3. 31热管工作温度的计算和工质的选择
热管是依靠工质的相变来传递热量的。在热管内部，工质不断地改变着相态,在传输 热量的同时，依靠相态的变化进行着质量的转移。因此,在设计热管时，首先遇到的问题 是如何选择热管的工质。
热管工质的选择,需要考虑的因素很多，不少文献做了详细的论述⑻。根据热管应 用的特点，工质的选择需要考虑的重要因素为：
(1) 温度因素:工质在热管的工作温度下应具有合适的压力。
(2) 相容性因素:选用的工质和管材之间不起化学变化。
(3) 物性因素:工质的物性要有利于传热和在管内的流动。
(4) 安全和经济性因素:工质无毒，容易取得，价格便宜。
下面分别讨论上述诸因素。
1-温度因素
温度因素是最重要的因素，也是首先要满足的一个因素。任何一种工质，都有发生相 变的温度范围，其下限是工质的凝固点，上限是热力学临界点。例如，对于水，其凝固点为 0℃(1个大气压下)，临界点为374. 15℃。但实际上，工质工作的合适温度范围要小得 多。主要考虑热管的工作温度范围内，热管的工质要具有合适的压力。
所谓合适的压力，主要从管壳的强度考虑。压力太高，则需要较厚的管壁，在工程上 不但不经济，也不安全。以水为例，在250℃下，管内压力约4 MPa,即40 bar, 一般认为是
水工质应用的上限。另一方面，管内蒸汽压力太低也不好，会使管内残留的不凝气体(由 于抽空、清洗等工艺不严格产生的)所占空间的比例增大，致使凝结段端部有相当长的一 段管子不能参加工作，使热管的传热性能变坏，例如，对于水为工质的热管，当在100℃工 作时,管内蒸汽压力为0. 1 MPa,假定不凝气体积聚在凝结段端部的长度为2 cm；若工作 温度变为35℃，则管内压力为0.005 MPa,为高度真空，这时，根据理想气体的状态方程, 可知管内不凝气体所占有的长度(体积)将增大至33 cm,这对热管的工作将产生严重的 影响。
综上所述，以水为工质的热管适用的工作温度为50~250 ℃。反过来说，当热管工作 温度在50 -250℃之间时,选用水作为工质是合适的。
就热管换热器的应用来说，其可能的温度范围很宽，大约从-30 - -50℃到+ 1 000- 1 200 ℃其中，可分为三个温度区间：
(1) 低温区:温度为-30 ~ 100℃ ,如空调、干燥设备应用的热管换热器；
(2) 中温区:温度为100 -350℃，如烟道气余热回收应用的热管换热器；
(3) 高温区:温度为350 ~1 200℃如各种高温窑炉、工业炉的余热回收热管换热器。
选择合适的热管工质。
解 由式(3. 3.3)和表3.3.2,热管的工作温度为
此处，取n = 4,根据表3. 3. 1 ,取水为热管工质是合适的。
2.物性因素
选择热管工质的第二个因素是物性因素，即工质应具有良好的热物理性能。这些要 求为:汽化潜热大，导热系数高，液相和汽相的黏度低，表面张力大，此外，热稳定性好，在 工作温度下不分解，在靠毛细力工作的热管中，工质与管壁及芯结构的润湿性能良好。上 述这些要求，往往不能同时满足，需要对不同工质的物性进行综合比较后确定。其中，对 两个重要物性的影响说明如下：
(1) 汽化潜热:汽化潜热大，意味着在传递相同热量的情况下，液体的蒸发量少，使管 内蒸汽的流量减少，流动阻力降低,凝结液膜变薄，有利于管内传热。
(2) 蒸汽的密度(kg/m3)o蒸汽密度值越小，在同样蒸发量的情况下，管内蒸汽流速 就越大，容易触及管内的传热极限，对管内的正常流动和传热是极为不利的。例如，水蒸 气30℃下的密度仅为150 ℃下密度的1% ,在传热量相同的情况下，管内蒸汽流速将提
高100倍！这也是水工质不能在低温下应用的原因之一。
3.安全和经济因素
热管换热器所需要的热管元件较多，因此，在选择热管工质时，安全性和经济性特别 重要。易燃、易爆、有毒的工质应尽量不采用；此外，还要求工质和管材容易购买，价格便 宜，加工工艺简单等。
综上所述,选择工质的温度因素是最重要的和首先要考虑的，在此基础上，再进行物 性参数的比较，同时也要考虑安全和经济性。
的应用温度上限提高了 100℃，可以用到350℃,而且已积累了一定的应用经验。
，管内蒸汽温度
；总是低于热源温度
，高于冷源温度T2, 而且总是偏向热阻较小的一侧。由热管加热段和冷却段的热平衡式可以很容易地确定管 内蒸汽温度
为加热段和冷却段的传热面积;
为加热段和冷却段 的局部传热系数。
时，则
,对于气-气型热管换热器，一般接近这种情况； 若
,，则 
,气-液型或气-汽型热管换热器接近这种情况，这时，管内工作 温度接近换热系数高的液体侧温度或相变侧温度。
