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1、热管技术及其工程应用热管的传热极限声速极限：热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发端出口处蒸汽速度可能达 到声速或者超声速，而出现堵塞现象，这时的最大传热量被称为声速极限。毛细极限：热管正常工作的必要条件是 PcapA Pv+ PlA Pg。如果加热量超过了某 一数值，由毛细力作用抽回的液体就不能满足蒸发所需的量，于是便会出现蒸发段的吸液芯干涸，蒸发段管壁温度剧烈上升，甚至出现烧坏管壁的现象，这就是所谓的毛细传热极限。沸腾极限：热管蒸发段的主要传热机理是导热加蒸发。当热管处于低热流量的情况下， 热量的一部分通过吸液芯和液体传导到汽-液分界面上，另一部分则通过自然对流到达汽-液分界面，并形成
2、液体的蒸发。如果热流量增大，与管壁接触的液体将逐渐过热，并会在核化 中心生成气泡。热管工作时应避免气泡的生成，因为吸液芯中一旦形成气泡后，如果不能顺利穿过吸液芯运动到液体表面，就将引起表面过热，以致破坏热管的正常工作。因此将热管蒸发段在管壁处液体生成气泡时的最大传热量称作沸腾传热极限。粘性极限：当蒸汽的压力由于粘性力的作用在热管冷凝段的末端降为零，如液态金属热管，在这种情况下，热管传热极限将受到限制，热管的工作温度低于正常温度时将遇到这种极限，它又被称为蒸汽压力极限。携带极限：当热管中的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面液体撕裂将其带入蒸汽流。这种现象减少了冷凝回流液，限
3、制了传热能力。以下就以氨为工质展开五种传热极限的相关计算，氨的物性参数如下表所示：饱和温度T/K饱和压 力6Pv/10 Pa汽化潜 热hfg/(kJ/kg)蒸汽密 度 p v/(kg/m3)蒸汽粘 度 卩-6v/10 (N s/m2)表面张 力 (T/10-3(N/m)液体密 度 p l/(kg/m3液体粘 度 卩-8l/10 (N s/m2)2400.1022613690.89729.1633.9681.42732500.1649613391.4049.5431.5668.92452600.255291307:2.1159.9329.2:656.12202700.38112733.08610
4、.3126.9642.91972800.5507712374.3810.724.7629.21762900.774131198r 6.07111.0722.4r 615.0157.73001.061411598.24711.4520.2600.2141.03101.4235111311.0111.8618584.6126.0320P 1.8721 11066r 14.5112.2915.9P 568.2113.43302.4196101418.8912.7413.7550.9101.9例：工质氨的热管，直径 =3mm壁厚 =0.3mm长度L=300mm工作温度240K, 有效长度leff为15
5、0mm试确定该热管的传热功率。一、声速极限解：NH 3在240K时的有关物理参数如下:蒸汽密度p =0.8972 kg/m3饱和蒸汽压汽化潜热比热容比分子量通用气体常数蒸汽的气体常数M=17汽腔的横截面积将以上数据带入计算公式中，有Qs,max二 AvohfgPv=0.10226 x 106 Pa hfg=1369X 103J/kgv=4/3=1.33R。=8.314 x 103J/(kmol K)Rv =8.314 x 103 十 17=478.47 J/(kg兀dj兀J3 2Av=(2.2 10 )= 3.8 104463= 3.8 100.8972 1369 101.33 478.47
6、240IL 21.33 1=844.97W声速极限的规律总结如下:、毛细极限解：NH 3在240K时的有关物理参数如下:液体密度36=681.4kg/m液体黏度i=273X 10 N s/m2液体导热系数kl=0.615W/(m K)液体的表面张力系数(T =33.9 X 10N/m蒸汽密度3p =0.8972 kg/m蒸汽黏度v=9.16 X 10 启 N s/m2汽化潜热hfg=1369X 103J/kg有效毛细半径rc=1/(2N)=6.410-5 m最大毛细压力Pc max= =1.06 x103 N/m2 rc垂直方向上的液体静压力2igdvcos =14.69N/m轴向的液体静压力
7、gl sin = 0液体流道的平均半径咕=dv 亠i/2 =1.25 10吸液芯的横截面积Aw=： d： -d： /4 =7.22 10怖吸液芯弯卷系数S=1.05 （经验数据）吸液芯的空隙率 =1- n SNd/4=0.594吸液芯的渗透率2 2K=d厂=4.07 10 吊122(1* )液体的摩擦系数比2Fl=!99.6(N/mi) / (W-KAw -hfg蒸汽腔的横截面积Av=：d：/4=3.8 10m蒸汽腔的水力半径rhv=dv/2=1.110“m阻力系数fv Rev =16蒸汽的摩擦系数Fv= fvRev v =1.5710 (N/韦)/2AvrhtPvhfgF|Fv leff10
8、60 -14.6999.6 1.57 10，0.15蒸发段长度吸液芯的有效导热系数氨的表面张力系数蒸汽密度汽化潜热管子内径蒸汽腔直径汽包临界生成半径le =0.15mme=2.58 W/(mC )(T =33.9 X 10N/m3p =0.8972 kg/m hfg=1369X 103 J/kgdi =2.4 X 10 mdv=2.2 X 10 mrb =2.54 X 10 J m(wm将以上数据带入计算公式中，有-Hgdvcos 二-gl sinQ二 -=69.97W二、沸腾极限解：NH 3在240K时的有关物理参数如下:将以上数据带入计算公式中，有2 3.14 0.15 2.58 240X
9、324)1369S03 x 0.8972 xln i、22 丿*2 x 33.9 x 102.54切0二=1456.83 W沸腾极限的规律总结如下:四、粘性极限解：NH3在240K时的有关物理参数如下:蒸汽密度饱和蒸汽压P =0.8972 kg/m6Pv=0.10226 x 10 Pa汽化潜热hfg=1369x 103J/kg蒸汽黏度6 2% =9.16 x 10 N - s/m蒸汽腔直径dv=2.210mm将以上数据带入计算公式中，有Q vi ,maxdjhfg64 vleffvo P vo Avo323(2.2 10-)1369 1064 9.16 10-0.150.8972 0.1022
10、6 106(2.2 10 )24=26265.89W粘性极限的规律总结如下:70250006525000802000552500050250004525000402000352500030250002S2500020250001525000102500052W00粘性极限25000230 250 270 290 310 330温度/K粘t生极卩艮与温度的关系五、携带极限解：NH 3在240K时的有关物理参数如下:汽化潜热蒸汽密度蒸气流道的的横截面积表面张力系数丝网数目N=7.87丝网直径吸液心表面水力半径将以上数据带入计算公式中，有hfg=1369X 103J/kg3p =0.8972 kg/
11、m2Av=3.8 X 10 “m(T =33.9 X 10N/m3-110 md =6.25 X 10 mrhs = - d =3.225 10m 2N 2Qe,max=AV hfg=3.8 X io sx 1369X io3 x0.8972 33.9 102 |2 3.225 10-5=112.96W携带极限的规律总结如下:ooo Quo 00-00 o-uo -U-O5432109876 54321-携带极限270290310330温度/K携帯极限与温度的关系五种传热极限的规律总结如下:饱和温度/K声速极限/W毛细极限/W沸腾极限/W粘性极限/W携带极限/W2408457014572627011325013207592162278133260197980604136153M54270286685407278130174280402691281534304193290550096196974408；209300735210113916975042243109581106100281781823432012287M10724513979：24233015452113526969503244说明：声速极限的实际数值应为图中相应数值乘以一百，单位为瓦；沸腾极限 的实际数值应为图中相应数值乘以十， 单位为瓦。粘性极限的实际数值应为图中 相应数值乘以一万，单位为瓦。温度的单位为开尔文。
