热管技术 (2)

热管技术综述

热管作为一种具有高换热率、结构简单、工作可靠、良好的等温性等优良性能的换热元件，在生产生活中有着广泛的应用，本文就热管的基本工作原理与形式、几种具体热管的研究现状、热管的应用几方面进行综述。

普通的热管通常由蒸发段和冷凝段组成，中间根据需要可布置绝热段。制造时先将内部抽成负压，再填装工质；工作时，工质从热源吸热蒸发，在小压差作用下流向冷凝段，在冷凝段放热冷凝，凝结液通过壁面金属网或多孔材料（吸液芯）的毛细力作用流回蒸发段，如此循环往复，实现热量由热源向冷源的传递。

在上述基本工作原理下，实际使用中的热管根据环境与用途可能又会有差异。在不同的温度下，热管的工质是不同的，选用工质时需要考虑在工作温度区间内工质要有良好的热性能、与热管材料有较好的兼容性等；在低温下（4~200K），通常会选用氦、氖、氮、氧、甲烷等工质，在中温下（200~700K，这是使用很广泛的温度区间），水具有良好热性能，氨由于与铝、钢等工程材料有更好地相容性也是很好的选择；在高温时（大于700K），通常会采用液态金属，如银、铯、钾、纳、锂等。在液体回流方式上，除了上述的靠毛细力回流外，在某些场合可将热管倾斜或垂直放置使用，这就是重力热管，此时不再需要吸液芯，结构简化，生产方便成本低；另外还有使用磁流体工质、提供旋转离心力、利用渗透力等其他回流方式的热管。实际使用中，根据使用环境的不同，可将热管做成各种形式，如圆柱形、环形、星形等。作为上述使用相变换热原理的热管的延伸，还有使用化学反应的焓变来代替相变的焓变的化学热管，其基本原理是通过可逆反应（又叫蓄热反应）在冷热源处的不同方向的反应热效应相反来实现热量的传递，可以想见，这类热管的重要课题是寻找可逆性好、正反反应速度都很大的蓄热反应。

热管具有众多优点：由于热管通过相变换热同时内部热阻小，其传热系数很大；由于工质蒸汽的饱和蒸汽压决定温度，它的等温性很好；由于内部压力小，蒸发段受热后蒸汽以近似音速前进，故响应特性好；同时机构简单，体积小、重量轻，维修方便；没有运动件，工作可靠；可工作在失重状态，从而可用于空间器件。上述优良性能使热管获得了广泛的应用。

热管真空管式集热器

（1）热管真空管的工作原理

太阳光透过玻璃管，照射在吸热板上，高吸收率的太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能。吸热板吸收的热量迅速将热管内少量工质汽化，为保证汽化的工质迅速上升到冷凝端，真空管工作时与地面的倾角应大于10度，被汽化的工质上升到热管冷凝端向被加热的工质（水或空气）放出汽化潜热后，冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发端，利用热管内少量工质的汽—液相变循环过程，连续地将吸收的太阳辐射能传递到冷凝端加热工质。

作为高效传热元件的热管由蒸发段和冷凝段两部分组成。蒸发段与吸热板紧密连接。吸热板表面磁控溅射AL-N-O选择性吸收涂层，吸收比大于0.93，发射率小于0.08。先进的热压封技术应用于玻璃-金属之间的封接。 玻璃管采用硼硅玻璃，透射率大于0.90。每支热管真空管的冷凝端通过导热块的导热，将热量传递给集管，被加热的工质（水）经过集管时，将热量带走。在这个工作过程中，真空管的冷凝端与导热块是钢性连接。被加热工质不流经真空管，因此真空管的安装十分简单，而且管子不与介质发生干扰，即便真空管发生损坏，太阳能集热器的工作并不因此而中断，在保温盒内填充了保温材料，有效地控制了运行过程中的热量损失。

当太阳辐射穿过玻璃管，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热。此热量加热，热管蒸发段内的工质，使其汽化。工质蒸汽上升到冷凝段，在冷凝段内表面凝结，释放出蒸发潜热。液态工质依靠自身的重力流回蒸发段。然后重复上述过程。

热管式真空管的外形尺寸为ф100×2000mm，它主要由热管、吸热板、玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成，如下图所示：

（2）热管真空管集热器的工作原理

热管式真空管内不走水，加热系统与循环系统独立分隔，整个系统全部为金属连接，运行稳定可靠。每支热管真空管的冷凝端通过导热块的导热，将热量传递给集管，被加热的工质（水）经过集管时，将热量带走。在这个工作过程中，真空管的冷凝端与导热块是钢性连接。被加热工质不流经真空管，因此真空管的安装十分简单，而且管子不与介质发生干扰，即便真空管发生损坏，太阳能集热器的工作并不因此而中断，在保温盒内填充了保温材料，有效地控制了运行过程中的热量损失。热管式真空管集热器由真空管、集管和保温盒等部件组成，如下图所示。

热管技术国内外研究现状 热管原理最早是由 于1944年在美国俄亥俄州的通用发动机公司提出并一次取得专利[4]。该公司最初提出一种设想也即最早期的热管装置，这种装置只是由封闭的管子组成，当管内充装某种液体时，管子的一侧吸热蒸发后，另一侧的某一装置可以达到冷凝放热的效果，不附加任何外加动力的基础上，仅依靠管子内部的吸液芯所产生的毛细吸力，使得冷凝后的液体可以流回至原来那侧，从而继续蒸发吸热，像这样循环往复，就可以实现使热量从端传动到另一端的目的。但的很可惜的是，他的想法在当时并未得到广泛的认同。30604 1963年，美国新墨西哥州的科学家 在 国家实验室再次研制出了类似于 最初设想的传热装置，并赋予这种传热装置一个学术的内涵，正式将这一传热元件命名为热管一一 ，当时实验中采用钠作为工质，壳体采用不锈钢材料，内部装有丝网吸液芯[5]。论文网 随着时间不断推移，关于热管的研究并没有停下脚步。1965年， 首次给出了较为完整的热管理论，也正是他建立了热管中各个过程的基本方程，并建立了如何计算热管毛细极限的较为标准规范的数学模型，由此，为以后的热管理论研究工作奠定了基础[6]。

1966年， 发明了一种拥有独特通道设计的热管[7]。他所完成的设计是为工作液体从放热段回流至吸热段过程中，提供了一个压力降比较小的通道，这样就可以较大幅度的提高热管的传热能力。 1967年，美国宇航局将一根不锈钢一水热管送入地球卫星轨道并且运行成功[8]。这一壮举之后，更是几近引发了科学界的沸腾，吸引了更多的科学家和科研人员投身于热管的研究中来，不论是荷兰、日本、英国、法国、意大利、前西德、前苏联等国家和地区均展开了相关的大量研究工作，至此热管技术以空前的速度得到发展。 源自 1969年，前苏联和日本的有关书籍和杂志几乎同时发表了有关热管研究方面的文章。这篇文章中对于带有翅片的热管式空气加热器加以详细的描述。在全球能源日趋紧张的现况中，这种空气加热器可以应用于回收工业废气中潜热；同时， 和 提出了利用可变导热热管来实现恒温控制[9]；另外，科学家 也发明出了一种新的旋转式热管，它是依靠转动从而产生离心力，使得工作液体能够从冷凝段流回蒸发段。以上这些发明都使得热管技术在应用中获得重大的进步[10]。 1974年以后，热管技术在新能源开发及节约能源等方面的研究应用也越来越受到人们的关注。其中，日本和美国在

热管技术在热能工程中的应用

随着科学技术的不断发展，热能工程也在不断发展，但是在热能工程中却遇到了前所未有的难题，那就是高绝热材料和高导热材料的研究和使用。在这种情况下，热管的发明解决了这一技术难题。从数量级水平上来讲，热管的导热系数最高可以达到105 w/m·℃，是铝、柴铜、银等金属的几百倍甚至上千倍。通过热管技术，可以从截面积非常小的热管中将大量的热进行远距离传输并且不需要施加任何动力。目前，热管以它优良的导热性能，可靠的工作状态越来越受到热能工程的青睐。

1 热管的基本组成及工作原理

1.1 热管的基本组成

常用的热管主要包括3部分结构：主体、内部空腔和毛细结构等。其中主体部分是一段封闭状态的金属管，金属管通常是由不锈钢、碳钢等金属制成的可以承受相当大压力的全封闭结构，在其内部空腔里面存在着少量的气态或者液态的工作液（水、甲醇、丙醇、氨等）以及毛细结构，金属管内的空气和杂物不能包括在内。热管本身就是抽成真空的封闭系统。

1.2 热管的工作原理

按照传热的状况，沿热管轴可以将热管分成三个工作段，即蒸发、冷凝、绝热三段。在工作过程中，外部热量导致蒸发段以及内部的液体温度升高蒸发，蒸发后蒸发段的气压迅速升高，当气压达

到饱和蒸发压时，热量便以潜热的形式传递给蒸汽。在这个过程中，蒸发段内的饱和蒸汽压逐渐升高，这样就导致蒸汽段的气压远远大于冷凝段的气压，此时蒸汽便沿着蒸汽通道慢慢流向冷凝段，然后在冷凝段进行冷凝，从而放出潜热。从冷凝段放出的潜热通过吸液芯和热管的管壁，将热量传递到管外，这样就完成了无外力的热传统过程。在工作过程中，释放完热量的液体沿吸液芯进行回流，并最终回流到蒸发段，然后进行下一次的热量传递。这样周而复始，就可以不断地将热量从蒸发段传递到冷凝段。在热量传递的过程中，绝热段一方面为热管内流动的液体提供了流动的通道，另一方面还将蒸发段与冷凝段完整隔开，并且保证热管内的热量不向外界散失，从而保证了热量的有效传递。