熱管應(yīng)用課件

熱管應(yīng)用什么是熱管？熱管從何而來？有什么作用？熱管工作的原理是什么？有何特性？熱管跟普通的“管”有什么區(qū)別？什么是熱管換熱器？常見的熱管有哪些種類？我們?nèi)粘Ｉ钪杏心男﹫?chǎng)合使用了熱管換熱器？熱管換熱器的研究發(fā)展前景如何？一.熱管的組成

第一部分熱管及其特性圖2.1熱管示意圖1—管殼；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液

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(shí)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(duì)液體的抽吸力可使液體流動(dòng)。

Atraditionalheatpipeisahollowcylinderfilledwithavaporizableliquid.A.Heatisabsorbedintheevaporatingsection.B.Fluidboilstovaporphase.C.Heatisreleasedfromtheupperpartofcylindertotheenvironment;vaporcondensestoliquidphase.D.Liquidreturnsbygravitytothelowerpartofcylinder(evaporatingsection).國(guó)外資料:

(Fromhttp://)HeatPipesforDehumidification(除濕氣)

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(zhǎng)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(shí)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。

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(rùn)濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)能對(duì)工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細(xì)力。工作液還不能對(duì)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)。二.熱管的工作過程（1）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到液-氣分界面；（2）液體在蒸發(fā)段的液-氣分界面上蒸發(fā)；（3）蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段內(nèi)的液-氣分界面上凝結(jié)；（5）熱量從液-氣分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；

（6）在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用（或重力等）是冷凝后的工作也體回流到蒸發(fā)段。熱管工作過程動(dòng)畫注意：熱管中的水會(huì)因?yàn)閮?nèi)部低壓而在100℃以下就沸騰蒸發(fā)。水蒸汽流熱量輸入液態(tài)水蒸發(fā)液體由于重力或吸附力回流水蒸汽冷凝熱量散失三.熱管的基本特性

(1)很高的導(dǎo)熱性

熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。(2)優(yōu)良的等溫性

熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。(3)熱流密度可變性

熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，這樣即可以改變熱流密度。(4)熱流方向的可逆性一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。

(5)恒溫特性

普通熱管的各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，因此熱管各部分的溫度亦加熱量變化。但可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。

(6)環(huán)境的適應(yīng)性

熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機(jī)的轉(zhuǎn)軸、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的以適應(yīng)長(zhǎng)距離或冷熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場(chǎng))，也可用于空間(無重力場(chǎng))。四.熱管的相容性及壽命

熱管的相容性是指熱管在預(yù)期的設(shè)計(jì)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，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容性在熱管的應(yīng)用中具有重要的意義。只有長(zhǎng)期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能、長(zhǎng)期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)用的可能性。影響熱管壽命的因素很多，歸結(jié)起來，造成熱管不相容的主要形式有以下三方面：

(1)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(shí)，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。

(2)工作液體物性惡化有機(jī)工作介質(zhì)在一定溫度下，會(huì)逐漸發(fā)生分解，或與殼體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工作介質(zhì)改變其物理性能。

(3)管殼材料的腐蝕、溶解工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，同時(shí)存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動(dòng)阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當(dāng)管殼被腐蝕后，引起強(qiáng)度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。總結(jié)：熱管技術(shù)的重要特點(diǎn)

與常規(guī)換熱技術(shù)相比，熱管技術(shù)之所以能不斷受到工程界歡迎，是因其具有如下的重要特點(diǎn)。(1)熱管換熱設(shè)備較常規(guī)設(shè)備更安全、可靠，可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行這一特點(diǎn)對(duì)連續(xù)性生產(chǎn)的工程，如化工、冶金、動(dòng)力等部門具有特別重要的意義。常規(guī)換熱設(shè)備一般都是間壁換熱，冷熱流體分別在器壁的兩側(cè)流過，如管壁或器壁有泄漏，則將造成停產(chǎn)損失。由熱管組成的換熱設(shè)備，則是二次間壁換熱，即熱流要通過熱管的蒸發(fā)段管壁和冷凝段管壁才能傳到冷流體，而熱管一般不可能在蒸發(fā)段和冷凝段同時(shí)破壞，所以大大增強(qiáng)了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。(2)熱管管壁的溫度可調(diào)性熱管管壁的溫度可以調(diào)節(jié)，在低溫余熱回收或熱交換中是相當(dāng)重要的，因?yàn)榭梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)臒崃髯儞Q把熱管管壁溫度調(diào)整在低溫流體的露點(diǎn)以上，從而可防止露點(diǎn)腐蝕，保證設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行。這在電站鍋爐尾部的空氣預(yù)熱方面應(yīng)用得特別成功，設(shè)置在鍋爐尾部的熱管空氣預(yù)熱器，由于能調(diào)整管壁溫度不僅能防止煙氣結(jié)露，而且也避免了煙灰在管壁上的粘結(jié)，保證鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行，并提高了鍋爐效率。(3)冷、熱段結(jié)構(gòu)和位置布置靈活由熱管組成的換熱設(shè)備的受熱部分和放熱部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和位置布置非常靈活，可適應(yīng)于各種復(fù)雜的場(chǎng)合。由于結(jié)構(gòu)緊湊占地空間小，因此特別適合于工程改造及地面空間狹小和設(shè)備擁擠的場(chǎng)合，且維修工作量。

(4)熱管換熱設(shè)備效率高，節(jié)能效果顯著。第二部分熱管的發(fā)展歷史一．熱管換熱器的研究背景當(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。具有良好導(dǎo)熱性的材料有鋁[(λ＝202W/m?℃)]、柴銅[λ＝385W/m?℃]、和銀：λ＝410W/m?℃)]，但其導(dǎo)熱系數(shù)只能達(dá)到102W/m?℃的數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)不能滿足某些工程中的快速散熱和傳熱需要，熱管的發(fā)明就解決了這一問題。熱管的相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)105W/m?℃的數(shù)量級(jí)．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(dòng)力。由于熱管具有導(dǎo)熱性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、溫度均勻等良好性能．熱管是傳熱領(lǐng)域的重大發(fā)明和科技成果，給人類社會(huì)帶來巨大的實(shí)用價(jià)值。

我國(guó)于1970年開始的熱管研制工作．首先是為航天技術(shù)發(fā)展的需要而進(jìn)行的。

1976年12月7日，在衛(wèi)星上首次應(yīng)用熱管取得了成功；我國(guó)氣象衛(wèi)星也應(yīng)用了熱管，取得了預(yù)期的效果。由于我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，能源的中和利用水平較低，因此自80年代初我國(guó)的熱管研究及開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源的合理利用，相繼開發(fā)了熱管氣-氣換熱器，熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷魵獍l(fā)生器，高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。從1987到1991年．我國(guó)先后在四川、福建、北京、浙江、河北等地8臺(tái)130t／h以上電站鍋爐上應(yīng)用了大型熱管換熱器，回收煙氣余熱加熱鍋爐鼓風(fēng)空氣。我國(guó)的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)研究發(fā)展迅速，學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也十分活躍，從1983年起已經(jīng)先后召開了八屆全國(guó)性的熱管會(huì)議。第三部分熱管的分類

由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對(duì)熱管的分類也很多，常用的分類方法有以下幾種。按照工作液體回流動(dòng)力區(qū)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(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)力熱管、滲透熱管等等。按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分有低溫?zé)峁?、常溫?zé)峁?、中溫?zé)峁?、高溫?zé)峁艿取０凑展軞づc工作液體的組合區(qū)分有銅-水熱管、碳鋼-水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼-萘熱管、不銹鋼-鈉熱管等。按照結(jié)構(gòu)形式區(qū)分有普通熱管、分離式熱管、毛細(xì)泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。按照熱管的功用劃分有傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等。一.兩相閉式熱虹吸管（Two-PhaseClosedThermal-siphon）

兩相閉式熱虹吸管又稱為重力熱管，簡(jiǎn)稱熱虹吸管。與普通熱管原理一樣，但不同的是熱管內(nèi)沒有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，熱虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必須高于蒸發(fā)段。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本低廉、而且傳熱性能優(yōu)良、工作可靠，因此他在地面上的各類傳熱設(shè)備中都可以作為高效傳熱元件，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。兩相閉式熱虹吸管

二.旋轉(zhuǎn)熱管

旋轉(zhuǎn)熱管的概念是由Gray于1969年首次提出的，他分析了旋轉(zhuǎn)熱管較普通熱管具有更強(qiáng)的傳熱能力。旋轉(zhuǎn)熱管的顯著特征是熱管自身是旋轉(zhuǎn)件，因而可以用于所有需要冷卻散熱的旋轉(zhuǎn)零部件，如電機(jī)轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸等的冷卻，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

三.分離式熱管

分離式熱管結(jié)構(gòu)示意圖

分離式熱管其蒸發(fā)段和冷凝段是分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管連通形成一個(gè)自然循環(huán)回路。工作時(shí)，在熱管內(nèi)的工質(zhì)匯集在蒸發(fā)段，蒸發(fā)段受熱后，工質(zhì)蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽上升管到達(dá)冷凝段釋放出潛熱而凝結(jié)成液體，在重力作用下，經(jīng)液體下降管回到蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。

分離式熱管最大的特點(diǎn)是冷凝段和蒸發(fā)段可以較遠(yuǎn)距離安裝，從而使得冷熱流體完全隔離，避免了相互滲漏的問題，安全性能較經(jīng)典熱管大為提高。四.可變導(dǎo)熱管

可變導(dǎo)熱管熱阻的簡(jiǎn)化模型

普通熱管的工作溫度是由熱源和熱匯的條件確定的，因此，改變熱負(fù)荷或蒸發(fā)段的溫度就將引起熱管工作溫度的改變。對(duì)于普通熱管來說，其導(dǎo)熱率接近一個(gè)常量。然而在某些應(yīng)用場(chǎng)合，需要冷凝段(或蒸發(fā)段)的溫度隨著熱負(fù)荷的變化而保持不變，因而利用熱管的熱可控性產(chǎn)生了可變導(dǎo)熱管(Variableconductanceheatpipe，VCHP)。

可變導(dǎo)熱管可以分成兩大類：第一類為隨著熱源溫度或熱流率的變化，保持熱管的工作溫度不變；另一類為保持熱源溫度不變。五.微型熱管及小型熱管（MHP）

微型熱管橫截面示意圖

隨著集成芯片中電路數(shù)目的增加，其產(chǎn)生熱量的散逸變得越來越困難，除了最高芯片溫度的限制外，對(duì)溫度均勻性也有更高的要求，因而熱力特性是電子產(chǎn)品開發(fā)、研制中非常重要的技術(shù)，且直接影響到最終產(chǎn)品的成本、可靠性和表觀。微型熱管作為一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，可用于計(jì)算機(jī)芯片以獲得高的熱量導(dǎo)出率及溫度均勻化。

各種類型的換熱器對(duì)比總結(jié)參數(shù)熱管類型是否有吸液芯液體回流動(dòng)力常用場(chǎng)合兩相閉式熱管無重力常用于熱源在冷源下方的情況旋轉(zhuǎn)熱管無離心力所有需要冷卻散熱的旋轉(zhuǎn)零部件分離式熱管無重力需要嚴(yán)格避免冷熱流體相互滲漏的場(chǎng)合可變導(dǎo)熱管有些有毛細(xì)力或其他需要冷凝段(或蒸發(fā)段)的溫度不隨熱負(fù)荷變化而變的場(chǎng)合微型熱管及小型熱管有毛細(xì)力電子產(chǎn)品等第四部分熱管換熱器熱管換熱器屬于熱流體與冷流體互不接觸的表面式換熱器。典型的熱管換熱器如下圖4.1a所示。熱管換熱器的最大特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器；換熱流體通過換熱器時(shí)的壓力損失比其他換熱器小，因而動(dòng)力消耗也小。由于冷、熱流體是通過熱管換熱器不同部位換熱的，而熱管元件相互又是獨(dú)立的，因此即使有某根熱管失效、穿孔也不會(huì)對(duì)冷、熱流體間的隔離與換熱有多少影響。此外，熱管換熱器可以方便地調(diào)整冷熱側(cè)換熱面積比，從而可有效地避免有腐蝕性氣體的露點(diǎn)腐蝕。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來越受到人們的重視，其用途亦日趨廣泛。圖4.1a熱管換熱器示意圖b氣-氣熱管換熱器實(shí)物照片第五部分熱管的應(yīng)用

熱管技術(shù)被公認(rèn)是一種很有價(jià)值的傳熱新技術(shù)，在空間技術(shù)、電器工業(yè)、核電工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、動(dòng)力機(jī)械、工業(yè)余熱回收等很多方面都得到了廣泛應(yīng)用。如:1、小型鍋爐煙氣余熱回收：將熱管換熱器裝在鍋爐排煙管道內(nèi)，利用煙氣余熱，預(yù)熱送風(fēng)參加燃燒，可使用鍋爐效率提高5%左右。降到513、用于回收余熱的熱管開水器：可安裝在STY-20型燃油鍋爐排煙管道中，利用排煙余熱，可將17oC冷水加熱到98-125oC，日產(chǎn)開水5T，回收熱量約1882MJ。冷水加熱到98-125

2、作為空氣預(yù)熱器應(yīng)用：將干噪爐排氣作為熱管換熱器熱端的加熱介質(zhì)，溫度由204oC降到51oC，預(yù)熱所需的干燥空氣，每小時(shí)可回收熱量287MJ。熱管技術(shù)在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用

電子技術(shù)近年來迅速發(fā)展，電子器件的高頻、高速以及集成電路的密集和小型化，使得單位容積電子器件的發(fā)熱量快速提高，而電子器件正常工作必須在一定的溫度范圍之內(nèi)，電子器件的散熱成為了其發(fā)展的一個(gè)瓶頸，因此電子技術(shù)的發(fā)展需要有良好的散熱手段來保證。管式熱管散熱器示意圖1為冷凝段2為蒸發(fā)段

熱管問世以來，使電力電子裝置的散熱系統(tǒng)有了新的發(fā)展。熱管使自冷的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。因?yàn)闊峁茏岳渖嵯到y(tǒng)無需風(fēng)扇、沒有噪音、免維修、安全可靠，熱管風(fēng)冷甚至自冷可以取代水冷系統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關(guān)的輔助設(shè)備投資。此外，熱管散熱還能將發(fā)熱件集中，甚至密封，而將散熱部分移到外部或遠(yuǎn)處，能防塵、防潮、防爆，提高電器設(shè)備的安全可靠性和應(yīng)用范圍

近年來，大功率電子器件的冷卻上采用了熱管，收到較好效果。如上圖所示，對(duì)于大功率的晶體管采用圓柱形熱管作為散熱元件。在解決CPU溫度的問題時(shí)，銅、純鋁制散熱器已經(jīng)成為最為普及的產(chǎn)品但其傳熱性能仍然遠(yuǎn)小于熱管散熱器。采用熱管技術(shù)的散熱器也越來越多，有些廠商甚至拿它作為賣點(diǎn)或者樹立品牌形象。在電力領(lǐng)域，熱管電機(jī)的出現(xiàn)及實(shí)用化成為了一個(gè)典型的代表。熱管電機(jī)中的主要應(yīng)用之一是用一根旋轉(zhuǎn)熱管來代替電機(jī)的傳動(dòng)軸，將電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量通過熱管傳到軸端的散熱部分，并用風(fēng)扇排致電機(jī)殼外。傳遞的功率顯著提高。

“神州號(hào)飛船的熱控制系統(tǒng)：熱控制系統(tǒng)用于保證飛船各艙儀器設(shè)備、結(jié)構(gòu)以及乘員所需要的環(huán)境溫度條件，合理調(diào)配飛船之間的熱量的傳輸，并排放到宇宙空間。他通常采用流體對(duì)流換熱方式。其傳熱回路可以采用泵驅(qū)動(dòng)液體回路、熱管輻射回路和毛細(xì)泵抽吸回路等?！薄浴渡裰蹐A夢(mèng)》“1979年，當(dāng)閔桂榮率領(lǐng)空間熱物理代表團(tuán)赴美參加美國(guó)宇航學(xué)會(huì)熱物理年會(huì)時(shí)，他的大會(huì)報(bào)告讓西方專家嚇了一跳。偌大的