熱管：簡單講,，以真空相變原理工作的一種極其高效的傳熱元件,。

當(dāng)今傳熱工程面臨兩大問題：研究高絕熱材料和高導(dǎo)熱材料。

熱管的相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)105 W/m·℃的數(shù)量級,。為一般金屬材料的數(shù)百倍乃至上千倍,。它可將大量熱量通過很小的截面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無需外加動力。由于熱管具有導(dǎo)熱性能好,、結(jié)構(gòu)簡單,、工作可靠、溫度均勻等良好性能,。

熱管工作原理：

熱管：是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件,，常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管殼），內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)（工作液）和毛細(xì)結(jié)構(gòu)（管芯）,，管內(nèi)的空氣及其他雜物必須排除在外,。熱管工作時利用了三種物理學(xué)原理：

⑴在真空狀態(tài)下，液體的沸點(diǎn)降低,；

⑵同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多,；

⑶多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可使液體流動。

從傳熱狀況看,，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段,，絕熱段和冷凝段三部分。

熱管的管殼是受壓部件,，要求由高導(dǎo)熱率,、耐壓、耐熱應(yīng)力的材料制造,。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運(yùn)行中管殼無腐蝕,，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生氣體,。

管殼材料有多種,，以不銹鋼、銅,、鋁,、鎳等較多,，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃,、陶瓷等,。管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱端和冷端接受和放出熱量,，并承受管內(nèi)外壓力不等時所產(chǎn)生的壓力差,。

熱管的管芯是一種緊貼管殼內(nèi)壁的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維,、布等以襯里形式緊貼內(nèi)壁以減小接觸熱阻,，襯里也可由多孔陶瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成。如上右圖所示為幾種不同的管芯的結(jié)果示意圖,。

熱管的工作液要有較高的汽化潛熱,、導(dǎo)熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點(diǎn),，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性,。工作液體還應(yīng)有較大的表面張力和潤濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)能對工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細(xì)力,。工作液還不能對毛細(xì)結(jié)構(gòu)和管壁產(chǎn)生溶解作用,，否則被溶解的物質(zhì)將積累在蒸發(fā)段破壞毛細(xì)結(jié)構(gòu)。

熱管的三個區(qū)段的劃分：

根據(jù)熱管外部熱交換情況分：加熱段,、絕熱段,、冷卻段；根據(jù)熱管內(nèi)部工質(zhì)傳熱傳質(zhì)情況分：蒸發(fā)段,、絕熱段,、冷凝段。

下附：熱管換熱器動圖（下圖）,。

熱管的傳熱：

熱管在實(shí)現(xiàn)其熱量轉(zhuǎn)移過程中,，包含了六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：（如上右圖）

① 熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液—汽分界面；

② 液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液—汽分界面上蒸發(fā),；

③ 蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段到冷凝段,；

④ 蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽—液分界面上凝結(jié)；

⑤ 熱量從汽—液分界面通過吸液芯,、 液體和管壁傳給冷源,；

⑥ 在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后工作液體回流到蒸發(fā)段,。

熱管的工作特性：

對于普通熱管,，其液體和蒸汽循環(huán)的主要動力是毛細(xì)材料和液體結(jié)合所產(chǎn)生的毛細(xì)力。假設(shè)熱管中沿蒸發(fā)段蒸發(fā)率是均勻的,，沿冷凝段冷凝率也是均勻的,，則其質(zhì)量流率,、壓力分布、溫度分布及彎月面曲率的分布如右上圖所示,。

在蒸發(fā)段內(nèi),，由于液體不斷蒸發(fā)，使汽液分界面縮回到管芯里,，即向毛細(xì)孔一側(cè)下陷,，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)的表面上形成彎月形凹面。而在冷凝段,，蒸汽逐漸凝結(jié)的結(jié)果使液汽分界面高出吸液芯,，故分界面基本上呈平面形狀，即界面的曲率半徑為無窮大(見下左圖上部及下右圖),。曲率半徑之差提供了使工質(zhì)循環(huán)流動的毛細(xì)驅(qū)動力(循環(huán)壓頭),，用以克服循環(huán)流動中作用于工質(zhì)的重力、摩擦力以及動量變化所引起的循環(huán)阻力,。

熱管工作過程動畫：

熱管的傳熱極限：

從圖中可以看出：當(dāng)工作溫度低時,，最易出現(xiàn)粘性極限及聲速極限。而在高溫下則應(yīng)防止出現(xiàn)毛細(xì)極限及沸騰極限,。故熱管的工作點(diǎn)必須選擇在包絡(luò)線的下方,。

熱管基本特性：

相變傳熱，熱阻小→極高的導(dǎo)熱性→換熱效率高,，節(jié)能效果顯著,。

汽液處于飽和狀態(tài)→優(yōu)良的等溫性→溫度展平。

蒸發(fā)段,、冷凝段換熱面積可變→熱流密度的可變性→調(diào)節(jié)管壁溫度(避免露點(diǎn)腐蝕),。

熱流方向的可逆性。

單向?qū)帷鸁岫O管→(太陽能,、地土永凍),。

熱開關(guān)性能→控制熱管工作溫度范圍。

加熱量變化→熱阻改變→控制溫度 →可控?zé)峁?可變導(dǎo)熱管),。

匯源分隔→環(huán)境適應(yīng)性好,。

兩相閉式熱虹吸管：重力熱管、熱虹吸管與有芯熱管的區(qū)別在于冷凝液回流的機(jī)理不同,；熱虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流,；

有芯熱管是依靠毛細(xì)抽吸力使冷凝液回流；

①重力熱管的特點(diǎn)：

不需要吸液芯,，制作簡單,，成本低廉；

減少了吸液芯本身產(chǎn)生的熱阻R3與R7，具有良好的傳熱性能,。

一切由吸液芯引起的故障,，均可避免，工作可靠,。

②重力熱管應(yīng)用場合：

只能應(yīng)用于重力場中,，而不能用于空間（無重力場）；只能將熱管的下部作為加熱段,，而上部作為冷凝段,；

主要用于傳熱，不能用于均溫,；可以作為熱二極管,。

根據(jù)重力熱管具有的特點(diǎn)，國內(nèi)作為余熱回收用的熱管換熱器大多數(shù)采用這種形式的熱管,。

熱管分類：

按照熱管管內(nèi)工作溫度分：

低溫?zé)峁?-273～0℃),、常溫?zé)峁?0～250℃)、中溫?zé)峁?250～450℃),、高溫?zé)峁?450～1000℃),。

按照工作液體回流動力分：有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管),、重力輔助熱管,、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動力熱管,、磁流體動力熱管,、滲透熱管。

按管殼與工作液體的組合方式分：銅-水熱管,、碳鋼-水熱管,、鋁-丙酮熱管、碳鋼-萘熱管,、不銹鋼-鈉熱管,。

按結(jié)構(gòu)形式分：普通熱管、分離式熱管,、毛細(xì)泵回路管,、微型熱管、平板熱管,、徑向熱管,。

按熱管的功用分：傳輸熱量的熱管、熱二極管,、熱開關(guān),、熱控制用熱管,、仿真熱管、制冷熱管,。

各種類型的換熱器對比總結(jié)：

熱管的相容性及壽命：

相容性指熱管在預(yù)期的設(shè)計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)或物理變化,。影響熱管壽命及工作的重要因素之一產(chǎn)生不凝性氣體,。

由于工作液體與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體,，在熱管工作時,，該氣體被蒸汽流吹掃到冷凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小,，熱阻增大,，傳熱性能惡化。這種不相容的最典型例子就是碳鋼-水熱管,，由于碳鋼中的鐵與水發(fā)生以下的化學(xué)反應(yīng)：

Fe+2H2O====Fe(OH)2+H2↑

3Fe+4 H2O Fe3O4+4H2↑

Fe(OH)2 Fe3O4+H2O+H2↑

所產(chǎn)生的不凝性氫氣將使熱管性能惡化,，傳熱能力降低甚至失效。

只有長期相容性良好的熱管,，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能,，長期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)用的可能性。碳鋼-水熱管正是通過化學(xué)處理的方法,，有效地解決了碳鋼與水的化學(xué)反應(yīng)問題,，才使得碳鋼-水熱管這種高性能、長壽命,、低成本的熱管得以在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用,。

熱管的工程應(yīng)用：

熱管換熱器：由許多單根熱管組成的換熱器。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,，換熱效率高,；壓力損失小,；安全可靠,；靈活調(diào)溫。

類型與結(jié)構(gòu)：按照熱流體和冷流體的狀態(tài),，熱管換熱器可分為：氣—?dú)馐?、氣—汽式、氣—液式,、液—液式,、液—?dú)馐健?/p>

按結(jié)構(gòu)型式分：可分為整體式、分離式,、回轉(zhuǎn)式和組合式,。

氣——?dú)馐綗峁軗Q熱器

加熱爐余熱回收：

熱管低溫樁（形成永凍土）：

利用二極管特性：

冬季—將地下熱量傳遞給地面上空氣（輻射及對流）；

夏季—截止工作。

熱管及熱管換熱器設(shè)計：

在進(jìn)行熱管設(shè)計前,，首先應(yīng)該確定以下因素：

① 熱管管內(nèi)工作液體的選擇,；

② 熱管管內(nèi)管內(nèi)吸液芯結(jié)構(gòu)形式；

③ 熱管的工作溫度,，以及工作情況下熱管內(nèi)部工作液體的飽和蒸汽溫度,；

④ 熱管管殼材料的選擇。

一般說來,，這與設(shè)計的目的有關(guān),。不同的應(yīng)用場合，熱管的設(shè)計要求截然不同,。

熱管的設(shè)計計算通常按以下幾個步驟進(jìn)行：

①管徑設(shè)計：管徑設(shè)計的一個基本原則就是管內(nèi)的蒸汽速度不超過一定的極限值,，這個極限值就是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過0.2，這時蒸汽流動可以被認(rèn)為是不可壓縮的流體流動,，軸向溫度梯度很小,，可以忽略不計。

②管殼設(shè)計：熱管部工作時,，一般處于負(fù)壓狀態(tài)（低溫?zé)峁艹猓?，外界壓力一般為大氣壓力，故可以不考慮管殼失穩(wěn)的問題,，因而管殼的設(shè)計主要從強(qiáng)度考慮,。管殼壁厚由強(qiáng)度計算所得壁厚加上腐蝕裕度得出，端蓋則可以按照平板的設(shè)計較容易的設(shè)計,。

③吸液芯設(shè)計：設(shè)計吸液芯的依據(jù)是毛細(xì)極限的計算,。

④毛細(xì)極限的檢驗(yàn)。

⑤驗(yàn)算：驗(yàn)算攜帶極限,、沸騰極限,，最后核算Re數(shù)，驗(yàn)算是否為層流流動,。

熱管換熱器設(shè)計：

熱管換熱器的計算目前已經(jīng)通過計算機(jī)程序化,，其主要內(nèi)容包括兩部分：換熱器的熱力計算和熱管的極限校核。設(shè)計者只要根據(jù)工程的設(shè)計條件,，輸入原始參數(shù)即可得到設(shè)計結(jié)果,。然而，熱管換熱器與其他通用換熱器不同,，它對工程的實(shí)際情況比較敏感,，即通用性不強(qiáng)。在許多情況下,，計算機(jī)程序計算的結(jié)果并不完全合理,，必須作合理的調(diào)整,，因而全面了解熱管換熱器的基本設(shè)計知識及計算方法仍然非常必要 。

熱管換熱器的設(shè)計計算的主要任務(wù)在于求出總傳熱系數(shù)U,，然后根據(jù)平均溫差及熱負(fù)荷求得總傳熱面積A,，從而定出管子數(shù)量。在設(shè)計過程中,，必須認(rèn)真考慮一下幾點(diǎn)（以氣-氣換熱器為例）：

1.選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速：熱管換熱器設(shè)計應(yīng)遵循一條重要原則,，即把迎面風(fēng)速（標(biāo)況）限制在2-3m/s的范圍內(nèi)，風(fēng)速過高將導(dǎo)致壓力將過大和動力消耗增加,，風(fēng)速過低會導(dǎo)致關(guān)外膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力的不到充分發(fā)揮,。

2.選擇適當(dāng)?shù)某崞軈?shù)：根據(jù)設(shè)計條件,，對不同類型的換熱器體應(yīng)選擇合適的翅片管參數(shù)。對潔凈氣體可選擇較密的翅片間距和較薄較高的翅片,；對含塵奪得或有腐蝕性的氣體則應(yīng)選擇間距較寬,，翅片較厚較低的翅片管管的壁厚也應(yīng)稍厚以抗腐蝕和磨損，下表為工業(yè)常用的規(guī)格參數(shù),，可供設(shè)計參考,。

3.重視原始設(shè)計參數(shù)的核實(shí)及計算公式的驗(yàn)證 熱管換熱器的設(shè)計應(yīng)特別重視原始設(shè)計參數(shù)，因?yàn)橐话阕鳛橛酂峄厥赵O(shè)備通常是在已運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中作為附加設(shè)備設(shè)計的,，因此對前后設(shè)備的影響要求頗為嚴(yán)格,，現(xiàn)場原始參數(shù)（氣溫、氣量）必須精確測定,。根基場地情況,、系統(tǒng)的要求（壓降、溫降）,，選擇合適的結(jié)構(gòu),。

空調(diào)熱回收：

熱管（熱管換熱器）應(yīng)用于空調(diào)熱回收系統(tǒng)。

分離式熱管在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用：

熱管空調(diào)應(yīng)用于機(jī)房或基站

分體熱管空調(diào),、空調(diào)熱管一體機(jī)應(yīng)用于基站或機(jī)房,，有效減少基站或機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行時間，節(jié)約空調(diào)用電,，延長空調(diào)使用壽命,，提高能源利用率。

熱管/制冷復(fù)合型空調(diào)機(jī)組的兩種工作模式：

數(shù)據(jù)中心熱管空調(diào)熱管空調(diào)利用熱管系統(tǒng)原理,，通過制冷劑相變及自然重力實(shí)現(xiàn)機(jī)房內(nèi)封閉循環(huán),，結(jié)合室外自然冷源的使用，實(shí)現(xiàn)安全,、可靠,、高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng),。

高溫季節(jié)使用冷水機(jī)組提供的穩(wěn)定的冷凍水，與熱管空調(diào)從DC帶出的熱量進(jìn)行熱交換,；過渡季節(jié)和冬季,，通過電動三通閥轉(zhuǎn)換到水-水換熱器，由冷卻塔把DC中的熱量帶走,，充分利用自然冷源,，大幅度降低機(jī)械制冷功耗。

利用熱管系統(tǒng)原理,，通過制冷劑相變及自然重力原理實(shí)現(xiàn)機(jī)房內(nèi)封閉循環(huán),，冷凍水水管不進(jìn)入機(jī)房內(nèi)，機(jī)房內(nèi)連接管路與換熱管循環(huán)介質(zhì)為低壓制冷劑,，徹底消除水入機(jī)房的安全隱患,。

空調(diào)系統(tǒng)組成：

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