热管技术的发展大概情况 -.docx

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1、热管技术的发展大概情况-热管技术的发展大概情况摘要：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，扼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:Heatpipetechnologyappearedin1960s,andthereafterhasbeenwidelystudiedandfullydevelopment.Byintegratingtheexistingdata,Ibrieflyintroducedthehisto

2、ryofdevelopmentofheatpipeinthispaper.Meanwhile,Ialsointroducedtheclassificationandtheworkingprincipleofheatpipe,theresearchprogressandtheapplicationofheatpipe.Ihopethereaderstohaveacomprehensiveunderstandingofit.一、发展历程回首：1964年，世界上第一支热管诞生于美国的洛斯阿拉莫斯(LosAlamos科学实验室；1967年该实验室初次将一支实验用水热管送上了地球卫星轨道；1968年热管

3、第一次用于测地卫星GEOS-，用来控制仪器的温度。除空间技术外，在这一时期热管开场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，热管在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视，人们逐步开场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获得的进展

4、最为显著。1980年美国Q-Dot公司生产了使用热管采集废热的锅炉，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、分离式等新的构造型式相继出现，并日趋工业化、大型化。Cotter在1984年较完好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(Capillarypumpedloops)和回路热管系统LHP(Loopheatpipesystems)以其灵敏的额构造、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门。70年代以来，热管技术飞速

5、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、地区间及各国本身的热管技术沟通活动日益频繁，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(PaloAlto)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)，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

6、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。目前关于热管的理论研究逐步遭到冷遇，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

7、的管径通常只要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。我国的热管技术开发研究一开场就具有明确的目的，即为工业化服务，因而重点在于开发碳钢-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

8、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21基本构造热管一般的主要组成部分为管壳、吸液管管芯、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，构成一种封闭式的构造。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，通常由孔多毛细的构造材料构成。工作介质存在于热管的内部空腔，是工

9、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基本原理根据工作原理与介质的不同，热管一般能够分为两类：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，能够使气相的工作介质在此处发生凝结换热

10、，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。由于管芯的作用，所以蒸发段和冷凝段的位置能够随意布置，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，能够不用管芯，而是利用凝结段液态工质本身重力沿热管内壁下流到蒸发段。主要的工作经过历经下面四个方面：1热量被吸收在蒸发段。2流体沸腾汽相。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，由于这种热管的特点

11、是内部没有吸液芯，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2。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，由于温度比拟低，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，环境温度比拟高，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，在冬天它能够使地下的永冻层变厚，加

12、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，冻土层的温度只要-23，当夏天温度高于0时，很容易融化。而在放置热管后，冻土层的冷冻经过变成了二维的导热经过，其内部增加了一个近乎等温度冷源，能够把从地面到地下5-6m近热管壁土层的温度变成-20，强化了冻土层的冷冻经过。而在夏天又不会明显增加融化经过，这样冬天构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，进而加固了路基如图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-反响蒸发段器2-反响冷凝段器3-绝热导液段管4-绝热导汽段管

13、5-热源6-热汇图2.4化学反响传热原理图如下图为化学反响传热的基本原理图，化学反响ABGRQ+-应为正向吸热逆向放热的可逆化学反响。为了保证系统的正常工作，必须保证下面几点：1化学反响是可逆的，且正逆反响都具有相当大的速度；2在工作温度、压力条件下反响物A、B应处于液相状态，生成物G、R应处于汽相状态。即反响物A、B的沸点要比生成物G、R的沸点高；3反响热足够大，至少应和相变热有一样数量级。4生成物G、R的物理性质应接近或一样。4当化学反响知足上述的条件时，就能够保证在工作状态下A、B始终处于液态，G、R始终处于气态。蒸发段吸热后，A、B发生化学反响，生成G、R，所产生的气相工质在系统压差的

14、作用下，由绝热导气管输送到反响冷凝段。由于反响是可逆的，所以在冷凝段，G、R发生化学反响生成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。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一样的。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，甲烷重态流体被证实是有效的，而逆向的甲烷化经过大约发生在700K。图2.5反响了不含固相的各种蓄热反响中反响物在1个大气压下单位重量的标准焓变化值。5图2.5不含固相蓄热反响的标准

15、焙变数据三、热管技术的重要特点与常规热管换热技术相比，热管换热器技术之所以能不断遭到工程界欢迎，是因其具有如下重要特点：热管换热设备与常规换热设备相比，具有更安全、可靠、可长期连续运行的优点。这一特点对连续性生产的工程，如化工、冶金、动力等具有十分重要的意义。常规换热设备一般都是间壁换热，冷热液体分别在器壁的两侧流过，如管壁和器壁之间发生泄露，则将造成停产损失。而由热管组成的换热设备，则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷液体，而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时毁坏，所以大大加强了设备运行的可靠性。热管管壁的壁温能够调整，这在低温余热回收或热交换中是相当重要的，

16、由于能够通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点以上，进而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。例如在锅炉尾部的热管空气预热器，由于能调整管壁温度，不仅能防止烟气结露，而且子也避免了烟灰在管壁上粘结，保证锅炉的长期运行，并提高了锅炉效率。冷热段构造和位置布置灵敏。由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分构造设计和位置非常灵敏，可适应于各种复杂的场合。由于构造紧凑占地空间小，因而十分合适于工程改造及地面空间狭小和设备拥挤的场合，且维修工作量小。四、热管换热器的分类由多支热管元件组成的换热设备叫热管换热器。热管换热器应用广泛，种类繁多，可从下述不同的角度进行分类：按冷源、热源的换热机理分

17、类：对流对流型1.气气型热管换热器2.气液型热管换热器3.气汽型热管换热器4液液型热管换热器辐射对流型1.太阳辐射水汽型热管换热器2.高温固体水汽型热管换热器导热对流型1.移动床式热管换热器2.冻土蓄冷式热管换热器按温度范围及相应介质分类：1.高温热管换热器：汞热管换热器；钠热管换热器等。高温热管是指工作温度在700K以上的热管，用银做工质的最高工作温度能到达3000K。高温热管的工质均是液态金属。汞可在500900K内使用，并具有很好的热力性能。汞在常温下是液态，所以比其他金属容易充装，但汞有毒且又不能很好地湿润吸液芯，所以没有得到广泛应用。温度再高一些，常用的工质有铯、钾、纳、锂等。高温热

18、管的传热能力比中低温热管大得多，径向热阻比中低温热管小得多，所能到达的最大径向热流密度也要高得多。2.中温热管换热器：萘热管换热器；水热管换热器等。中温热管是指工作温度在200700K范围内的热管。这是目前使用最广泛的一类热管。在此温度范围内，水的热性能最好。这种热管能在350500K温度下使用，缺点是水与铝、钢等常用工程材料不相容，只能与铜长期相容，而且其凝固点高，因而限制了它的使用。近年来通过大量的研究在钢-水相容性方面获得了进展，钢-水热管在余热回收方面得到广泛应用。在200350K范围内最佳的工质是氨，其热性能仅次于水。能与铝、钢等常用工程材料长期相容，其凝固点也低，因而在卫星、飞船上

19、得到广泛的应用。在300400K范围内常用的工质是甲醇、F-11、F-21、F-113等。其中甲醇的热性能仅次于氨，有良好的控制灵敏度。在500700K范围内适宜的工质不多，目前常用的是联苯等。这一温区对于热能回收、化工经过有很大意义，但寻找适宜的工质仍然是一个重要课题。3.中低温热管换热器：丙酮热管换热器；甲醇热管换热器等。4.低温热管换热器：氨热管换热器；致冷剂热管换热器等。低温热管是指工作温度在4200K范围内的热管。用氦做工质，能够在4K下面工作。氢和氖能够在2030K范围内使用。温度再高一些，可用的工质有氮和氧。在100200K范围内常用的工质有甲烷、乙烷、F-13等。低温工质的特点

20、是传输系数均很小，毛细升高系数也很小。它们与一般的工程材料均能相容，但用氢作工质时需注意氢脆问题。6按用处进行分类1.热管空气预热器；2.热管省煤器；热管换热器；3.热管余热锅炉；热管蒸汽发生器；4.热管式太阳能集热器；5.热管式蒸汽冷凝器等。按工作介质的组成分类按介质组成可分为:介质化学成分均一的单组分热管；介质为两种以上物质的混合物的多组分热管；以及管内除工质外同时还含有一定数量不凝结气体的充气热管。多组分介质热管的一个特点是有沿着管长将组分分开的可能，由于沿着管长的各个区段能够构成不同的温度段。通常介质组分的蒸汽压力差越大，温度差也越大。在极限情况下，当工作温度超过其中一个组分的临界温度

21、时，则此组分就以不凝性气体的形式存于管中。气体积聚在冷凝段的末端并构成一个明显的不等温区。不等温区的长度通常正比于气量而反比于热管中的蒸汽压力。改变管中的气量能够控制不等温区的长度、排热面积，并且能够调节对应管段的温度。当热量传递改变时能自动调整工作温度是充气热管的一个重要特性。按外部构造分类从外部形态看，热管有很多式样，不同的形式是为了知足不同的需要。外部形式的多变性和灵敏性是热管得到广泛应用的一个重要原因。目前，在实际应用中出现的比拟多的有下面几种:(1)圆柱形;(2)环形；(3)星形；(4)长挠性形；(5)传热面积随着螺旋松开而改变的挠性螺线管形；(6)蒸汽室形；(7)平板形；(8)分离

22、式热管。五、热管研究现状近些年，热管的发展获得了长足的进展。目前主要有三种主要技术：平板型热管技术，环路热管技术和脉动热管技术。71、平板型热管技术平板型热管由两块平行的板壳和吸液芯制成，通道截面为扁平的矩形。目前，出现了由多个微型热管平行排列组成的新兴平板型热管，其原理是在两块平行的紫铜板中间焊接若干相互平行的细铜丝，每两块相邻的铜丝和上下两块紫铜板之间构成一个通道，通道截面由两条半圆曲线和两条平行直线构成。图5.1平板型等温热管这种热管技术在1969年由Feldman初次提出，并获得专利。随后，Edelstein提出了一种平板式可控热管。后Ooijen等则采用数值计算的方法，研究了有绝热顶

23、板的平板热管中的蒸汽流动情况，这是平板热管由经历设计制造到理论分析研究的开端。K.Vafai和W.Wang8研究了非对称平板式热管中的流动和热传输特性，初次采用积分方法研究了平板热管中的压力场、速度场。C.B.Sobhan9等建立了平板热管的瞬态计算模型。2003年张丽春10等人对内部蒸汽通道相互连通的微细矩形槽道构造的不锈钢-水、铜-水热管的传热性能，进行了较全面的实验研究，得到微型热管的最佳充液率范围、当量导热系数和热管的传热能力。2006年清华大学、岂兴明等人以丙酮、乙醇和水为工质，对小型平板热管在充液率为20%90%的传热性能进行了实验研究。测量了热管蒸发段和冷凝段管壁、加热和冷却风道

24、进、出口截面等处的温度分布，计算了传热量和传热系数。得出该平板热管以乙醇为工质时的传热q为l617kW/m，最佳充液率为50%，并给出平均传热系性能最好，传热极限max数综合关联式。2006年中国科学院广州能源研究所唐琼辉11等人对一种新型的平板式微热管-零切角曲面微热管进行了实验研究。并且通过实验得出如下结论:微热管总热阻的主要变化因素是冷凝段热阻和蒸发段热阻；与相应的无工质平板式换热器相比，实验件主要热阻变为热沉热阻,蒸发段和冷凝段热阻所占比例较低。同传统的一维轴向传热的热管相比,平板型热管中工质蒸发,蒸气轴向传热,蒸发区域相应增大,热管管壁的温差相应减小,起动愈加迅速,稳定后热管的管壁均

25、温性也较好；并且拥有拥有更轻的质量，这使得其在电子元件的散热方面具有重要的应用。2、环路热管技术环路热管(LoopHeatPipe,下面简称LHP)是一种新型的热控技术，经过三十年的发展，逐步开场应用于空间飞行器的热控上，有希望成为将来高功率卫星的热控制的有效手段。前苏联和俄罗斯在这一方面率先进行了研究。1989年,前苏联在GRANAT第一次搭载LHP实验装置，进行了LHP的寿命实验及可靠性性能实验，获得良好的效果；1995年，俄罗斯在ObzorMis2sion中第一次把LHP技术应用到飞行器的热控制上；随后，在1997年；美国在航天飞机(STS.87进行了LHP的空间实验；1999年，美国在

26、HughesHS702上初次将LHP回路应用于展开式辐射器；LHP还在俄罗斯的Mars.96、中国的FY.1得到应用。图5.2环路热管示意图及实物图从LHP的构造原理上看，LHP的运行温度是由液体补偿器的温度控制的，因而，能够控制与调节液体补偿器的温度来控制回路的工作温度。Michael等根据LHP回路的P-T图提出了LHP温度控制的几种方法，包括主动控制与被动控制，并介绍了LHP温度控制的基本原理。我国的LHP技术经太多年的发展，已开场在我国自行研制的卫星上应用。苗建印等人在模拟空间环境条件下进行LHP性能实验，进行了LHP在小功率启动、低温条件下的稳态运行、液体补偿器对LHP的温度控制等项目，获得圆满成功；中山大学裴念强，郭开华等人提出一种新型的主动式环路热管(ALHP)该环路热管系统，该系统采用泵代46替了传统的毛细力驱动，通过控制储液罐的温度调节整个系统的压力。LHP是目前发展较为成熟的采用两相流技术的流体回路，具有广阔应用前景。它不仅能够用于仪器设备的直接热控制，可以作为航天器中小型可展开式辐射器的传热元件。LHP在空间工程上的广泛应用对航天器热管理的优化具有重要意义。3、脉动热管技术