熱管是壹種充填了適量工作介質的真空密封容器,是壹種高效傳熱元件,主要由管芯、管殼和工質組成。熱管的制作過程是先將管密閉,抽成負壓,在此狀態下充入少量液體工質。熱管的內壁有同心圓筒式的金屬絲網(或其他多孔介質),稱為吸液芯,吸液芯內充滿液體工質,當熱量傳入熱管的蒸發段時,工作介質吸熱蒸發流 向冷凝段,在那裏介質蒸汽被冷卻,釋放出汽化潛熱,冷凝變成液體,然後在多孔吸液芯的毛細力或重力的作用下返回蒸發段,如此反復循環, 通過工質的相變和傳質實現熱量的高效傳遞。 管芯與工質是組成熱管的最重要的兩個部分。管芯壹方面把工質液體分布到整個蒸發段和冷凝段,另壹方面提供冷凝液回流的方式和動力。傳統的熱管研究常常根據熱虹吸管的原理研究重力熱管,而沒有什麽特殊的管芯,只是對管的內部進行壹些清洗或是氧化處理。現在,越來越多的科研機構致力於管芯結構的研究,尤其是毛細結構的管芯,例如絲網均勻管芯、槽道管芯和組合管芯。 熱管中工質的選用要考慮到蒸汽運行的溫度範圍[2],以及工質與管芯和管殼材料的相容性問題。在合適的溫度範圍和相容性的前提條件下,還要根據熱管內工質熱流所受到的相關的各種熱力學限制來選擇工質的種類和充裝量。這些限制有黏性限、聲速限、毛細限、攜帶限和沸騰限等。
熱管的特性
(1)優良的導熱性。由於熱管以潛熱形式進行傳熱,所以和銀、銅、鋁等金屬相比,單位重量的熱管可傳遞幾個數量級的熱量。 (2)具有低熱阻的等溫面。熱管運行時, 冷凝段表面的溫度趨向於恒定不變,如果局部加上熱負荷,則有更多的蒸汽在該處冷凝,使溫度又維持在原來的水平上;同樣,蒸發段也存在等溫面,熱管工作時,管內蒸汽處於飽和狀態,蒸汽流動和相變時的溫差很小,而管壁和毛細芯比較薄,所以熱管的表面溫度梯度很小,即表面的等溫性好。 (3)具有熱流密度變換能力。熱管中蒸發 和凝結的空間是分開的,因此可以實現熱流密度變換,在蒸發段可用高熱流密度輸入,而在冷凝段可以用低熱流密度輸出。反之亦然。 (4)優良的熱響應性。熱管內部壓力很 小,當蒸發端受熱後,蒸汽就以近似於該溫度下 的音速前進。 (5)熱管的結構簡單、重量輕、體積小、維修方便。 (6)熱管沒有運動部件,運行可靠,使用壽命長。
套管式熱管換熱器的工作原理及特性
套管式熱管換熱器結構為兩不等徑的圓管同心相套,又稱其為徑向熱管,這是因為其熱量傳遞方向為徑向。當外管外側為高溫側,內管內側為低溫側時,處於真空狀態的套管間隙內熱側工質受熱汽化膨脹,與冷側工質形成高速對流並在冷側凝結,即當熱量傳入熱管的外管時,工作介質吸熱蒸發,流向冷側,在那裏介質蒸汽被冷卻,釋放出汽化潛熱,冷凝變成液體,然後返回熱側,如此反復循環,通過工質的相變和傳質實現熱量的高效傳遞。 套管式熱管換熱器除了具有常規重力式熱管換熱器的特性外,還具有以下特點。 (1)熱量傳遞方向可以雙向進行,既可以由外向內傳遞,也可以由內向外傳遞;而常規重力式熱管只能由蒸發段傳向冷凝段,不能反向傳遞。 (2)工作時相對重力場方向可以任意擺放, 由垂直到平行角度任意;而常規重力式熱管不能垂直於重力場方向工作。 (3)由於套管式熱管換熱器冷熱兩側熱量傳遞的路程比常規重力式熱管有極大的縮短,傳熱系數增大,所以其兩側熱阻很小,溫差相應也很小。 (4)由於套管式熱管換熱器冷熱兩側熱量傳遞的橫截面積比常規重力式熱管有極大的增加,兩側單位面積的熱負荷可以很大;沒有常規重力式熱管的音速極限、攜帶極限,更無毛細極限和沸騰極限。
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