热管技术及热管空调工程应用

热管：简单地说，一种高效的热传导元件，它改变了真空泵运行的基本原理。

目前，热传导工程存在两个问题：高保温材料和高导热材料的科学研究。

热管的传热系数可达105 W/m?℃量级。它是普通金属复合材料的数百倍甚至数万倍。它可以在没有额外驱动力的情况下长距离传递大量热量。由于热管具有隔热性能好、结构简单、工作可靠、温度对称等优良特性。

热管原理：

热管：是一种导热性好的人工预制构件。常见的热管由三部分组成：行为主体为封闭的金属软管（管壳），内腔内有少量工作中的物质（研磨液）和毛细结构（管芯）管道中的气体和其他污垢必须在外部清除。热管工作采用三种基本物理原理：

⑴在真空系统中，液体熔点减少；

⑵相同材料的潜热比显热高得多；

⑶多孔结构毛细结构对溶液的吸附能使液体流动。

热管沿径向可分为挥发段、传热段和冷凝段。

热管管壳是一种应力构件，由高导热性、耐压性和耐高温内应力的原材料制成。在原材料的选择中，应充分考虑管壳在长期运行中的耐腐蚀性。蒸汽参数和管壳不会产生化学变化，也不会产生蒸汽。

管壳原材料种类繁多，包括不锈钢板、铜、铝、镍等，也可使用贵金属铌、钽或夹层玻璃、瓷器等。管壳的作用是密封热管的部分运行，接受和释放冷端的热量，并承受管内外工作压力形成的压差。

热管芯是靠近管壳内腔的毛细结构，通常采用双层金属丝网产品或化学纤维、布等衬里方式靠近内腔，以降低接触传热系数，衬里也可由多孔结构瓷或煅烧金属材料组成。如上下图所示，种不同管芯的结果平面图。

热管磨削液应具有较高的潜热和传热系数、适当的饱和压力和熔点、较低的粘度和较好的可靠性。工作中，液体还应具有较大的界面张力和湿润毛细结构的工作能力，使毛细结构能够对磨削液产生影响，并产生必要的毛细力。磨削液不能对毛细结构和壁厚产生熔化作用，否则熔化成分会在挥发段积累，破坏毛细结构。

三个热管区间的区划：

根据热管外热交换器的情况，分为加热段、传热段和制冷段；根据热管内蒸汽参数的热传导，对流传热分为挥发段、传热段和冷凝段。

下附：热管换热器动态图(下图)。

热管热传导：

在完成热量迁移的整个过程中，热管包括六个相互关联的关键全过程：（如上下图所示）

① 热量从热原根据热管壁厚和工作中充满液体的吸液管芯传递到液体-蒸汽页面；

② 液体-汽交界面挥发在挥发段；

③ 蒸汽腔内的蒸汽从挥发段到冷凝段；

④ 冷凝段蒸汽-液交界面凝固；

⑤ 根据吸液管芯、 液体和壁厚，将热量从蒸-液分页面发送到冷源；

⑥ 在吸液管芯中，由于毛细效应，液体在冷凝后工作时流回挥发段。

热管运行特点：

对于一般热管，其液体和蒸汽循环系统的主要驱动力是毛细原料和液体集成形成的毛细力。假设热管沿挥发段的蒸发率分布均匀，冷凝段的冷凝率均匀，其质量流量、压力分布、温度和弯曲月面折射率如右上图所示。

在挥发段中，由于液体继续挥发，气体和液体页面缩回到管芯，即凹陷在毛细孔的一侧，从而在毛细结构的外观上产生弯曲的月球表面。在冷凝段，蒸汽慢慢凝固的结果使液体分页高于吸管芯，因此大多数分页呈平面图，即页面的夹角是无限的（见下图左上图和下图）。夹角之间的差异使蒸汽参数循环系统流动性（循环系统张力），用于摆脱循环系统变化中蒸汽参数的重力、滑动摩擦和动量矩变化引起的循环系统摩擦阻力。

热管工作全过程动画：

热管的热传导极限：

从图中可以看出，当操作温度较低时，很容易出现粘度极限和波速极限。在连续高温下，应避免毛细极限和开启极限。因此，必须选择热管的工作点在包装线下方。

热管的基本特点：

传热系数变化小→传热性很高→换热效率高，环保节能效果显著。

气液饱和→等性温度高→温度展开。

挥发段、冷凝段传热总面积可变→热流密度的可塑性→调整壁厚温度(防止漏点侵蚀)。

热方位的交叉性。

单边传热→热二极管→(太阳能发电，土壤永冻)。

热电开关特性→操作热管的温度范围。

加热转换→传热系数变化→操纵温度 →可控热管(可变导热管)。

汇源隔开→自然环境适应性好。

两相闭式试热虹吸管：重力热管、热虹吸管与核心热管的区别取决于冷凝液回流的原理；热虹吸管在冷凝液本身重力的帮助下回流；

有芯热管利用毛细吸附力使冷凝液流回；

①重力热管的特点：

无吸液管芯，制作简单，成本低；

吸液芯本身引起的传热系数降低R3与R7，导热性好。

吸液管芯引起的一切常见故障都可以防止，工作可靠。

②重力热管应用场所：

只用于重力场，不用于室内空间(无重力场)；只用热管下面作为加热段，上面作为冷凝段；

适用于热传导，不能用于均温；可用作热二极管。

根据重力热管的特点，我国余热回收的热管热交换器大多选用这种热管。

热管归类：

根据热管中的操作温度分：

超低温热管(-273～0℃)、常温下热管(0~250℃)、中温热管(250~450℃)、高温热管(450~1000℃)。

根据工作中液体流回驱动力分为芯热管、两相闭式试热虹吸管（又称重力热管）、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体驱动力热管和渗入热管。

根据管壳和工作中液体的组成：铜-水热管、碳素钢-水热管、铝-甲苯热管，碳钢-萘热管，不锈钢板-钠热管。

按结构形式分为一般热管、分体式热管、毛细泵控制回路管、小热管、平板电脑热管、切向热管。

根据热管的功能：传热热管、热二极管、热电源开关、热控热管、模拟热管、冷热管。

比较总结各种类型的热交换器：

热管的相溶性及使用寿命：

相溶性是指在预期的设计方案使用寿命内，管道中的液体和外壳不会产生明显的化学变化或物理变化。不凝气体是危及热管使用寿命和工作的主要原因之一。

由于办公液体和管壳原材料的化学变化或电化学腐蚀，导致不凝气体。在热管工作过程中，蒸汽被蒸汽流吹出，冷凝段聚集，产生气塞，从而减少合理冷凝的总面积，扩大传热系数，恶化传热功能。这种不兼容的较典型的例子是碳钢-由于碳钢中的铁和水发生了以下化学变化：

Fe 2H2O====Fe(OH)2 H2↑

3Fe 4 H2O Fe3O4 4H2↑

Fe(OH)2 Fe3O4 H2O H2↑

形成的不凝氡气会恶化热管特性，降低甚至无效。

只有长期相溶性好的热管才能保证导热性的稳定性、长期运行使用寿命和工业生产使用概率。-水热管正是通过有机化学处理合理解决碳钢和水的化学变化，促进碳钢-在工业生产中，水热管等性能优良、使用寿命长、成本低的热管得到了大规模的营销推广和应用。

热管工程应用：

热管换热器：由许多单个热管组成的换热器。

特点:结构简单，换热效率高；工作压力损伤小；可靠；控温灵活。

类型和结构：根据热液和冷流体的情况，热管热交换器可分为：气-气、气-汽、气-液、液、液-气。

可分为集成式、分体式、管式和组合式。

气式热管热交换器

热处理炉余热回收：

热管超低温桩(产生永冻土):

二极管特性的应用：

冬季-将地下热量传递给路面气体(辐射源和热对流)；

夏季-截至工作。

热管及热管换热器设计：

热管设计方案开展前，首先要明确以下要素：

① 热管管中工作中液态的挑选；

② 热管内吸管芯结构形式；

③ 热管运行温度及其工作条件下热管内液体饱和水蒸气温度；

④ 热管管壳原材料的选择。

一般来说，这与设计方案的目的有关。热管的制定规定在不同的应用场所有很大的不同。

热管的设计方案通常按以下流程计算：

①管道设计方案：管道设计方案的基本标准之一是管道中的蒸汽速率不超过一定的规定值，即蒸汽安全通道中的大马赫数不能超过0.2，这时蒸气流动性可以被觉得是不能缩减的液体流动性，径向温度场不大，可以忽略。

②管壳设计方案：在热管部门工作时，一般处于正压（超低温热管除外），环境压力一般为大气压力，因此不能考虑管壳不平衡的问题，因此管壳设计方案的关键是从抗压强度考虑。管壳壁厚由压缩强度计算的壁厚和腐蚀裕度获得，轴承端盖可根据平板电脑的设计方案进行设计。

③吸管芯设计方案：吸管芯设计的重要依据是毛细极限的计算。

④检测毛细极限。

⑤检算:检算带极限，烧开极限，较终计算Re数，检算是不是为层.流流动性。

热管换热器设计：

目前，热管热交换器的计算已经按照电子计算机程序进行了交易，其具体内容包括两部分：热交换器的加热计算和热管的极限验证。设计师只需按照工程项目的标准输入初始主要参数即可获得设计结果。众所周知，热管热交换器不同于其他通用热交换器。它对项目的具体情况特别敏感，即实用性不强。在许多情况下，计算机语言计算的结论并不完全有效，必须进行有效的调整。因此，仍有必要全面掌握热管热交换器的基本设计方案和计算方法的专业知识。

计算热管热交换器设计方案的主要日常任务取决于计算总导热系数U，然后根据平均温差和供热量获得总热传导面积A，然后确定管道总数。在设计过程中，一定要仔细考虑几个方面(以气)-以气热交换器为例：

1.选择合理规范迎头风力：热管换热器的设计应遵循一个关键标准，即将迎头风力（标准条件）限制在2-3m/s在该范围内，过高的风会导致工作压力，增加金刚级驱动力的消耗，过低的风会导致边关膜导热系数降低，管道的导热功能没有得到充分利用。

2.选择合理的翅片管散热器主要参数：根据设计方案标准，不同类型的热交换器应选择较合适的翅片管散热器主要参数。清洁汽体可选择较密的翅片间隔和较薄较高的翅片间隔；烟尘收获或刺激废气间隔较宽，翅片管散热器管厚度较低，耐腐蚀损坏。下表是工业生产中常见的规格参数，供设计方案参考。

3. 热管热交换器的制定应特别注意初始设计方案的主要参数，因为一般作为余热回收机械设备通常在运行系统中作为额外的机械设备设计，因此机械设备的危害规定非常严格，必须准确测量初始参数（温度、供气）。选择较合适的结构。

中央空调余热回收：

中央空调余热回收系统软件采用热管(热管热交换器)。

空调机组分体式热管的应用：

热管中央空调用于计算机房或通信基站

通信基站或计算机房采用分体式热管中央空调和空调热管一体机，合理减少通信基站或机房精密空调的运行时间，节约空调功耗，提高空调使用寿命，提高电力能源利用率。

热管/冷却混合制冷机组的两种工作模式：

大数据中心热管中央空调热管空调采用热管系统软件的基本原理，根据制冷剂的变化和重力完成计算机室的封闭循环系统，整合室外冷源的应用，完成安全、可靠、高效、低能耗的空调机组。

在高温季节，应使用制冷机组提供的稳定冷藏水和热管中央空调DC热交换器发热；连接季节和冬季，根据电动三通阀向水转换-由闭式冷却塔制成的水热交换器DC当然，冷源的灵活使用可以大大降低机械设备的冷却功能损失。

利用热管系统软件的基本原理，根据制冷剂的变化和当然重力的基本原理，完成计算机房内的封闭循环系统。冷藏水自来水管不进入计算机房。机房内连接管道和换热管循环系统的材料为低压制冷剂，彻底解决了水进入计算机房的安全风险。

空调系统组成：