《熱管基礎知識》

1. 熱管結構
   1. 密閉容器  不同的工作流體須選擇兼容的殼體材料與之配合
   2. 毛細結構  包括銅網、纖維、溝槽、燒結
   3. 作動流體  包括水、甲醇、氨等
2. 熱管工作原理

熱管的基本工作原理如圖所示,典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成,將管內抽成1.3×(10^-1~10^-4)Pa的負壓后充以適量的工作液體,使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發段(加熱段),另一端為冷凝段(冷卻段),根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發汽化,蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體,液體沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不已,熱量由熱管的一端傳至另一端。

1. 熱管基本特征

熱管是依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的傳熱組件,具有以下基本特征:

1. 很高的導熱性  熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱,熱阻很小,因此具有很高的導熱能力。
2. 優良的等溫性  熱管內腔的蒸汽是處于飽和狀態,飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度,飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小,根據熱力學中的Clausuis-Clapeyron方程式可知,溫降亦很小,因而熱管具有優良的等溫性。
3. 熱流密度可變性  熱管可以獨立改變蒸發段或冷凝段的加熱面積,即以較小的加熱面積輸入熱量,而以較大的冷卻面積輸出熱量,反之亦然。這樣可以改變熱流密度,解決一些其它方法難以解決的傳熱問題。
4. 熱流方向的可逆性  一根水平放置的有芯熱管,由于其內部循環動力是毛細力,因此任意一端受熱就可作為蒸發段,而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用于宇宙飛船和人造衛星在空間的溫度展平,也可用于先放熱后吸熱的化學反應器及其它裝置。
5. 熱二極與熱開關性能  熱管可做成熱二極管或熱開關。所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動,而不允許向相反的方向流動;熱開關則是當熱源溫度高于某一溫度時,熱管開始工作,當熱源溫度低于這一溫度時,熱管就不傳熱。
6. 恒溫特性(可控熱管)  普通熱管的各部份熱阻基本上不隨加熱量的變化而變,但可變導熱管使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加,這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下,蒸汽溫度變化極小,實現溫度的控制,這就是熱管的恒溫特性。
7. 環境的適應性  熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化。

 

1. 熱管分類

 

 

種  類	工作介質	工作溫度/℃	兼容殼體材料
低溫熱管	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	鋁、不銹鋼、低碳鋼 鋁、鐵 鋁、不銹鋼、銅 鋁、銅
常溫熱管	已烷 丙酮 乙醇 甲醇 甲苯 水	0~100 0~120 0~130 10~130 0~290 30~250	黃銅、不銹鋼 鋁、銅、不銹鋼 銅、不銹鋼 銅、不銹鋼、碳鋼 不銹鋼、低碳鋼、低合金鋼銅碳鋼(內壁經化學處理)
中溫熱管	萘 聯苯 導熱姆-A 導熱姆-E 汞	147~350 147~300 150~395 147~300 250~650	鋁、不銹鋼、碳鋼 不銹鋼、碳鋼 銅、不銹鋼、碳鋼 不銹鋼、碳鋼、鎳 奧氏體不銹鋼
高溫熱管	鉀 銫 鈉 鋰 銀	400~1000 400~1100 500~1200 1000~1800 1800~2300	不銹鋼 鈦、鈮 不銹鋼、因康鎳合金 鎢、鉭、鉬、鈮 鎢、鉭

 

1. 熱管兼容性及壽命
   1. 熱管的兼容性是指熱管在預期的設計壽命內,管內工作液體同殼體不發生顯著的化學反應或物理變化,或有變化但不足以影響熱管的工作性能。
   2. 造成熱管不兼容的主要形式有以下三方面:
   3. 產生不凝性氣體  在熱管工作時,該氣體被蒸汽流吹掃到冷凝段聚集起來形成氣塞,從而使有效冷凝面積減少,熱阻增大,傳熱性能惡化。典型例子為碳鋼-水熱管。
   4. 工作液體熱物性惡化   如甲苯、烷、烴類等有機工作液體。
   5. 管殼材料的腐蝕、溶解   這類現象常發生在堿金屬高溫熱管中。

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