第三节　热管的工作原理

热管是一个封闭容器，从封闭容器内抽出不凝结气体，形成真空，为了使热管能够很快地启动和很好地工作，要求管内始终保持一定的真空度，装有一定量的能够汽化的液体，并装有起毛细作用的吸液芯结构。管内工作液体在加热段吸热沸腾后汽化，蒸气带着大量的热能进入冷凝段，然后进行凝结放热，把大量的热能传递给了冷凝段的冷流体。工质完成了把能量从加热段输送到冷凝段之后，以液态形式在吸液芯结构毛细泵的抽吸作用下，重新返回到加热段。重复这一过程，形成循环，使热管连续不断地工作，不断地传递热能，这就是热管的工作原理。把这样一个传递热能的过程，用一条假想的热流线表示，如图1-3所示。

热管中工质传递热能的过程是通过工质的相变过程进行的。加热段热流体包含了大量的热能(如各种炉的排烟，这种热流体中就包含了大量的热能)，这些热能在传递给工质时是通过工质的相变进行的。工质由液态逐渐吸热，当吸入一定量的热能时就变为气态。工质由液态变为气态一定要吸热，而吸收的热量往往很多。工质由液态变为气态所吸收的热量叫做汽化潜热。工质就是把汽化潜热这部分热能输送到了冷凝段。由于工质被冷却，工质由气态又变成为液态，同时向冷流体(如冷却介质空气或水)放出凝结潜热。

热管之所以能够进行高效率的传递热能，成为一个高效率的传热元件，就在于它利用了工程热力学和传热学中相变潜热的吸收和释放两个最强烈的过程。热管的工作利用相变吸、放潜热的机理和毛细泵或重力引起工作流体的循环进行输送热能，这就构成了热管工作原理的核心。

由于工质的汽化潜热量与凝结潜热量一致，又由于过程的进行中认为是理想的，与外界无热量交换，所以，反映在热管两端温度上也是一致的，即热管等温性是非常好的。工质的汽化和凝结的过程都是在蒸气空间中进行的，在这个空间中工质所处的状态为饱和状态，而饱和蒸气温度与饱和蒸气压力之间不是独立的，二者之间是有对应关系的，这一点对热管的工作和设计以及实验都是非常重要的。由于饱和温度和饱和压力有这样一个关系，又由于工质由加热段到冷却段之间温度变化很小，就决定了热管蒸气空间中的压力变化也是很小的。因此，毛细结构中的工作液体很小的表面张力或管中少量工作流体的重力就能克服热管工作中所产生的压力差。这一点与锅炉中工质的循环有根本的不同。锅炉中工质的循环是用机械泵进行强迫循环，而且还需要补充工质。热管中的工质根本不用机械泵循环，也不需要补充。

热管内工作流体的连续循环是依靠工作液体的表面张力。这种独特的传质方式既使热管获得了独特的成效，又成为热管正常工作的主要障碍之一。对热管内壁装有多孔的毛细管结构物，必须使之浸透工作流体。为此，必须有足够量的工作流体注入管内，使流体充满所有毛细管结构的毛孔。工作流体稍微过量不会影响热管的正常工作。相反，要是工作流体的量不充足，不能把所有的毛细管结构的毛孔充满，则有可能成为热管破坏的原因之一。要使毛细结构能保证工作流体的循环，它必须足以克服系统的黏性的动力学损失，必须补偿反向的重力作用。

在热管的整个工作过程中，流体动力学是很重要的。传热理论则提供了通过热管各部件，如管壳、吸液芯和工作流体以及热管与热源和冷源界面输入和输出热能的依据。因此，对设计、实验以及运行热管及其换热器的技术人员来说熟悉基本的流体力学和传热学及工程热力学的知识是必需的。

为了使上述热管工作性能好，除理论上讨论和保证外，还必须作到下列几点。

① 热管在工作期间不产生腐蚀和在热管工作温度条件下不出现不凝结气体。为了保证这一点，管壳、吸液芯和工作流体三者应当经过严格的选择，必须保证三者之间必须是化学相容的。

② 热管内一般应设有加强换热的毛细结构，如各种吸液芯或沟、槽等。

③ 热管外面一般应设有翅片来加强热管的换热能力。

④ 热管的管壳和吸液芯应当经过严格的清洗，如酸洗、碱洗和水洗等，并对管壳和吸液芯要除气。工作流体应该是高纯度的。

⑤ 热管在工作前，内部应保持真空状态，保证具有一定的真空度。

⑥ 热管管壳应保证具有一定的强度，热管在工作时要承受一定的高压而不漏泄。