【原】工程师告诉你：热管在这种情况下不“超导”！

       因为热管的超导性，很多公司在宣传的时候，凡是和热管有关的产品和技术都冠以“超导”的光环，有的公司甚至将热管的超导特性归功于使用某种介质配方。这到底正不正确？下面我们从热管的结构、原理以及应用对比来探究分析一下。

现在，在与“热”有关的技术领域中，“热管”这一技术名词正在被越来越多的人们所认识，所熟知。热管也被称作超导体的高效传热元件，传热性独特，目前应用也较多。

但热管精确的定义应该是“封闭两相传热系统”，即在这个封闭体系内，依流体的相态变化（液相变为汽相和汽相变为液相）来传递热量的装置。热管的这种传热原理，首先于1944年的美国，当时没有受到应有的重视。直到六十年代初期，热管首先成功地应用到宇航技术。

热管的结构和原理

热管的结构如图所示。它有点像是圆筒状的容器，内部衬以多孔的材料，容器内部是一定程度的真空状态，内含一定液体（工质），是一种密封的装置。

如果将热管的一端加热，另一端冷却，中间一段用某种材料绝热起来，这时，热管内部将开始两相传热过程。加热段的工质将沸腾或蒸发，吸收气化潜热，由液体变为蒸汽，产生的蒸汽在管内一定压差的作用下，流动到冷却段，蒸汽遇到冷的壁面会凝结成液体，同时放出气化潜热，通过管壁传给外面的冷源，冷凝下来的液体经管内壁的多孔物质所产生的毛细管力再回流到加热段，重新开始蒸发吸热过程。这样，通过管内工质的连续相变，完成了热量的连续转移。

热管的结构按轴向来分，分为三个区域：加热段（蒸发段），绝热段和冷却段（凝结段）；

从热管的横断面来分，也可分为三个部分：壳体，吸液芯（被工质所充满）和中间的蒸汽流道。

热管的壳体一般为圆筒状容器，也可根据需要做成其他形状：如平板状、环状、等等，紧贴内壁的多孔物质叫吸液芯，吸液芯的主要作用是产生毛细管力将凝液从凝结段回到蒸发段，正如一个煤油灯的灯芯可以将煤油从底部提升上来一样。

利用毛细管力来回流液体是一支标准热管的主要特征，也就是说，一支标准的热管是具有某种芯结构的热管。

吸液芯的结构型式很多，主要有如下几类：

一类是均匀芯，如在内壁附以很细的金属丝网或烧结上一层多孔材料；

二类是槽道芯，即在管了内表面上加工上很细的轴向槽道或螺纹槽道；

三类是复合芯，即在槽道芯的外面加上丝网芯；

四类是干道芯，即在热管内部再放支细管，专门用来回流液体；

当热管在地面应用时，可以让重力来帮助凝液回流。这时，只要将热管倾斜放置，加热段在下，冷却段在上就可以了，这样的热管叫重力辅助热管。

由于重力可以帮助回流，对吸液芯的要求大为降低。如果将热管垂直放置，管内不加吸液芯，完全重力回流液体，这样的热管又叫热虹吸管。由此可见，热虹吸管结构简单，制造容易，成本低廉，因而广泛地应用于节能工程中。

热管由于工质的相变传热，因而具有优异的传热特性，如果将一支热管与外形尺寸完全相同的一支铜棒进行比较，将它们的一端同时捅入热源中，当二者传递相同的功率时，热管具有良好的轴向等温性，而铜棒却有明显的温度降落。如图所示：

因此热管的传热特性可以这样来描写：它可以在很小的温差下传输大量的热量。热管的相当导热比导热性能良好的铜可高出几十倍甚至上百倍，因而有超导热体之称。

关于热管超导性的探讨

热管超导性是不是可以万能通用？

1、我们将热管和铜来进行对比分析

为了避免和“低温超导材料”的另一技术领域相区别，热管的超导应该更确切地称作“热超导”。

在关于热管超导特性的表述中，大家不约而同地拿导热性能最好的工业金属——铜作为参照物。由物性表可以查出，铜的导热系数大约为λcu = 400w/m·℃ ，这一数值大约是碳钢的 10 倍，不锈钢的 20 倍。

导热系数越高，说明其导热性能越好。下面通过对一支铜棒和一支热管的比较，推出热管的相当导热系数λe ，然后与铜棒的导热系数λcu 进行比较，看一看热管的导热性能到底比铜棒的导热性能提高多少倍，从而给“超导”的特性一个数量上的范畴。进行比较的热管和铜棒如下图所示：

一支铜棒和一支热管的比较

2、比较和推导是在如下列条件下进行的：

( 1 ）热管与铜棒外径完全相同，设为圆柱体状，高度（或长度）为 L ，等截面积，面积为 A

( 2 ）圆周外表面为绝缘表面即不与外界有热交换，热流只沿轴向流动，因而认为是维导热问题。热呈 Q 由一端加入，由另一端放出．

( 3 ）铜棒按一维稳定导热计算，而热管管内的蒸发换热系数为he ，凝结换热系数为hc, 取值:he= hc = 5000w／㎡·℃ 。

( 4 ）两个端面的温度：高温端为Tl，低温端为T2，假定热管内中心温度为Tv 。

( 5 ）铜棒的导热系数取值λcu ＝4000w／㎡·℃。

推导如下：

 3、计算比较：

长度L与λe及ε的关系，如下表及下图所示：

热管的超导性存在一个临界长度，在一定长度以下，热管的导热系数还不如铜棒，只有在临界长度以上，热管的优越性才显示山来。热管与同样尺寸的Cu 棒的性能比较，还可以用两端温差来表述：

结论

1、热管的超导特性可用ε来表示，相当导热系数λe与铜棒的导热系数λcu 的比值。由推导可知，超导特性与长度 L 成正比，管子越长，其超导特性越明显，还与热管内部的蒸发换热系数he和凝结换热系数hc有关，he,hc 越大，则其超导特性越大。

2、热管存在一个“临界长度”,L临界。在这一长度下，热管的相当导热系数与铜棒的导热系数相同，在上述假定条件下，此临界长度L临界=0.16m =160mm。

这说明，若热管长度过短， <<160mm 时,热管的优越性没有发挥出来，其导热性能还不如铜棒，热管越长，其优越性就愈加显现，当为5m长度时，其导热性能可为铜棒的31倍。

3、对于很短的导热元件，采用热管是不合适的。如应用热管做成翅片，即所谓热管翅片，因翅片的高度一般小于100mm，直接采用实心的金属棒就可以了，若做成热管，因为很短，导热性能并无明显改善，且增加了很多制造成本。

4、对于一些电器冷却元件，一般用于发热元件的散热和均温。若要求散热的距离不长，<<100mm，则直接采用导热性能良好的金属板（块或棒）就可以了。没有必要采用热管。

5、在从热源到冷源的传热路径上，热管仅仅是一个中间环节。它主要的热阻往往集中在热量的加入侧（从热源到热管蒸发段外表而）和热量的传出侧（从热管凝给段外表而到冷源）。

对一个整体的换热设备而言，一定不要认为一旦采用了热管，就可以实现“超导”了。

可以举一个形象的例子：从 A 地到B 地开车需要经过三段相连的路而：只有中间一段是高速路，车速可以开的很快，但高速路两边都是漫长坑洼的泥泞路，开的很慢。显然，这中间一段称为“超导”的高速路，并不能改变整体的车速，交通流量。所以热管本身的超导，并不能说明换热设备整体传热过程的超导。因此设计时必须关注这个问题。