毛细不锈管(热管技术及热管空调工程应用)

热管：简单讲，以真空相变原理工作的一种极其高效的传热元件。

当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。

热管的相当导热系数可达105 W/m•℃的数量级。为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能。

热管工作原理：

热管：是一种传热性极好的人工构件，常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（管壳），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管芯），管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理：

⑴在真空状态下，液体的沸点降低；

⑵同种物质的汽化潜热比显热高的多；

⑶多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。

从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分。

热管的管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。在材料的选择上必须考虑到热管在长期运行中管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。

管壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属铌、钽或玻璃、陶瓷等。管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接受和放出热量，并承受管内外压力不等时所产生的压力差。

热管的管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减小接触热阻，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。如上右图所示为几种不同的管芯的结果示意图。

热管的工作液要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性。工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构。

热管的三个区段的划分：

根据热管外部热交换情况分：加热段、绝热段、冷却段；根据热管内部工质传热传质情况分：蒸发段、绝热段、冷凝段。

下附：热管换热器动图（下图）。

热管的传热：

热管在实现其热量转移过程中，包含了六个相互关联的主要过程：（如上右图）

① 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液—汽分界面；

② 液体在蒸发段内的液—汽分界面上蒸发；

③ 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段到冷凝段；

④ 蒸汽在冷凝段内的汽—液分界面上凝结；

⑤ 热量从汽—液分界面通过吸液芯、 液体和管壁传给冷源；

⑥ 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段。

热管的工作特性：

对于普通热管，其液体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的，沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量流率、压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如右上图所示。

在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽液分界面缩回到管芯里，即向毛细孔一侧下陷，使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐渐凝结的结果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形状，即界面的曲率半径为无穷大(见下左图上部及下右图)。曲率半径之差提供了使工质循环流动的毛细驱动力(循环压头)，用以克服循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及动量变化所引起的循环阻力。

热管工作过程动画：

热管的传热极限：

从图中可以看出：当工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限。而在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限。故热管的工作点必须选择在包络线的下方。

热管基本特性：

相变传热，热阻小→极高的导热性→换热效率高，节能效果显著。

汽液处于饱和状态→优良的等温性→温度展平。

蒸发段、冷凝段换热面积可变→热流密度的可变性→调节管壁温度(避免露点腐蚀)。

热流方向的可逆性。

单向导热→热二极管→(太阳能、地土永冻)。

热开关性能→控制热管工作温度范围。

加热量变化→热阻改变→控制温度 →可控热管(可变导热管)。

汇源分隔→环境适应性好。

两相闭式热虹吸管：重力热管、热虹吸管与有芯热管的区别在于冷凝液回流的机理不同；热虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流；

有芯热管是依靠毛细抽吸力使冷凝液回流；

①重力热管的特点：

不需要吸液芯，制作简单，成本低廉；

减少了吸液芯本身产生的热阻R3与R7，具有良好的传热性能。

一切由吸液芯引起的故障，均可避免，工作可靠。

②重力热管应用场合：

只能应用于重力场中，而不能用于空间（无重力场）；只能将热管的下部作为加热段，而上部作为冷凝段；

主要用于传热，不能用于均温；可以作为热二极管。

根据重力热管具有的特点，国内作为余热回收用的热管换热器大多数采用这种形式的热管。

热管分类：

按照热管管内工作温度分：

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

按照工作液体回流动力分：有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管。

按管壳与工作液体的组合方式分：铜-水热管、碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管。

按结构形式分：普通热管、分离式热管、毛细泵回路管、微型热管、平板热管、径向热管。

按热管的功用分：传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管。

各种类型的换热器对比总结：

热管的相容性及寿命：

相容性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。影响热管寿命及工作的重要因素之一产生不凝性气体。

由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应，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小，热阻增大，传热性能恶化。这种不相容的最典型例子就是碳钢-水热管，由于碳钢中的铁与水发生以下的化学反应：

Fe+2H2O====Fe(OH)2+H2↑

3Fe+4 H2O Fe3O4+4H2↑

Fe(OH)2 Fe3O4+H2O+H2↑

所产生的不凝性氢气将使热管性能恶化，传热能力降低甚至失效。

只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢-水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢-水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。

热管的工程应用：

热管换热器：由许多单根热管组成的换热器。

特点：结构简单，换热效率高；压力损失小；安全可靠；灵活调温。

类型与结构：按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为：气—气式、气—汽式、气—液式、液—液式、液—气式。

按结构型式分：可分为整体式、分离式、回转式和组合式。

气——气式热管换热器

加热炉余热回收：

热管低温桩（形成永冻土）：

利用二极管特性：

冬季—将地下热量传递给地面上空气（辐射及对流）；

夏季—截止工作。

热管及热管换热器设计：

在进行热管设计前，首先应该确定以下因素：

① 热管管内工作液体的选择；

② 热管管内管内吸液芯结构形式；

③ 热管的工作温度，以及工作情况下热管内部工作液体的饱和蒸汽温度；

④ 热管管壳材料的选择。

一般说来，这与设计的目的有关。不同的应用场合，热管的设计要求截然不同。

热管的设计计算通常按以下几个步骤进行：

①管径设计：管径设计的一个基本原则就是管内的蒸汽速度不超过一定的极限值，这个极限值就是在蒸汽通道中最大马赫数不能超过0.2，这时蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动，轴向温度梯度很小，可以忽略不计。

②管壳设计：热管部工作时，一般处于负压状态（低温热管除外），外界压力一般为大气压力，故可以不考虑管壳失稳的问题，因而管壳的设计主要从强度考虑。管壳壁厚由强度计算所得壁厚加上腐蚀裕度得出，端盖则可以按照平板的设计较容易的设计。

③吸液芯设计：设计吸液芯的依据是毛细极限的计算。

④毛细极限的检验。

⑤验算：验算携带极限、沸腾极限，最后核算Re数，验算是否为层流流动。

热管换热器设计：

热管换热器的计算目前已经通过计算机程序化，其主要内容包括两部分：换热器的热力计算和热管的极限校核。设计者只要根据工程的设计条件，输入原始参数即可得到设计结果。然而，热管换热器与其他通用换热器不同，它对工程的实际情况比较敏感，即通用性不强。在许多情况下，计算机程序计算的结果并不完全合理，必须作合理的调整，因而全面了解热管换热器的基本设计知识及计算方法仍然非常必要 。

热管换热器的设计计算的主要任务在于求出总传热系数U，然后根据平均温差及热负荷求得总传热面积A，从而定出管子数量。在设计过程中，必须认真考虑一下几点（以气-气换热器为例）：

1.选择适当的标准迎面风速：热管换热器设计应遵循一条重要原则，即把迎面风速（标况）限制在2-3m/s的范围内，风速过高将导致压力将过大和动力消耗增加，风速过低会导致关外膜传热系数降低，管子的传热能力的不到充分发挥。

2.选择适当的翅片管参数：根据设计条件，对不同类型的换热器体应选择合适的翅片管参数。对洁净气体可选择较密的翅片间距和较薄较高的翅片；对含尘夺得或有腐蚀性的气体则应选择间距较宽，翅片较厚较低的翅片管管的壁厚也应稍厚以抗腐蚀和磨损，下表为工业常用的规格参数，可供设计参考。

3.重视原始设计参数的核实及计算公式的验证 热管换热器的设计应特别重视原始设计参数，因为一般作为余热回收设备通常是在已运转的系统中作为附加设备设计的，因此对前后设备的影响要求颇为严格，现场原始参数（气温、气量）必须精确测定。根基场地情况、系统的要求（压降、温降），选择合适的结构。

空调热回收：

热管（热管换热器）应用于空调热回收系统。

分离式热管在空调系统中的应用：

热管空调应用于机房或基站

分体热管空调、空调热管一体机应用于基站或机房，有效减少基站或机房空调的运行时间，节约空调用电，延长空调使用寿命，提高能源利用率。

热管/制冷复合型空调机组的两种工作模式：

数据中心热管空调热管空调利用热管系统原理，通过制冷剂相变及自然重力实现机房内封闭循环，结合室外自然冷源的使用，实现安全、可靠、高效节能的空调系统。

高温季节使用冷水机组提供的稳定的冷冻水，与热管空调从DC带出的热量进行热交换；过渡季节和冬季，通过电动三通阀转换到水-水换热器，由冷却塔把DC中的热量带走，充分利用自然冷源，大幅度降低机械制冷功耗。

利用热管系统原理，通过制冷剂相变及自然重力原理实现机房内封闭循环，冷冻水水管不进入机房内，机房内连接管路与换热管循环介质为低压制冷剂，彻底消除水入机房的安全隐患。

空调系统组成：

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