热管技术及其工程应用传热极限计算

热管的传热极限

声速极限： 热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发端出口处蒸汽速度可能达到声速或者超声速，而出现堵塞现象，这时的最大传热量被称为声速极限。

毛细极限：热管正常工作的必要条件是△Pcap≥△Pv+△Pl±△Pg 。如果加热量超过了某一数值，由毛细力作用抽回的液体就不能满足蒸发所需的量，于是便会出现蒸发段的吸液芯干涸，蒸发段管壁温度剧烈上升，甚至出现烧坏管壁的现象，这就是所谓的毛细传热极限。

沸腾极限：热管蒸发段的主要传热机理是导热加蒸发。当热管处于低热流量的情况下，热量的一部分通过吸液芯和液体传导到汽-液分界面上，另一部分则通过自然对流到达汽-液分界面，并形成液体的蒸发。如果热流量增大，与管壁接触的液体将逐渐过热，并会在核化中心生成气泡。热管工作时应避免气泡的生成，因为吸液芯中一旦形成气泡后，如果不能顺利穿过吸液芯运动到液体表面，就将引起表面过热，以致破坏热管的正常工作。因此将热管蒸发段在管壁处液体生成气泡时的最大传热量称作沸腾传热极限。

粘性极限：当蒸汽的压力由于粘性力的作用在热管冷凝段的末端降为零，如液态金属热管，在这种情况下，热管传热极限将受到，热管的工作温度低于正常温度时将遇到这种极限，它又被称为蒸汽压力极限。

携带极限：当热管中的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面液体撕裂将其带入蒸汽流。这种现象减少了冷凝回流液，了传热能力。

以下就以氨为工质展开五种传热极限的相关计算，氨的物性参数如下表所示：

饱和温度 饱和压 T/K 力6Pv/10Pa 240 0.10226 250 0.196 260 0.25529 270 0.381 280 0.55077 290 0.77413 300 1.0614 310 1.4235 320 1.8721 330 2.4196

汽化潜热hfg/(kJ/kg) 1369 1339 1307 1273 1237 1198 1159 1113 1066 1014 蒸汽密度ρv/(kg/m3) 0.72 1.404 2.115 3.086 4.38 6.071 8.247 11.01 14.51 18. 蒸汽粘度μ-6v/10(N·s/m2) 9.16 9. 9.93 10.31 10.7 11.07 11.45 11.86 12.29 12.74 表面张力σ-3/10（N/m） 33.9 31.5 29.2 26.9 24.7 22.4 20.2 18 15.9 13.7 液体密度ρl/(kg/m3) 681.4 668.9 656.1 2.9 629.2 615.0 600.2 584.6 568.2 550.9 液体粘度μ-8l/10(N·s/m2) 273 245 220 197 176 157.7 141.0 126.0 113.4 101.9 例：工质氨的热管，直径φ=3mm,壁厚=0.3mm,长度L=300mm，工作温度240K,有效长度leff为150mm。试确定该热管的传热功率。

一、声速极限

解: NH3在240K时的有关物理参数如下： 蒸汽密度 ρ=0.72 kg/m3

饱和蒸汽压 Pv=0.10226×106Pa 汽化潜热 hfg=1369×103J/kg 比热容比 v=4/3=1.33 分子量 M=17

通用气体常数 Ro=8.314×103J/(kmol·K)

蒸汽的气体常数 Rv=8.314×103÷17=478.47 J/(kg·K) 汽腔的横截面积 Av=将以上数据带入计算公式中，有

Qs,maxvRvTo2Avohfg

2(1)v1d244(2.2103)23.8106m2

=3.81061.33478.472400.7213691021.331312

=844.97W 声速极限的规律总结如下：

二、毛细极限

解: NH3在240K时的有关物理参数如下：

液体密度 l=681.4kg/m

3

液体黏度 l=273×108 N·s/m2 液体导热系数 kl=0.615W/(m·K) 液体的表面张力系数 σ=33.9×103N/m 蒸汽密度 ρ=0.72 kg/m3

蒸汽黏度 汽化潜热 有效毛细半径 r最大毛细压力 垂直方向上的液体静压力轴向的液体静压力 液体流道的平均半径 吸液芯的横截面积 吸液芯弯卷系数 S=1.05 (吸液芯的空隙率 吸液芯的渗透率 K= 液体的摩擦系数 蒸汽腔的横截面积 蒸汽腔的水力半径 阻力系数 蒸汽的摩擦系数 F6v=9.16×10N·s/m2 hfg=1369×103J/kg c=1/(2N)=6.4105m P2c,max=

r1.06103N/m2 clgdvcosφ=14.69N/m2 lglsinφ= 0

rm=dv/2=1.25103 Aw=d2id2v/4=7.22107m2 经验数据) ε=1-πSNd/4=0.594

d2212212=4.071011m2

Fl=

lKA99.6 （N/m2

）/（W·m）

wlhfgA23v=dv/4=3.810m2 rhv=dv/21.1103m fvRev=16 fv=

vRevv2A2=1.57 102 （N/m2）/

vrhvvhfg （W·m）

将以上数据带入计算公式中，有

2lgdvcoslglsinr Qc

FlFvleff=

106014.69=69.97W 299.61.57100.15毛细极限的规律总结如下：

三、沸腾极限

解: NH3在240K时的有关物理参数如下： 蒸发段长度 le=0.15mm 吸液芯的有效导热系数 e=2.58 W/(m·℃) 氨的表面张力系数 σ=33.9×103N/m 蒸汽密度 ρ=0.72 kg/m3 汽化潜热 hfg=1369×103J/kg 管子内径 di=2.4×103m 蒸汽腔直径 dv=2.2×103m 汽包临界生成半径 rb=2.×107m

将以上数据带入计算公式中，有 Qb,max2rrihfgvlnrbv2leeffTv 23.140.152.58240233.9103=2.107 2.413691030.72ln2.2=1456.83 W

沸腾极限的规律总结如下：

四、粘性极限

解:NH3在240K时的有关物理参数如下：

蒸汽密度 ρ=0.72 kg/m3 饱和蒸汽压 Pv=0.10226×106Pa 汽化潜热 hfg=1369×103J/kg 蒸汽黏度 v=9.16×106N·s/m2 蒸汽腔直径 dv=2.2103mm 将以上数据带入计算公式中，有

Qvi,maxdv2hfgvleffvopvoAvo

(2.2103)213691036 0.720.1022610(2.2103)2 9.16100.15 =26265.W

粘性极限的规律总结如下：

五、携带极限

解：NH3在240K时的有关物理参数如下：

汽化潜热 hfg=1369×103J/kg 蒸汽密度 ρ=0.72 kg/m3 蒸气流道的的横截面积 Av=3.8×106m2 表面张力系数 σ=33.9×103N/m 丝网数目 N=7.87103m-1 丝网直径 d=6.25×105m 吸液心表面水力半径 rhs =将以上数据带入计算公式中，有

1d3.225105m 2N2Qe,maxvAvhfg2rhs0.7233.910263=3.8×10×1369×10×23.225105

1231 =112.96W

携带极限的规律总结如下：

五种传热极限的规律总结如下：

说明： 声速极限的实际数值应为图中相应数值乘以一百，单位为瓦；沸腾极限的实际数值应为图中相应数值乘以十，单位为瓦。粘性极限的实际数值应为图中相应数值乘以一万，单位为瓦。温度的单位为开尔文。

饱和温度/K 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 声速极限/W 845 1320 1979 2866 4026 5500 7352 9581 12287 152 毛细极限/W 70 75 80 85 91 96 101 106 110 113 沸腾极限/W 1457 921 604 407 281 196 139 100 72 52 粘性极携带极限/W 限/W 26270 113 62278 133 136153 1 278130 174 534304 193 974408 209 1697504 224 2817818 234 4513979 242 6969503 244