如何根據工質來選擇換熱管管芯材料

 換熱管構造的三要素是：工質或工作流體、管芯或毛細結構、管殼。這三要素有機的組合是熱管進行正常工作的基礎。三要素的組合有時是矛盾的。下面就來討論組合的原則。

 確定一種適宜的工質之前，首先要考慮的是蒸氣運行的溫度范圍，可按表1-2來選擇。但是，在大致相同的溫度范圍內，可能有幾種工質同時可供選用。為了確定所采用的工質最佳，必須考察其各種特性。主要要求如下：

①. 工質與管芯和管殼材料的相容性；

②. 熱穩定性能好；

③. 工質能潤濕管芯和管殼材料；

④. 在運行溫度范圍內，蒸氣壓力不是太高或者太低；

⑤. 汽化潛熱大；

⑥. 熱率高；

⑦. 工質的液相和蒸氣相的黏度低；

⑧. 表面張力大；

⑨. 冰點或凝固點要適當；

⑩. 安全性要高。

  除了以上的要求之外，還必須根據與換熱管內熱流所受到的各種限制有關的熱力學來考慮選擇工質。這些限制有黏性限、聲速限、毛細限、攜帶限和沸騰限，這些限制將在第三章中討論。

 一只換熱管能否長期運行，能否穩定地進行工作等問題都是直接與材料的不相容性有關的，這一點下面要詳細地討論。然而，工質的熱性能在使用過程中有可能降低（退化），還要防止流體分解成不同成分。因此，必須要求工質在整個可能運行的溫度范圍內熱穩定性好。

 流體表面的性質好似一張繃緊的薄膜，這與液體的表面張力和表面的大小有關。由于液體分子受到吸引力，所以整個液面就有拉力作用。表面張力隨溫度及壓力而變化，不過，隨壓力的變化往往很小。表面張力的有效值由于受液蒸氣、液-液或液-固界面上積累的外來物質的影響，可能有較大的變化。

 在設計換熱管時，為了使它能夠克服重力運行，并產生較大的毛細驅動力，所以，希望表面張力大一些。此外，還必須使工質潤濕管芯和管殼材料。

 在運行的溫度范圍內蒸氣壓力必須大，以避免蒸氣速度過大。因為蒸氣速度大就使溫度梯度大，又能把與之反向流動的冷凝液攜帶走，或者還會由于可壓縮性引起流動不穩定。但是，壓力又不能太高，太高必須用厚壁管殼。

  希望工質的汽化潛熱大，以便用少量的液流來傳遞大量熱量，從而保持管內的壓差小。

 工質的熱導率越大越好，這是為了減少徑向溫度梯度，以及減小在管芯與管殼交界面上產生沸騰的可能性。

 為了把液流的阻力減至最小，要選用蒸氣相和液相黏度低的工質。

 換熱管所用的工質范圍很廣泛，從-269℃用氦，直到892℃用鋰。在50 ~250℃范圍內應用水作工質的優越性最明顯。在稍低一些的溫度范圍內（-60~ 100℃），希望用氨作工質。但是，為了使氨保持高純度，要求細心操作。丙酮和酒精是低蒸氣壓的工質。上述這些工質常用于宇航設備的熱管內。水和甲醇與銅相容，常用來冷卻電子儀器設備。

 在230 ~ 400℃范圍內，可用高溫有機傳熱體、如聯苯與聯苯氧化物的低共熔混合物，其沸點在大氣壓下為260℃左右，但是其表面張力和汽化潛熱小。

 當換熱管的工作溫度進一步提高，就進入液態金屬的工作范圍。水銀的有效工作溫度范圍為250 ~650℃，水銀具有誘人的熱力特性，在室溫下仍呈液態，這使熱管的制作、充液操作和啟動等都可以大大簡化。但它也有不足之處，除了有些毒性之外，其主要的問題是難于潤濕管芯和管殼。

 換熱管的工作溫度范圍更高一些時，則希望用鈣、鉀和鈉作工質。附錄里載有它們與熱管有關的特性。

 如果換熱管的工作溫度在1000℃以上，通常選用鋰作工質，但也可以用銀作工質。