热管技术及热管空调工程应用

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。常见的热管由封闭的金属软管(管壳)、工作中的少量物质(研磨液)、毛细结构(管芯)管道中的气体等污垢三部分组成。热管工作采用三个基本物理原理:

⑴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。

沿径向可分为挥发段、传热段和冷凝段。

热管壳是由高导热性、耐压性和耐高温内应力制成的应力构件。在选择原材料时，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或蒸汽。

管壳原料种类繁多，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，并承受管道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。为了降低接触传热系数，双层金属丝网产品或化纤、料等衬里通常靠近内腔，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，不同芯的结果平面图。

热管研磨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。在工作中，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，使毛细结构影响研磨液，产生必要的毛细力。研磨液不能熔化毛细结构和壁厚，否则熔化成分会在挥发段积累，破坏毛细结构。

三个热管热管区间：

根据热管外热交换器的情况，分为加热段、传热段和制冷段；根据热管中蒸汽参数的热传导，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：

热管迁移的整个过程中，热管包括六个相互关联的关键全过程：（如上下图所示）

① 根据热管壁厚和工作中充满液体的吸管芯，热量从热原传递到液体蒸汽页面；

② 挥发性液体-蒸汽界面挥发；

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 根据吸管芯， 液体和壁厚将热量从蒸-液分页面发送到冷源；

⑥ 由于毛细效应，液体在冷凝后流回挥发段。

热管运行特点：

对于一般热管，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。假设热管沿挥发段蒸发分布均匀，冷凝段冷凝率均匀，其质量流量、压力分布、温度和弯曲月折射率如右上图所示。

在挥发段，由于液体继续挥发，气体和液体页面缩回管芯，即凹陷在毛孔一侧，从而在毛细结构的外观上产生弯曲的月球表面。在冷凝段，蒸汽慢慢凝固使液体页面高于吸管芯，因此大多数页面呈平面图，即页面的夹角无限（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的流动性（循环系统张力）用于消除循环系统变化引起的重力、滑动摩擦和动力矩变化引起的循环系统摩擦阻力。

动画热管工作全过程：

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，应避免毛细度极限和开启极限。因此，热管的工作点必须低于包装线。

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。

挥发段和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；

芯热管利用毛细吸附力使冷凝液流回；

①重力热管的特点：

无吸管芯，生产简单，成本低；

由吸液芯本身引起的传热系数降低R3R七、导热性好。

吸管芯引起的所有常见故障都是可靠的。

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。

该热管主要用于我国余热回收热管换热器。

热管归类：

根据热管中的操作温度：

超低温热管(-273~0℃)、常温下热管(0~250℃)、中温热管(250~450℃)、高温热管(450~10000℃)。

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、电流动力热管、磁流体驱动热管和渗透热管。

铜-水热管、碳钢-水热管、铝-甲苯热管、碳钢-萘热管、不锈钢板-钠热管。

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：

相溶性是指管道中的液体和外壳在预期设计方案的使用寿命内不会发生明显的化学或物理变化。不凝气体是危及热管使用寿命和工作的主要原因之一。

办公液体是由办公液体和管壳原料的化学变化或电化学腐蚀引起的。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，减少合理冷凝的总面积，扩大传热系数，恶化传热功能。较典型的不兼容例子是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↑

不凝氡会恶化热管特性，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——水热管通过有机化学处理合理解决了碳钢和水的化学变化，促进了碳钢——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广泛的推广和应用。

热管工程应用：

热管换热器：由多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，温度控制灵活。

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 液体选择在热管中工作；

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的液体饱和水蒸气；

④ 选用热管壳原料。

一般来说，这与设计方案的目的有关。热管的制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马赫数不超过0.2.此时，蒸汽流动性可视为不可减少的液体流动性，径向温度场不大，可忽略不计。

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，不能考虑管壳不平衡，因此管壳设计方案的关键是考虑抗压强度。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计算:计算极限，烧开极限，较终计算Re数，检算是否为层.流流动性。

热管换热器设计：

目前，热管热交换器的计算已按电子计算机程序进行交易，包括加热计算和热管极限验证。设计师只需按项目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，即不实用。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换热器的基本设计方案和计算方法。

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，必须仔细考虑气热交换器的几个方面：

1.选择合理规范迎头风力:热管换热器的设计应遵循关键标准，即将迎头风力(标准条件)限制在2-3m/s在此范围内，过高的风会导致工作压力，增加金刚驱动力的消耗，过低的风会降低边关膜的导热系数，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。清洁蒸汽可选择较密的翅片间隔和较薄的翅片间隔；烟雾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. 热管换热器的制定应特别注意初始设计方案的主要参数，因为余热回收机械设备通常设计为运行系统中的额外机械设备，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)。

分体式空调热管的应用：

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，提高空调使用寿命和电力能源利用率。

两种工作模式：热管/冷却混合制冷机组：

根据制冷剂的变化和重力，采用热管系统软件的基本原理，、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热交换器加热；由电动三通阀向水转换-闭式冷却塔制成的水热交换器，连接季节和冬季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。

根据制冷剂的变化和当然重力的基本原理，利用热管系统软件的基本原理完成计算机内的封闭循环系统。冷藏水管不进入计算机室。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。