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深入浅出话热管

晨怡热管 2011-12-7 2:59:29
一、从高压锅说起热管

 

生活常识告诉我们,假如高压锅里面没有水,下面马上烧红而上面并不烫手,可见没有水的高压锅热传导很慢。

如果高压锅放入少量的水,下面不会烧红,水一沸腾上面就很烫手,热传导很快。究其原因,是因为沸腾的水在这个过程中快速传递热量。从理论上来说,沸腾的水在高压锅里发生了相变过程:水加热沸腾,由水变为蒸汽,吸收锅底大量热量;蒸汽迅速上升,接触到温度稍微低一点的锅面,蒸汽冷凝成水释放大量热量,并在重力的作用下回流到锅里面。

我们知道物质有三种状态:固态、液态和气态,对应这三种状态存在三种相:固相、液相、气相。所谓相那就是当物质系统中物理、化学性质完全相同,与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。当物体由一种相态(固态、液态或气态)至另一种相态的转变,其间物理特性和分子结构发生了明显变化。当液相变为气相,吸收大量热量;当气相变为液相,释放大量热量。

没有水的高压锅没有相变,热传导仅仅是金属的热传导,锅底锅盖上下温差大,传热响应慢,等温性差。

有水的高压锅除了原来金属的热传导方式外,还增加了一种水沸腾相变传导热量方式,水变为汽,汽变成水,前者吸收锅底大量热量,后者将大量热量释放到锅盖。这种相变热传导方式,就是热管传导方式,使得高压锅上下温差小,传热响应快,等温性好。

由此可见,热管就是一个在密封的金属体放入少量液态工质,一旦液态加热沸腾,发生气态相变,迅速传导热量。

有水的高压锅就相当于一个热管,并且还是一个重力热管,因为水大部分是靠重力回流到锅底的。这种相当于热管的东西,在生活中很多,其原理简化为下图,A是液体,B是汽化过程,液体沸腾,C是气体在冷端释放热量,D是气体又变成液体并且在重力作用下回流到液体之中。

 

二、热管原理

热管是一种传热性极好的人工器件,常用的热管由三部分组成:主体为一根封闭的金属管,内部有少量工作介质(液体)和毛细结构,管内的空气及其他杂物必须排除在外。

也就是说,典型热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态,充入适当的液体,这种液体沸点低,容易挥发。管壁有吸液芯,其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段(简称热端),另外一端为冷凝段(简称冷端),当热管蒸发段受热时,毛细管中的液体迅速蒸发,蒸气在微小的压力差下流向另外一端,并且释放出热量,重新凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用或重力回流到蒸发段,如此循环不止,热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的,热量可以被源源不断地传导开来。

物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在的时候,就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式:辐射、对流、传导,其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。

详细热管原理,热管在实现这一热量转移的过程中,包含了以下六个相互关联的主要过程:
(1)
热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到(液--汽)分界面;
(2)
液体在蒸发段内的(液--汽)分界面上蒸发;
(3)
蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段;
(4)
蒸汽在冷凝段内的汽--液分界面上凝结;
(5)
热量从(汽--液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源;
(6)
在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

热管工作时利用了三种物理学原理:

⑴在真空状态下,液体的沸点降低;

⑵同种物质的汽化潜热比显热高的多;

⑶多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。


三、热管的基本特性
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件,具有以下基本特性。
(1)
很高的导热性
热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比,单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然,高导热性也是相对而言的,温差总是存在的,可能违反热力学第二定律,并且热管的传热能力受到各种因素的限制,存在着一些传热极限;热管的轴向导热性很强,径向并无太大的改善(径向热管除外)
(2)
优良的等温性
热管内腔的蒸汽处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,根据热力学中的方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。
(3)
热流密度可变性
热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,或者热管可以较大的传热面积输入热量,而以较小的冷却面积输出热量,这样即可以改变热流密度,解决一些其他方法难以解决的传热难题。
(4)
热流方向可逆性
一根水平放置的有芯热管,由于其内部循环动力是毛细力,因此任意一端受热就可作为蒸发段,而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平,也可用于先放热后吸热的化学反应容器及其他装置。
(5)
热二极管与热开关性能
热管可做成热二极管或热开关,所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动;热开关则是当热源温度高于某一温度时,热管开始工作,当热源温度低于这一温度时,热管就不传热。
(6)
恒温特性(可控热管)
普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变,因此当加热量变化时,热管各部分的温度亦随之变化。近年来出现了另一种新型热管——可变导热管,使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加,这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下,蒸汽温度变化极小,实现温度的控制,这就是热管的恒温特性。
(7)
环境的适应性
热管的形状可随热源和冷源的条件而变化,热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等,热管也可做成分离式的,以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热;热管既可以用于地面(重力场),也可用于空间(无重力场)

责任编辑: banye 参与评论
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