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1、热管技术的发展概况摘要：热管技术出现于20世纪60年代，并在此后得到了广泛的研究与充分的发 展。本文通过综合现有的资料，简要介绍了热管发展的历程，热管的分类和工作 原理，热管目前的研究进展以及应用举例。希望读者对于其有一个全面充分的认 识。关键词:热管技术发展原理研究现状应用Abstract; Heat pipe technology appeared in 1960s, and thereafter has been widely studied and fully development. By integrating the existing data, I briefly introd
2、uced the history of development of heat pipe in this paper. Meanwhile, I also introduced the classification and the working principle of heat pipe, the research progress and the application of heat pipe. I hope the readers to have a comprehensive understanding of it.一、 发展历程回顾：1964年，世界上第一支热管诞生于美国的洛斯阿
3、拉莫斯(Los A lamos) 科学实验室；1967年该实验室首次将一支实验用水热管送上了地球卫星轨道； 1968年热管第一次用于测地卫星GEOS-II，用来控制仪器的温度。除空间技术外， 在这一时期热管开始相继为电子工业所采用，用来冷却电子管、半导体元件和集 成电路板等电子元件，并应用于机械、电机部件的冷却。20世纪70年代热管应 用于医用手术刀，随后应用的新领域是能源工程。国外用于余热回收和空调的热 管换热器已部分商品化。并开展了热管技术在太阳能和地热利用方面的研究。 1972年我国研制出第一根热管，它是以钠为工质的，接着研制了以氨、水、导 热油为工质的热管。1974年以后，热管在节约能
4、源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视， 人们逐渐开始用热管组成换热器来回收废热，并将其用于工业以节约能源。美国 和日本在这方面所取得的进展最为显著。1980年美国Q-Dot公司生产了使用热 管收集废热的锅炉，日本帝人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器，解 决了排烟的露点腐蚀问题。之后，各国的热管换热器研制工作迅猛展开，回转式、 分离式等新的结构型式相继出现，并日趋工业化、大型化。Cotter在1984年较完整地提出了微型热管的理论，为微型热管的研究与应 用奠定了理论基础。毛细泵回路CPL(Capillary pumped loops)和回路热管系统 LHP(Loop heat pip
5、e systems)以其灵活的额结构、广泛的应用面，以及小温差下的 高传热效率，引起了整个热管界的普遍关注，成为理论研究和应用研究的热点。70年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司及厂 矿均在这方面开展了大规模的研究。国际间、地区间及各国自身的热管技术交流 活动日益频繁，1973年在德国斯图加特(Stuttgart)召开了第一届国际热管会议后， 1976年在意大利的波伦亚(Bologna)召开了第二届国际热管会议，1978年在美国 加尼福利亚州(Palo Alto)召开了第三届国际热管会议，此后1981年在英国伦敦 (London)， 1984 年在日本筑波(Tuskuba
6、)，1987 在法国格林贝尔(Grenoble)，1990 年在前苏联明斯克(Minsk)，1992年在中国北京，1995年在美国新墨西哥州 (Albuquerque)，1997在德国斯图加特(Stuttgart)，1999年在日本东京(Tokyo)分 别召开了第四至十一届国际热管会议。除此之外，中日双方从1985年至1994 年分别召开了四届双边及多边热管技术研讨会，1996年在澳大利亚墨尔本 (Melboume)召开的多边会议正式发展为国际热管技术研讨会。热管自1964年正式在美国发明问世，至今已有40多年的历史，作为一种 新的传热元件，已不年轻，但作为一项传热技术，则仍处于幼儿时期。目前
7、关于 热管的理论研究逐渐受到冷遇，而应用技术的研究正不断上升，同时新的应用专 利也不断出现。热管应用的重点由航天转移到地面，由工业化应用扩展到民用产 品。目前国际发展最快的热管技术为微型热管技术，微型热管的管径通常只有 12mm，且具有各种形状和尺寸，用于冷却电子装置的芯片、笔记本计算机的 CPU、大功率晶体管、可控硅整流器、复印机内发热元件、电路控制板和印刷电 路板(PCB)。这些热管的市场目前被日本及美国3家大公司所垄断。美国的热管 换热器应用近两年呈上升趋势，主要应用于家用空调。值得注意的是热管元件及 热管换热器产品的标准系列正在不断完善，这将给大规模推广应用带来极大方便。 我国的热管技
8、术开发研究一开始就具有明确的目标，即为工业化服务，因此重点 在于开发碳钢-水热管换热器。经过30年的努力，我国的热管技术工业化应用已 处于国际先进水平。目前，气-气热管换热器、热管蒸汽发生器等热管节能产品 已广泛用于冶金、石油、化工、动力及陶瓷等工业领域。1随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也将不断拓宽。新能 源的开发，电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却以及大功率晶体管、可控硅 元件、电路控制板等的冷却，化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高 效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展。二、热管技术的原理2. 1基本结构热管一般的主要组成部分为管壳、吸液管(管芯
9、)、与工作介质。管壳一般采用不锈钢、铜、碳钢等金属材料作为主要材料，构成一种封闭式 的结构。它要能够很大的压力，同时也要具有良好的导热性。吸液管紧贴管壁， 是冷凝液体回流的装置，通常由孔多毛细的结构材料构成。工作介质存在于热管 的内部空腔，是工作状态下传递热量的物质，一般为甲醇、丙醇、水、氨等，不 包括管内可能存在的空气或者其他杂物。工作介质在工作时处于液相与气相两种 状态，一般在热管处于真空状态时被填充进去。2. 2基本原理按照工作原理与介质的不同，热管一般可以分为两类:物理热管和化学热管， 我们传热学研究的主要是物理热管。下面我将对两种热管的工作原理作基本的介 绍。A）物理热管物理热管主要
10、是利用工作介质的物理相变（蒸发、凝结）来传递热量。如图 2.1所示，热管一端为蒸发段，中间一段为绝热段（即与外界无热交换），另一 端为冷凝段。处于液相的工作介质在蒸发段吸收热量，并迅速气化，经绝热段到 达凝结段。凝结段处的温度较低，可以使气相的工作介质在此处发生凝结换热， 并迅速液化。液化后的工作介质沿吸液管流回到蒸发段（毛细作用）。因为管芯 的作用，所以蒸发段和冷凝段的位置可以随意布置，不一定必须蒸发段在下，冷 凝段在上。图2.1毛细管式热管示意图1管壳；2管芯；3蒸汽腔；4工作液以上是毛细管式热管的工作原理，还有一种热管叫重力式热管，又叫两相热 虹吸管。它是热能工程中应用最广泛的一种热管，
11、可以不用管芯，而是利用凝结 段液态工质自身重力沿热管内壁下流到蒸发段。主要的工作过程历经下面四个方 面：1）热量被吸收在蒸发段。2）流体沸腾汽相。3）热释放从筒上部环境；蒸汽冷凝液相。4）液体在重力作用下的筒体下部（蒸发段）。由于内部没有吸液管，所以工作介质液态时在重力的作用下只能从管上方流向下方，而不能从管的下方流向上方，如此就保证了传热的单向性。重力式热管 在许多大的工程中都有所应用，其中最著名的是用于提高青藏铁路多年冻土地基 稳定性。2.1重力式热管示意图重力式热管是青藏铁路多年冻土地区稳定路基最常用的措施之一。其最早在 俄罗斯及我国东北的输电设备上进行试用，因为这种热管的特点是内部没有
12、吸液 芯，这就使得其单向导热性，即热量只能沿重力相反方向传递，而沿重力方向的 导热能力很差。在青藏铁路沿途，将热管的将热管的一部分插入地下作为蒸发 段，上部露在环境中，作为冷凝段。冬天，环境温度低于冻土层温度，地下的热 量加热插入地下的热管，使其内部的工作介质汽化，在蒸汽压的作用下向上部冷 凝段流动；在冷凝段，由于温度比较低，蒸汽遇冷凝结，凝结液在重力的作用下 回到蒸发段，进行下一个循环。如此不断工作，将地下的热量带走。而夏天，环 境温度比较高，由于热管内部没有吸液芯，工作介质不能从下面流到蒸发段，所 以此时的热量只能依靠管壁的热传导。正是由于热虹吸管的这个特点，在冬天它 可以使地下的永冻层变
13、厚，加固了冻土，减小了以冻土为路基的铁路在运行时的 下沉。在冻土层，没有应用热管时，其内部的冷冻和融化完全依靠冻土本身的传 导，在冬天冻土得不到充分的冷冻，冻土层的温度只有-2。3，当夏天温度高于 0C时，很容易融化。而在放置热管后，冻土层的冷冻过程变成了二维的导热过 程，其内部增加了一个近乎等温度冷源，可以把从地面到地下5 -6m近热管壁土层的温度变成-20C，强化了冻土层的冷冻过程。而在夏天又不会明显增加融 化过程，这样冬天形成的冻土层在夏天的厚度和硬度就比没有热管时要大得多， 从而加固了路基（如图2.3所示）。图2.3热管加固冻土路基原理示意图B）化学热管1-反应蒸发段（器）2-反应冷凝
14、段（器）3-绝热导液段（管）4-绝热导汽段（管）5-热源6-热汇图2.4化学反应传热原理图如图所示为化学反应传热的基本原理图，化学反应A + B=G + R-Q应为正 向吸热逆向放热的可逆化学反应。为了保证系统的正常工作，必须保证以下几点:（1）化学反应是可逆的，且正逆反应都具有相当大的速度；（2）在工作温度、压力条件下反应物A、B应处于液相状态，生成物G、R应 处于汽相状态。即反应物A、B的沸点要比生成物G、R的沸点高；（3）反应热足够大，至少应和相变热有相同数量级。（4）生成物G、R的物理性质应接近或相同。当化学反应满足上述的条件时，就可以保证在工作状态下A、B始终处于液 态，G、R始终处
15、于气态。蒸发段吸热后，A、B发生化学反应，生成G、R，所产 生的气相工质在系统压差的作用下，由绝热导气管输送到反应冷凝段。由于反应 是可逆的，所以在冷凝段，G、R发生化学反应生成A、B，并且放出相应的热量。 如此一个循环，完成热量的传递与转移。熟,输入, 吸液芯 液握反应蒸发段反应游段2.4化学热管的示意图如图2.4所示为化学热管的示意图。我们看出其基本架构同物理热管是相同 的。但是对其中的工质和蒸发段与冷凝端的温度有着严格的要求。即一个有效的 化学热管的热力学体系需要选择相匹配的热源温度和热阱温度。例如，对于 1000K和1300K之间的热源温度，甲烷重态流体被证明是有效的，而逆向的甲烷 化过程大约发生在700K。图2.5反应了不含固相的各种蓄热反应中反应物在1 个大气压下单位重量的标准焓变化值。吸尊f1 蔡热反应（”）放热反应温度（K）.焦耳/克仙用合成90溶分解CFL + FL MCO(g)十7365 W77K10G0GHJr)牛 C,Hm)+HE)455984112052 co(g)+ 202477A1152CHiOHI)5CO(g)+ 2 HKg)40073454342NHi(l)JNz()+3H4g)3864ZNH3(g)=5NKg) + 3 HXg)27003455网C*4Ng）=Cs成包）3压包）24494叫
