?zé)峁軗Q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(nèi)部為銅管外部為鋼管的復(fù)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(fù)合熱管，并已經(jīng)大量應(yīng)用取得了很好的效果。

9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用端蓋：熱管的端蓋具有多種結(jié)構(gòu)形式，它與熱管的連接方式也因結(jié)構(gòu)形式而異。

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(jié)構(gòu)。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(shù)具有一定的特殊性，設(shè)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(jié)構(gòu)也相差很大。在實際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)制造成本，采用合理的密封結(jié)構(gòu)，提高工效、降低成本。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用吸液芯結(jié)構(gòu)：吸液芯是一個重要的組成部分。吸液芯的結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)用。常用的有：網(wǎng)狀吸液芯、溝槽吸液芯、線狀吸液芯、螺旋狀吸液芯、不等寬槽吸液芯、不等厚吸液芯、干道吸液芯等。吸液芯的支撐結(jié)構(gòu)：蛇行彈簧是吸液芯常用的支撐結(jié)構(gòu),它結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，效果良好。常用圓鋼絲或扁剛絲制成。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)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(dǎo)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(guān)性能和環(huán)境的適應(yīng)性等特點。最初，熱管技術(shù)作為尖端技術(shù)首先被研究應(yīng)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(shè)備首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運行成功。因熱管的高效傳熱性和很高的均溫性，熱管現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、動力、冶金、輕工、玻璃和陶瓷等領(lǐng)域的高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備中。熱管作為一種高效傳熱和均溫元件，應(yīng)用于家用空調(diào)蒸發(fā)器前后中，可以增加空調(diào)的除濕量。

9.5熱管在空調(diào)中的應(yīng)用9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用熱管作為一種高效傳熱和均溫元件，應(yīng)用于家用空調(diào)蒸發(fā)器前后中，可以增加空調(diào)的除濕量。

工作原理9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用工作過程：在熱管蒸發(fā)段，管內(nèi)液態(tài)冷媒吸熱蒸發(fā)，部分液態(tài)冷媒轉(zhuǎn)變?yōu)槔涿秸羝?。冷媒蒸汽在管?nèi)沸騰動力微小壓差的作用下，通過連管a進入冷凝段。在冷凝段，冷媒蒸汽放熱凝結(jié)為液態(tài)冷媒，液態(tài)冷媒在重力作用下聚集于管內(nèi)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返回到熱管蒸發(fā)段。如此往復(fù)循環(huán)。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用整個循環(huán)過程都是工質(zhì)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(nèi)較高的回風(fēng)首先經(jīng)熱管蒸發(fā)段預(yù)冷，再經(jīng)空調(diào)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(fēng)

9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用熱管結(jié)構(gòu)本熱管是由蛇行翅片管密閉而成，屬分離型重力熱管。也就是在原空調(diào)蒸發(fā)器前后各添加一個單排翅片管（即與蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)相同的單排），把這兩個單排翅片管通過歧管分別連接成四個獨立密閉循環(huán)，每個密閉循環(huán)在折彎連管上各焊接一根毛細工藝管e。熱管冷凝器略高于蒸發(fā)器19.5mm，使熱管冷凝器和蒸發(fā)器的連管與水平方向夾角為15°。熱管內(nèi)充注R22，每個熱管充注量相同，每個熱管都是一個獨立密閉循環(huán)，即由圖二中所示的abcd的循環(huán)，不參與空調(diào)機組冷媒循環(huán)。9熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用熱管灌注工藝在連管彎頭處，焊接一根毛細