热管换热器

热管换热器

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2023年3月19日发(作者：广州小洲村)

第一章常见热管的结构介绍

热管是依靠封闭管壳内工质相变来实现传热的元件，它具有优良的等温性、

热流密度可变性、很高的导热性、热流方向的可逆性、恒温性、热二极管与热开

关性以及很好的环境适应性等基本特性[29]。

热管的这些优良特性使其应用潜力极其广阔，随着热管种类的不断增加，热

管结构也变得越来越复杂。经过几十年的发展，热管结构由单根热管演变出多根

热管组成的换热器，再由整体式热管换热器逐渐演变出分离式热管换热器、毛细

泵回路热管和脉动热管，在分离式热管换热器的基础上又演变出热环系统、复杂

热管系统和两相流分离式热管。基于有无外加机械动力因素，可以把热管分为无

外加动力型热管和机械动力驱动型热管。下文中将分别作介绍这几种热管。

1.1无外加动力型热管

1.1.1普通热管

图1.1热管管内汽-液交界面质量流、压力和温度沿管长的变化示意图

热管在制造时需对管内抽真空，以消除杂质对热管性能的不利影响，真空度

可达到1.3×（10-1~10-4）Pa，管内充以适量的工作液体使毛细吸液芯中充满液体

后密封绝热段作为蒸汽通道的不工作部分并不承担传热任务，而是为了分开冷、

热源并使热管能适应任意需要的几何形状布置而设置的。

沿整个热管长度，气液交界处的气相和液相之间的静压差与该处的局部毛细

压差相平衡，所以热管正常工作的必要条件是：

△pc≥△pl+△pv+△pg

式中△pc——毛细压头是热管内部工作液体循环的推动力，以克服蒸

汽从蒸发段流向冷凝段的压力降；

△pv——冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降；

△pl——和重力场对液体流动的压力降；

△pg——△pg视热管在重力场中的位置而定，可以是正值、负值

或为零。

热管虽是一种传热性能极好的元件，热管传热能力的上限值会受到一种或

几种因素的限制，称为热管的传热极限或工作极限。这些极限主要有毛细力、声

速、携带、沸腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝极限等等[32]。

1.1.2分离式热管

国外分离式热管换热器的研制开始于20世纪80年代l1l。这种换热器可实

现远距离传热，避免大直径烟风道迁移;可实现一种流体与多种流体间的换热;具

有良好的密封性能;方便顺逆流混合布置;大幅调整蒸发段与冷凝段的面积比还可

使冷热流体完全隔开;适用于换热装置大型化等优点。因此，很快引起了我国科

技工作者的重视，并进行了广泛的基础理论和工程应用研究。{23}

分离式热管中探索研究和应用最广泛的属重力型分离式热管(以下称为分离

式热管)，其中，中科院工程热物理研究所与上海711研究所一起进行了有关分

离式热虹吸管组的换热特性研究;上海海运学院研究了分离式热管换热器系统的

模型实验;东北工学院针对分离式热管元件随着热管的应用进一步深入换热器在

大型化的发展，如在化工、电站、炼铁等工业部门，要从大量的烟气中回收废热

和余热，有时为了保证安全，不允许各种流体之间相互渗漏，传统的热管换热器

在总体布置方式和辅助循环设备方面都受到相当大的制约，因此基于上述原因，

学者们研究开发了分离式热管。

图1.2为分离式热管结构示意图。蒸发段、蒸汽上升管、冷凝段和液体下降

管是构成分离式热管包括四部分：。蒸发段与冷凝段相互是分开的，两个换热器

通过蒸汽上升管与液体下降管进行连接，构成一个自然回路循环。系统工作时，

对热管进行抽真空并加入一定量的工质，当这些工质汇集于蒸发段并受热后，工

质蒸发，伴随内部蒸发压力升高，使产生的较高压蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝

段并释放出气化潜热而被冷凝成液体，重力作用下，冷凝液体经液体下降管重新

回到蒸发段，如此实现循环往复运行。由于一般不在蒸发段加入吸液芯，冷凝液

依靠重力作用回流，所以分离式热管系统的冷凝段必须保证高于蒸发段。蒸汽上

升管与液体下降管之间的密度差产生压头以平衡工质流动的压力损失[33]。

热流体

冷流体

冷

凝

液

蒸

汽

图1.2分离式热管结构示意图

从分离式热管系统的内部运行机理来看，它是一种汽液自然循环系统，如图

1.3所示，循环回路中的循环动力由下降管系统（包含冷凝段）和上升管系统（包

含蒸发段）中工质的密度差提供。如果忽略循环回路的热损失，设蒸发段出口处

的截面含气率为，冷凝段出口处的截面含气率为0，系统循环运动压头为,

则

（公式

1—2）

总阻力降：（公

式1—3）

——蒸发段压力降

——冷凝段压力降

——上升管的压力降

——下降管的压力降

必须保证满足压力，系统才能正常运行[34]。

图1.3分离式热管循环回路示意图

烧干限、声速限以及冷凝限是影响分离式热管系统传热量的主要工作极限。

其相应的解决措施有：增大蒸汽上升管的个数或增加其管径、加大充液率。

1.1.3可变导热管

液体控制热管(LCHP)是一种新型的可变导热管,气体控制热管可以使加

热区城的温度相对稳定，液体控制热管则可以将冷却区的温度限制在一定可调节

的数值上，其原理是通过改变热管内液体的量来调节其换热能力。把一部分液体

贮存于容积可变的容器中，比如波纹筒，通过改变作用在波纹筒的外压力（可以

采用气体或弹簧）就可以调节与热管内蒸汽压力对应的冷区域的温度。液体控制

热管适用于要求在恒定温度下加热或者热管的蒸汽压力有一定限制的场合。{25}

图1.4(a)所示为无反馈控制的可变导热管：当输入热量改变时，会引起热管

的工作温度及压力的改变，从而使贮液室（控制部）内的液体量减少或增多，并

造成蒸发段局部干涸或者换热加强而使热汇的温度维持在较小变化的范围内。

在一些对温度波动范围要求小的散热场合，也可使用可变导热管用，如电子

器件的控温。如图1.4(b)所示，控温精度要求较高可以选择有反馈的主动式可变

导热管。该热管控制实现将温度波动控制在±0.1℃。其工作原理为：利用热敏电

阻来监测热源温度，通过其控制系统微调调节电加热来改变贮气室压力，并控制

贮气室温度，最终可以使热源温度稳定在符合要求的范围内。

液体

外部气体压力

冷凝段

蒸发段

控制部

(a)(b)

蒸发段冷凝段贮气室

控制

加热

加热丝

图1.4可变导热管的两种不同控制方式

1.1.4两相闭式热虹吸管

与传统热管相比，两相闭式热虹吸管（简称重力热管）没有吸液芯，系统内

液体回流依靠自身重力产生的压差，所以蒸发段必须放置于冷凝段的下方才能正

常工作，如图1.5所示。热虹吸管拥有热二极管的特征，即热量只能由下方传向

上方而无法倒传。

热虹吸管的传热可以按区段分为三部分：蒸发端的自然对流蒸发、冷凝端的

饱和蒸汽层之流膜状凝结或者液池中的核态沸腾及蒸发段以上的中间部分的状

凝结或者核态沸腾。蒸发段以及其以上一部分的状态由热流密度的大小决定。有

研究指出影响热虹吸管的重要因素有热流密度和充液率[35]。除了受沸腾极限、

烧干极限和携带极限等因素影响外，热虹吸管还会在正常启动和运行过程中出现

不稳定状态，例如小充液量时出现了干涸振荡，大充液量但低热流量输入情况下

产生了间隙沸腾及由携带引起的振荡。

热虹吸管在实际应用中最大的传热能力往往受到携带极限的限制，因此在其

结构上减少气液之间的相互作用成为强化传热性能的关键。

q

q

蒸

发

段

绝

热

段

冷

凝

段

蒸汽

液膜

图1.5两相闭式热虹吸管

1.1.5环路式热管

由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热

的回收。环路式热管（LHP）的原理入图1.8所示。环路式热管的出现被界内认

为是两相流换热技术的重大新突破。但是随着应用的深入，在特定的使用场合也

暴露了该热管的一些缺点。面对紧凑式、分散式、长距离、多点复杂的高热流密

度热源的散热问题，由于自身结构和工作原理的限制，CPL和LHP已经显得几

乎无能为力。科学工作者们遂开展了对外加动力热管的研究{28}。

蒸发器

吸液芯

蒸汽通道

储液器

液体通道

冷凝器

图1.6环路式热管示意图

1.1.6毛细泵回路热管

为解决普通热管因换热段位置倒换而导致的传热受限的问题，同时拓展热管

在远距离能量输运方面的应用，人们研究开发了毛细泵回路[37]（CPL），见图1.7。

的传热能力比普通热管大1~2个数量级，同时系统具有很好的等温性，在卫星、

空间站、电子元器件的冷却、航天飞船等领域应用十分广阔。

与普通热管相比，毛细泵回路只是在结构上增加了一个储液器，而且只在蒸

发器段布置吸液芯。储液器与热管系统相通，系统通过加热或冷却储液器即可改

变系统压力，进而使系统工作温度保持在要求的范围内。同时，由于冷凝器内无

吸液芯，使热量不能倒传，因此毛细泵回路也具有热二极管的特性。

蒸发器

吸液芯

蒸汽通道

储液器

液体通道

冷凝器

图1.7毛细泵回路热管

1.1.7脉动热管

日本人Akashi于上世纪90年代提出了脉动热管[36]的概念，该热管具有重量

轻、当量传热量大和尺寸小等特点，广泛应用于电子元器件的冷却领域。图1.8

所示为脉动热管的一种结构形式。

由于脉动热管的运行机理非常复杂，迄今为止依然有许多问题需要大量学者

深入研究。该热管内部为微通道内两相流，脉动特点具有很大的偶然性和复杂性，

因而工质的温度、压力和速度很难通过计算确定。

脉动热管的内径一般约在0.5mm~3.0mm之间，因此具有非常小的管径。在

表面张力作用下，其内部充注的工作液体可以形成长度不等的液柱与气塞。正常

工作时，管内的液柱和气塞会在蒸发段（通常位于冷凝段下方）受热产生体积膨

胀，由沸腾产生的气泡驱动液柱和气塞朝冷却段方向运动，液柱和气塞在冷凝段

受冷却并凝结放热，能量的传递由液柱和气塞的运动换热来实现。另外，因为热

管尺寸较小的限制，脉动热管的实验研究中测量十分困难而且相对不准确。

。

冷凝段

蒸发段

绝热段

图1.8循环式脉动热管

1.2外加动力型热管

1.2.1热环

新型的分离式热管一泵或风机驱动的动力型分离式热管(简称热环)，对为方

位、距离较为任意的冷热源间能量传输提供了较理想的解决方法，其基本结构和

原理为:在由蒸发器、冷凝器、微压驱动装置和管路构成的闭合环路中充以循环

工质，利用驱动装置推动工质在热源处吸热蒸发，在冷源处冷凝放热，从而实现

热量由热源向冷源的高效传递{}。

国内这方面的研究工作有，对热环进行了液相、气相驱动方案模拟与实验研

究，对热环循环工质已进行了纯工质的优选，并正在进行非共沸混合工质的优选，

对热环方案与“水回路”方案应用于喷雾干燥塔、造纸厂余热回收利用等场合进行

了技术经济分析{30}。

图1.9热环工作原理图

图1.9所示的热环的最大特点是增加了外部动力。

1.2.2复杂热管系统

复杂热管系统可以解决传统分离式热管供液动力不足、蒸发器与冷凝器安装

位置受限制和以及热管换热量的有效控制问题，在工业余热和废热利用过程中较

传统换热器和其他形式热管换热器有很大优势，该系统结构组成见图1.10所示，

主要包括：冷凝器、蒸发器、气液分离器、储液罐、分液器溶和液循环泵以及各

部分之间的连接管路{}。其工作原理如下：溶液循环泵从储液罐抽取液态工质，

经管路、分液器等均流部件将工质分配至蒸发器各管路；液态工质在蒸发器中吸

收外界热量部分气化，进入气液分离器实现气液分离，液相工质流回到储液罐，

形成液体工质小循环，而气相工质则经气体管道输送到冷凝器各管路中，实现完

全冷凝后回到储液罐，形成热管工质大循环{}。

复杂热管系统中的小循环是为了合理控制在的蒸发器中液体工质循环量，可

以有效解决传统分离式热管系统中工质输送力不够、蒸发器换热面积使用效率低

下等问题；大循环则负责从蒸发段吸热并把热量排放到冷凝段，完成热量输送{}。

传感器

蒸发器

储液器

阀门

冷凝器

溶液循环泵

温度控制器

分液器

气液

分离器

1

2

3

4

7

5

6

6''

6'

8

8

1.10复杂热管系统结构示意图

相对于传统分离式热管，复杂热管系统增加了储液器、气液分离器、溶液循

环泵以及相关控制部件等，系统能够在各种复杂工况条件下实现能量传输，同时

由于系统在热管工质大循环之基础上增添了液态工质小循环，因而具有了许多独

特之处，性能相对稳定并得到提升。复杂热管系统的特点如下：

1）冷凝器与蒸发器的相对安装高度不再有安装位置的限制，只要保证储液

罐安装位置低于两个换热器，即可使冷凝液态工质顺利流回储液罐正常工作。若

现场条件要求冷凝器必须处于在储液罐下部，则在冷凝器回流管上布置一个回流

溶液泵即可使系统正常运行。

2）复杂热管系统的小循环能够合理地控制蒸发器中的液体工质循环量，可

解决传统分离式热管系统中工质输送力不足和蒸发器换热面使用效率不高等问

题。

3）相比现有的分离式热管，复杂热管系统不仅增加了溶液循环泵，而且增

设了储液罐、气液分离器等部件，热管系统得到大幅度完善，换热效率得到大幅

度提高。

4）相比现有的其它热管，此系统能够方便地续调节和控制热管换热量，热

管的控制能力得到大幅度增强。

5）相比其它非热管的换热器，由于相变传热中汽化潜热大，此系统在极小

的温差下就能把大量的热量从热管的蒸发段传至冷凝段。由于冷热源相互分离，

并可实现远距离能力传输，此系统在介质中存在有毒物质的工业行业的废热回收

利用中具有远大的前景。

6）此系统扩大了热管的使用范围，可广泛应用于中央空调、太阳能海水淡

化、低温空气能量回收、石油或化工业的余热回收、电厂废热回收等领域，并且

该系统更容易实现大型化，也因此在工商业应用中拥有光明的前景。

1.2.3两相流分离式热管系统

两相流分离式热管系统是在对复杂热管系统的基础上，对其结构进行了简化，

将工质的双循环变成单循环，即去掉复杂热管系统中的小循环，而且同时可以克

服传统分离式热管的不足。其结构示意图如图1.11所示。该热管系统除了具有

复杂热管的诸多特点外还具有以下特点：

1)与“热环”相比，该热管系统蒸发器内既可以进行相变换热，也可以进行

相变和单相换热的混合换热；

2)与复杂热管相比，该热管系统在具备复杂热管诸多优点外，其结构简化，

成本低廉，更易得到推广；

复杂热管系统和两相流分离式热管系统的提出是为了满足现代大型热管换

热设备和高效热管换热设备的要求。目前，国内外对该方面的理论研究与应用研

究的报道都很少，处于理论探索和模型设计阶段。该项研究工作将使热管的应用

范围逐渐扩大，并使热管的应用效率逐渐提高。

蒸发器

冷凝器

溶液泵

储液罐

分液器