热管讲义完整版本

第7章热管及热管换热器

7.1概述7.1.1热管的发展与现状

热管的正式命名是在1963年，但热管的前身－两相热虹吸管却已有100多年历史。

*第一阶段1836～1942

1836年：帕金斯管——两相热虹吸管 1944年：高格勒提出现代概念的热管工作原理——冷 凝液借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力 实现回流

*第二阶段：20世纪60、70年代 1963年：格罗弗发明世界上第一根热管——不锈钢为 壳体、以钠为工作流体、采用丝网吸液芯的 热管

1965年：考特提出了比较完整的热管理论

1第7章热管及热管换热器7.1概述

1967年：热管进入太空并运行成功 捷克、前苏联等国制造应用了热管空气预热器*第三阶段：20世纪70年代之后

在地面应用蓬勃发展，各种热管换热器达到了系列化、商品化生产，用的较多在工业余热回收和空调低温预热回收*中国——1972年第一支钠热管试制成功2第7章热管及热管换热器7.1概述7.1.2热管的结构和工作原理

1—壳体2—毛细吸液芯3—工作蒸气4—工作液体图热管工作原理示意图3第7章热管及热管换热器7.1概述(a)(b)(c)(d)(e)毛细吸液芯的典型结构示意图*毛细吸液芯—储存工作流体；产生毛细力；提供冷凝液回流的通道*工质的循环的四个阶段

液体蒸发、蒸气流动、蒸气凝结和液体回流。

4第7章热管及热管换热器7.1概述*热管的热量传递经历了七个环节 ①高温热源与热管蒸发段外壁之间的换热过程； ②热管蒸发段固体壁面的导热过程； ③热管蒸发段的沸腾换热过程； ④热管蒸发段与冷凝段之间的蒸气流动换热过程； ⑤热管冷凝段的凝结换热过程； ⑥热管冷凝段固体壁面的导热过程； ⑦热管冷凝段外壁与低温热源之间的换热过程。*热管工作动力—毛细压头 克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降、冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降和重力场对流动产生的压力降

5第7章热管及热管换热器7.1概述*热管正常工作的必要条件

热管内压力分布示意图

（不考虑蒸汽和液体重力作用压力降时热管内压力分布）

6第7章热管及热管换热器7.1概述7.1.3热管的分类1.按照热管的工作温度划分

低温热管<0℃

常温热管0～250℃ 中温热管250～450℃ 高温热管>450℃

2.按照热管的工作液体回流方式划分

有芯热管、重力热管、旋转热管、电流体动力热管 磁流体动力热管、渗透热管3.按照热管的结构划分

单管型热管、板型热管、回路型热管（分离型热管） 挠性热管（中间用波纹管或塑料管连接）4.按照热管的壳体材料和使用的工质划分

钢－水热管、炭钢－水热管、铜钢复合－水热管、铝－丙酮热管、炭钢－萘热管、不锈钢－萘热管等

7第7章热管及热管换热器7.1概述5.

按照热管的功能划分

传热热管、热二极管、热开关、仿真热管、制冷热管

另外，还有可变热导热管、混合工质热管

可变热导热管：又称为可控热管，它通过热导率随高温热 源和低温热源的变化而变化来达到控制 温度的的目的。

混合工质热管：充分利用了混合工质的优势互补性，大大 拓宽了热管的工作范围，改善了热管的工 作性能。

8第7章热管及热管换热器7.1概述7.1.4热管的基本特性

1.高导热性

2.等温特性

3.热流密度可变性

4.传热方向的可逆性

5.热二极管与热开关

6.恒温特性9第7章热管及热管换热器7.2.热管理论7.2.热管理论1毛细力与热管循环动力(a)液面上升(b)液面下降毛细现象10第7章热管及热管换热器7.2.热管理论

(a)θ<π/2(b)θ>π/2图7-5表面张力示意图当处于平衡状态时

θ：接触角或浸润角

11第7章热管及热管换热器7.2.热管理论*毛细管中液体弯曲面两边的压力差毛细管中液体的弯曲面两边存在一定的压力差。当弯曲液面为球面时

*毛细管中液面的上升原理 如图7-6所示当毛细管刚插入液体时，由于弯曲液面两边压力差的存在，B点的压力pB=p0-△p，小于大气环境的压力p0。而毛细管外同样高度的C点处的压力等于大气环境压力，为了达到力平衡，毛细管中的液面开始上升直至B点的压力与C点相同为止。达到平衡后B点的压力满足12第7章热管及热管换热器7.2.热管理论B点的压力与C点相同而于是式中r为毛细管内径，r=Rcosθ，m

*热管中的吸液芯形成了插入工作液体的毛细管，蒸发段弯曲液面的曲率半径比冷凝段的小。

蒸发段和冷凝段的弯曲液面两边的压力差分别为

13第7章热管及热管换热器7.2.热管理论2.热管循环推动力蒸发段弯曲液面两边的压力差为冷凝段弯曲液面两边的压力差为热管吸液芯毛细作用示意图14第7章热管及热管换热器7.2.热管理论热管两端毛细头压差△pcap为这就是热管工作流体循环的推动力。当θe=0℃、θc=90℃△pcap有最大值常见吸液芯结构的有效毛细半径列于下表

15第7章热管及热管换热器7.2.热管理论常见吸液芯结构的有效毛细半径

吸液芯结构有效毛细半径rc

变量说明圆柱形毛细孔rc=r

r为毛细孔半径矩形沟槽rc=W

W为沟槽宽度三角形沟槽W为沟槽宽度β为1/2顶角圆形沟槽rc=W

W为沟槽宽度平行丝线芯rc=W

W为线间距丝网芯(多层)W为网丝间距d为网丝直径填充球(烧结芯)rc=0.41rs

rs为颗粒半径16第7章热管及热管换热器7.2.热管理论7.2.2热管内工质流动的压力降1.吸液芯中工作液体流动的压力降

不可压缩流体在稳定状态下流过圆形截面管道的压力降

η－为流体的粘度，Pa·s；l－为管道长度，m；A－为圆管横截面积，m2；R－为圆管半径，m；ρ－为流体的密度，kg/m3；qm－为流体质量流量，kg/s。实际上热管不是简单的圆形管，因此热管内吸液芯多孔物质中液体流动的压力降计算公式

m2；R为圆管半径，m；ρ为流体的密度，kg/m3；qm为流体质量流量，kg/s

压力降修正计算公式

式中：

ro、ri分别为吸液芯的外径和内径，K为吸液芯的渗透率

17第7章热管及热管换热器7.2.热管理论

其中ro、ri分别为吸液芯的外径和内径，K为吸液芯的渗透率

ε—为吸液芯的空隙率，等于吸液芯的空隙容积与总容积的比；

rhl—为吸液芯的有效毛细水力半径；

b—无因次常数；

Rel、fl－分别为吸液芯中工作液体流动的雷诺数和阻力系数

18第7章热管及热管换热器7.2.热管理论如果考虑重力影响，压力降的微分形式可表示为式中φ为热管轴线与水平方向的夹角。也可以用达西定律表示热管中液体的压力降 leff为热管的有效长度，m，对均匀加热和冷却的热管，

leff=le/2+la+lv/2，

le、la、lv分别为蒸发段、绝热段和冷凝段的长度。19第7章热管及热管换热器7.2.热管理论2.热管内蒸气流动的压力降

在蒸发段和冷凝段，蒸气除了轴向流动还存在径向流动，大大增加了流动的复杂性，一般来讲，热管内蒸气流动的压力降按蒸发段、绝热段和冷凝段分别考虑，即

无绝热段的热管，在径向雷诺数Rer≤1时，热管中蒸气流动压力降为

rv为蒸气腔半径，m；hfg为液体的气化潜热，kJ/kg。雷诺数Rer＞1时，蒸发、冷凝段压力降

20第7章热管及热管换热器7.2.热管理论21第7章热管及热管换热器7.2.热管理论7.2.3热管的热量传递热管传热的热阻图如图7-8所示，由七个部分组成

图7-8热管热阻示意图22第7章热管及热管换热器7.2.热管理论1、高温热源与热管蒸发段外壁间的换热热阻2、热管蒸发段固体壁面的导热热阻

3、热管蒸发段的沸腾换热热阻

4、热管蒸发段与冷凝段之间的换热是借助于蒸气分子的质量传输而实现热量传输的。由于蒸气流动的压差很小，两段之间的温差就很小，可以近似认为该过程是等温的。所以，在该环节的换热热阻R4可以忽略不计。

23第7章热管及热管换热器7.2.热管理论5、热管冷凝段的冷凝换热热阻6、热管冷凝段固体壁面的导热热阻7、热管冷凝段外壁与低温热源间的换热热阻8、从热管管壁的轴向传热量可以忽略不计，即可以认为热阻R8为无穷大。表7-2热管各热阻的近似值(m2·K/W)

热

阻R1

R2R3R4R5R6R7数量级101~102

10-410-310-710-310-410-1～10-224第7章热管及热管换热器7.2.热管理论7.2.4热管的传热极限1.连续流动传热极限低于转变温度（蒸气流动从连续流动转变到稀薄或自由分子流动的温度称为转变温度）下工作的热管会遇到连续流动传热极限，热管将失去其等温性。

2.冷冻启动传热极限当出现工质不能回流至蒸发段时（如高温热管常温下工质可能凝固），蒸发段将出现干涸现象，热管达到了冷冻启动传热极限。

3.粘性传热极限蒸汽在热管中流动时，由于粘性力的作用，总会有压力降。当蒸气压力在热管冷凝段降低到零时，其传热量将达到一个极限。

4.声速传热极限

热管中蒸气流动的马赫数较高时，达到声速而限制了热量传递的现象。热管中出现声速传热极限，不能增加热流量的同时还可能产生了很大的轴向温度梯度变化，影响了热管的等温特性。

25第7章热管及热管换热器7.2.热管理论AB——连续流动传热极限

BC——冷冻启动传热极限

CD——粘性传热极限DE——声速传热极限

EF——携带传热极限

FG——毛细传热极限

GH——沸腾传热极限

热管的传热极限示意图

26第7章热管及热管换热器7.2.热管理论热管内蒸气流动的温度分布

27第7章热管及热管换热器7.2.热管理论5.携带传热极限液体将被蒸气夹带反向流回冷凝段，削弱了热管的传热。6.毛细传热极限

当热负荷达到一定程度，毛细力作用抽回的液体不足以满足蒸发所需的量时，导致蒸发段干涸。此时，蒸发段管壁温度会逐渐上升，严重时甚至出现烧坏热管的现象。这就是所谓的毛细传热极限。

7.沸腾传热极限沸腾产生的气泡造成吸液芯毛细孔的堵塞，造成吸液芯局部干涸，传热能力下降。28第7章热管及热管换热器7.3热管的设计7.3热管的设计7.3.1热管工作温度的确定 热管传递的热流量为Q

则

Tv——为热管的工作温度，K

7.3.2热管工作流体的选择

原则：

1、适当的饱和性质，适应的工作温度（介于工作流体的凝固点和临界点之间）；

2、优良的热物理性质，满足传热和流动的要求；

3、稳定的化学性质，与壳体、吸液芯等材料相容；

4、还应考虑经济性、环保性、安全性等。29第7章热管及热管换热器7.3热管的设计表7-3一些常用热管工质的基础性质

工质凝固点K标准沸点K临界温度K临界压力kPa氨气194.95239.82405.4011333R11162.72296.80471.154466R22114.0313.3369.24980乙烷101.0184.6305.34900R113238.15320.42487.33379丙酮178.7329.3508.04800甲醇176.0337.8513.08100乙醇155.9351.7516.26300苯278.65353.3562.04890水273.2373.17647.322064导热姆A285.15531770.153060汞234.3629.811735110000萘353.42491.15751.653923钠370.961156

30第7章热管及热管换热器7.3热管的设计*工质的传输系数N

工作流体的热物理性质对热管的传热能力有着极其重要的影响，这种影响可以通过工质的传输系数加以反映。传输系数越大，热管的毛细传热极限就越高，热管的载热能力就越大。

,图7-11常用热管工质的传输系数31第7章热管及热管换热器7.3热管的设计7.3.3热管吸液芯的选择

*作用：为工作流体循环流动提供通道和毛细驱动力*选择原则：简单的结构；小的有效毛细半径；大的渗透率；小的导热热阻；良好的相容性、润湿性、工艺重复性、结构简单、价格低廉7.3.4热管壳体材料的选择*考虑因素：1、材料的相容性

2、导热性能（有时还要有绝缘要求）

3、机械性能（强度、刚度）

4、实用性能（经济）

32第7章热管及热管换热器7.3热管的设计表7-2热管材料与工作流体的相容性

工作流体相

容

材

料不相容材料水铜、硅、镍、钛铝、碳钢、不锈钢1Cr18Ni9Ti氨铝、碳钢、不锈钢、铁、镍铜甲醇不锈钢、铁、铜、黄铜、镍、二氧化硅

丙酮铝、不锈钢、铜、黄铜

R11铝、不锈钢、铜

导热姆A铝、碳钢、铜、二氧化硅

导热姆E不锈钢、铜铝、碳钢、黄铜联苯碳钢、不锈钢、铝、黑铁

萘碳钢、铝

汞不锈钢镍、钽、钼、钛33第7章热管及热管换热器7.3热管的设计7.3.5热管的设计计算1.管径设计计算

管径设计的基本原则是管内蒸气的流动马赫数不超过0.2。当马赫数等于0.2时，蒸气流动可视为不可压缩流动，截面积为

所以热管的腔径为其中Rv、γv——工质蒸汽的气体常数和比热比。蒸气腔的直径应该大于该数值，就不会出现声速传热极限。34第7章热管及热管换热器7.3热管的设计2.管壁设计计算*设计压力p：确定管壁厚度的压力，一般设计压力取稍高于热管工作温度所对应的饱和压力，但对于低温热管，其常温存放和焊接时的工作流体压力往往远高于工作压力，此时设计压力应取最大的压力值。

*设计温度：热管工作过程中可能达到的最高或者最低(指-20℃以下)的壁面温度。*热管管壁厚度其中[σ]—为设计温度下管材的许用应力，Pa；

C－为腐蚀裕度；φ－为焊缝系数，它与焊接方式有关，一般取0.75～1.0

35第7章热管及热管换热器7.3热管的设计表7-4不同温度下钢管的许用应力(单位：MPa)钢号钢管标准壁厚/mm≤20℃100℃150℃200℃250℃300℃350℃400℃425℃450℃475℃10GB6479≤161121121081019283777169614117~40112110104988979746866614120GGB6479≤16137137132123110101928683614117~4013713212611610495867978614116MnGB6479≤1616316316315914713512611993664317~4016316316315311112911911693664312CrMoGB6479≤161281131081019589837775747217~40122110104989286797472716936第7章热管及热管换热器7.3热管的设计表7-5不同温度下铜的许用应力(MPa)表7-6不同温度下铝的许用应力(MPa)温度/℃120121~140141~160161~180181~200201~230231~250许用应力(拉伸)44.1241.1039.2037.2435.2831.3029.40许用应力(弯曲)46.0643.1241.1639.2037.2435.2832.34温度/℃3031~6061~8081~100101~120121~140141~160141~160141~160许用应力(拉伸)15001400130012001050900750600450许用应力(弯曲)250022502000175015001250100075050037第7章热管及热管换热器7.3热管的设计在已知管径和壁厚的情况下，热管最大允许工作压力的校核公式为3.端盖设计计算视为平板盖的话，其壁厚4.吸液芯设计计算

原则是毛细传热极限热流量计算公式

38第7章热管及热管换热器7.3热管的设计影响热流量的主要因素是毛细压力和液体流动压力降。

下面就以目前就常用的丝网吸液芯为例阐明吸液芯的设计计算过程：①首先根据热管使用需要的长度和倾角确定热管中液体静压力②吸液芯的有效毛细半径：初步设计最大毛细压力值△pcap为液体静压力的两倍，那么可得吸液芯的有效毛细半径③由表7-1求取丝网的目数N39第7章热管及热管换热器7.3热管的设计④最后求取吸液芯的厚度：忽略蒸气的摩擦压降，根据设计要求的最大传热量，可得到

吸液芯的厚度δ为5.毛细传热极限核算

根据吸液芯的厚度可求得热管蒸气腔的直径dv，吸液芯液体流通截面积Aw、液体流动压力降Fl和蒸气流动压力降Fv等。可求得毛细传热极限热流量，如果不满足设计要求，修改丝网设计参数并重新计算。

6.其它核算核算流动的Re数，是否满足层流条件

。核算其他传热极限热流量，是否满足设计要求。

40第7章热管及热管换热器7.3热管的设计7.3.6热管的设计举例热管工作温度：200℃；热管倾角：5°；热管管长：0.5m。其中蒸发段和冷凝段管长分别为0.25m传递最大热流量：50W。1．工作温度的确定：200℃

2．工作流体的选择查物质性质手册，得到200℃时水的有关热物理性质为：饱和压力ps=1.5551MPa;气体常数R=461J/kg·K饱和液体密度ρl＝864.68kg/m3饱和气体密度ρv＝7.8653kg/m3汽化潜热hfg＝1939.0kJ/kg；比热比γ=1.33饱和液体导热系数λl＝0.663W/(m·℃)饱和液体粘度ηl＝1.364×10-4Pa·s饱和气体粘度ηv＝1.565×10-5Pa·s饱和气体动力粘度νv＝1.99×10-6Pa·s表面张力σ＝3.767×10-2N/m41第7章热管及热管换热器7.3热管的设计3．吸液芯的选择：铜材丝网结构的吸液芯4．壳体材料选择：选用铜作为壳体材料5．设计计算(1)管径设计计算(2)管壁设计计算：壳体的最大允许压力值为壳体最大允许压力值大大高于工作最大压力

42第7章热管及热管换热器7.3热管的设计(3)端盖设计计算

焊缝系数取0.8。设计端盖的厚度为8mm。(4)

吸液芯设计计算热管中液体静压力为

吸液芯的有效毛细半径为：43第7章热管及热管换热器7.3热管的设计丝网的目数为

选用网孔为0.071mm，丝径0.056mm的金属丝网。其有效毛细半径为0.0635mm，相当于英制200目/英寸。选用200目最大毛细压力值△pcap为

丝网吸液芯的空隙率和渗透率

44第7章热管及热管换热器7.3热管的设计吸液芯液体流通截面积为

吸液芯的厚度为

45第7章热管及热管换热器7.3热管的设计丝网的层数n为

丝网的实际厚度为δ´为

*结果—管材：铜φ32×2.5mm(长度0.5m)吸液芯：4层黄铜丝网，网孔0.071mm，丝径0.056mm

(5)毛细传热极限核算吸液芯的液体流通面积为

46第7章热管及热管换热器7.3热管的设计蒸气流动摩擦系数为

液体流动摩擦系数为毛细传热极限热流量为毛细传热极限热流量大于50W，符合设计要求。

47第7章热管及热管换热器7.3热管的设计(6)其它核算

蒸气流动的雷诺数；

沸腾传热极限热流量；

声速传热极限热流量；

携带传热极限热流量；

根据计算结果（过程及结果未列出），设计要求的热流量均在各种传热极限热流量之内，由此可见设计的热管工作是安全可靠的。48第7章热管及热管换热器

7.4热管换热器及其应用

7.4热管换热器及其应用7.4.1热管换热器的特点、类型与结构1.热管换热器的特点 ①换热效率高、节能效果显著

②流动压力损失小

③结构简单灵活，便于布置，工作可靠 ④使用和维护方便2.热管