热管是什么材质(《热管技术大全》—热管的基本特性)

Posted 2023-06-02

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（一）热管的基本特性

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。

（1）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。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。

当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限。热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善（径向热管除外）。

（2）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。

（3）热流密度可变性

热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，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，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

（4）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他装置。

（5）热二极管与热开关性能

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。

（6）恒温特性（可控热管）

普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。

但人们发展了另一种热管—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。

（7）环境的适应性

热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等。

热管也可做成分离式的，以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热。

热管既可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。

（二）热管的相容性及寿命

热管的相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。

相容性在热管的应用中具有重要的意义。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。

影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三方面，即∶产生不凝性气体；工作液体热物性恶化；管壳材料的腐蚀、溶解。

（1）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化学反应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。

（2）工作液体物性恶化

有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。

（3）管壳材料的腐蚀、溶解

工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。

当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。

通过合理选择热管的管材、工作液体、吸液芯结构等可使热管长期有效地服役于其工作温度范围，常用热管的工作温度范围与典型的工作介质及其相容壳体材料如下表所示。