第四节 热管的特点
热管是一种新型的传热元件，无论什么形式的热管都是一个换热元件或利用换热进行控制或开关的元件。除了控制或开关用的热管元件之外，热管的绝大多数是换热元件。热管作为换热元件与其他形式的换热元件相比有如下几方面的特点及优缺点。
一、传热系数高
热管的热传导能力强就是因为热管的热导率高。
对于传热元件来说，传热系数K是个重要的技术经济指标。在气-气换热的情况下，我们可以拿热管与常用的传热元件——光管和翅片管进行比较，可以在相同的传热面积和传热温差下，比较它们之间的传热系数与传热量的大小。在这种情况下对上述三种换热元件的传热系数进行了计算，并将计算结果列入表1-1中。
表1-1 气-气换热情况下三管传热系数的比较
通过表1-1中数值的比较可以看出：在气-气换热的情况下，热管最优，其传热系数为光管的10倍以上，为翅片管的6倍以上。
二、传递热量大
热管传递的热量，是指管内加热段液体吸热变为蒸气的汽化潜热量，到凝结段蒸气又变为液体放出的潜热量。这种吸收或放出的潜热量是相当大的，比不是靠相变吸收或放出热量的元件要大得多。
热管在轴向传递热量的大小可和同尺寸的铜棒传递热量(导热)的大小相比较，如图1-4所示。图中所表示的热管和铜棒的直径都为φ12.7mm，长度都是300mm。尽管铜的热导率为350～400W/(m·℃)，仅次于银，但由图1-4中可见，铜棒要在很大的温差下才能传递一定的热量，而热管在很小的温差下就可以传递很大的热量。
图1-4 传热元件传递热量比较
如铜棒在100℃温差下才能传递30W的热量，而热管在几度的温度下就可以传递上百瓦的热量。实验证明，热管有极高的热传导能力，与金属良导体相比，其导热能力要高许多倍，因此，热管有近超导体之称。热管的传递热量的强度约为良导体的103倍，有时可达104倍左右。
三、等温性能好
在热管内的传热过程，由于是相变过程，再加上管内工作流体的纯度很高，因此，热管内蒸气的温度基本上是恒温的。对一般工业上余热回收热管来说，管内有纵向槽道毛细结构的、长2m左右的热管，在两端测量其管内蒸气温度的温度差不超过5℃，有的情况下只差2～3℃，如图1-5所示。图1-5中所表示的曲线是在各种冷却风速(W)下测得的，在高风速(3.3m/s)下，测得热管内两端的温差较大些，但是在低风速(1.0m/s)下测得的温差就很小。不管在哪种风速下都可明显地看出，热管内的温差是很小的。这一点与其他传热元件相比是一个很大的优点。
图1-5 管内温度沿管长分布图
图中各点与热管长度的对应关系如下：1点—20mm；2点—200mm；3点—320mm；4点—560mm；5点—740mm；6点—920mm；7点—1080mm；8点—1260mm；9点—1440mm；10点—1620mm；11点—1800mm；12点—1920mm
四、温度范围广
热管能适应的温度范围和各种热管的具体结构，与采用的工作流体和热管的环境工作温度等有关。目前热管能适应的温度范围一般为-200～2000℃，可见，热管所适应的温度范围是非常广的，这样的温度范围是任何其他传热元件所难以达到的。由于热管适应的温度范围非常广，一般习惯地分成几个温度区域。通常工作温度在350℃以上，属于高温热管；工作温度在200～350℃的属于中温热管；工作温度在200℃以下，可视为低温热管。工作温度对工作流体和热管管壳，吸液芯材料的选择有决定性的影响。一般是根据热管工作环境温度的高低，首先确定工作流体，然后根据工作流体考虑到其化学相容性来确定管壳和吸液芯的材质。常用的工作流体和与其适应的工作温度范围列于表1-2中。
表1-2 常用工作流体及与其适应的工作温度范围
五、热管其他方面的特点
热管除了上述一些特点之外，还具有其他一些特点。如构造简单、无运动部分，工作可靠、重量轻，在失重的情况下也能很好地工作，把热管应用到两种流体之间换热可以做到两种流体互不渗混。
热管不论多大、多长，每一只都是一个独立的换热元件。如组成一个换热器或装置，可以根据现场的情况和设计计算的情况，取任意根数进行组合。对每一根热管都可以进行任意拆换。
热管的工作是安全可靠的。因为选用合适的工作液体，热管工作在合适的温度下，一般热管内的工作压力都在常压左右。有的热管装有某种工作液体在较高的温度下工作，在管内会产生一定的高压，这时应对热管进行强度计算，如果强度够了，热管在工作时是不会出现什么问题的。
对热管来说，哪一端接触高温流体，哪一端即是加热段；同样，哪一端接触冷流体，哪一端就是冷凝段。这就是说，热管传递热量的方向完全取决于外界条件。
由热管内装有工作液体的物理性质决定，当外界温度低于管内工作液体的熔点温度时，热管就会自动停止工作，即可起自动停车的作用，实现自动控制温度。
热管虽然具有许多的优点，但是，也存在以下几个方面问题。
(1)由于热管的直径较小，一般在φ30mm左右，所以，长度就不能太长，一般为2000mm左右。这样长度的热管是满足不了工业上的要求的。另外，现在一般应用单根热管所传递的热量一般只有2kW左右，也满足不了换热或散热的要求。由于单根热管所能传递的功率还比较小，因此，每台热管换热器热管的根数还是相当多的。所以进一步研究提高单根热管传递的功率是很有意义的。
(2)现在常用工作液体的工作温度范围还很窄，如工作液体水是很理想的一种工质，但其环境工作温度范围太窄了。一旦热管加热段温度和热量增高，由于热管内工作液体压力增高的速度很快，容易使热管破裂。
(3)目前，热管在比较高的温度下工作，还存在腐蚀问题和工作液体不稳定的问题等。