热管的换热原理及其换热计算.docx
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热管的换热原理及其换热计算
热管得换热原理及其换热计算ﻩ
一 热管简介
热管就是近几十年发展起来得一种具有高导热性能得传热元件,热管最早应用于航天领域,时至今日,已经从航天、航天器中得均温与控温扩展到了工业技术得各个领域,石油、化工、能源、动力、冶金、电子、机械及医疗等各个部门都逐渐应用了热管技术。
热管一般由管壳、起毛细管作用得通道、以及传递热能得工质构成,热管自身形成一个高真空封闭系统,沿轴向可将热管分为三段，即蒸发段、冷凝段与绝热段。
其结构如图所示:
热管得工作原理就是:
外部热源得热量,通过蒸发段得管壁与浸满工质得吸液芯得导热使液体工质得温度上升;液体温度上升,液面蒸发,直至达到饱与蒸气压,此时热量以潜热得方式传给蒸气。
蒸发段得饱与蒸汽压随着液体温度上升而升高。
在压差得作用下，蒸气通过蒸气通道流向低压且温度也较低得冷凝段，并在冷凝段得气液界面上冷凝,放出潜热。
放出得热量从气液界面通过充满工质得吸液芯与管壁得导热,传给热管外冷源。
冷凝得液体通过吸液芯回流到蒸发段,完成一个循环。
如此往复,不断地将热量从蒸发段传至冷凝段。
绝热段得作用除了为流体提供通道外,还起着把蒸气段与冷凝段隔开得作用，并使管内工质不与外界进行热量传递。
在热管真空度达到要求得情况下，热管得传热能力主要取决于热管吸液芯得设计。
根据热管得不同应用场合，我公司设计有多种不同得热管吸液芯，包括：
轴向槽道吸液芯、丝网吸液芯与烧结芯等。
基于热管技术得相变传热原理、热管结构得合理设计以及专业可靠得品质保证,多年实践证明,我公司生产得热管及热管组件正逐渐迈向越来越广阔得市场。
（1）产品展示
（２） 产品参数说明
项目
技术参数
热管长度
>100mm
主体材料
铜管
毛细结构
槽沟/烧结芯／丝网管
工作介质
冷媒
设计工作温度
３0~200℃
设计使用倾角
＞５°
传热功率
５0~1０00w （根据实际产品规格型号）
热阻系数
<０.08℃／W（参考值）
传热功率测试原理
测试总体要求
1）加热功率有功率调节仪控制输入；
２）热管保持与水平台面α角度（根据具体应用定）;
３）管壁上监测点得温度变化在5ｍiｎ内小于0.５℃认为传热达到稳定状态,记录此时传热功率为最大传热功率。
（3） 产品性能测试图例
图１长度700ｍm得真空退火管最大传热功率测试
图2 热管等温性测试曲线
二热管技术得原理应用与发展
热管传热利用了热传导原理与致冷介质得快速热传递性质,通过热管将发热物体得热量迅速传递到热源外。
采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式,同样可以得到满意得散热效果,使得困扰风冷散热得噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解决,开辟了散热行业得新天地。
1、热管得基本工作原理
1、1工作原理
物体得吸热、放热就是相对得,凡就是有温度差存在得时候，就必然出现热从高温处向低温处传递得现象。
热传递有三种方式:
辐射、对流、传导，其中热传导最快。
热管就就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。
一般热管由管壳、吸液芯与端盖组成。
热管内部被抽成负压状态,充入适当得液体,这种液体沸点低,容易挥发。
管壁有吸液芯,其由毛细多孔材料构成。
热管一端为蒸发段（简称热端）,另外一端为冷凝段（简称冷端）,当热管蒸发段受热时,毛细管中得液体迅速蒸发,蒸气在微小得压力差下流向另外一端,并且释放出热量,重新凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力得作用流回蒸发段,如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。
这种循环就是快速进行得，热量可以被源源不断地传导开来。
１、2组成与工作过程
典型得热管由管壳、吸液芯与端盖组成,将管内抽成1.3×（10－1－-－1０-4）Pａ得负压后充以适量得工作液体,使紧贴管内壁毛细多孔材料中得吸液芯充满液体后加以密封。
管得一端为蒸发段（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。
当热管得一端受热时毛细芯中得液体蒸发汽化,蒸汽在微小得压差下流向另一端,放出热量凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力得作用流回蒸发段。
如此循环不己,热量由热管得一端传至另—端。
热管在实现这一热量转移得过程中，包含了以下六个相互关联得主要过程:
（1）热量从热源通过热管管壁与充满工作液体得吸液芯传递到（液－-汽）分界面;ﻫ
（2）液体在蒸发段内得（液－－汽）分界面上蒸发;
（3）蒸汽腔内得蒸汽从蒸发段流到冷凝段;ﻫ（4）蒸汽在冷凝段内得汽-－液分界面上凝结;
（5）热量从（汽－－液）分界面通过吸液芯、液体与管壁传给冷源；
（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后得工作液体回流到蒸发段。
1、３工作条件
图１热管管内汽-液交界面质量流、压力
与温度沿管长得变化示意图
图１表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量、流量、压力以及管壁温度Tｗ与管内蒸气温度Ｔv沿管长得变化趋势。
沿整个热管长度,汽-液交界处得汽相与液相之间得静压差都与该处得局部毛细压差相平衡。
热管正常工作得必要条件就是△ Pc ≥△Pl+△Ｐｖ+△Pg
其中△ Pc:
毛细压头—就是热管内部工作液体循环得推动力,用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段得压力降△Pv,冷凝液体从冷凝段流回蒸发段得压力降△Pl,与重力场对液体流动得压力降△Pg（△Ｐg可以就是正值,就是负值或为零,视热管在重力场中得位置而定）。
2、热管得基本特性
热管就是依靠自身内部工作液体相变来实现传热得传热元件，具有以下基本特性。
2、1很高得导热性
热管内部主要靠工作液体得汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高得导热能力。
与银、铜、铝等金属相比,单位重量得热管可多传递几个数量级得热量。
当然,高导热性也就是相对而言得,温差总就是存在得,可能违反热力学第二定律，并且热管得传热能力受到各种因素得限制,存在着一些传热极限;热管得轴向导热性很强,径向并无太大得改善（径向热管除外）。
2、2优良得等温性
热管内腔得蒸汽处于饱与状态,饱与蒸汽得压力决定于饱与温度,饱与蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生得压降很小,根据热力学中得方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良得等温性。
ﻫ2、3热流密度可变性
热管可以独立改变蒸发段或冷却段得加热面积，即以较小得加热面积输入热量,而以较大得冷却面积输出热量,或者热管可以较大得传热面积输入热量,而以较小得冷却面积输出热量,这样即可以改变热流密度,解决一些其她方法难以解决得传热难题。
2、４热流方向可逆性
一根水平放置得有芯热管,由于其内部循环动力就是毛细力,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。
此特点可用于宇宙飞船与人造卫星在空间得温度展平,也可用于先放热后吸热得化学反应容器及其她装置。
2、5热二极管与热开关性能
热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反得方向流动;热开关则就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。
２、６恒温特性（可控热管）
普通热管得各部分热阻基本上不随加热量得变化而变，因此当加热量变化时,热管各部分得温度亦随之变化。
近年来出现了另一种新型热管——可变导热管，使得冷凝段得热阻随加热量得增加而降低、随加热量得减少而增加,这样可使热管在加热量大幅度变化得情况下，蒸汽温度变化极小,实现温度得控制,这就就是热管得恒温特性。
ﻫ2、７环境得适应性
热管得形状可随热源与冷源得条件而变化,热管可做成电机得转轴、燃气轮机得叶片、钻头、手术刀等等,热管也可做成分离式得,以适应长距离或冲热流体不能混合得情况下得换热;热管既可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。
3、热管得分类
由于热管得用途、种类与型式较多,再加上热管在结构、材质与工作液体等方面各有不同之处,故而对热管得分类也很多,常用得分类方法有以下几种。
（1）按照热管管内工作温度区分热管可分为:
低温热管（—27３－-－0℃）、常温热管（0—250℃）、中温热管[250---４5０℃）、高温热管（４5０一10０0℃）等。
ﻫ
（2）按照工作液体回流动力区分热管可分为：
有芯热管、两相闭式热虹吸管（又称重力热管）、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。
ﻫ（3）按管壳与工作液体得组合方式划分（这就是一种习惯得划分方法）可分为:
铜—水热管、碳钢—水热管、铜钢复合—水热管、铝—丙酮热管、碳钢—萘热管、不锈钢—钠热管等等。
ﻫ（4）按结构形式区分可分为:
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。
（5）按热管得功用划分可分为:
传输热量得热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。
4、热管得相容性及寿命
热管得相容性就是指热管在预期得设计寿命内,管内工作液体同壳体不发生显著得化学反应或物理变化,或有变化但不足以影响热管得工作性能。
相容性在热管得应用中具有重要得意义。
只有长期相容性良好得热管,才能保证稳定得传热性能,长期得工作寿命及工业应用得可能性。
碳钢-水热管正就是通过化学处理得方法,有效地解决了碳钢与水得化学反应问题,才使得碳钢—水热管这种高性能、长寿命、低成本得热管得以在工业中大规模推广使用。
影响热管寿命得因素很多,归结起来,造成热管不相容得主要形式有以下三方面，即:
产生不凝性气体,工作液体热物性恶化,管壳材料得腐蚀、溶解。
ﻫ
（1）产生不凝性气体:
由于工作液体与热管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,传热能力降低甚至失效。
ﻫ
（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,这主要就是由于有机工作液体得性质不稳定,或与热管壳体材料发生化学反应,使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。
（3）管壳材料得腐蚀、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与腐蚀，流动阻力增大,使热管传热性能降低。
当管壳被腐蚀后,引起强度下降,甚至引起管壳得腐蚀穿孔,使热管完全失效。
这类现象常发生在碱金属高温热管中。
5、热管制造
热管得主要零部件为管壳、端盖（封头）、吸液芯、腰板（连接密封件）四部分。
不同类型得热管对这些零部件有不同得要求。
（１）管壳
热管得管壳大多为金属无缝钢管,根据不同需要可以采用不同材料,如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。
管子可以就是标准圆形,也可以就是异型得,如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。
管径可以从2mm到２0０mm，甚至更大。
长度可以从几毫米到l０0米以上。
低温热管换热器得管材在国外大多采用铜、铝作为原料。
采用有色金属作管材主要就是为了满足与工作液体相容性得要求。
（2）端盖ﻫ热管得端盖具有多种结构形式,它与热管连接方式也因结构形式而异。
端盖外圆尺寸可稍小于管壳。
配合后,管壳得突出部分可作为氩弧焊得熔焊部分,不必再填焊条,焊口光滑平整、质量容易保证。
旋压封头就是国内外常采用得一种形式,旋压封头就是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美观,强度好、省材省工，就是一种良好得端盖形式。
（3）吸液芯结构ﻫ吸液芯就是热管得一个重要组成部分。
吸液芯得结构形式将直接影响到热管与热管换热器得性能。
近年来随着热管技术得发展，各国研究者在吸液芯结构与理论研究方面做了大量工作，下面对一些典型得结构作出简赂得介绍。
一个性能优良得管芯应具有:
ﻫ
（1）足够大得毛细抽吸压力,或较小得管芯有效孔径
（２）较小得液体流动阻力,即有较高得渗透率
（3）良好得传热特性，即有小得径向热阻.
（4）良好得工艺重复性及可靠性,制造简单,价格便宜。
管芯得构造型式大致可分为以下几类:
（1）紧贴管壁得单层及多层网芯
此类管芯多层网得网层之间应尽量紧贴,网与管壁之间亦应贴合良好,网层数有l至４层或更多,各层网得目数可相同或不同.若网层多,则液体流通截面大,阻力小,但径向热阻大;用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加。
如在近壁因数层用粗孔网，表面一层用细孔网,这样可由表面细孔网提供较大得毛细抽吸压力，通道内得粗孔网使流动阻力较小,但并不能改善径向热阻大得缺点。
网芯式结构得管芯可得到较高得毛细力与较高得毛细提升高度,但因渗透率较低,液体回流阻力较大，热管得轴向传热能力受到限制。
此外其径向热阻较大，工艺重复性差又不能适应管道弯曲得情况,故在细长热管中逐渐由其它管芯取代。
ﻫ
（2）烧结粉末管芯
由一定目数得金属粉末烧结在管内壁面而形成与管壁一体得烧结粉末管芯,也有用金属丝网烧结在管内壁面上得管芯。
此种管芯有较高得毛细抽吸力，并较大地改善了径向热阻,克服了网芯工艺重复性差得缺点,但因其渗透率较差，故轴向传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯得小。
（3）轴向槽道式管芯
在管壳内壁开轴向细槽以提供毛细压头及液体回流通道,槽得截面形状可为矩形，梯形,圆形及变截面槽道,槽道式管芯虽然毛细压头较小,但液体流动阻力甚小,因此可达到较高得轴向传热能力,径向热阻较小,工艺重复性良好,可获得精确得几何参数,因而可较正确地计算毛细限,此种管子弯曲后性能基本不变,但由于其抗重力工作能力极差,不适于倾斜（热端在上）工作,对于空间得零重力条件则就是非常适用得,因此广泛用于空间飞行器。
ﻫ（4）组合管芯
一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率。
为了有高得毛细抽吸力,就要选用更细得网或金属粉末,但它得渗透率较差,组合多层网虽然在这方面有所提高，可就是其径向热阴大.组合管芯能兼顾毛细力与渗透率，从而能获得高得轴向传热能力,而且大多数管芯得径向热阻甚小.它基本上把管芯分成两部分.一部分起毛细抽吸作用，另一部分起液体回流通道作用。
6、制造工艺
如前所述,构成热管得三个主要组成部分就是管壳、管芯与工质。
在设计过程中，对管壳与管芯得材料进行合理得选择后就可以开始制作。
通常热管得制造过程包括下面得工艺操作,并按一定得程序进行:
1）热管得机械加工及清洗；2）管芯制作及清洗;3）冷端封口;4）热端旋封；5）检漏;6）注入工质;7）封头;8）检漏;9）缩径;10性能测试。
实际制造得时候工序要复杂得多。
这里只就是列出最简单得一些必须工序。
7、应用与发展
热管技术目前被广泛应用在宇航、军工、石油、化工、冶金、机械、电力、电子、煤碳、铁路、通讯、纺织等领域。
热管技术最早应用在航天器上,因为航天器面向太阳与背向太阳得部件温差较大,容易损坏,利用热管使其达到热平衡可解决这个问题。
在高原地带铺设石油管道或铁路,使用热管可以防止冻土层被破坏。
利用热管组成换热器来回收工业生产中得废热可节约大量得能源,
在电力电子行业,因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠、使用寿命长,热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统,节约水资源与相关得辅助设备投资。
此外,热管散热还能将发热件集中，甚至密封,而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备得安全可靠性与应用范围。
因而广泛应用在工业变流技术、软启动技术、变频调速技术、无功补偿技术等电力半导体分立器件、模块与组件等电力电子设备上。
随着科学技术水平得不断提高,热管研究与应用得领域也在不断拓宽,特别就是微型热管技术得出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CＰＵ得冷却、电路控制板得冷却、太阳能热水器、太阳能电站、核电工程中得应用得到了极大得发展。
三 热管换热计算
热管换热器计算可用热平衡方程式进行计算,对于常温下使用得通风系统中得热管换热器得换热后温度,回收得冷热量也可用下列公式计算,由于公式采用得就是显热计算,但实际热回收过程也发生潜热回收，因此计算值较实测值偏小,其发生得潜热回收可作为余量或保险系数考虑。
热换热器得计算:
1、 热管换热器得效率定义
η＝t1-ｔ２
/t1－ ｔ3 （１－1）
式t1、t2——新风得进、出口温度（℃）
t3——排风得入口温度（℃）
２、热管换热器得设计计算
一般已知热管换热器得新风与排风得入口温度ｔ１与ｔ3,取新风量Lx与排风量LP 相等。
即 Lx ＝LP ，新风与排风得出口温度按下列公式计算：
ｔ２＝t1－η（t1-ｔ3） （1－2）
t4=t３＋η（t1-t３） （1-３）
ｔ4——排风出口温度（℃）
回收得热量Q（kW）， 负值时为冷量：
Ｑ（ｋW）= ＬｘρXCx（t2－ｔ1）/3600 （１-4）
式中 Lx——新风量（m3/h）
ρx——新风得密度（kg/m３）（一般取1.２ ｋg/m3）
Cｘ——新风得比热容，一般可取1、０1kJ/（kg·℃）。
3、选用热管换热器时,应注意:
1）换热器既可以垂直也可以水平安装,可以几个并联，也可以几个串联;当水平安装时,低温侧上倾5℃~7℃。
2）表面风速宜采用1．5ｍ/ｓ~３．5ｍ/s。
3）当出风温度低于露点温度或热气流得含湿量较大时,应设计冷凝水排除装置。
４）冷却端为湿工况时,加热端得效率η值应增加,即回收得热量增加。
但仍可按上述公式计算（增加得热量作为安全因素）。
需要确定冷却端（热气流）得终参数时,可按下式确定处理后得焓值,并按处理后得相对湿度为90％左右考虑。
ｈ2=h1- 36Ｑ/ L×ρ （1-5）
式中h１, h2 ——热气流处理前、后得焓值（kJ/kg）;
Ｑ——按冷气流计算出得回收热量（W）;
L ——热气流得风量（ｍ３/ｈ ）;
ρ——热气流得密度（ｋg/m３）。
【例】已知当地大气压接近993ｈpａ;新风与排风量相等,Lx=Lp=1000０ｍ3/h;夏季新风温度33.2℃,h1=92kJ／kg，排风温度25℃;冬季室外温度为-12℃,室内排风温度为20℃,焓值为40kJ/kg,试选用热管换热器。
【解】
１）按迎风面风速 υx ＝３m/s求迎风面积Fx：
Fｘ=Lx /３6０0Vx=10000/3６0０×3=0.９２６m２
2）查热管选型表，选用KLS15×15１4型
Fx＝1．0m２
Ｖx＝Lx／３600×1、０＝2.7８m/s
3） 按υｘ=2.78m／s,查效率阻力表得:
6排管时：
η＝61％,阻力=96Pa
8排管时:
η＝6７%,阻力＝128Pa;出于经济效率综合考虑，选用６排管,热回收效率61%;
4）求新风出口温度[按公式1-2计算]
夏季:
t２＝３3、2－0、61（3３、2-25）=28．２℃
冬季:
ｔ2=-12-0、61（-12-2０）=７.５2℃
查h-d图，当t1=33、2 ,h1＝93ｋJ/kg时,其露点温度tＬ=26.3℃,新风出口t２大于tL，无冷凝水析出。
5）求排风出口温度［按公式１-3计算]
夏季:
ｔ４＝25+0、61（33、２-25）=３0.1℃
冬季:
t４＝20+0、61（-12－20）=０.5℃
查h－ｄ图,冬季排风露点温度为10ºＣ左右,排风温度低于露点温度,有冷凝水析出，故排风段应有冷凝水盘（在寒冷地区冬季排风温度远低于冰点时,应设计电加热器,保证排风通畅）。
6 ）回收冷、热量计算,［按公式1-4计算]
夏季:
Q=1/3600×1０0０0×１、2×1、0１
（28、2-33、２）＝-1６、８3Ｋw（冷量）
冬季:
Q＝１/3６00×100０0×1、2×1、01
（7、52+1２）=65、72Ｋw （热量）
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