熱管與物質(zhì)相變.doc

物質(zhì)相變 相變：物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程。相變是物質(zhì)系統(tǒng)不同相之間的相互轉(zhuǎn)變。固、液、氣三相之間轉(zhuǎn)變時(shí)，常伴有吸熱或放熱以及體積突變。單位質(zhì)量物質(zhì)在等溫等壓條件下，從一相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌鄷r(shí)吸收或放出的熱量稱(chēng)為相變潛熱。通常把伴有相變潛熱和體積突變的相變稱(chēng)為第一類(lèi)（或一級(jí)）相變。不伴有相變潛熱和體積突變的相變稱(chēng)為第二類(lèi)（或二級(jí)）相變。例如在居里溫度下鐵磁體與順磁體之間的轉(zhuǎn)變；無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)超導(dǎo)物質(zhì)在正常導(dǎo)電態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間的轉(zhuǎn)變；正常液氦與超流動(dòng)性液氦之間的轉(zhuǎn)變等。因此，熱管分作：相變熱管和非相變熱管 相變熱管的發(fā)明者首先發(fā)現(xiàn)了將水注入封閉的“真空腔”中，或者將裝有水的容器抽成“真空”后，其導(dǎo)熱，特別是其低溫（接近于室溫）的導(dǎo)熱特性便奇跡般地便得極佳。其熱阻變得很小，其導(dǎo)熱速度與所有金屬和物質(zhì)相比變得極快，其導(dǎo)熱距離在理論上幾乎被“無(wú)限”延長(zhǎng)。因此，許多人認(rèn)為，相變熱管解決了導(dǎo)熱難題。相變熱管中，工質(zhì)的熱膨脹并汽化運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因?yàn)楣べ|(zhì)從熱獲得足夠的動(dòng)力而能在“真空”的腔體中暢通無(wú)阻地向冷凝端運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)工質(zhì)冷凝成液體后，其就失去了動(dòng)力，不僅如此，因?yàn)橐簯B(tài)物質(zhì)相互引力作用和液態(tài)物質(zhì)與管壁物質(zhì)的相互引力作用。液態(tài)物質(zhì)還產(chǎn)生了比氣態(tài)物質(zhì)更大的運(yùn)動(dòng)阻力，因此造成了回流遲緩。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)液體的毛細(xì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象能夠形成液態(tài)物質(zhì)從冷凝端回流的動(dòng)力，可以加速和加大液態(tài)工質(zhì)的回流量。于是就在封閉管腔內(nèi)壁增加了毛細(xì)結(jié)構(gòu)的管芯。從而在很大程度上改善了工質(zhì)的回流，在一定程度上保證了熱循環(huán)的平衡。然而，在低溫下導(dǎo)熱循環(huán)良好的熱管，隨著溫度或?qū)崦芏鹊脑黾訁s越來(lái)越差，甚至不能導(dǎo)熱了，主要原因還是回流不足。于是，一方面不斷地試著增加工質(zhì)量，期望能通過(guò)保持蒸發(fā)端液池中的液量，以彌補(bǔ)回流遲緩之不足。然而，液量的增加雖然一定程度上解決了回流問(wèn)題，但隨著液量的增加，熱管的導(dǎo)熱特性也發(fā)生了改變，首先是熱管的啟動(dòng)溫度提高了，熱管的導(dǎo)熱反應(yīng)速度變慢了，低溫段導(dǎo)熱特性變差了。同時(shí)，無(wú)論液量如何增加，只要封閉系統(tǒng)中存在不同密度空間，工質(zhì)就會(huì)出現(xiàn)不同的導(dǎo)熱狀態(tài)。就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)熱密度差異。局部熱崩潰就必然發(fā)生。同時(shí)，工質(zhì)量的增加還加大了導(dǎo)熱管壓，從而造成更麻煩的使用安全問(wèn)題。另一方面，進(jìn)一步從毛細(xì)回流結(jié)構(gòu)上下功夫，從管芯一直研究改進(jìn)到燒結(jié)結(jié)構(gòu)。然而，干涸現(xiàn)象還是形影相隨，揮之不去。因?yàn)?，毛?xì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)流越好，導(dǎo)熱也越好。于是隨著溫度的增加，從毛細(xì)結(jié)構(gòu)回流的液態(tài)工質(zhì)就越不容易回流到熱管的蒸發(fā)端（特別是端部或高溫部），與管壁結(jié)合得更緊密的燒結(jié)結(jié)構(gòu)更是如此。所以，毛細(xì)結(jié)構(gòu)只能在低水平上解決循環(huán)不足問(wèn)題。 至此，人們終于感到撓頭了。相變熱管難以克服的結(jié)癥赤裸裸地?cái)[在了大家的面前。相變熱管的優(yōu)點(diǎn)也同時(shí)變成了相變熱管的弱點(diǎn)。Nod 于是，專(zhuān)家們開(kāi)始向相變導(dǎo)熱以外的形態(tài)動(dòng)腦筋了。類(lèi)相變的脈沖熱管，非相變的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)熱體系等等應(yīng)運(yùn)而生。但，其都已熱均衡性和導(dǎo)熱速度和距離以及應(yīng)用形態(tài)局限等等方面的缺陷與不足而躊躇不前。核心問(wèn)題：YR 1，工質(zhì)載熱運(yùn)動(dòng)，并對(duì)流循環(huán)，是相變熱管的優(yōu)勢(shì)也是相變熱管的局限或劣勢(shì)。C6& 2，工質(zhì)量是相變熱管的可調(diào)變數(shù)，也是相變熱管的不可調(diào)的局限因素。3，毛細(xì)結(jié)構(gòu)是相變熱管工質(zhì)回流的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，同時(shí)其也是造成工質(zhì)無(wú)法回流的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)。4，真空相變?cè)龃罅斯べ|(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度和載熱量，但也加劇了工質(zhì)對(duì)流循環(huán)的不平衡狀態(tài)。其加快了工質(zhì)的蒸發(fā)速度，但也加劇了工質(zhì)的干涸狀態(tài)。熱管，按較精確的定義，稱(chēng)之為“封閉兩相傳熱系統(tǒng)”，即在一個(gè)封閉體系內(nèi)，依*流體的相態(tài)變化（液相變?yōu)槠嗪推嘧優(yōu)橐合啵﹣?lái)傳遞熱量的裝置。熱管的這種傳熱原理，首先于1944年由美國(guó)人高格勒（RSGaugler）所發(fā)現(xiàn)，并以“熱傳遞裝置”（Heat Transter Device）為名取得專(zhuān)利，當(dāng)時(shí)因未顯示出實(shí)用意義，而沒(méi)有受到應(yīng)有的重視。直到六十年代初期，由于宇航事業(yè)的發(fā)展，要求為宇航飛行器提供高效傳熱元件，促使美國(guó)洛斯-阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的格羅弗（GMGrover）于1964年在獨(dú)立工作的基礎(chǔ)上，再次發(fā)現(xiàn)這種傳熱裝置的原理，并命名為熱管（Heat Pipe），首先成功地應(yīng)用于宇航技術(shù)，之后引起了各國(guó)學(xué)者的極大興趣和重視。熱管的結(jié)構(gòu)：一個(gè)圓筒狀的容器，內(nèi)部襯以多孔的材料，將容器內(nèi)部抽成某種程度的真空，然后注入一定量的液體（工質(zhì)）并將容器密封起來(lái)。熱管的結(jié)構(gòu)按軸向來(lái)分，分為三個(gè)區(qū)域：加熱段（蒸發(fā)段），絕熱段和冷卻段（凝結(jié)段）；從熱管的橫斷面來(lái)分，也可分為三個(gè)部分：殼體，吸液芯，（被工質(zhì)所充滿）和中間的蒸汽流道。熱管的殼體一般為圓筒狀容器，也可根據(jù)需要做成其他形狀：如平板狀、環(huán)狀、等等，緊貼內(nèi)壁的多孔物質(zhì)叫吸液芯，吸液芯的主要作用是產(chǎn)生毛細(xì)管力將凝液從凝結(jié)段回到蒸發(fā)段，正如一個(gè)煤油燈的燈芯可以將煤油從底部提升上來(lái)一樣。利用毛細(xì)管力來(lái)回流液體是一支標(biāo)準(zhǔn)熱管的主要特征，也就是說(shuō)，一支標(biāo)準(zhǔn)的熱管是具有某種芯結(jié)構(gòu)的熱管。吸液芯的結(jié)構(gòu)型式很多，主要有如下幾類(lèi)：一類(lèi)是均勻芯，如在內(nèi)壁附以很細(xì)的金屬絲網(wǎng)或燒結(jié)上一層多孔材料；第二類(lèi)是槽道芯，即在管子內(nèi)表面上加工上很細(xì)的軸向槽道或螺紋槽道；第三類(lèi)是復(fù)合芯，即在槽道芯的外面加上絲網(wǎng)芯；第四類(lèi)是干道芯，即在熱管內(nèi)部再放一支細(xì)管，專(zhuān)門(mén)用來(lái)回流液體。如果將一支熱管與外形尺寸完全相同的一支銅棒進(jìn)行比較，將它們的一端同時(shí)插入熱源中，當(dāng)二