第四節(jié)　熱管的特點

熱管是一種新型的傳熱元件，無論什么形式的熱管都是一個換熱元件或利用換熱進行控制或開關的元件。除了控制或開關用的熱管元件之外，熱管的絕大多數(shù)是換熱元件。熱管作為換熱元件與其他形式的換熱元件相比有如下幾方面的特點及優(yōu)缺點。

一、傳熱系數(shù)高

熱管的熱傳導能力強就是因為熱管的熱導率高。

對于傳熱元件來說，傳熱系數(shù)K是個重要的技術經(jīng)濟指標。在氣-氣換熱的情況下，我們可以拿熱管與常用的傳熱元件——光管和翅片管進行比較，可以在相同的傳熱面積和傳熱溫差下，比較它們之間的傳熱系數(shù)與傳熱量的大小。在這種情況下對上述三種換熱元件的傳熱系數(shù)進行了計算，并將計算結果列入表1-1中。

通過表1-1中數(shù)值的比較可以看出：在氣-氣換熱的情況下，熱管最優(yōu)，其傳熱系數(shù)為光管的10倍以上，為翅片管的6倍以上。

二、傳遞熱量大

熱管傳遞的熱量，是指管內(nèi)加熱段液體吸熱變?yōu)檎魵獾钠瘽摕崃浚侥Y段蒸氣又變?yōu)橐后w放出的潛熱量。這種吸收或放出的潛熱量是相當大的，比不是靠相變吸收或放出熱量的元件要大得多。

熱管在軸向傳遞熱量的大小可和同尺寸的銅棒傳遞熱量(導熱)的大小相比較，如圖1-4所示。圖中所表示的熱管和銅棒的直徑都為φ12.7mm，長度都是300mm。盡管銅的熱導率為350～400W/(m·℃)，僅次于銀，但由圖1-4中可見，銅棒要在很大的溫差下才能傳遞一定的熱量，而熱管在很小的溫差下就可以傳遞很大的熱量。

如銅棒在100℃溫差下才能傳遞30W的熱量，而熱管在幾度的溫度下就可以傳遞上百瓦的熱量。實驗證明，熱管有極高的熱傳導能力，與金屬良導體相比，其導熱能力要高許多倍，因此，熱管有近超導體之稱。熱管的傳遞熱量的強度約為良導體的103倍，有時可達104倍左右。

三、等溫性能好

在熱管內(nèi)的傳熱過程，由于是相變過程，再加上管內(nèi)工作流體的純度很高，因此，熱管內(nèi)蒸氣的溫度基本上是恒溫的。對一般工業(yè)上余熱回收熱管來說，管內(nèi)有縱向槽道毛細結構的、長2m左右的熱管，在兩端測量其管內(nèi)蒸氣溫度的溫度差不超過5℃，有的情況下只差2～3℃，如圖1-5所示。圖1-5中所表示的曲線是在各種冷卻風速(W)下測得的，在高風速(3.3m/s)下，測得熱管內(nèi)兩端的溫差較大些，但是在低風速(1.0m/s)下測得的溫差就很小。不管在哪種風速下都可明顯地看出，熱管內(nèi)的溫差是很小的。這一點與其他傳熱元件相比是一個很大的優(yōu)點。

四、溫度范圍廣

熱管能適應的溫度范圍和各種熱管的具體結構，與采用的工作流體和熱管的環(huán)境工作溫度等有關。目前熱管能適應的溫度范圍一般為-200～2000℃，可見，熱管所適應的溫度范圍是非常廣的，這樣的溫度范圍是任何其他傳熱元件所難以達到的。由于熱管適應的溫度范圍非常廣，一般習慣地分成幾個溫度區(qū)域。通常工作溫度在350℃以上，屬于高溫熱管；工作溫度在200～350℃的屬于中溫熱管；工作溫度在200℃以下，可視為低溫熱管。工作溫度對工作流體和熱管管殼，吸液芯材料的選擇有決定性的影響。一般是根據(jù)熱管工作環(huán)境溫度的高低，首先確定工作流體，然后根據(jù)工作流體考慮到其化學相容性來確定管殼和吸液芯的材質。常用的工作流體和與其適應的工作溫度范圍列于表1-2中。

五、熱管其他方面的特點

熱管除了上述一些特點之外，還具有其他一些特點。如構造簡單、無運動部分，工作可靠、重量輕，在失重的情況下也能很好地工作，把熱管應用到兩種流體之間換熱可以做到兩種流體互不滲混。

熱管不論多大、多長，每一只都是一個獨立的換熱元件。如組成一個換熱器或裝置，可以根據(jù)現(xiàn)場的情況和設計計算的情況，取任意根數(shù)進行組合。對每一根熱管都可以進行任意拆換。

熱管的工作是安全可靠的。因為選用合適的工作液體，熱管工作在合適的溫度下，一般熱管內(nèi)的工作壓力都在常壓左右。有的熱管裝有某種工作液體在較高的溫度下工作，在管內(nèi)會產(chǎn)生一定的高壓，這時應對熱管進行強度計算，如果強度夠了，熱管在工作時是不會出現(xiàn)什么問題的。

對熱管來說，哪一端接觸高溫流體，哪一端即是加熱段；同樣，哪一端接觸冷流體，哪一端就是冷凝段。這就是說，熱管傳遞熱量的方向完全取決于外界條件。

由熱管內(nèi)裝有工作液體的物理性質決定，當外界溫度低于管內(nèi)工作液體的熔點溫度時，熱管就會自動停止工作，即可起自動停車的作用，實現(xiàn)自動控制溫度。

熱管雖然具有許多的優(yōu)點，但是，也存在以下幾個方面問題。

(1)由于熱管的直徑較小，一般在φ30mm左右，所以，長度就不能太長，一般為2000mm左右。這樣長度的熱管是滿足不了工業(yè)上的要求的。另外，現(xiàn)在一般應用單根熱管所傳遞的熱量一般只有2kW左右，也滿足不了換熱或散熱的要求。由于單根熱管所能傳遞的功率還比較小，因此，每臺熱管換熱器熱管的根數(shù)還是相當多的。所以進一步研究提高單根熱管傳遞的功率是很有意義的。

(2)現(xiàn)在常用工作液體的工作溫度范圍還很窄，如工作液體水是很理想的一種工質，但其環(huán)境工作溫度范圍太窄了。一旦熱管加熱段溫度和熱量增高，由于熱管內(nèi)工作液體壓力增高的速度很快，容易使熱管破裂。

(3)目前，熱管在比較高的溫度下工作，還存在腐蝕問題和工作液體不穩(wěn)定的問題等。