热管技术及其工程应用

1．绪论
  1-1热管的发展及现状
  1.2热管工作原理
  1.3热管的基本特性
  1.4热管的分类6
  1.5热管的相容性及寿命
  1.6热管技术及特点
    1.6.1热管技术t
    1.6.2热管技术的重要特点
  参考文献
2．热管及热管理论
  2.1热管理论
    2.1.1 Cotter理论的基本内容
    2.1.2毛细压力与热管最大长度
    2.1.3热管内液体的流动压降21
    2.1.4热管内蒸汽的流动压降23
    2.1.5热管内汽·液交界面压差与质量流之间的关系式-25
    2.1.6热流量和质量流量之间的关系27
    2.1.7Cotter理论小结
  2.2热管的传热极限
    2.2.1黏性极限
    2.2.2声速极限
    2.2.3携带极限
    2.2.4毛细极限45
    2.2.5冷凝极限58
    2.2.6沸腾极限59
    2.2.7连续流动极限
    2.2.8冷冻启动极限．    66
  2.3两相闭式热虹吸管67
    2.3.1  两相闭式热虹吸管内部的传热分析67
    2.3.2两相闭式热虹吸管的传热极限73
    2.3.3两相闭式热虹吸管的不稳定振荡现象。76
    2.3.4充液量与倾角对两相闭式热虹吸管传热的影响80
    2.3.5具有内插件的热虹吸管i-．82
  2.4旋转（回转）热管．    86
    3.1.2不锈钢、低合金钢．碱金属热管寿命试验l36
    3.1.3热虹吸管的强化传热试验研究139
    3.1.4碳钢·水热管换热器传热性能试验研究14l
    3.1.5旋转热管研究143
    3.1.6萘热管试验．．    ．．147
    3.1.7液态金属热管试验研究l55
    3.1.8汞热管的试验研究l55
    3.1.9钠热管的传热极限研究l 59
    3.1.10液态金属热管大功率传热试验m163
    3.1.11钠热管内的钠水反应169
  3.2热管设计一    ．．1 73
    3.2.1  工作液体的选择．．．174
    3.2.2吸液芯的选择l76
    3.2.3管壳材料的选择～177
    3.2.4设计计算    ．．178
    3.2.5设计举例    ．．182
  3-3热管换热器的类型与结构l87
    3.3.1  整体式热管换热器188
    3.3.2分离式热管换热器l89
    3.3.3  回转式热管换热器I90
    3.3.4组合式热管换热器l90
  3.4热管换热器设计计算l9l
    3.4.1  常规设计计算法193
    3.4.2离散型计算法213
    3.4.3定壁温计算法217
  参考文献219
4．热管制造．    222
  4.1  热管零部件及其加工222
    4.1.1管壳
    4.1.2端盖223
    4.1.3密封隔板 224
    4.1.4吸液芯结构 226
    4.1.5吸液芯的支撑结构23l
    2.4.1旋转热管概述86
    2.4.2旋转热管的传热分析89
    2.4.3旋转热管的传热极限93
    2.4.4旋转（回转）热管的强化传热．95
  2.5分离式热99
    2.5,1分离式热管概述．    99
    2.5.2分离式热管传热分析100
    2.5.3分离式热管传热极限l04
    2.5.4分离式热管换热器最佳工作状态105
  2，6可变导热管   106
    2.6.1可变导热管的基本原理和类型106
．  2.6.2无反馈控制的可变导熟管l07
    2.6.3有反馈控制的可变导热管l l2
    2.6.4可变导热管的计算及其比较115
  2.7微型热管及小型热管(MHP)l l6
    2.7.1微型热管的结构特征116
    2.7.2微型热管的流动传热特征l17
    2.7.3微型热管的传热极限118
  2.8  毛细泵回路(CPL)123
    2.8.1毛细泵回路的工作原理及特点l23
    2.8.2毛细泵回路的流动传热特性125
  参考文献
3．热管试验研究及热蕾换热器设计l32
  3.1热管试验研究    l32
    3.1.1碳钢·水热管的相容性研究132

1．绪    论
1.1  热管的发展及现状
    在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司(The General Motors Corporation，Ohio，U.S．A)的R．S．Gaugler于1944年在美国专利(No．2350348)中提出的【l】。他当时正在研究冷冻问题，他设想一装置由封闭的管子组成，在管内液体吸热蒸发后于该下方的某一位置放热冷凝，在无任何外加动力的前提下，冷凝液体借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到上方继续吸热蒸发，如此循环，达到热量从一处传输到另一处的目的。然而他的想法当时并没有被通用发动机公司所采纳应用。
    1962年L．Trefethen再次提出类似于Gaugler的传热元件用于宇宙飞船，但因这种建议并未经过实验证明，亦未能付诸实施。 1963年美国Los Alamos国家实验室的G．M．Grover I3】重新独立发明了类似于Gaugler提出的传热元件，并进行了性能测试实验，在美国《应用物理》杂志上公开发表了第一篇论文，并正式将此传热元件命名为热管“Heat Pipe"．指出它的热导率已远远超过任何一种已知的金属，给出了以钠为工作液体，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯的热管的实验结果。美国Los Alamos国家实验室在热管理论以及热管在空间技术方面的应用研究一直处于领先地位。1965年Cotter首次提出了较完整的热管理论I4】，为以后的热管理论的研究工作奠定了基础。1967年一根不锈钢，水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功【5】，从此吸引了很多科学技术工作人员从事热管研究，前西德、意大利、荷兰、英国、前苏联、法国及日本等国均开展了大量的研究工作，使得热管技术得以很快发展。
    Katzoff于1966年发明了有干道的热管。干道的作用是为了给从冷凝段回到蒸发段的液体提供一个压力降较小的通道，大大地提高了热管的传输能力。
    1969年前苏联和日本的有关杂志均发表了热管应用研究方面的文章。在日本的文章中已有描述带翅片热管束的空气加热器，在能源日趋紧张的情况下，可用来回收工业排气中的热能。同时Turner和Bienertc6]提出了用可变热导热管来实现恒温控制。Gray【7】研究了一种新型热管——旋转热管，这些发明都是热管技术的重大进展。
    1 970年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用从宇航扩大到了地面。在热管发展史上值得一提的是在横穿阿拉斯加输油管线工程中，应用热管作为管线的支撑，保证地面的永冻层，以满足工程需要。该工程共使用了112000余根热管，单根热管的长度为9—23rric8]。
    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，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公司生产了热管废热锅炉【9】，1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[IO]。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。
    1984年Cotter较完整地提出了微型热管的理论及展望，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 pipe systems)以其结构灵活、应用面广及在很小温差下可远距离传递较常规热管更大的热量的特点，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、公司及厂矿均开展了多方面的开发、应用研究，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，1 976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1 98 1年在英国伦敦(London)，  1984年在日本筑波(Tuskuba)，1 987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。
    我国自70年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究。由于我国是一个发展中的国家，能源的综合利用水平较低，因此自80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用[12]，相继开发了热管气一气
换热器，热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器，高温热管热风炉等各类热管产品。由于碳钢．水两相闭式热虹吸管的结构简单、价格低廉、制造方便，易于在工业中推广应用，碳钢，水相容性的基本解决，
使得此类热管得以广泛的应用，我国的热管技术工业化应用的开发研究发展迅速，学术交流活动也十分活跃，从1983年起已先后召开了六届全国性的热管会议，具体日期和地点见表1-1。
表I-I  全国热管会议情况一览表
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┃    全国热管会议届次        ┃    召开日期        ┃              召开地点      ┃
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┃    第一届                            ┃           1983年    ┃               哈尔滨        ┃
┃    第二届            ┃    1988年    ┃    湖南大庸      ┃
┃    第三届            ┃    1991年    ┃    四川都江堰    ┃
┃    第四届            ┃    1994年    ┃    黑龙江牡丹江  ┃
┃    第五届            ┃    1996年    ┃    江苏无锡      ┃
┃    第六届            ┃    1998年    ┃    福建邵武      ┃
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