第二节　热管的结构原理

热管从纵向来看可以分为三段，即蒸发段、绝热段和冷凝段，如图1-2所示。有时也把热管的加热段叫做蒸发器，冷凝段叫做凝结器，绝热段叫做传送段。传送段作为流体的通道，把蒸发器(热源)与凝结器(冷源)分隔开。热管的绝热段的长度可以很长，也可以很短；其材料可以与管壳一样，也可以不一样；可以是刚性的，也可以是柔性的。这样使热管能适应布置任意需要的几何形状，这样的热管称为分离式热管。但是，工业上节能热管和余热利用热管的绝热段是比较短的，只是管壳的一小段。但是，这很短的一段绝热段仍然把加热段与冷凝段分隔开，而且在此处还得把通过加热段的热流体与通过冷凝段的冷流体分隔开。所以，热管的密封环都放在绝热段里，显然，热管膨胀的相对死点也应该在这里。

从热管的径向方向来看也可以将热管分为三个组成部分，即管壳、吸液芯和蒸气空间。对一般热管来说，热流体从热源来至热管总要先经过管壳。如果把热管传送能量的过程假设成一条热流线的话，那么这条热流线的途径一定是先经过管壳、吸液芯、蒸气空间，然后再由蒸气空间经吸液芯和管壳离开热管。在气-气热管换热器中的热管为了增加其换热能力一般都是带有翅片的，如图1-2所示。下面分别叙述一下热管的各组成部分及其作用。

图1-2　热管的结构原理

一、管壳

管壳通常做容器，容器的机械作用是封闭热管中的工作流体，并且增加结构的刚性。因为管壳内的工作压力与管壳外的环境压力之间相差很大，因此，管壳必须能承受压力差而不至于变形或破裂。管壳除了承受压力差之外还是热流体的一段必经之路。因此，管壳热阻的大小也是影响传热的重要一环。从承受压力差的角度而言，要求管壳壁厚一些好；而从传热的角度而言，要求管壳壁薄一些好。

目前，热管采用金属圆管，一般外径的范围为φ25～42mm，管壳壁厚为1.5～3mm。用相应尺寸的端盖通过焊接封住管子的两端。平时要防止空气漏入管内，以免管内的真空遭到破坏。热管工作时，管内要产生很高的温度，即工质的饱和蒸气温度，相应要产生很高的压力，即工质的饱和蒸气压力，饱和蒸气压力与饱和蒸气温度是以一定的关系联系着的。如以水为工质的热管，在管内温度为250℃时，其相应的压力为40.56kgf/cm2，这么高的压力就要由管壳来承受了。管壳材料要根据热管使用的温度范围和工作液体的性质来综合考虑加以选定，一般管壳的材料有铝、铜、钢和不锈钢等。

目前在工业上节能常用的低温、中温范围以水为工质的热管，其管壳一般常用钢-铜复合管。这里，铜做衬套，它一般有两个用途：①用铜作衬套把工质水和管壳钢分隔开来，因为铜与水是化学相容的，而水与钢是化学不相容的；②在以铜作衬套的内壁上拉毛细结构槽道比较方便。如在较低环境温度工作的热管其管材可以选为全铜管材，但这时热管管壳的温度一般不超过220℃。如热管工作的环境温度再低时，可以选用铝作为管壳材料。如在以水为工质的工作液体中加入了缓蚀剂，可以使这种水溶液与钢长期在高温接触下不起或基本不起化学反应，不产生或基本不产生不凝气体。这时可以选无缝碳钢管作为管壳材料，这可使热管的重量和造价等指标有所下降。如热管的环境工作温度很高，这时不仅工质要换，而相应的管壳材料也要换。如钠热管，其工质为钠，这时的管壳材料就要采用不锈钢了。管壳的材质、薄厚的选择不仅要从承受压力、减小热阻，还要从价格的高低加以综合考虑，对一般工业上应用的热管换热器来说，其成本的高低也是非常重要的，这几方面总是有矛盾的。因此，需要选择一个相对满意的厚度和材质。对有翅片热管的强度的薄弱环节不是在中间，而是在两端盖的焊接处。因此，管壳可以选得薄一些，在两端盖焊接处可以设法加强。

二、吸液芯

带吸液芯的热管内工质的流动是利用毛细结构来保证的。对吸液芯的主要要求是要起到一个毛细泵的作用。在热管管壳内壁安放金属丝网、多孔金属，以及在内壁上面拉上槽(轴向槽或周向槽道等)，都能起到一个毛细泵的作用，都能将工质从冷凝段输送到蒸发段。如以多孔物质作为吸液芯，吸液芯内被许多任意相互连接的细小毛细管通路所充满。吸液芯通常是紧贴或者挤压在容器内壁上，利用液体的表面张力从凝结段将液体送回到加热段。如吸液芯是由低热导率的工质浸透，吸液芯与流体层通常在热流线路上出现较大的阻力。因此，在选择吸液芯时，考虑导热性质及流体的传输性质是必要的。

三、蒸气空间

热管内蒸气空间是作为蒸气输送能量的通道。蒸气是否能在蒸气通道中高效率地传递能量呢?一般来说是没有问题的。但是，进一步说也有许多因素影响着蒸气的流动，影响着蒸气对热能的输送。在蒸气空间里蒸气的流动是一个复杂的流动。热管里面工作液体的流动是很复杂的双相流动。

四、翅片

一般在工业上应用的热管，特别是气-气换热器热管无论是加热段或冷凝段，在管壳的外表面都绕上翅片或串上翅片，这样做是为了增加热管的传热能力。一般加上中等高度的翅片，热管的翅化比，即翅片表面积与光管外表面积之比值，一般在6～10之间。这样就可以大大提高热管的传热能力。

一般取：翅片高12.5mm，翅片厚度0.5～1.0mm，翅片间距3～20mm，材质为08号钢。