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微热管及其传热理论分析 微热管及微热管换热器 微热管是以相变传热为基本工作原理的一种有效的散热器件 热管的研究背景 当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。 具有良好导热性的材料有铝[(λ＝202W/m?℃)]、柴铜[λ＝385W/ m?℃]、和银：λ＝410W/ m?℃)]，但其导热系数只能达到 102W/m?℃的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管以及微热管的发明就解决了这一问题。 微热管的相当导热系数可达105 W/m?℃的数量级．为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能． 微热管是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值。 微热管的应用领域 微热管工作原理 当微热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量便从一端传到了另一端！微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。 三个区段的划分： 根据外部热交换情况分：加热段、绝热段、冷却段 根据管内工质传热传质情况分：蒸发段、绝热段、冷凝段 微热管工作原理 微热管在实现其热量转移过程中，包含了六个相互关联的主要过程： ① 热量从热源通过微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工作液体回流到蒸发段 微热管工作原理 R1： 热源与微热管外表面的传热热阻 R2： 蒸发段管壁径向传热热阻 R3： 蒸发段毛细芯径向传热热阻 R4： 汽—液交界面蒸发传热热阻 R5： 蒸汽轴向流动传热热阻 R6： 汽—液交界面冷凝传热热阻 R7： 冷凝段毛细芯径向传热热阻 R8： 冷凝段管壁径向传热热阻 R9： 管壁外表面与热汇传热热阻 R10：管壁轴向传热热阻 R11：吸液芯轴向传热热阻 R10、R11与R1—R9相比很大，通常看作绝热。 总热阻：R=R1+….+R9 从热源到热汇的总温降△T也是这9个温降的总和， △T= △T1 +… + △T9 微热管的传热过程： 总热流量Q与总温降△T、总热阻R的关系为： Q= △T / R 微热管的工作特性 对于普通热管，其液体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的，沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量流率、压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如右上图所示。 在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽液分界面缩回到管芯里，即向毛细孔一侧下陷，使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐渐凝结的结果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形状，即界面的曲率半径为无穷大(见右上图上部及右下图)。曲率半径之差提供了使工质循环流动的毛细驱动力(循环压头)，用以克服循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及动量变化所引起的循环阻力。 热管液汽分界面的形状 （a）管起动前的液—汽交界面 （b）热管工作时的液—汽交界面 （c）吸液芯内液—汽界面参数 微热管 微热管的结构及工作原理与常规热管类似，最大的区别是常规热管内部通常存在专门提供毛细力以供工质回流的毛细吸液芯；而微热管则主要是通过沟道尖角区完成工质的回流。 理论分析发现只要是非圆形的截面都能提供或大或小的毛细力。微热管发展之初，常用的沟道结构主要是简单的三角形和矩形结构，图中(a)、(b)、(c)。随着机械加工和其他各种加工技术的发展，一些比较不规则的结构也进入研究之列，如图中(d)、(e)、(f)。 微热管阵列 上述单根微型热管的传热量往往不是很大，为了提高传热能力，在基底材料上加工出一系列独立、平行的微细槽道，形成微型热管阵列，以增加散热面积。这种微型热管阵列在启动后的短时间内，由于总压降的不平衡，其内部可能出现汽液流动方向相同的现象。而且由于汽态和液态工质共用同一流动通道，其高速反向运动带来的截面剪切摩擦力降低了微热管的传热性能。为此，人们将这些微型热管簇的蒸汽空间连通，形成微型平板热管。微热管由阵列型向平板型转变的结构改变由下图给出。 微热管阵列