热管基础知识

《热管基础知识》

热管结构

密闭容器 不同的工作流体须选择兼容的壳体材料与之配合

毛细结构 包括铜网、纤维、沟槽、烧结

作动流体 包括水、甲醇、氨等

热管工作原理

热管的基本工作原理如图所示,典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成,将管内抽成1.3×(10-1~10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(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。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已,热量由热管的一端传至另一端。

热管基本特征

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热组件,具有以下基本特征:

很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高的导热能力。

优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。

热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,反之亦然。这样可以改变热流密度,解决一些其它方法难以解决的传热问题。

热流方向的可逆性 一根水平放置的有芯热管,由于其内部循环动力是毛细力,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和人造卫星在空间的温度展平,也可用于先放热后吸热的化学反应器及其它装置。

热二极与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关。所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动;热开关则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。

恒温特性(可控热管) 普通热管的各部份热阻基本上不随加热量的变化而变,但可变导热管使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加,这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下,蒸汽温度变化极小,实现温度的控制,这就是热管的恒温特性。

环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化。

热管分类

种 类

工作介质

工作温度/℃

兼容壳体材料

低温热管

氨

氟里昂-21(CHCI2F)

氟里昂-11(CCI3F)

氟里昂-113(CCI2F．CCIF2)

-60~100

-40~100

-40~120

-10~100

铝、不锈钢、低碳钢

铝、铁

铝、不锈钢、铜

铝、铜

常温热管

已烷

丙酮

乙醇

甲醇

甲苯

水

0~100

0~120

0~130

10~130

0~290

30~250

黄铜、不锈钢

铝、铜、不锈钢

铜、不锈钢

铜、不锈钢、碳钢

不锈钢、低碳钢、低合金钢铜碳钢(内壁经化学处理)

中温热管

萘

联苯

导热姆-A

导热姆-E

汞

147~350

147~300

150~395

147~300

250~650

铝、不锈钢、碳钢

不锈钢、碳钢

铜、不锈钢、碳钢

不锈钢、碳钢、镍

奥氏体不锈钢

高温热管

钾

铯

钠

锂

银

400~1000

400~1100

500~1200

1000~1800

1800~2300

不锈钢

钛、铌

不锈钢、因康镍合金

钨、钽、钼、铌

钨、钽

热管兼容性及寿命

热管的兼容性是指热管在预期的设计寿命内,管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化,或有变化但不足以影响热管的工作性能。

造成热管不兼容的主要形式有以下三方面:

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少,热阻增大,传热性能恶化。典型例子为碳钢-水热管。

工作液体热物性恶化 如甲苯、烷、烃类等有机工作液体。

管壳材料的腐蚀、溶解 这类现象常发生在碱金属高温热管中。

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