热管换热器与重力式热管换热器

热管：简单讲，以真空相变原理工作的一种极其高效的传热元件。

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。

热管的组成（典型热管）管壳、吸液芯、工质。

热管是一种导热性能极高的被动传热元件。热管利用相变原理和毛细作用，使得它本身的热传递效率比同样材质的纯铜高出几百倍到数千倍。热管是一根真空的铜管，里面所注的工作液体是热传递的媒介。在电子散热领域里，最典型的工作液体就是水。使用圆柱形铜管制成的热管是最为常见的。热管壁上有吸液芯结构。依靠吸液芯产生的毛细力，使冷凝液体从冷凝端回到蒸发端。因为热管内部抽成真空以后，在封口之前再注入液体，所以，热管内部的压力是由工作液体蒸发后的蒸汽压力决定的。只要加热热管表面，工作液体就会蒸发。蒸发端蒸汽的温度和压力都稍稍高于热管的其它部分，因此，热管内产生了压力差，促使蒸汽流向热管内较冷的一端。当蒸汽在热管壁上冷凝的时候，蒸汽放出汽化潜热，从而将热传向了冷凝端。之后，热管的吸液芯结构使冷凝后液体再回到蒸发端。只要有热源加热，这一过程就会循环进行。

热管：是一种传热性极好吸液芯性能比较：

小热管常用工作液体及管材：

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。

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。

热管的传热：

热管在实现其热量转移过程中，包含了六个相互关联的主要过程：

① 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液—汽分界面；

② 液体在蒸发段内的液—汽分界面上蒸发；

③ 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段到冷凝段；

④ 蒸汽在冷凝段内的汽—液分界面上凝结；

⑤ 热量从汽—液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；

⑥ 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段。

在上述过程中，存在11种传热热阻，热阻用R表示。

R1 ：热源与热管外表面的传热热阻

R2 ：蒸发段管壁径向传热热阻

R3 ：蒸发段毛细芯径向传热热阻

R4 ：汽—液交界面蒸发传热热阻

R5 ：蒸汽轴向流动传热热阻

R6 ：汽—液交界面冷凝传热热阻

R7 ：冷凝段毛细芯径向传热热阻

R8 ：冷凝段管壁径向传热热阻

R9 ：管壁外表面与热汇传热热阻

R10 ：管壁轴向传热热阻

R11 ：吸液芯轴向传热热阻

R10 、R11与R1—R9相比很大，通常看作断路。

总热阻：R=R1+…+R9

从热源到热汇的总温降△T也是这9个温降的总和，△T= △T1 +… +△T9

热管的传热过程：总热流量Q与总温降△T、总热阻R的关系为：Q= △T/R。

热管工作过程动画：

两相闭式热虹吸管-重力热管、热虹吸管：

与有芯热管的区别在于冷凝液回流的机理不同；

热虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流；有芯热管是依靠毛细抽吸力使冷凝液回流。

① 重力热管的特点：

不需要吸液芯，制作简单，成本低廉；减少了吸液芯本身产生的热阻R3与R7，具有良好的传热性能；一切由吸液芯引起的故障，均可避免，工作可靠。

② 重力热管应用场合：

只能应用于重力场中，而不能用于空间（无重力场）；

只能将热管的下部作为加热段，而上部作为冷凝段；

主要用于传热，不能用于均温；

可以作为热二极管。

根据重力热管具有的特点，国内作为余热回收用的热管换热器大多数采用这种形式的热管。

重力式热管换热器：

重力式热管由壳体(包括管壳、封头、排空接头)、翅片及壳体内工质组成。其结构如下图所示。

图  重力式热管的结构图

热管壳体是完全密封的容器，它的形状没有严格的限制，只是因圆管材料受力状态好，工业中又有大量货源，故一般常选用圆管作热管的壳体。热管壳体内部空间要求制成很高的真空，所以选材时应首先进行检漏。在制造过程中对其焊缝要严格检查，不得出现夹渣、气泡等现象。上封盖接头是用来充工质和抽(排)真空的，最后封口。

工质是热管工作时传输热量的介质。对于重力式热管，在工作时，工质在管内下部呈液态，上部呈汽态，液、汽两相共存的工质始终处在饱和状态。

热管的翅片是为加大传热面积，缩小设备体积，在工业应用时常常考虑这一措施。

重力式热管材料的选择：

1. 热管壳体材料

热管壳体是冷热流体换热的界面，同时构成了工质工作的密封空间。选定管壳和上下端盖时应注意材料的一致性。

热管壳体材料选择的基本原则是：

① 使用安全：每支热管在工作时呈热受力状态，要求壳体有足够的强度和刚度才能承受工质的蒸汽压力。热管管壁厚度的计算与压力容器设计计算相同。

② 壳体材料与工质的相容性：壳体材料应与工质是相容的，即表示有良好的化学稳定性。如不相容，将产生不凝气体而影响传热。热管材料相容性的匹配见表1。

③ 力求价格低廉：在选择热管材料时既要考虑热管的技术要求，同时还应考虑其经济成本。如以水为工质的热管有许多良好的特性。水在自然中大量存在，但它最适宜的金属材料是铜。铜材是缺少的有色金属，在我国不允许在一般工业中大量使用，不易推广。国内已对水热管进行了大量研究，常常以碳钢作壳体材料，制成水钢热管。为了延长它的使用寿命，采用了一些有效措施。如对壳体表面处理(镀铜、钝化等)或在工质水中加重铬酸钾等缓蚀剂，可减缓水与碳钢之间的化学反应，延长热管的工作寿命，达到使用的允许时间。

表1 热管材料与工质的相容性匹配

注：v为最佳匹配

水钢热管可采用下法钝化：将管壳置于600℃左右的高温炉内，管内通过热蒸汽氧化，使其表面生成一层致密的四氧化三铁保护膜。

热管工质

热管工质的选择应考虑如下4 个因素：

1 ） 温度范围：热管工质的选择首先应考虑到热管工作温度，每一种工质都有其适用温度范围(可查阅有关资料)。

2 ） 传输因素：在一定工作温度范围内，选择工质的主要参数是它的物性数值。热管传热的中心是靠工质的蒸发和冷凝，传热的物理过程与其物理性能有着很大关系。

3 ） 工质纯度：作为热管的工质，其纯度越高性能越好。如工质不纯，将大大降低热管的传热性能，缩短工作寿命，或产生不应有的事故。在实际应用中，只要达到物理纯度即可。如以水作工质，可采用二次蒸馏水、去离子纯水或蒸馏去离子纯水。

4 ） 工质量 ：热管工质量的多少对其性能有重要影响。如工质量过少，则易出现“干涸”烧坏热管；如工质量过多，将降低传热，增加热管的内压。

最佳工质量的计算方法，按热管内壁附上1毫米厚的液膜计算。对重力式水热管，工质量一般取管内有效空间的17%~ 20%。

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑于2020年8月4日。