作者：方彬 编著
出版社：化学工业出版社
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热管节能减排换热器设计与应用试读：
前言
热管可应用于航天、电子器件、电机、电器、太阳能的利用、轻工、化工、机械等方面。热管的研究工作和在工业上的应用进展很快。特别在国家号召节能减排以来，热管在锅炉、窑炉、化肥厂造气炉等节能减排的应用越来越多，在为国家节能减排起着积极的作用。
热管这个概念和它的工作原理是在1964年首次由美国的洛斯阿拉莫斯科学实验室提出来的。热管是一个能在小的温度梯度下，把热量从一处传递到另一处的高效率的传热元件。它诞生不久就得到广泛的应用和迅速的发展。自1971年以来，乔治·华盛顿大学每年组织一期“热管理论与应用”的研究班。这个研究班吸引了众多的工程师和大学教师，使他们有机会了解热管这一技术及其在各方面的应用和发展情况。
当前，我国对热管的研究和应用也越来越广泛。在工业热力设备节能减排中，热管换热器的研究工作发展也很迅速。各种锅炉和窑炉、化肥厂造气炉等排烟余热回收热管换热器的数量增长很快，不仅在低温（200～300℃）排烟中进行余热回收节能减排，而且在中温（300～600℃）以及高温排烟中也应用了热管进行余热回收节能减排。在应用中对一些关键性技术问题，例如积灰、磨损、腐蚀和减少二氧化碳与二氧化硫的排放等问题，都进行了实验研究，并取得了实验数据和满意的实验结果。
多年来编著者与王凤兰老师经常到热管制造厂等企业为企业职工举办研修提高班，为此编著了本书。在编著此书的过程中得到了许多同志的支持和帮助，在此表示谢意。王凤兰老师在编著本书过程中做了大量的工作，对全书逐字、逐句地进行校对修改。
全书共分为七章，归纳为三部分内容：一是热管的工作原理，热管的构造原理与热管的基本理论；二是热管换热器与热管换热器的设计计算；三是气-气式热管换热器、气-液式热管换热器与气-汽式热管换热器在节能减排中的应用实例和对重力式热管的制造工艺过程进行了介绍。
由于时间和编著者本人水平有限，本书难免存在不当之处，敬请读者批评指正。方彬2012年10月
第一章 热管的工作原理
随着科学技术的发展，工程需用的设备和仪器等越来越多。其中一些设备和仪器是同热能有关的，并且要求能对热能进行输送和转移。因此，把热能高效地从一处输送到另一处，或者说把热能高效地从一个物体输送到另一个物体的研究工作，显得越来越重要。尤其是在能源紧张的情况下，这方面的研究工作不仅重要，而且有着更深远的意义。作为传热元件就其种类来说目前已经不少了，但是作为高效的传热元件，目前确实为数不多。而热管则是一种高效的传热元件，它还具有许多特殊的用途和性能。这一章扼要地叙述热管的基本工作原理及其特点。在叙述热管的工作原理之前，首先介绍一下什么是热管。
第一节 热管的简述
一般来说，热管就是把普通的管子（如各种金属管等）抽成真空，注入工作液体，然后封住口，使其能够把热能从其一端输送到另一端。早期对热管概念的叙述是在1962年，特雷费森在向通用电气公司提交的报告中，提出了一种可以在宇宙飞船中应用的无动力传热装置。这个装置是由一根空心管组成，其内表面覆盖有一层多孔衬套，利用毛细作用引起的连续质量循环，把能量从管子的一端传递到另一端。这段话不仅是对热管概念的一个深刻描述，而且也是一个发明创造。可是这一发明，由于没有及时用实验来证实，结果被悄悄地放置在公司的档案中。
1964年洛斯阿拉莫斯科学实验室的格罗费等人独立地重新提出了类似以前提出的传热装置，并给它一个新的称呼叫做热管。接着有人给热管下了一个定义：在一个密闭结构中装有若干工质，借助于液体的蒸发、蒸气的输送和冷凝、然后靠毛细作用使冷凝液从冷凝段返回到蒸发段，用这种办法把热能从结构的一部分传递给另一部分，这样一种结构就构成热管。
现在，我们制造的热管，一般都是采用各种密封金属管子的结构，管中装有若干工质，但在装工质以前必须在密封的管子中形成真空，这可采用真空泵抽，或是用煮沸法形成真空。工质在输送热能之前要由液态变为气态，否则是不能输送热能的。工质把热能从热管的一端输送到另一端之后，工质重新冷凝成液态，然后靠毛细作用使冷凝液从冷凝段返回到蒸发段，这对于处在水平工作位置和与水平成很小夹角以及冷凝段在加热段下面的热管来说是必要的。但对处于垂直工作位置的热管或者处于与水平位置夹角比较大的热管来说可以没有毛细结构，这时热管内工质的回流就要靠重力回流了，如图1-1（a）所示。目前我国余热利用节能减排中应用的热管大部分是这种热管。虽然没有毛细结构的热管在工质回流和工质回流的均匀性等方面远不如有毛细结构的热管，但是在热管的制造工艺性和热管的制造成本等方面却比有毛细结构的热管要优越得多。图1-1（b）与（a）的不同点是在热管的内壁四周上设有叫作输液芯（也叫吸液芯）的构造，这种热管的工作液体的回流依靠输液芯，工作不受位置的限制。图1-1 热管
第二节 热管的结构原理
热管从纵向来看可以分为三段，即蒸发段、绝热段和冷凝段，如图1-2所示。有时也把热管的加热段叫做蒸发器，冷凝段叫做凝结器，绝热段叫做传送段。传送段作为流体的通道，把蒸发器（热源）与凝结器（冷源）分隔开。热管的绝热段的长度可以很长，也可以很短；其材料可以与管壳一样，也可以不一样；可以是刚性的，也可以是柔性的。这样使热管能适应布置任意需要的几何形状，这样的热管称为分离式热管。但是，工业上节能热管和余热利用热管的绝热段是比较短的，只是管壳的一小段。但是，这很短的一段绝热段仍然把加热段与冷凝段分隔开，而且在此处还得把通过加热段的热流体与通过冷凝段的冷流体分隔开。所以，热管的密封环都放在绝热段里，显然，热管膨胀的相对死点也应该在这里。
从热管的径向方向来看也可以将热管分为三个组成部分，即管壳、吸液芯和蒸气空间。对一般热管来说，热流体从热源来至热管总要先经过管壳。如果把热管传送能量的过程假设成一条热流线的话，那么这条热流线的途径一定是先经过管壳、吸液芯、蒸气空间，然后再由蒸气空间经吸液芯和管壳离开热管。在气-气热管换热器中的热管为了增加其换热能力一般都是带有翅片的，如图1-2所示。下面分别叙述一下热管的各组成部分及其作用。
一、管壳
管壳通常做容器，容器的机械作用是封闭热管中的工作流体，并且增加结构的刚性。因为管壳内的工作压力与管壳外的环境压力之间相差很大，因此，管壳必须能承受压力差而不至于变形或破裂。管壳除了承受压力差之外还是热流线的一段必经之路。因此，管壳热阻的大小也是影响传热的重要的一环。从承受压力差的角度而言，要求管壳壁厚一些好；而从传热的角度而言，要求管壳壁薄一些好。图1-2 热管的结构原理
目前，热管采用金属圆管，一般外径的范围为φ25～42mm，管壳壁厚为1.5～3mm。用相应尺寸的端盖通过焊接封住管子的两端。平时要防止空气漏入管内，以免管内的真空遭到破坏。热管工作时，管内要产生很高的温度，即工质的饱和蒸气温度，相应要产生很高的压力，即工质的饱和蒸气压力，饱和蒸气压力与饱和蒸气温度是以一定的关系联系着的。如以水为工质的热管，在管内温度为250℃时，2其相应的压力为40.56kgf/cm，这么高的压力就要由管壳来承受了。管壳材料要根据热管使用的温度范围和工作液体的性质来综合考虑加以选定，一般管壳的材料有铝、铜、钢和不锈钢等。
目前在工业上节能常用的低温、中温范围以水为工质的热管，其管壳一般常用钢-铜复合管。这里，铜做衬套，它一般有两个用途：①用铜作衬套把工质水和管壳钢分隔开来，因为铜与水是化学相容的，而水与钢是化学不相容的；②在以铜作衬套的内壁上拉毛细结构槽道比较方便。如在较低环境温度工作的热管其管材可以选为全铜管材，但这时热管管壳的温度一般不超过220℃。如热管工作的环境温度再低时，可以选用铝作为管壳材料。如在以水为工质的工作液体中加入了缓蚀剂，可以使这种水溶液与钢长期在高温接触下不起或基本不起化学反应，不产生或基本不产生不凝气体。这时可以选无缝碳钢管作为管壳材料，这可使热管的重量和造价等指标有所下降。如热管的环境工作温度很高，这时不仅工质要换，而相应的管壳材料也要换。如钠热管，其工质为钠，这时的管壳材料就要采用不锈钢了。管壳的材质、薄厚的选择不仅要从承受压力、减小热阻，还要从价格的高低加以综合考虑，对一般工业上应用的热管换热器来说，其成本的高低也是非常重要的，这几方面总是有矛盾的。因此，需要选择一个相对满意的厚度和材质。对有翅片热管的强度的薄弱环节不是在中间，而是在两端盖的焊接处。因此，管壳可以选得薄一些，在两端盖焊接处可以设法加强。
二、吸液芯
带吸液芯的热管内工质的流动是利用毛细结构来保证的。对吸液芯的主要要求是要起到一个毛细泵的作用。在热管管壳内壁安放金属丝网、多孔金属，以及在内壁上面拉上槽（轴向槽或周向槽道等），都能起到一个毛细泵的作用，都能将工质从冷凝段输送到蒸发段。如以多孔物质作为吸液芯，吸液芯内被许多任意相互连接的细小毛细管通路所充满。吸液芯通常是紧贴或者挤压在容器内壁上，利用液体的表面张力从凝结段将液体送回到加热段。如吸液芯是由低热导率的工质浸透，吸液芯与流体层通常在热流线路上出现较大的阻力。因此，在选择吸液芯时，考虑导热性质及流体的传输性质是必要的。
三、蒸气空间
热管内蒸气空间是作为蒸气输送能量的通道。蒸气是否能在蒸气通道中高效率地传递能量呢?一般来说是没有问题的。但是，进一步说也有许多因素影响着蒸气的流动，影响着蒸气对热能的输送。在蒸气空间里蒸气的流动是一个复杂的流动。热管里面工作液体的流动是很复杂的双相流动。
四、翅片
一般在工业上应用的热管，特别是气-气换热器热管无论是加热段或冷凝段，在管壳的外表面都绕上翅片或串上翅片，这样做是为了增加热管的传热能力。一般加上中等高度的翅片，热管的翅化比，即翅片表面积与光管外表面积之比值，一般在6～10之间。这样就可以大大提高热管的传热能力。
一般取：翅片高12.5mm，翅片厚度0.5～1.0mm，翅片间距3～20mm，材质为08号钢。
第三节 热管的工作原理
热管是一个封闭容器，从封闭容器内抽出不凝结气体，形成真空，为了使热管能够很快地启动和很好地工作，要求管内始终保持一定的真空度，装有一定量的能够汽化的液体，并装有起毛细作用的吸液芯结构。管内工作液体在加热段吸热沸腾后汽化，蒸气带着大量的热能进入冷凝段，然后进行凝结放热，把大量的热能传递给了冷凝段的冷流体。工质完成了把能量从加热段输送到冷凝段之后，以液态形式在吸液芯结构毛细泵的抽吸作用下，重新返回到加热段。重复这一过程，形成循环，使热管连续不断地工作，不断地传递热能，这就是热管的工作原理。把这样一个传递热能的过程，用一条假想的热流线表示，如图1-3所示。
热管中工质传递热能的过程是通过工质的相变过程进行的。加热段热流体包含了大量的热能（如各种窑炉的排烟，这种热流体中就包含了大量的热能），这些热能在传递给工质时是通过工质的相变进行的。工质由液态逐渐吸热，当吸入一定量的热能时就变为气态。工质由液态变为气态一定要吸热，而吸收的热量往往很多。工质由液态变为气态所吸收的热量叫做汽化潜热。工质就是把汽化潜热这部分热能输送到了冷凝段。由于工质被冷却，工质由气态又变成为液态，同时向冷流体（如冷却介质空气或水）放出凝结潜热。图1-3 热管工作原理图
热管之所以能够进行高效率的传递热能，成为一个高效率的传热元件，就在于它利用了传热学中相变潜热的吸收和释放两个最强烈的过程。热管的工作利用相变吸、放潜热的机理和毛细泵或重力引起工作流体的循环进行输送热能，这就构成了热管工作原理的核心。
由于工质的汽化潜热量与凝结潜热量一致，又由于过程的进行中认为是理想的，与外界无热量交换，所以，反映在热管两端温度上也是一致的，即热管等温性是非常好的。工质的汽化和凝结的过程都是在蒸气空间中进行的，在这个空间中工质所处的状态为饱和状态，而饱和蒸气温度与饱和蒸气压力之间不是独立的，二者之间是有对应关系的，这一点对热管的工作和设计以及实验都是非常重要的。由于饱和温度和饱和压力有这样一个关系，又由于工质由加热段到冷却段之间温度变化很小，就决定了热管蒸气空间中的压力变化也是很小的。因此，毛细结构中的工作液体很小的表面张力或管中少量工作流体的重力就能克服热管工作中所产生的压力差。这一点与锅炉中工质的循环有根本的不同。锅炉中工质的循环是用机械泵进行强迫循环，而且还需要补充工质。热管中的工质根本不用机械泵循环，也不需要补充。
热管内工作流体的连续循环是依靠工作液体的表面张力。这种独特的传质方式既使热管获得了独特的成效，又成为热管正常工作的主要障碍之一。对热管内壁装有多孔的毛细管结构物，必须使之浸透工作流体。为此，必须有足够量的工作流体注入管内，使流体充满所有毛细管结构的毛孔。工作流体稍微过量不会影响热管的正常工作。相反，要是工作流体的量不充足，不能把所有的毛细管结构的毛孔充满，则有可能成为热管破坏的原因之一。要使毛细结构能保证工作流体的循环，它必须足以克服系统的黏性的动力学损失，必须补偿反向的重力作用。
在热管的整个工作过程中，流体动力学是很重要的。传热理论则提供了通过热管各部件，如管壳、吸液芯和工作流体以及热管与热源和冷源界面输入和输出热能的热传导率的依据。因此，对设计、实验以及运行热管及其换热器的技术人员来说熟悉基本的流体力学和传热学及工程热力学的知识是必需的。
为了使上述热管工作性能好，除理论上讨论和保证外，还必须作到下列几点。
① 热管在工作期间不产生腐蚀和在热管工作温度条件下不出现不凝结气体。为了保证这一点，管壳、吸液芯和工作流体三者应当经过严格的选择，必须保证三者之间是化学相容的。
② 热管内一般应设有加强换热的毛细结构，如各种吸液芯或沟、槽等。
③ 热管外面一般应设有翅片来加强热管的换热能力。
④ 热管的管壳和吸液芯应当经过严格的清洗，如酸洗、碱洗和水洗等，并对管壳和吸液芯要除气。工作流体应该是高纯度的。
⑤ 热管在工作前，内部应保持真空状态，保证具有一定的真空度。
⑥ 热管管壳应保证具有一定的强度，热管在工作时要承受一定的高压而不漏泄。
第四节 热管的特点
热管是一种新型的传热元件，无论什么形式的热管都是一个换热元件或利用换热进行控制或开关的元件。除了控制或开关用的热管元件之外，热管的绝大多数是换热元件。热管作为换热元件与其他形式的换热元件相比有如下几方面的特点及优缺点。
一、传热系数高
热管的热传导能力强就是因为热管的热导率高。例如工作温度在61000K下的钠热管，其相当热导率可达10W/（m·K）。钠热管管壳材料一般采用镍铬钢，在同温度下，热管管壳材料镍铬钢的热导率为25W/（m·K），热管的传热系数是热管管壳材料的热导率的4000034倍，比更好的金属导热体的热导率也要高10～10倍。当然，热管的热传递能力也是随工作流体及其工作温度等的不同而改变的。
对于传热元件来说，传热系数K是个重要的技术经济指标。在气-气换热的情况下，我们可以拿热管与常用的传热元件——光管和翅片管进行比较，可以在相同的传热面积和传热温差下，比较它们之间的传热系数与传热量的大小。在这种情况下对上述三种换热元件的传热系数进行了计算，并将计算结果列入表1-1中。表1-1 气-气换热情况下三管传热系数的比较
通过表1-1中数值的比较可以看出：在气-气换热的情况下，热管最优，其传热系数为光管的10倍以上，为翅片管的6倍以上。
二、传递热量大
热管传递的热量，是指管内加热段液体吸热变为蒸气的汽化潜热量，到凝结段蒸气又变为液体放出的潜热量。这种吸收或放出的潜热量是相当大的，比不是靠相变吸收或放出热量的元件要大得多。
热管在轴向传递热量的大小可和同尺寸的铜棒传递热量（导热）的大小相比较，如图1-4所示。图中所表示的热管和铜棒的直径都为φ12.7mm，长度都是300mm。尽管铜的热导率为350～400W/（m·℃），仅次于银，但由图1-4中可见，铜棒要在很大的温差下才能传递一定的热量，而热管在很小的温差下就可以传递很大的热量。图1-4 传热元件传递热量比较
如铜棒在100℃温差下才能传递30W的热量，而热管在几度的温度下就可以传递上百瓦的热量。实验证明，热管有极高的热传导能力，与金属良导体相比，其导热能力要高许多倍，因此，热管有近超导体34之称。热管的传递热量的强度约为良导体的10倍，有时可达10倍左右。
三、等温性能好
在热管内的传热过程，由于是相变过程，再加上管内工作流体的纯度很高，因此，热管内蒸气的温度基本上是恒温的。对一般工业上余热回收热管来说，管内有纵向槽道毛细结构的、长2m左右的热管，在两端测量其管内蒸气温度的温度差不超过5℃，有的情况下只差2～3℃，如图1-5所示。图1-5中所表示的曲线是在各种冷却风速（W）下测得的，在高风速（3.3m/s）下，测得热管内两端的温差较大些，但是在低风速（1.0m/s）下测得的温差就很小。不管在哪种风速下都可明显地看出，热管内的温差是很小的。这一点与其他传热元件相比是一个很大的优点。图1-5 管内温度沿管长分布图图中各点与热管长度的对应关系如下：1点—20mm；2点—200mm；3点—320mm；4点—560mm；5点—740mm；6点—920mm；7点—1080mm；8点—1260mm；9点—1440mm；10点—1620mm；11点—1800mm；12点—1920mm
四、温度范围广
热管能适应的温度范围和各种热管的具体结构，与采用的工作流体和热管的环境工作温度等有关。目前热管能适应的温度范围一般为-200～2000℃，可见，热管所适应的温度范围是非常广的，这样的温度范围是任何其他传热元件所难以达到的。由于热管适应的温度范围非常广，一般习惯地分成几个温度区域。通常工作温度在350℃以上，属于高温热管；工作温度在200～350℃的属于中温热管；工作温度在200℃以下，可视为低温热管。工作温度对工作流体和热管管壳，吸液芯材料的选择有决定性的影响。一般是根据热管工作环境温度的高低，首先确定工作流体，然后根据工作流体考虑到其化学相容性来确定管壳和吸液芯的材质。常用的工作流体和与其适应的工作温度范围列于表1-2中。表1-2 常用工作流体及与其适应的工作温度范围
五、热管其他方面的特点
热管除了上述一些特点之外，还具有其他一些特点。如构造简单、无运动部分，工作可靠、重量轻，在失重的情况下也能很好地工作，把热管应用到两种流体之间换热可以做到两种流体互不渗混。
热管不论多大、多长，每一只都是一个独立的换热元件。如组成一个换热器或装置，可以根据现场的情况和设计计算的情况，取任意根数进行组合。对每一根热管都可以进行任意拆换。
热管的工作是安全可靠的。因为选用合适的工作液体，热管工作在合适的温度下，一般热管内的工作压力都在常压左右。有的热管装有某种工作液体在较高的温度下工作，在管内会产生一定的高压，这时应对热管进行强度计算，如果强度够了，热管在工作时是不会出现什么问题的。
对热管来说，哪一端接触高温流体，哪一端即是加热段；同样，哪一端接触冷流体，哪一端就是冷凝段。这就是说，热管传递热量的方向完全取决于外界条件。
由热管内装有工作液体的物理性质决定，当外界温度低于管内工作液体的熔点温度时，热管就会自动停止工作，即可起自动停车的作用，实现自动控制温度。
热管虽然具有许多的优点，但是，也存在以下几个方面问题。（1）由于热管的直径较小，一般在φ30mm左右，所以，长度就不能太长，一般为2000mm左右。这样长度的热管是满足不了工业上的要求的。另外，现在一般应用单根热管所传递的热量一般只有2kW左右，也满足不了换热或散热的要求。由于单根热管所能传递的功率还比较小，因此，每台热管换热器热管的根数还是相当多的。所以进一步研究提高单根热管传递的功率是很有意义的。（2）现在常用工作液体的工作温度范围还很窄，如工作液体水是很理想的一种工质，但其环境工作温度范围太窄了。一旦热管加热段温度和热量增高，由于热管内工作液体压力增高的速度很快，容易使热管破裂。（3）目前，热管在比较高的温度下工作，还存在腐蚀问题和工作液体不稳定的问题等。
第二章 热管的构造原理
热管构造的三要素是：工质或工作流体、管芯或毛细结构、管壳。
这三要素有机的组合是热管进行正常工作的基础。三要素的组合有时是矛盾的。下面就来讨论组合的原则。
第一节 工质
确定一种适宜的工质之前，首先要考虑的是蒸气运行的温度范围，可按表1-2来选择。但是，在大致相同的温度范围内，可能有几种工质同时可供选用。为了确定所采用的工质最佳，必须考察其各种特性。主要要求如下：
① 工质与管芯和管壳材料的相容性；
② 热稳定性能好；
③ 工质能润湿管芯和管壳材料；
④ 在运行温度范围内，蒸气压力不是太高或者太低；
⑤ 汽化潜热大；
⑥ 热导率高；
⑦ 工质的液相和蒸气相的黏度低；
⑧ 表面张力大；
⑨ 冰点或凝固点要适当；
⑩ 安全性要高。
除了以上的要求之外，还必须根据与热管内热流所受到的各种限制有关的热力学来考虑选择工质。这些限制有黏性限、声速限、毛细限、携带限和沸腾限，这些限制将在第三章中讨论。
一只热管能否长期运行，能否稳定地进行工作等问题都是直接与材料的不相容性有关的，这一点下面要详细地讨论。然而，工质的热性能在使用过程中有可能降低（退化），还要防止流体分解成不同成分。因此，必须要求工质在整个可能运行的温度范围内热稳定性好。
流体表面的性质好似一张绷紧的薄膜，这与液体的表面张力和表面的大小有关。由于液体分子受到吸引力，所以整个液面就有拉力作用。表面张力随温度及压力而变化，不过，随压力的变化往往很小。表面张力的有效值由于受液-蒸气、液-液或液-固界面上积累的外来物质的影响，可能有较大的变化。
在设计热管时，为了使它能够克服重力运行，并产生较大的毛细驱动力，所以，希望表面张力大一些。此外，还必须使工质润湿管芯和管壳材料。
在运行的温度范围内蒸气压力必须大，以避免蒸气速度过大。因为蒸气速度大就使温度梯度大，又能把与之反向流动的冷凝液携带走，或者还会由于可压缩性引起流动不稳定。但是，压力又不能太高，太高必须用厚壁管壳。
希望工质的汽化潜热大，以便用少量的液流来传递大量热量，从而保持管内的压差小。
工质的热导率越大越好，这是为了减少径向温度梯度，以及减小在管芯与管壳交界面上产生沸腾的可能性。
为了把液流的阻力减至最小，要选用蒸气相和液相黏度低的工质。
热管所用的工质范围很广泛，从-269℃用氦，直到892℃用锂。在50～250℃范围内应用水作工质的优越性最明显。在稍低一些的温度范围内（-60～100℃），希望用氨作工质。但是，为了使氨保持高纯度，要求细心操作。丙酮和酒精是低蒸气压的工质。上述这些工质常用于宇航设备的热管内。水和甲醇与铜相容，常用来冷却电子仪器设备。
在230～400℃范围内，可用高温有机传热体、如联苯与联苯氧化物的低共熔混合物，其沸点在大气压下为260℃左右，但是其表面张力和汽化潜热小。
当热管的工作温度进一步提高，就进入液态金属的工作范围。水银的有效工作温度范围为250～650℃，水银具有诱人的热力特性，在室温下仍呈液态，这使热管的制作、充液操作和启动等都可以大大简化。但它也有不足之处，除了有些毒性之外，其主要的问题是难于润湿管芯和管壳。
热管的工作温度范围更高一些时，则希望用钙、钾和钠作工质。附录里载有它们与热管有关的特性。
如果热管的工作温度在1000℃以上，通常选用锂作工质，但也可以用银作工质。
第二节 管芯
热管管芯的选择同工质的选择一样与很多因素有关，但其中主要的因素是与工质的性质紧密相关。管芯的主要作用是产生毛细压差，把工质从冷凝段输送到蒸发段。此外，还必须能把液体分布到蒸发段上可能吸热的任何范围内。尤其是在失重的情况下，当冷凝液回流的距离超过1m时，常常需要使用不同形式的管芯才能起到这两个作用。
管芯产生的最大毛细压差，随毛细孔的减小而增加，而对管芯所要求的另一个特性，即渗透率，它随毛细孔的增大而增加，故均匀管芯的最佳毛细孔尺寸是两者折中的结果。从这个意义上讲，管芯有三种主要的形式。水平放置的热管和重力辅助式热管采用低性能管芯，它具有较大的毛细孔。在需克服重力的场合下，需要小毛细孔。通常要求热管的传热能力高，故必须采用均匀的管芯或干道管芯，并且用细孔结构来辅助促使液体的轴向流动。
另一方面，管芯的厚度应适当。增加管芯的厚度可以提高热管的传热能力，但是却增加了管芯的径向热阻，又使传热能力降低，于是蒸发段容许的最大热通量也随之降低。蒸发段的总热阻还与管芯内工质的放热系数有关。管芯还必须具有其他方面的一些重要性能，如与工质的相容性和润湿性、易于制作成和热管内壁一样并且最好是性能稳定的形状。此外，造价也应便宜。
一、均匀管芯
均匀管芯有很多种形式，最常用的管芯是用丝网或斜纹织品制成的。所用的材料为不锈钢、镍、铜及铝。并加工成具有一定尺寸范围的毛细孔。各种丝网及斜纹织品的毛细孔尺寸和渗透率，查有关的表格。为了增加液体流动的能力，可开一些粗一点的流道。在管内壁上开槽道的铜热管和铝热管，已用于失重环境（一般在地球重力场内，单用槽道管芯不能产生很大的毛细压差，而且携带现象还可能限制热管的轴向热流量。为克服这一问题，在槽道上覆盖一层丝网）。
二、干道管芯
高性能热管必须采用干道管芯。为了克服这种热管工质热导率低的不利因素，必须把热管的温度梯度减至最小。这种热管的内径只有5.25mm。传输热量为15W，在1m长度内的总温降不超过6℃。用铝合金作管壳，丙酮作工质。
这种管芯系统，旨在使沿管内传输的液体压降最小。如六条干道上覆盖一层细丝网，可以得到较大的驱动力。
为了充分发挥干道管芯的传热潜力，必须把干道与蒸气空间隔开，于是最大毛细驱动力便由丝网的毛细孔的大小而定。为了保证干道封闭得好，并且不损坏丝网，所以，在加工过程中必须严格控制质量。
在设计干道管芯的热管时，还必须进一步考虑到蒸气或气体阻塞干道的问题。如果干道内产生蒸气泡（或气泡），或者是蒸气泡（或气泡）被带进干道，将大大降低干道的传输能力。如果气泡完全阻塞了干道，则传热能力取决于干道的有效毛细半径。也就是说，畅通的干道存在一个有效状态。为了保证干道在这种条件下还能再启动，必须把热负荷降低到畅通干道的最大传热能力以下。
三、槽道管芯
槽道管芯，即在热管管壳的内壁面上挤压或车上轴向槽或螺旋槽道，起到毛细作用。
槽道管芯的径向热阻在蒸发段和冷凝段是根本不同的，这是因为它们的传热机理不同。蒸发段内肋顶在传热过程中不起有效作用。传热的途径可能是：沿肋片导热；通过弯月面上的液膜导热或在液体与蒸气界面上蒸发。
由于冷凝段内槽道被冷凝液淹没，所以肋顶在传热过程中起到了有效作用。肋顶上的液膜将成为主要热阻。冷凝液膜的厚度与冷凝率及工质的润湿性能有关。
由于蒸发段的传热机理不太复杂，并且热阻最大，所以下面将集中分析蒸发段的热阻。
第三节 管壳
管壳的作用是把工质与外界隔开，因此管壳的作用是防漏、承压、能向工质传热以及把工质的热量传出。
管壳材料的选定与以下几种因素有关：
① 相容性，包括与工质以及外界环境两方面的相容性；
② 强度与重量之比；
③ 传热系数；
④ 易于加工，包括可焊性、机械加工性及延展性；
⑤ 润湿性。
热管壳体材料、吸液芯结构材料及工作流体应根据热管的任务和工作条件来选择。因为热管应用的温度范围很广，用于多种多样的场合，结构材料和工作流体的选择范围也很广。热管结构材料和工作流体间的相容性问题，对于热管长期工作寿命有决定性的影响。因此，正确选择热管的材料十分重要。
第四节 相容性
不相容引起的后果主要有二个：一个是腐蚀材料，另一个是产生不凝结气体。如果管壳或管芯材料溶解于工质中，则在冷凝段和蒸发段之间多半要发生传质。溶解的固体材料沉积到蒸发段内，这将导致或者产生局部热点或者堵住管芯的毛细孔，产生不凝结气体。这些是热管出故障最常见的迹象。由于不凝结气体趋向于聚集到冷凝段，使冷凝段逐渐被气体堵塞。这种现象，可从不凝结气体与蒸气界面处的急剧温降上鉴别出来。
很多实验室进行过寿命试验，但是，一个实验室取得的寿命试验数据可能得到令人满意的相容性。而另一个实验室由于采用不同的组装方法，例如采用非标准的材料处理过程，就可能得出不同的腐蚀特性或产生不凝结气体的特性。因此，无论是改变清洗方法或者是改变热管组装方法，都应重新取得相容性的数据，这一点是很重要的。
从相容性的观点看，以丙酮、氨和金属为工质时，不锈钢适于作管壳和管芯材料，其缺点是热导率低。而铜和铝则可用于需要热导率高的地方。铜特别适合于做批量生产的水热管的材料。塑料也可被用来做管壳材料，而且已认真考虑过在非常高的温度下采用陶瓷这类耐熔材料做热管管壳。为了使管壳产生一定的挠性，采用了不锈钢波纹管。在要求电绝缘的情况下，采用陶瓷或玻璃与金属封接材料做管壳。当然，这种管壳必须和不导电的管芯和工质配合使用。
对中等温度范围内材料的组合作过综合性评述，归纳如下。表2-1中列出一些液体与材料的组合。表2-1 中等温度范围内液体与材料的组合
有人对表2-1中热管作了最新寿命试验，试验结果表明，铜-水热管可以长期运行，现在已超过20000h，性能不降低。但是对不锈钢-水热管观察到的结果产生了严重的不凝结气体。而对丙酮-铜、丙酮-不锈钢的组合提出了某些保留条件，即必须适当注意丙酮和金属两者的纯度，才能使其相容。对采用甲醇的情况也有同样的看法。
对不锈钢-水热管进行了破坏性试验，试验的蒸气温度高达250℃。发现在250℃下产生的氢气量大为减少，可是，这既不是因为改变了加工参数，也不是因为在气体中加入了大比率的氧。某些情况下，只在启动两小时以内产生氢气。结果发现在钢上所形成的一层氧化膜制止了进一步产生氢气。
热管的寿命试验主要是鉴定工质与管芯和外壳材料之间可能出现的任何不相容性。然而，基本的寿命试验应是在实际运行条件下进行长期的性能试验。假如显著增加蒸发段的热通量，使热管在超过其设计能力下运行，就可能引起烧毁。因此，难以用增加蒸发段热通量的办法来加快寿命试验。
加快寿命试验另一种可能的途径是加快任何降低热管性能过程的速度。如果设计允许，可提高热管运行温度。此法的缺点是升高温度可能影响到工质本身的稳定性。例如，丙酮的分解可能是产生金属氧化物的一个因素，生成双丙酮醇。其沸点比纯丙酮的高很多。
显然，制定寿命试验方案时要考虑很多因素，包括热管用阀门的必要性或者像试验热管一样把试验热管全部密封起来等。这个课题很重要。
在国际热管会议上提出了大量新的相容性资料。有关相容性的建议如表2-2所示。表2-2 热管工质-管壳材料相容性建议
在作管壳与工质相容性的试验时，有的人成功了，有的人不成功，这可能与温度有关。
几年来，对于水-不锈钢的组合进行了相当多的研究，并且存在着争论。有人用347型不锈钢作水热管的管壳，铜作管芯的水热管，在165℃下，没有出现产生气体的迹象（347型不锈钢不含钛，但含钽。它是一种吸氢剂）。意外的是，若用347型不锈钢作管芯却会引起迅速地产生气体。在制作热管时，必须强调用严格和正确的清洗方法进行清洗，并且指出在充装工质时把清洗剂和溶剂排净同样是重要的。
用一种新工质——硫作硫热管在200～600℃范围内运行（这一范围内最难找到合适的工质）。纯硫的熔点为112℃，沸点为444℃，临界温度为1040℃。然而，硫有些性质尤其是黏度对温度格外敏感，致使它不适于在较宽的温度范围内作热管工质。
在硫中加入少量的碘就可以显著改变硫的动力黏度。在不加碘时，硫在187℃下的流动黏度很大。不过，加热到300℃时，黏度迅速降低到与120℃左右测得的黏度处于同一个数量级。在硫中加入3%、5%及10%（质量分数）的碘，对黏度的影响是黏度显著降低，并且完全消除了纯硫时出现的值，即消除了在热管容许运行温度范围内的不连续现象。
第三章 热管的基本理论
热管所传送的热量是很大的，但是，每一只热管所能传送的热量也不能无限制地增大，这要受到热管的几个工作极限的限制。本章主要讨论热管的几个工作极限。
第一节 热管的工作极限
热管的研究工作主要是研究换热量与温度的关系。在正常情况下，蒸发段与冷凝段之间的温度差不超过10℃，对于高温热管也不应超过20℃。如果试验时的温差超过10℃，则表示热管工作不正常，而大部分是因为制造质量不佳所引起的。在热管启动到正常工作之间有一个过渡过程。这个过渡过程的特点是冷凝段温度渐渐增高，一直达到稳定，但是热管启动到正常工作的过渡时间一般只需1min左右。
热管在正常工作时，其传送热量Q和温度有关，一般温度越高热管传送热量越大。
最大的热流是指无论加热段能够加进多大热量，冷却段就能输送出多少热量，这时热管内部从蒸发段传送到冷凝段的热量到了最大限度，故又称临界热量。热管传送的最大热量是根据实验确定的，即
Q=M·c·Δt1p1
式中 Q——从冷凝段测出的热管传送的热量，kW；
M——冷流体的质量流量，kg/h；1
c——冷流体的比定压热容，kJ/（kg·℃）；p1
Δt——冷流体的温升，℃。
由于热管工作是靠流体力学平衡的，所以，凡是对于流体流动有限制的因素，也都成为热管工作限制的因素。这些限制归纳起来有如下一些。
① 黏性限——受黏性力限制。
② 音速限——有些高温热管启动时，蒸气速度可能达到音速。在这种情况下必须考虑压缩性的影响。音速条件是热管达到最大可能的传热能力的一个限制。图3-1 热管的传热极限与工作温度的关系图1—2黏性限；2—3音速限；3—4携带限；4—5毛细限；5—6沸腾限
③ 携带限——热管热负荷升高时，蒸气流速加大，蒸气与回流液膜的摩擦也增大，这时，可能产生液态工质被蒸气流所携带的现象。这种现象妨碍了凝结液的正常回流，因而造成了一个传热极限。
④ 毛细限（吸液限）——毛细压差不足，不能克服管内流动阻力，造成了蒸发段烧干而受到限制。
⑤ 沸腾限——热管温度升高时，因产生沸腾造成热管工作停止或熔损破坏而受到的限制。
所有这些传热极限与热管工作温度的关系，如图3-1所示。
下面依次说明各性能界限的极限。
第二节 黏性限
黏性限是黏性蒸气流的界限。黏性限出现在温度较低的范围内。由于管内凝结液的流动阻力较大，使凝结液返回到蒸发段的数量减少，因而蒸发段蒸气量也减少，即热管的传热量减少或者说受到了黏性限制。
对于黏性蒸气流领域（层流）传热量的黏性限可以采用下式进行计算，即最大传热量表达式为
式中 R——蒸气通道半径，米；V
L——热管有效长度，米，L=L+（L+L）/2；ee012
L——热管的绝热段长度，米；0
L——热管的加热段长度，米；1
L——热管的冷却段长度，米；2
μ——蒸气的动力黏性系数，kg/（m·s），μ=ρν；Vvvv2
ν——蒸气的运动黏性系数，m/s；V
r——汽化潜热，kJ/kg；3
ρ——蒸气密度，kg/m；V
p——蒸气压力，Pa。V
得轴向热通量
q=Q/AmaxmaxV2
式中 A——热管蒸气通道的截面积，m。V
第三节 音速限
因为蒸气有压缩性，所以，在加热段如果增加输入的热量超过一定值时，蒸气流在加热段的出口处达到音速，便出现蒸气流量的阻塞现象。由此现象产生的传热量的界限称为音速限。
由热平衡式、理想气体的状态方程以及声速的表达式，推出了下列关系式
当达到声速时，M=1，声速公式为
式（3-2）转化为
式中 Q——热管传热量，kW；C2
A——蒸气流通截面积，m；
M——马赫数；
C——声速，m/s；
R——蒸气的通用气体常数，kJ/（mol·K）；
T——蒸气的绝对温度，K；
r——汽化潜热，kJ/kg；
K——K=c/c，蒸气的比热容之比。pV
对于水蒸气，K≈1.327，式（3-3）变为
［例题］有一水为工质的热管，内径d=22mm，试计算热管工作i温度T在100℃和50℃时的声速极限。V
解 水蒸气的物性值为：
在T=100℃时，V3
ρ=0.5977kg/mV552
p=1.013×10Pa=1.013×10kg/（m·s）V
r=2382.7kJ/kg
由式（3-4）
在T=50℃时V3
ρ=0.083kg/mV5
p=0.12335×10PaV
r=2257.1kJ/kg
由此可见，只有在较低的温度下，声速极限才可能成为传热的一个限制。
第四节 携带限
吸液芯中从冷凝段回流到蒸发段的液体的一部分，由于蒸气流的流动，将液体携带到冷凝段，因而造成蒸发段吸液芯干枯，引起蒸发段过热，这也是一种限制。
对于重力式无芯热管（热虹吸管），田长霖根据已有的逆流气-液流动系统的液阻经验关系式推荐由下式计算热管的携带极限
式中 σ——表面张力系数；
A——蒸气流道的横截面积，一般可用管内横截面积代替；V
d——蒸气流道的直径，近似等于管的内径；V
B——邦德（Bond）数；0
角标“L”“V”分别代表液体和蒸气。
双曲正切函数tanh值，可由附录7中查出。
由式（3-5）可知，携带极限不但受物性的影响，而且还受管内截面积A影响，Q随管子内径的增大而增大。Vent
对于槽道吸液芯热管，在计算携带极限时通常的液阻关系必须考虑到毛细结构的影响，并作修正，田长霖推荐的计算式为
式中 W——吸液芯结构的特征长度，对于槽道热管，由槽道宽度来表征。
［例题］内径d=22mm的重力无芯热管，工质为水，热管的工作i温度T为100℃，试计算携带极限。V
解 100℃时水和水蒸气的物性值为：3
ρ=0.5977kg/mV3
ρ=958.4kg/mL
r=2257.1kJ/kg-4
σ=588.6×10N/m
由式（3-5）计算-1/4-1/4-2-4
［958.4+0.5977］×［9.8×588.6×101/4（958.4-0.5977）］=3.724kW
由计算可见，Q值较低，对于大功率的热虹吸管，携带极限很ent可能成为热管传热的一个重要的极限。为了提高携带极限的数值，有效的办法之一是加大管径，使A增大。另外，如采用纵向槽道吸液V芯，则可使Q值大大提高。例如，当槽道宽度取0.4mm时，对于上ent面例题给定的条件，由式（3-6）计算的Q=27.6kW，比无芯结构时ent提高了7.4倍。
第五节 毛细限（吸液限）
随着输入热量的增加，由于吸液芯干燥而过热产生的热流量界限，称为毛细限或吸液限。
输入热量的增大，加大了加热段的蒸气压力，结果使液体进入吸液芯内，使吸液芯的一部分暴露在蒸气中。因而，这部分吸液芯过热、干燥出现干枯现象。
对于重力辅助的纵向槽道热管，可将每一槽道看作一个单独的毛细结构。另外，假定下述条件：
① 忽略蒸气流的压力损失；
② 加热段在下，冷却段在上。
最后，得到毛细限传热量的计算式为
μ=ρνLLL
r=1/2Wc
式中 σ——表面张力，N/m；3
ρ——液体密度，kg/m；L
μ——液体黏性系数，kg/（m·s）；L2
ν——液体运动黏性系数，m/s；L
r——液化潜热，kJ/kg；
N——槽道数目；
L——热管长度，m；
φ——热管轴线与重力方向夹角，（°）；
r——槽道水力学半径，m；e
r——毛细半径，m；c
W——槽道宽度，m；2
g——重力加速度，m/s；
第六节 沸腾限
在达到毛细限后，再增大输入热量，在加热段的吸液芯内就会发生沸腾。当沸腾出现后，如进一步加入热量，则在热管内壁上局部被蒸气覆盖着的那些地方会随着温度急剧上升发生热管的熔损，甚至会使热管停止工作。
沸腾限时的输入热量Q可由下式计算boic
式中 R——加热段吸液-流体的热导，R=α·A，kJ/（m·ewewewewK）；
ΔT——发生沸腾时的临界过热温度，K。crit
临界过热温度的计算公式为
式中 T——流体的饱和温度，K；sat
r——气泡的有效半径，m。n
在式（3-9）中，除r之外，其余因子都是沸腾状态时的状态n值。因此，为了求得r，依据沸腾理论导出下式n
式中 r——汽化潜热，kJ/kg：n
σ——表面张力，N/m；
λ——液体的热导率，kW/（m·K）；L3
V——蒸气和水的比容差，m/kg；Lg2
q——蒸发段的半径方向热流量，kW/m。r
利用公式（3-9）计算沸腾限热流量可得图3-1中曲线5—6段。同样，利用上面得到的各极限计算公式，可以得到图3-1中的相应的其他曲线。
第七节 热管内的压力分布
为使蒸气在热管内从蒸发段流向冷凝段，需要有沿蒸气流路的蒸气压力梯度。同样，凝结液从冷凝段返流到蒸发段，也需要有沿液体流路的压力梯度。因此，下面将讨论关于热管内的压力分布及其压力平衡式。
在热管工作时，其内部的蒸气及液体轴向压力分布如图3-2所示。在蒸发段，蒸气空间的蒸气压力和吸液芯中的液体压力间的压力差Δp为E
在冷凝段
式中 p——蒸发段的蒸气压力；EV
p——蒸气段的液体压力；EL
p——冷凝段的蒸气压力；CV
p——冷凝段的液体压力。CL图3-2 热管工作时轴向压力分布
从式（3-11）和式（3-12）可知，为把液体由冷凝段回流到蒸发段所必需的压力差（液体压力损失）Δp可用下式表示L
式中 Δp——毛细压力差；S
Δp——Δp=p-p，蒸气压力差；VVEVCV
由式（3-13）可见，毛细压力差Δp等于液体压力损失Δp和蒸SL气压力损失Δp之和。所以可写成为V
此式是在失重场合的热管工作状态时的压力平衡表达式。在地面上，因为有像重力Δp那样的体积力的作用，如果考虑到体积力gΔp，压力平衡表达式应写成g
式中 Δp——毛细压力差；S
Δp——液体压力损失；L
Δp——蒸气压力损失；V
+Δp——加热段是在上方的场合；g
-Δp——加热段是在下方的场合。g
式（3-15）是热管工作状态时，压力平衡的基本表达式。对于重力式热管（无吸液芯热管）
Δp≥Δp+ΔpgLV
由此可见，热管工作的条件是必须使毛细压力差Δp大于液体压S力损失Δp、蒸气压力损失Δp及重力压差Δp三者之和。LVg
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