热管技术及其应用教学课件PPT

1、1 热管技术及其应用 2 目录 n一、背景 n二、热管的特性 n三、热管的分类 n四、热管换热器 n五、热管的应用 3 1.1背景背景 当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料研究高绝热材料和高导热材料高导热材料。 具有良好导热性的材料有铝(202w/m)、柴铜 385w/ m、和银：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

2、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。 4 1.2简历简历 n热管原理最早由美国工程师在1942年提出。 n20世纪60年代初，开始研究和试制，最早被用于航天器与核 反应堆。 n20世纪70年代，热管初次作为热能回收装置应用于暖通行业。 n80年代以后， 热管换热器的研制工作迅速开展。回转型、 分离型等新的结构型式相继出现，并日趋大型化。 n近年来，工业中的广泛实际应用使热管换热器在余热利用领 域中脱颖而出。其结构形式多样，使用方式灵活，特别适用 于中、低温排气的余热回收。最近热管换热器在蓄能技术方 面又有了新的应用。 n随着工业技术的

3、发展，特别是考虑到现代能源形势的需要， 热管技术正越来越广泛地渗入到各个工业领域中，如：在航 空航天、核动力、太阳能、电子科技、冶金、建材、化工等 领域发挥着越来越重要的作用。 5 2.1热管的组成热管的组成 第二章 热管及其特性 图图2.1 2.1 热管示意图热管示意图 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。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）和毛细内有少量工作介质（工作液）和毛细 结构（管芯），管内的空

4、气及其他杂结构（管芯），管内的空气及其他杂 物必须排除在外。热管工作时利用了物必须排除在外。热管工作时利用了 三种物理学原理：三种物理学原理： 在真空状态下，液体的沸点降低在真空状态下，液体的沸点降低； 同种物质的汽化潜热比显热高的多；同种物质的汽化潜热比显热高的多； 多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液 体流动体流动。 从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸 发段，绝热段和冷凝段三部分发段，绝热段和冷凝段三部分。 下面分别说明管壳、管芯、工作液 6 热管的热管的管壳管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。是受压部件，要求

5、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。不发生化学反应，不产生气体。 壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用玻璃、陶瓷等。壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用玻璃、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。量，并承受管内外压力不等时所产生的压力差。 热管的热管的管芯管芯是一种紧贴管壳内壁

6、的毛细结构，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 紧贴内壁以减小紧贴内壁以减小接触热阻接触热阻，衬里也可由多孔陶，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 管芯的结果示意图管芯的结果示意图 热管的热管的工作液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，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

7、细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。工作液还结构的能力，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。破坏毛细结构。 7 2.2. 热管的工作过程 如图：当热管的一端受热时毛细芯中的液如图：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。如此循材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循

8、环往复，热量便从一端传到了另一端！环往复，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） 是冷凝后的工作液回流到蒸发段。 8 附：毛细现象 润湿与不润湿 毛细管现象 9 2.3.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，

9、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、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 热极限热极限( (或叫工作极限或叫工作极限) )。这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、。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，限制热管传热量的极限类型是由该热吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的极限类型是由该热 管在某种温度下各传热极限的最小值所

10、决定的。具体来讲，这些极限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）：主要有（如图所示）： 10 2.3.热管的传热极限 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。 11 什么叫连续流动极限？什么叫连续流动极限？ 对于小热管，如微型热管，以及对于小热管，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，由于或稀薄、真空状态。这时，由于 不能获得连续的

11、蒸气流，传热能不能获得连续的蒸气流，传热能 力将受到限制。力将受到限制。 什么叫冷冻启动极限？什么叫冷冻启动极限？ 在从冷冻状态启动过程中，蒸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，这将耗尽蒸冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸 发段来的工作介质，导致蒸发发段来的工作介质，导致蒸发 段干涸，热管无法正常启动工段干涸，热管无法正常启动工 作。作。 什么叫黏性极限？什么叫黏性极限？ 在蒸汽温度低时，工作流体的在蒸汽温度低时，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支配，即热管中蒸汽流动的粘 滞阻力限

12、制了热管的最大传热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、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，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而与吸液芯的几何形状和结构 形式无关。形式无关。 什么叫声速极限？什么叫声速极限？ 当蒸发段温度一定，降低冷凝段温当蒸发段温度一定，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，能再使蒸发段出口处汽速超过声速， 因而传热量也不

13、再增加，这时热管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。的工作达到了声速的极限。 12 什么叫沸腾极限? 热管工作中当其蒸发段径向热流密度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。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，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毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不 能满足蒸发要求。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

14、，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，这就达到了干涸，使热管停止工作，这就达到了 热管的携带传热极限。热管的携带传热极

15、限。 什么叫毛细极限? 在热管运行中，当热管中的汽体液在热管运行中，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，甚至致壳壁温度剧烈升高，甚至“烧烧 毁毁”。 什么叫冷凝极限

16、？ 冷凝极限是指通过冷凝段汽冷凝极限是指通过冷凝段汽- -液交液交 界面所能传递的最大热量。热管最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力的限制，不凝性气体的存在降低 了冷凝段的冷却效率。了冷凝段的冷却效率。 13 2.4.热管的基本特性 (1)(1)很高的导热性很高的导热性 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)(2)优良的等温性优良的等温性 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，温降亦 很小，因而热管具有优良的等温性。 (3)

17、(3)热流密度可变性热流密度可变性 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。 (4)(4)热流方向的可逆性热流方向的可逆性 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)(5)热二极管与热开关性能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)(6)恒温特性恒温特性 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随加热量变 化。但

18、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)(7)环境的适应性环境的适应性 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)。 14 热管内质量、压力和温度分布热管内质量、压力和温度分布 2.5热管的工作特性 热管液汽分界面的形状热管液汽分界面的形状 （a）管起动前的液）管起动前的液汽交界面汽交界

19、面 （b）热管工作时的液）热管工作时的液汽交界面汽交界面 （c）吸液芯内液）吸液芯内液汽界面参数汽界面参数 对于普通热管，其液体和蒸汽循环的主对于普通热管，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，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、压沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量、压 力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如右力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如右 上图所示。上图所示。 在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽 液分界面缩回到管芯

20、里，即向毛细孔一侧下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。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状，即界面的曲率半径为无穷大( (见右上图见右上图 上部及右下图上部及右下图) )。曲率半径之差提供了使工。曲率半径之差提供了使工 质循环流动的毛细驱动力质循环流动的毛细驱动力( (循环压头循环压头) )，用以，用以 克服循环流动中作用于工质的重力、摩擦力克服循环流动中作用于工

21、质的重力、摩擦力 以及动量变化所引起的循环阻力。以及动量变化所引起的循环阻力。 15 2.6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。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，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。影响才能保证稳定的传热性能、长期的工作寿命及工业

22、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：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

23、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。 16 2.7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。重要特点。 (1)(1)热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行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。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

24、体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有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。凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。 (2)(2)热管管壁的温度可调性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

25、或热交换中是相当重要的，因为可以通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，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，

26、并提高了锅炉效率。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)(3)冷、热段结构和位置布置灵活冷、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。间狭小和设备拥挤的场合，且维修工作量。 (4)(4)热管换热设备效率高，节能效果显著。热管换热设备效率高，节能效果显著。 1

27、7 第三章 热管的分类 由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和 工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的 分类方法有以下几种。分类方法有以下几种。 按照按照工作液体回流动力区分工作液体回流动力区分有芯热管、两相闭式热虹吸管有芯热管、两相闭式热虹吸管( (又称又称 重力热管重力热管) )、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体 动力热管、渗透热管等等。动力热管、渗透热管等等。 按照按照热管管内

28、工作温度区分热管管内工作温度区分有低温热管、常温热管、中温热管、有低温热管、常温热管、中温热管、 高温热管等。高温热管等。 按照按照管壳与工作液体的组合区分管壳与工作液体的组合区分有铜有铜- -水热管、碳钢水热管、碳钢- -水热管、铝水热管、铝 - -丙酮热管、不锈钢丙酮热管、不锈钢- -钠热管等。钠热管等。 按照按照结构形式区分结构形式区分有普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、有普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、 微型热管、平板热管、径向热管等。微型热管、平板热管、径向热管等。 按照按照热管的功用划分热管的功用划分有传输热量的热管、热二极管、热开关、热有传输热量的热管、热二极管、热开关

29、、热 控制用热管、仿真热管、制冷热管等。控制用热管、仿真热管、制冷热管等。 18 3.1两相闭式热虹吸管 两相闭式热虹吸管简称热虹吸管，又称为重力热两相闭式热虹吸管简称热虹吸管，又称为重力热 管。其结构和原理如右图所示。与普通热管原理一管。其结构和原理如右图所示。与普通热管原理一 样，但不同的是热管内没有吸液芯，冷凝液的回流样，但不同的是热管内没有吸液芯，冷凝液的回流 主要是靠自身的重力作用，因此，热虹吸管的作用主要是靠自身的重力作用，因此，热虹吸管的作用 有一定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段。其有一定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段。其 结构简单、制造方便、成本低廉、而且传热性能优结构

30、简单、制造方便、成本低廉、而且传热性能优 良、工作可靠，因此他在地面上的各类传热设备中良、工作可靠，因此他在地面上的各类传热设备中 都可以作为高效传热元件，其应用领域非常广泛。都可以作为高效传热元件，其应用领域非常广泛。 两相闭式热虹吸管两相闭式热虹吸管 对于两相闭式热虹吸管，所可能发生的传热极限主要是干涸极限、沸腾极对于两相闭式热虹吸管，所可能发生的传热极限主要是干涸极限、沸腾极 限限( (又称烧毁极限又称烧毁极限) )和携带极限。干涸极限一般发生在充液量过小时。和携带极限。干涸极限一般发生在充液量过小时。 为了避免热管工作时达到这些传热极限，并强化热管的换热，目前行之有为了避免热管工作时达

31、到这些传热极限，并强化热管的换热，目前行之有 效的方法有效的方法有：在热虹吸管的蒸发段内同心放置在热虹吸管的蒸发段内同心放置开孔抑泡管开孔抑泡管抑制该段气泡的脱离；抑制该段气泡的脱离； 在冷凝段内设置在冷凝段内设置溢流同心导管溢流同心导管降低该段的凝结热阻；将热虹吸管的内壁加工成降低该段的凝结热阻；将热虹吸管的内壁加工成 为为轴向槽道表面轴向槽道表面提高热虹吸管的换热系数等。提高热虹吸管的换热系数等。 19 3.2旋转热管 旋转热管的概念是由gray于1969年首次 提出的，他分析了旋转热管较普通热管 具有更强的传热能力。旋转热管的显著 特征是热管自身是旋转件，因而可以用 于所有需要冷却散热的

32、旋转零部件，如 电机转子，发动机电动机转轴等的冷却， 具有实际应用价值。 旋转热管为一密闭的空心轴(管)，此空心轴内腔具有一定初始真空度，并充有少 量工作液。内腔的形状可以是空心圆柱形、空心内锥形成圆柱台阶形。上图为一 锥形空腔的旋转热管工作原理简图。在高转速下，工作液覆盖在空腔的内壁面上， 并形成一层环状液膜。旋转热管的一端由于被加热，该处液体蒸发、液膜变薄， 所产生的蒸汽流到另一端(冷却端)。蒸汽在冷却端放出潜热而凝结成液体。在热 管的旋转作用下液体受到一离心力，这一离心力沿锥面的分力使这些冷凝液沿锥 面流回到蒸发段。这样连续地循环就完成了把热量从加热段输送到冷却段的过程。 从传热性能来看

33、，旋转热管没有吸液芯，因此不存在毛细极限，并且在热流回路中 间少了由于吸液芯引起的热阻。旋转热管内部空腔较大，蒸汽流速不高，不易产生 声速极限，因此，其传热极限主要为：冷凝极限、携带极限和沸腾极限。 20 3.3分离式热管 分离式热管结构示意图 分离式热管的结构如左图所示，其蒸发段分离式热管的结构如左图所示，其蒸发段 和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下 降管连通形成一个自然循环回路。工作时，在降管连通形成一个自然循环回路。工作时，在 热管内的工质汇集在蒸发段，蒸发段受热后，热管内的工质汇集在蒸发段，蒸发段受热后， 工质蒸发，产生的蒸汽通过蒸汽上升管

34、到达冷工质蒸发，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷 凝段释放出潜热而凝结成液体，在重力作用下，凝段释放出潜热而凝结成液体，在重力作用下， 经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行。经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行。 分离式热管的分离式热管的冷凝段冷凝段必须必须高于蒸发段高于蒸发段，液，液 体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度 差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸 发段的高度差密切相关，它用以平衡蒸汽流动发段的高度差密切相关，它用以平衡蒸汽流动 和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运和液体流动的压力损失

35、，维系着系统的正常运 行而不再需要外加动力。行而不再需要外加动力。 分离式热管既有经典热管的共性两相流动、相变传热、自然循环等，同 时也具有鲜明的个性管内汽液两相同向流动。 分离式热管内蒸汽与液体同向流动，故不存在携带极限，限制其传热能力的 主要极限为烧干极限、声速极限和冷凝极限。适当加大其充液量，加大蒸汽上升 管的管径或增加蒸汽上升管的个数等方法可以适当消除这些极限的影响。 分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离安装，从而使得冷分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离安装，从而使得冷 热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题 ，安全性能较经典

36、热管大为提高。，安全性能较经典热管大为提高。 21 3.43.4可变导热管可变导热管 可变导热管热阻的简化模型 普通热管的工作温度是由热源和热汇的 条件确定的，因此，改变热负荷或蒸发段的 温度就将引起热管工作温度的改变。对于普 通热管来说，其导热率接近一个常量。然而 在某些应用场合，需要冷凝段(或蒸发段)的 温度随着热负荷的变化而保持不变，因而利 用热管的热可控性产生了可变导热管。 可变导热管的基本原理如右图所示，这 是简化了的热管基本热阻模型。在这个模型 中， re表示热源与热管内蒸汽之间所有热阻 之和，rc 表示热管因蒸汽流动等因素引起的 热阻，rv表示热管内蒸汽与热汇之间所有热 阻之和。

37、任意一项热阻的变化，将导致总热 导的改变，热管的传热率也将发生变化。 按照变化传导方法的不同可分为： 充气热管、过量液相工质热管、液流调节热管和汽流调节热管。 22 3.53.5微型热管及小型热管微型热管及小型热管 微型热管横截面示意图 随着集成芯片中电路数目的增加，其产生热量的 散逸变得越来越困难，除了最高芯片温度的限制 外，对温度均匀性也有更高的要求，因而热力特 性是电子产品开发、研制中非常重要的技术，且 直接影响到最终产品的成本、可靠性和表观。微 型热管作为一项很有前途的技术，可用于计算机 芯片以获得高的热量导出率及温度均匀化。 随着热管尺寸的减小，微型热管遇到了蒸汽连续流动极限。此极限

38、限制了微型 热管在低温状态下的工作。如果热管工作在较高的温度下，此极限为暂时的， 随着热管温度升高将会消失。除了蒸汽连续自流动极限外，微型热管还将遇到 常规热管的操作极限。如毛细极限，沸腾极限等几种常见的传热极限。 典型的微型热管有凸面、锐角的截面(例如多边形)。其典型横截面形状如上图 所示。对于小型热管，其最小截面直径为1mm数量级。在小型热管内部往往加吸 液芯结构，较为常见的是金属烧结吸液芯结构、丝网结构、干道结构、内槽道 结构等。 23 3.63.6毛细泵回路毛细泵回路 热管作为高效的传热元件已广泛应用于各个领域，然而在地面上，如果热管的蒸 发段位于冷凝段之上，其传热能力就将受到限制，毛

39、细泵回路(cpl-capillary pumped loop)可以解决这一问题，其基本工理与普通热管的基本原理相似，但其 可有效地用于小温差、长距离、无附加动力的热量回收，也可用于航天器的热管 理系统，并可能使大型航天器的热管理系统出现巨大的变革。 毛细泵回路以其独特的工作方式工作，具有以下工作特点： (1)具有较高的传热能力 (2)具有优良的控温特性 (3)热分享特性 (4)压力灌注特性 (5)热二极管特性 毛细泵回路的研究已经成为目前研究的热点之一，它在空间站、现代通 讯卫星、大功率宇宙飞船、电子元器件的冷却方面都有着广阔的应用前景。 24 各种类型的换热器对比总结各种类型的换热器对比总结

40、 参数参数 热管类型热管类型 是否有吸是否有吸 液芯液芯 液体回流液体回流 动力动力 传热极限传热极限常用场合常用场合 两相闭式热管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 微型热管及小微型热管及小 型热管型热管 有毛细力 毛细极限、沸腾

41、极 限 电子产品等 毛细泵回路毛细泵回路有毛细力 毛细极限等航空领域，电子 元器件等 25 第四章 热管换热器 热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。典型的热管换 热器如下图所示。 热管换热器的最大特点是：结构简单，换热效率高，在传递相同热量的条 件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器；换热流体通过换热器时 的压力损失比其他换热器小，因而动力消耗也小。由于冷、热流体是通过热管 换热器不同部位换热的，而热管元件相互又是独立的，因此即使有某根热管失 效、穿孔也不会对冷、热流体间的隔离与换热有多少影响。此外，热管换热器 可以方便地调整冷热侧换热面积比，从而可有效地避免有腐蚀性气

42、体的露点腐 蚀。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，其用途亦日趋广泛。 热管换热器示意图 26 4.1热管换热器的分类 按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为气按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为气-气式、气气式、气-液式、液液式、液-液式、液式、 液液-气式。气式。 从热管换热器结构型式来看，热管换热器又可分为整体式、分离式、回转式从热管换热器结构型式来看，热管换热器又可分为整体式、分离式、回转式 和组合式。和组合式。 1 整体式热管换热器整体式热管换热器 该换热器是由许多单根热管组成的。热管数量的多少取决于 换热量的大小。为了提高气体的换热系数，往往采取在管外加翅片的方法

43、，这样所需的热 管数目大大减少。 4 组合式热管换热器组合式热管换热器 整体使热管换热器均由同一类型的热管所组成。而组合式 热管换热器则是根据换热器所处的温度不同，而选择充有不同工作液体的热管。 这样可以 使大幅度的提高换热效率。 3. 回转式热管换热器回转式热管换热器 该类换热器有两个显著优点：一是借助转动的离心力来实现 工作液体循环，同时转动促使气流的搅动，增强传热，这对含尘较多的气体更为有效。二 是这类换热器兼有送风机的功能。但由于增添了转动机构使结构复杂化，另外还增加了动 力消耗。回转热管换热器可分为离心式、轴流式和涡流式。 2 分离式热管换热器分离式热管换热器 主要是利用热管的分离技

44、术，将多根分离式热管组合按实际 应用现场条件组合在一起构成。具有一些常规换热器不具备的特性；1)根据现场实际情况， 可灵活地布置蒸发段和冷凝段； 2)一种热流体可同时加热两种不同的冷流体安全而又可靠； 3)管排内的蒸汽温度可以调整。 27 （气-水） 可安装在锅炉烟口，回收烟气余热， 用以加热生活用水或锅炉补水。其构 造如图所示：下部是烟道，上部为水 箱，中间有隔板。顶部有安全阀、压 力表、温度表接口，水箱有进出水和 排污口。工作时，烟气流经热管余热 回收器烟道冲刷热管下端，热管吸热 后将热量导至上端，热管上端放热将 水加热。为了防止堵灰和腐蚀，余热 回收器出口烟气温度一般控制在露点 以上，即

45、燃油、燃煤锅炉排烟温度 130，燃气锅炉排烟温度100， 节约燃料4-18%。 气-液式换热器 28 （气-气） 可安装在锅炉烟口或烟道中，将烟 气余热回收后加热空气，热风可用 作锅炉助燃和干燥物料。其构造如 图所示：四周管箱，中间隔板将两 侧通道隔开，热管可制成全翅片管， 单根热管可更换。工作时，高温烟 气从一侧通道向上流动冲刷热管， 此时热管吸热，烟气放热温度下降。 热管将吸收的热量导致另一侧，冷 空气从通道向下逆向冲刷热管，此 时热管放热，空气吸热温度升高。 余热回收器出口烟气温度不低于露 点。 气-气式换热器 29 1、安全可靠性高： 常规的换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁

46、的两侧流过， 如管壁或器壁有泄露，则将造成停产损失。 2、热管余热回收器传热效率高，节能效果显著，换热效率可达98以上。 3、热管余热回收器具有良好的防腐蚀能力 热管管壁的温度可以调节，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之上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。 由于避开烟气露点，使灰尘不易粘结于肋片和管壁上。同时热管在导热 时会产生自振动，使灰不易粘附在管壁和翅片上，因而不会堵灰。 4、安装及结构布置灵活: 热管余热回收器的安装无需改变原工艺系统,结构设计和位置布置非常 灵活,可适应各种复杂的场合。 5、使用寿命长：使用寿命大于10年，单根热管可拆卸更换，成本低。

47、 6、投资回收期短：一般在六个月至一年就可回收全部投资。 4.2热管余热回收装置的性能特点: 30 4.3各种类型的换热器对比 热回收方式效率 设备 费 维护 保养 辅助 设备 占用 空间 交叉 污染 自身 耗能 接管 灵活 抗冻 能力 使用 寿命 转轮换热器高高中无大有有差差中 热管换热器较高中易无中无无中好优 板式显热换热器低低中无大有无差中良 板翅式全热换热器较高中中无大有无差中中 中间热媒式低低中有中无多好中良 31 5.1热管技术在化工及石化领域的应用 热管及热管换热器近年来在石油化工领域中的应用已愈来愈受人们的重视， 它具有体积紧凑、压力降小、可以控制露点腐蚀、一段破坏不会引起两相

48、流互混 等优点，提高的设备的运行效率和可靠性。它在石化领域的应用可谓是无所不在， 如下所示为热管换热器在该领域的部分应用场合： 在合成氨工业中： 回收低温余热余热助燃空气，或生产低压蒸汽作为原料； 回收高温余热产生中压蒸汽作原料蒸汽的补充，或生产高压蒸汽作为生产的动力源； 控制固定床催化反应器的化学反应温度，使其向最佳反映温度曲线无限逼近，从而提高 合成氨的 效率。 在硫酸工业中： 沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收； 沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收； so2炉气余热回收； so3气体冷却器； 在石化领域中： 热管裂解炉； 热管乙苯脱氢反映器； 热管氧化反应器； 催化裂化再生取热器； 32 5.2热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用 建材行业如水泥、陶瓷等工业都要消耗大量的能量，以陶瓷为例，据统 计，能源费占生产总成本的40%以上。开发新型高效节能设备将极大的促 进此行业的发展。80年代国内的许多单位应用热管换热技术回收陶瓷、 水泥生产中排放的余热取得了良好的节能效果，90年代高温热管技术的 工业开发应用获得成功，这些都为热管技术的工业推广打下了良好的基 础。如下是近年来热管技术在建材、轻工业中成功应用的一些实例： 高岭土喷雾干燥热风炉； 十二