热管是一种高效的无源两相传热元件，由蒸发段、绝热管和冷凝段三部分组成。外部热源通过蒸发段管壁向液态工质传递热量，液态工质吸收潜热转变为气态并穿过绝热段到达冷凝段，气态工质在冷凝段通过壁面向外部冷源放出潜热凝结为液态，凝结液在毛细力、离心力、重力的作用下回流到蒸发段，进而继续吸收潜热不断循环。重力热管是热管的重要类型之一，内部不含有吸液芯，依靠重力帮助凝结液回流到蒸发段，又称为闭式热虹吸管。闭式热虹吸管有结构简单易于制造、传热效率高、工作状况稳定，工作温度范围广、维护成本低等优点。工程中闭式热虹吸管得到广泛的应用，如：空气调节、制冷及低温工程、蓄热装置,、换热与节能装置、电子设备冷却、太阳能集热器、冻土保护、石油化工和工业废热回收、温度控制等领域 。

内部传热流动过程基本理论重力热管内部同时包括两相流和相变过程，不仅涉及传热传质学，还涉及热力学的问题，故传热机理十分复杂。SHIRAISH等较早地提出了比较简明的竖直重力热管传热模型，并与实验进行了验证，大部分研究者都是以该模型对重力热管进行研究的。如图1所示，该模型将重力热管传热分为3个区域，并建立了相应的传热模型：

（1）冷凝段为饱和蒸汽的层流膜状凝结，遵循Nusselt的竖直平板层流膜状凝结理论；

（2）蒸发段液池内，当热流密度较小时，液池内为自然对流蒸发当热流密度较大时液池内为核态沸腾；

（3）蒸发段液池以上部分，当热流密度较小时，冷凝液膜为层流膜状蒸发；而热流密度较大时，液膜为核态沸腾。

1.1冷凝段传热过程

对于重力热管冷凝段的冷凝过程，一般认为是图2闭式重力热管饱和层流膜状凝结，可以用Nusselt理论解释其换热机理。

1.2 绝热段传热过程

绝热段由于不参与换热过程，一般认为与外界无热量交换且径向不存在任何热质交换，绝热段的液膜厚度与冷凝段出口液膜厚度相等，各个参数均为定值。

1.3 蒸发段传热过程

蒸发段传热过程对蒸发段换热过程的研究多是根据实验数据总结经验关联式，没有由单纯的理论分析得到的换热关联式，这些关联式均有明确的应用条件。通常认为蒸发段存在液膜和液池两部分，其中蒸发段液膜在顶端和液池表面之间保持连续，但在不同的工况下存在不同的分布形式，常见形式如图2所示，主要包括：

（a）液膜局部干涸；

（b）液膜厚度达到最小值，无液膜局部干涸现象发生；

（c）液膜和液池保持连续；

（d）液池充满整个蒸发段。

对于液膜区的传热过程，当蒸发段传热率和其他参数（如工作压力、工质种类等）不同时，可以分为层流膜状蒸发、混合对流以及核态沸腾3种形式。不同的传热方式对应不同的换热机理，研究表明，层流膜状蒸发实质就是Nusselt膜状凝结理论的逆过程，得到的关联式与实验吻合较好；混合对流过程是汽泡生成、长大和运动带来的扰动及汽液界面的蒸发作用共同构成的换热过程，该过程形成的汽泡相互之间几乎没有扰动，是层流膜状蒸发到核态沸腾的过渡区间；核态沸腾由于大量汽泡的生成和扰动以及液滴的携带过程使液膜的核态沸腾换热系数大大提高，甚至高于液池核态沸腾 。

由于热虹吸管是依靠重力来使工质循环的，所以它只能用于重力场中，并且在使用时必须将蒸发段置于凝结段的下方。若蒸发段置于凝结段的上方，重力对凝结液的回流会起阻碍作用，这时没有动力使凝结液返回到燕发段，热虹吸管就不能工作。所以热虹吸管也是只能沿一个方向(由下向上)传热的热二极管。

近年来，随着现代工业的发展及高新科技的需要，对热管的传热效率和传热性能提出了越来越高的要求，对热管的强化传热逐渐成为研究热点。现有的重力热管强化传热方式，主要可以分为两大类：一类是从热管内部传热机理出发，采用各种方式降低其本身的热阻，达到强化传热的目的；另一类是针对热管的传热限制因素，对影响其传热特性的各个因素进行综合改进，最终达到强化传热的目的。重力热管强化传热方式及主要机理归纳如表3所示。

热虹吸管处理和插件

1.内表面处理

目前，通过管壁内表面处理强化重力热管换热的研究主要集中在对某一种措施的实验探究层面上，对其强化传热核心机理分析的相关文献还较少。辛公明等对内螺纹重力热管变功率的运行特性进行了实验探究，结果表明，重力热管热阻与热管的放置位置和加热功率有关。田富中等对带有交叉齿内螺纹重力热管的传热特性进行了实验探究，结果表明，水平放置下其传热极限有极大地提升，垂直放置状态下则低于普通热管。目前来说，如何使热管内表面强化换热达到最佳状态及其应用方法还需进一步探究。

2.设置内插件

设置内插件可以大大强化重力热管的换热效果。何曙等提出了带内循环管的新型重力热管，分析表明，新型重力热管蒸发段的热导率和当量热导率比常规重力热管分别提高了11.5～13倍和356～563倍。徐晓萍等在闭式重力热管中加内置管考察了其对传热性能的影响，结果表明，等效对流传热系数、冷凝段对流传热系数有所提高，对加热段的对流传热影响相对较小。由于内插件制造较为困难、成本较高，在工业上很难应用推广，相关的研究文献报道相对较少。

上述强化传热方式虽在一定程度上均增大了热管传热系数，但仍存在设备防垢、除垢的问题，而采用高效流体工质不仅可以达到强化传热的目的，而且能够较好地解决强化传热过程中的污垢问题，是最有应用前景的手段之一，同时也是目前的研究热点。

热虹吸管高效流体工质

高效纳米流体

纳米流体是由CHOI在1995年提出的一种新型换热工质，在热管内加入了纳米颗粒对其换热性能进行了研究，结果表明，蒸发段的传热系数提高了47%～96%，轴向热流率提高了7.6%～15%。之后，纳米流体作为一种高效工质受到了各国学者的广泛研究和关注。表4给出了近几年采用高效纳米流体工质对重力热管强化传热的主要文献。

从表4可以看出，纳米流体多以水为基液，纳米颗粒种类较多，其中Al₂O₃使用较多。大部分研究表明，纳米流体能够强化管内传热性能，而一些研究发现纳米流体使管内传热性能恶化。大部分研究者认为纳米材料能够提高热管传热性能的主要原因是增大了管内流体的热导率和破坏了热边界层的稳定性，从而增强了内部流体流动扰动，提高了沸腾换热系数。同时，纳米颗粒的添加也会引发Marangoni流动，减小了汽泡产生的扰动，从而减弱了换热；也有研究者认为由于纳米流体致使汽化核心减少，从而换热性能变差。纳米流体对重力热管强化结果取决于其浓度、热物性、纳米颗粒的量及粒径和管壁表面的粗糙度等因素。

目前，对揭示纳米流体对重力热管强化传热机理的研究还仅仅停留在定性分析上，综合各种因素建立成熟的强化传热机理还需进一步展开研究。

热虹吸管自润湿流体

自湿润液体是2003年ABE首次提出的另一种新型高效工质，初步研究表明，自湿润流体能够强化重力热管的传热，但对其强化机理仍不明确。自湿润流体实质是高碳醇水溶液，与普通的溶液不同，其表面张力随温度增大先减小后增大，这在一定程度缓解了受热面因蒸干而发生的恶化情况。目前，国内对自润湿液体的研究文献还比较少，这方面的研究成果主要集中在国外的一些学者，表5给出了近几年自润湿流体的国内、外研究文献。SATO等通过实验研究了添加纳米颗粒稀溶液的自润湿流体热管的热性能，以正丁醇自润湿流体为传热工质，结果表明，添加纳米流体后对自润湿流体热管起到了强化传热效应。SAVINO等提出了一种以自润湿流体为工质的管式和平板式热管，在低重力下表现的性能和正常重力条件下一样。TIAN等实验结果表明，在水平位置，自润湿流体显著增加了热管烧干极限，降低了热阻和提高传热性能。辛公明等研制了两种不同工质的内螺纹重力热管，分别对其传热性能进行了实验探究，结果表明，水平放置时，自湿润流体相比于水显著地提高了热管烧干极限。

从文献可以看出，研究者大都是以水和不同的自润湿流体为工质，探究不同溶质浓度对热管传热性能的影响。大部分研究结果表明，自润湿流体可以提高热管的沸腾极限和毛细极限，进而可以提高热管换热性能。自润湿流体作为一种新工质尚处于初步探究阶段，国内鲜有采用自润湿流体对重力热管强化传热研究的报道。

热虹吸管不需要吸液芯或毛细结构，这是它的重要特点。由此使热虹吸管产生一系列的优点：制造工艺简单；生产成本低廉，工作可靠，传热效率高和有较高的临界热流密度。在有芯热管中，冷凝液回流时要通过吸液芯，受到较大的阻力，轴向热流量受到较小的毛细极限的限制。在热虹吸管中，这种流动阻力很小，尽管液池内的沸腾发生在狭窄的通道内，其临界热流密度比大容器沸腾要小一些，但研究已经表明，热虹吸管的临界热流密度比有芯热管大1.2~1.5倍。

热虹吸管具有上述经济和技术上的优点，使它在地面上各种热输送和热回收系统中可作为高效传热元件，其应用领域与日俱增。

1、在冶金工业中以回收热风炉的废热来加热空气或煤气，既可达到节能的目的，又能降低高炉炼铁的焦比。

2、在石油化工工业中，可用于各种加热炉的余热利用，并可作为反应过程中的吸热或放热元件。

3、在动力工业中，在各种吨位的工业锅炉上可以用热虹吸管作成热管省煤器、热管空气预热器和热管余热锅炉。

4、在纺织工业中可以用于定型烘燥设备中的节能装置。甚至在蒸汽机车、轮船和载重汽车上均可应用热虹吸管。

以上所举，在我国均已有了成功的实例。 2100433B