華北水利水電大學07級學生自制的課件

制作團隊：07級建筑環(huán)境與設備工程

熱管（HeatPipe)

主目錄熱管的簡單介紹

熱管的起源熱管的工作原理熱管的基本特性熱管的分類熱管的工程應用熱管的不足之處熱管的未來前景熱管的簡單介紹熱管的簡單介紹什么是熱管？難道熱管只是一根熱的管子么？為什么熱管的傳熱效果更好？熱管(heat-pipe)

它是一種高熱傳導性的裝置，是利用微小溫度差來傳送大量熱能的工具。從熱傳遞的三種方式來看（輻射、對流、傳導），其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。二戰(zhàn)之后，由於工程科學及技術的發(fā)展，對動力的需要增加。巨大的動力需要巨大的熱能，而熱能量必須依賴有效的傳熱處理！同時近二十年來航空及太空工程的發(fā)展造成許多高速物體在大氣中飛行，也帶來許多熱傳遞方面的問題。

1944年美國通用發(fā)動機公司的R.S.Gaugler首次提出熱管的原理。1962年L.Trefethen再次提出類似R.S.Gaugler的傳熱元件。1963年美國的LosAlamos國家實驗室的G.M.Grover重新獨立發(fā)明了類似R.S.Gaugler的傳熱元件，進行測試實驗，公開發(fā)表了第一篇論文，并將之命名為“HeatPipe”。1965年Cotter首次提出了較完整的熱管理論。1967年一根不銹鋼-水熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并成功運行，從此吸引各國科技人員深入研究，使得熱管技術得以很快發(fā)展。熱管的起源熱管的組成

熱管管殼管芯工作液1—管殼；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液如圖：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！熱管的工作原理

熱管在實現(xiàn)熱量轉移過程中包括以下六個項互關聯(lián)過程：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-汽分界面；液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結；熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液回流到蒸發(fā)段。如圖：表示了熱管管內(nèi)汽-液交界面形狀,蒸氣質(zhì)量流量,壓力以及管壁溫度Tw和管內(nèi)蒸氣溫度Tv沿管長的變化趨勢.沿整個熱管長度,汽-液交界處的汽相與液相之間的靜壓差都與該處的局部毛細壓差相平衡。

△Pc（毛細壓頭）—是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動力,用來克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力降△Pv,冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段的壓力降△Pl和重力場對液體流動的壓力降△Pg（可以是正值,是負值或為零,視熱管在重力場中的位置而定)。

因此，△Pc≥△Pl+△Pv+△Pg是熱管正常工作的必要備件。

熱管管內(nèi)汽-液分界面形狀、蒸汽質(zhì)量流量、壓力和溫度沿管長的變化示意圖熱管的基本特性很高的導熱性優(yōu)良的導溫性熱流密度可變性熱流方向可逆性熱二極管與熱開關性能恒溫特性（可控熱管）環(huán)境的適應性由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結構、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對熱管的分類也很多，常用的分類方法有以下幾種：

(1)按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分熱管可分為低溫熱管(—273－－－0℃)、常溫熱管(0—250℃)、中溫熱管[250－－－450℃)、高溫熱管(450一1000℃)等。（2)按照工作液體回流動力區(qū)分熱管可分為有芯熱管、相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、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。

(3)按管殼與工作液體的組合方式劃分(這是一種習慣的劃分方法)可分為銅—水熱管、碳鋼。水熱管、銅鋼復合—水熱管、鋁—丙酮熱管、碳鋼·榮熱管、不銹鋼．鈉熱管等等。

(4)按結構形式區(qū)分可分為普通熱管、分離式熱管、毛紉泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。

(5)按熱管的功用劃分可分為傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。熱管的分類兩相閉式熱虹吸管旋轉熱管示意圖分離式熱管結構示意圖可變導熱管熱阻的簡化模型微型熱管及小型熱管（MHP）熱管換熱器屬于熱流體與冷流體互不接觸的表面式換熱器。典型的熱管換熱器如下圖示熱管換熱器的最大特點是：結構簡單，換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器；換熱流體通過換熱器時的壓力損失比其他換熱器小熱管換熱器因而動力消耗也小。由于冷、熱流體是通過熱管換熱器不同部位換熱的，而熱管元件相互又是獨立的，因此即使有某根熱管失效、穿孔也不會對冷、熱流體間的隔離與換熱有多少影響。此外，熱管換熱器可以方便地調(diào)整冷熱側換熱面積比，從而可有效地避免有腐蝕性氣體的露點腐蝕。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人們的重視，其用途亦日趨廣泛。熱管換熱器的分類按照熱流體和冷流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為氣·氣式、氣·液式、液-液式、液-氣式。從熱管換熱器結構型式來看，熱管換熱器又可分為整體式、分離式、回轉式和組合式

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整體式熱管換熱器

該換熱器是由許多單根熱管組成的。熱管數(shù)量的多少取決于換熱量的大小。圖4.1(b)是一種典型的整體是熱管換熱器——氣-氣整體式熱管換熱器之實物照片。經(jīng)過這種換熱器的兩種流體都是氣體。為了提高氣體的換熱系數(shù)，往往采取在管外加翅片的方法，這樣所需的熱管數(shù)目大大減少。整體式熱管散熱器2

分離式熱管換熱器

主要是利用熱管的分離技術，將多根分離式熱管組合按實際應用現(xiàn)場條件組合在一起夠成。具有一些常規(guī)換熱器不具備的特性；

①根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可靈活地布置發(fā)段和冷凝段；

②一種熱流體可同時加熱兩種不同的冷流體安全而又可靠；

③管排內(nèi)的蒸汽溫度可以調(diào)整。3.回轉式熱管換熱器

該類換熱器有兩個顯著優(yōu)點：

一是借助轉動的離心力來實現(xiàn)工作液體循環(huán)，同時轉動促使氣流的攪動，增強傳熱，這對含塵較多的氣體更為有效。

二是這類換熱器兼有送風機的功能。但由于增添了轉動機構使結構復雜化，另外還增加了動力消耗。回轉熱管換熱器可分為離心式、軸流式和渦流式?；剞D式熱管換熱器4

組合式熱管換熱器

整體使熱管換熱器均由同一類型的熱管所組成。而組合式熱管換熱器則是根據(jù)換熱器所處的溫度不同，而選擇充有不同工作液體的熱管。這樣可以使大幅度的提高換熱效率。熱管技術被公認是一種很有價值的傳熱新技術，在空間技術、電器工業(yè)、核電工業(yè)、化學工業(yè)、食品工業(yè)、動力機械、工業(yè)余熱回收等很多方面都得到了廣泛應用。如:1、小型鍋爐煙氣余熱回收：

將熱管換熱器裝在鍋爐排煙管道內(nèi)，利用煙氣余熱，預熱送風參加燃燒，可使用鍋爐效率提高5%左右。2、作為空氣預熱器應用：

將干噪爐排氣作為熱管換熱器熱端的加熱介質(zhì)，溫度由204℃降到51℃，預熱所需的干燥空氣，每小時可回收熱量287MJ。3、用于回收余熱的熱管開水器：

可安裝在STY-20型燃油鍋爐排煙管道中，利用排煙余熱，可將17℃冷水加熱到98-125℃，日產(chǎn)開水5T，回收熱量約1882MJ。熱管的工程應用熱管的節(jié)能技術概述

熱管作為高效的傳熱元件，因優(yōu)越的傳熱性能和技術特性，在工程中的應用日益普及，不僅在余熱回收，節(jié)能方面取得了顯著效果，而且在傳統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)設備更新改造及電子元件冷卻等方面顯示出強大的生命力；作為應用于工業(yè)節(jié)能領域的熱管技術，不僅涉及熱管技術本身，而且與各工業(yè)領域的工藝過程，設備狀況及控制管理系統(tǒng)都密切相關。

熱管技術之所以能廣泛應用于技能領域，是因為與常規(guī)換熱技術相比，具有如下的重要特點。熱管換熱設備較常規(guī)設備更安全，可靠，課長期連續(xù)運行。這一特點對連續(xù)性生產(chǎn)的工程，如化工，冶金，動力等部門具有特別重要的意義。產(chǎn)股換熱設備一般都是間壁換熱，冷熱流體分別在器壁的兩側流過，如管壁或器壁有泄漏，則將造成停產(chǎn)損失。與熱管組成的換熱設備，則是二次間壁換熱，即熱流要通過熱管的蒸發(fā)段管壁和冷凝段管壁才能傳到冷流體，熱管一般不可能在蒸發(fā)段和冷凝段同時破壞，素以大大增強了設備運行的可靠性。熱管管壁的溫度可調(diào)性熱管管壁的溫度可以調(diào)節(jié)在低溫余熱回收或熱交換中是相當重要的，因為可以通過適當?shù)臒崃鞅?、能換把熱管管壁溫度調(diào)整在低溫流體的露點以上，從而可防止露點腐蝕，保證設備的長期運行。這在電站鍋爐尾調(diào)整管壁溫度不僅能防止煙氣結露，而且也避免了煙灰上的粘結，保證鍋爐長期運行，并提高了鍋爐效率。冷，熱鍛結構和位置布置靈活

有熱管組成的換熱設備的受熱部分和放熱部分結構設計和位置布置非常靈活，課適應于各種復雜的場合。由于結構緊湊占地空間小，因此特別適合于工程改造及地面空間狹小和設備擁擠的場合，且維修工作量小。效率高

熱管換熱設備效率高，節(jié)能效果顯著熱管在顯卡上的應用熱管在公路上的應用熱管在鐵路上的應用熱管電暖器氣--氣換熱專用熱管CPU散熱器熱管的實際應用熱管的缺點，其一是，與固體導熱體相比，熱管的結構比較復雜，使用時還需考慮其熱負荷和使用的溫度范圍；其二是熱管中的毛細力比較小，在一般情形下還不足以完全克服重力，因此在地面使用時必然受方向的限制。熱管的不足之處熱管的廣泛應用：一．熱管技術在化工及石化領域的應用二．熱管技術在建材及輕紡織工業(yè)領域的應用三．熱管技術在冶金工業(yè)中的應用四．熱管技術在電力電子領域的應用

熱管的發(fā)展前景五．熱管在航天領域的應用六.熱管在內(nèi)燃機上的應用七.熱管在核電工程中的應用八.熱管在太陽能利用中的應用九.熱管在航天飛行技術中的應用

熱管扎根青藏鐵路熱管技術應用在航天技術上，應用在石化、冶金企業(yè)中，可誰又能想到這項技術還能服務于平均海拔高度在4000米以上的青藏鐵路線。然而，這已是事實。看著自己研制的技術用在國家重點工程上，南京工業(yè)大學的領導和圣諾公司的專家們?yōu)榇烁械阶院馈?/p>

全長1142公里的青藏鐵路二期工程線路中，有約550多公里長的凍土地段。氣溫低時凍土硬如鐵，溫度升高時基礎層則融化松軟泥濘一片，鐵軌難以鋪設。往巖石層上打基礎樁是通常的辦法，但高原凍土地段地貌復雜，很難有效地在巖石層上打樁。另外，超量打水泥樁會破壞生態(tài)，影響藏羚羊棲息的環(huán)境，而且施工成本也高。青藏鐵路之所以多年前修到格爾木后再沒向前延伸，其中一個重要的原因就是存在如何安全地通過凍土地段的問題。

圣諾公司的熱管技術攻下了這一困擾工程進展的難題。他們運用重力熱管單向導熱的原理，將12米長的熱管埋設在地下，溫度高時地表中的熱量本該將凍土變軟，但埋