第二節　熱管的結構原理

熱管從縱向來看可以分為三段，即蒸發段、絕熱段和冷凝段，如圖1-2所示。有時也把熱管的加熱段叫做蒸發器，冷凝段叫做凝結器，絕熱段叫做傳送段。傳送段作為流體的通道，把蒸發器(熱源)與凝結器(冷源)分隔開。熱管的絕熱段的長度可以很長，也可以很短；其材料可以與管殼一樣，也可以不一樣；可以是剛性的，也可以是柔性的。這樣使熱管能適應布置任意需要的幾何形狀，這樣的熱管稱為分離式熱管。但是，工業上節能熱管和余熱利用熱管的絕熱段是比較短的，只是管殼的一小段。但是，這很短的一段絕熱段仍然把加熱段與冷凝段分隔開，而且在此處還得把通過加熱段的熱流體與通過冷凝段的冷流體分隔開。所以，熱管的密封環都放在絕熱段里，顯然，熱管膨脹的相對死點也應該在這里。

從熱管的徑向方向來看也可以將熱管分為三個組成部分，即管殼、吸液芯和蒸氣空間。對一般熱管來說，熱流體從熱源來至熱管總要先經過管殼。如果把熱管傳送能量的過程假設成一條熱流線的話，那么這條熱流線的途徑一定是先經過管殼、吸液芯、蒸氣空間，然后再由蒸氣空間經吸液芯和管殼離開熱管。在氣-氣熱管換熱器中的熱管為了增加其換熱能力一般都是帶有翅片的，如圖1-2所示。下面分別敘述一下熱管的各組成部分及其作用。

一、管殼

管殼通常做容器，容器的機械作用是封閉熱管中的工作流體，并且增加結構的剛性。因為管殼內的工作壓力與管殼外的環境壓力之間相差很大，因此，管殼必須能承受壓力差而不至于變形或破裂。管殼除了承受壓力差之外還是熱流體的一段必經之路。因此，管殼熱阻的大小也是影響傳熱的重要一環。從承受壓力差的角度而言，要求管殼壁厚一些好；而從傳熱的角度而言，要求管殼壁薄一些好。

目前，熱管采用金屬圓管，一般外徑的范圍為φ25～42mm，管殼壁厚為1.5～3mm。用相應尺寸的端蓋通過焊接封住管子的兩端。平時要防止空氣漏入管內，以免管內的真空遭到破壞。熱管工作時，管內要產生很高的溫度，即工質的飽和蒸氣溫度，相應要產生很高的壓力，即工質的飽和蒸氣壓力，飽和蒸氣壓力與飽和蒸氣溫度是以一定的關系聯系著的。如以水為工質的熱管，在管內溫度為250℃時，其相應的壓力為40.56kgf/cm2，這么高的壓力就要由管殼來承受了。管殼材料要根據熱管使用的溫度范圍和工作液體的性質來綜合考慮加以選定，一般管殼的材料有鋁、銅、鋼和不銹鋼等。

目前在工業上節能常用的低溫、中溫范圍以水為工質的熱管，其管殼一般常用鋼-銅復合管。這里，銅做襯套，它一般有兩個用途：①用銅作襯套把工質水和管殼鋼分隔開來，因為銅與水是化學相容的，而水與鋼是化學不相容的；②在以銅作襯套的內壁上拉毛細結構槽道比較方便。如在較低環境溫度工作的熱管其管材可以選為全銅管材，但這時熱管管殼的溫度一般不超過220℃。如熱管工作的環境溫度再低時，可以選用鋁作為管殼材料。如在以水為工質的工作液體中加入了緩蝕劑，可以使這種水溶液與鋼長期在高溫接觸下不起或基本不起化學反應，不產生或基本不產生不凝氣體。這時可以選無縫碳鋼管作為管殼材料，這可使熱管的重量和造價等指標有所下降。如熱管的環境工作溫度很高，這時不僅工質要換，而相應的管殼材料也要換。如鈉熱管，其工質為鈉，這時的管殼材料就要采用不銹鋼了。管殼的材質、薄厚的選擇不僅要從承受壓力、減小熱阻，還要從價格的高低加以綜合考慮，對一般工業上應用的熱管換熱器來說，其成本的高低也是非常重要的，這幾方面總是有矛盾的。因此，需要選擇一個相對滿意的厚度和材質。對有翅片熱管的強度的薄弱環節不是在中間，而是在兩端蓋的焊接處。因此，管殼可以選得薄一些，在兩端蓋焊接處可以設法加強。

二、吸液芯

帶吸液芯的熱管內工質的流動是利用毛細結構來保證的。對吸液芯的主要要求是要起到一個毛細泵的作用。在熱管管殼內壁安放金屬絲網、多孔金屬，以及在內壁上面拉上槽(軸向槽或周向槽道等)，都能起到一個毛細泵的作用，都能將工質從冷凝段輸送到蒸發段。如以多孔物質作為吸液芯，吸液芯內被許多任意相互連接的細小毛細管通路所充滿。吸液芯通常是緊貼或者擠壓在容器內壁上，利用液體的表面張力從凝結段將液體送回到加熱段。如吸液芯是由低熱導率的工質浸透，吸液芯與流體層通常在熱流線路上出現較大的阻力。因此，在選擇吸液芯時，考慮導熱性質及流體的傳輸性質是必要的。

三、蒸氣空間

熱管內蒸氣空間是作為蒸氣輸送能量的通道。蒸氣是否能在蒸氣通道中高效率地傳遞能量呢?一般來說是沒有問題的。但是，進一步說也有許多因素影響著蒸氣的流動，影響著蒸氣對熱能的輸送。在蒸氣空間里蒸氣的流動是一個復雜的流動。熱管里面工作液體的流動是很復雜的雙相流動。

四、翅片

一般在工業上應用的熱管，特別是氣-氣換熱器熱管無論是加熱段或冷凝段，在管殼的外表面都繞上翅片或串上翅片，這樣做是為了增加熱管的傳熱能力。一般加上中等高度的翅片，熱管的翅化比，即翅片表面積與光管外表面積之比值，一般在6～10之間。這樣就可以大大提高熱管的傳熱能力。

一般取：翅片高12.5mm，翅片厚度0.5～1.0mm，翅片間距3～20mm，材質為08號鋼。