热管

原理

典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1·3×（10^-1－10^-4）Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下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流到冷凝段；
（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的工作液体回流到蒸发段。

常见热管

(1)无外加动力型热管
\_a) 普通热管 热管在制造时需对管内抽真空，以消除杂质对热管性能的不利影响，真空度可达到1.3×（10-1~10-4）Pa，管内充以适量的工作液体使毛细吸液芯中充满液体后密封绝热段作为蒸汽通道的不工作部分并不承担传热任务，而是为了分开冷、热源并使热管能适应任意需要的几何形状布置而设置的。
沿整个热管长度，气液交界处的气相和液相之间的静压差与该处的局部毛细压差相平衡，所以热管正常工作的必要条件是：
△pc ≥ △pl +△pv +△pg
式中
△pc——毛细压头是热管内部工作液体循环的推动力，以克服蒸汽从蒸 发段流向冷凝段的压力降；
△pv——冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降；
△pl——和重力场对液体流动的压力降；
△pg——△pg视热管在重力场中的位置而定，可以是正值、负值或为零。

热管虽是一种传热性能极好的元件， 热管传热能力的上限值会受到一种或几种因素的限制，称为热管的传热极限或工作极限。这些极限主要有毛细力、声速、携带、沸腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝极限等等
\_b)分离式热管
蒸发段、蒸汽上升管、冷凝段和液体下降管是构成分离式热管包括四部分：。蒸发段与冷凝段相互是分开的，两个换热器通过蒸汽上升管与液体下降管进行连接，构成一个自然回路循环。系统工作时，对热管进行抽真空并加入一定量的工质，当这些工质汇集于蒸发段并受热后，工质蒸发，伴随内部蒸发压力升高，使产生的较高压蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段并释放出气化潜热而被冷凝成液体，重力作用下，冷凝液体经液体下降管重新回到蒸发段，如此实现循环往复运行。由于一般不在蒸发段加入吸液芯，冷凝液依靠重力作用回流，所以分离式热管系统的冷凝段必须保证高于蒸发段。蒸汽上升管与液体下降管之间的密度差产生压头以平衡工质流动的压力损失
\_c)可变导热管
当输入热量改变时，会引起热管的工作温度及压力的改变，从而使贮液室（控制部）内的液体量减少或增多，并造成蒸发段局部干涸或者换热加强而使热汇的温度维持在较小变化的范围内。
\_d)两相闭式热虹吸管
与传统热管相比，两相闭式热虹吸管（简称重力热管）没有吸液芯，系统内液体回流依靠自身重力产生的压差，所以蒸发段必须放置于冷凝段的下方才能正常工作，如图1.5所示。热虹吸管拥有热二极管的特征，即热量只能由下方传向上方而无法倒传。
热虹吸管的传热可以按区段分为三部分：蒸发端的自然对流蒸发、冷凝端的饱和蒸汽层之流膜状凝结或者液池中的核态沸腾及蒸发段以上的中间部分的状凝结或者核态沸腾。蒸发段以及其以上一部分的状态由热流密度的大小决定。有研究指出影响热虹吸管的重要因素有热流密度和充液率。除了受沸腾极限、烧干极限和携带极限等因素影响外，热虹吸管还会在正常启动和运行过程中出现不稳定状态，例如小充液量时出现了干涸振荡，大充液量但低热流量输入情况下产生了间隙沸腾及由携带引起的振荡。
热虹吸管在实际应用中最大的传热能力往往受到携带极限的限制，因此在其结构上减少气液之间的相互作用成为强化传热性能的关键。
\_e)环路式热管
由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。环路式热管的出现被界内认为是两相流换热技术的重大新突破。但是随着应用的深入，在特定的使用场合也暴露了该热管的一些缺点。面对紧凑式、分散式、长距离、多点复杂的高热流密度热源的散热问题，由于自身结构和工作原理的限制，CPL和LHP已经显得几乎无能为力。科学工作者们遂开展了对外加动力热管的研究
(2)外加动力型热管
\_a)热环
新型的分离式热管一泵或风机驱动的动力型分离式热管(简称热环)，对为方位、距离较为任意的冷热源间能量传输提供了较理想的解决方法，其基本结构和原理为:在由蒸发器、冷凝器、微压驱动装置和管路构成的闭合环路中充以循环工质，利用驱动装置推动工质在热源处吸热蒸发，在冷源处冷凝放热，从而实现热量由热源向冷源的高效传递
\_b)复杂热管系统
相对于传统分离式热管，复杂热管系统增加了储液器、气液分离器、溶液循环泵以及相关控制部件等，系统能够在各种复杂工况条件下实现能量传输，同时由于系统在热管工质大循环之基础上增添了液态工质小循环，因而具有了许多独特之处，性能相对稳定并得到提升。复杂热管系统的特点如下：
1）冷凝器与蒸发器的相对安装高度不再有安装位置的限制，只要保证储液罐安装位置低于两个换热器，即可使冷凝液态工质顺利流回储液罐正常工作。若现场条件要求冷凝器必须处于在储液罐下部，则在冷凝器回流管上布置一个回流溶液泵即可使系统正常运行。
2）复杂热管系统的小循环能够合理地控制蒸发器中的液体工质循环量，可解决传统分离式热管系统中工质输送力不足和蒸发器换热面使用效率不高等问题。
3）相比现有的分离式热管，复杂热管系统不仅增加了溶液循环泵，而且增设了储液罐、气液分离器等部件，热管系统得到大幅度完善，换热效率得到大幅度提高。
4）相比现有的其它热管，此系统能够方便地续调节和控制热管换热量，热管的控制能力得到大幅度增强。
5）相比其它非热管的换热器，由于相变传热中汽化潜热大，此系统在极小的温差下就能把大量的热量从热管的蒸发段传至冷凝段。由于冷热源相互分离，并可实现远距离能力传输，此系统在介质中存在有毒物质的工业行业的废热回收利用中具有远大的前景。
6）此系统扩大了热管的使用范围，可广泛应用于中央空调、太阳能海水淡化、低温空气能量回收、石油或化工业的余热回收、电厂废热回收等领域，并且该系统更容易实现大型化，也因此在工商业应用中拥有光明的前景。
\_c)两相流分离式热管系统
两相流分离式热管系统是在对复杂热管系统的基础上，对其结构进行了简化，将工质的双循环变成单循环，即去掉复杂热管系统中的小循环，而且同时可以克服传统分离式热管的不足。其结构示意图如图1.11所示。该热管系统除了具有复杂热管的诸多特点外还具有以下特点：
与“热环”相比，该热管系统蒸发器内既可以进行相变换热，也可以进行相变和单相换热的混合换热；
与复杂热管相比，该热管系统在具备复杂热管诸多优点外，其结构简化，成本低廉，更易得到推广；
复杂热管系统和两相流分离式热管系统的提出是为了满足现代大型热管换热设备和高效热管换热设备的要求。目前，国内外对该方面的理论研究与应用研究的报道都很少，处于理论探索和模型设计阶段。该项研究工作将使热管的应用范围逐渐扩大，并使热管的应用效率逐渐提高。