如何根据工质来选择换热管管芯材料

 换热管构造的三要素是：工质或工作流体、管芯或毛细结构、管壳。这三要素有机的组合是热管进行正常工作的基础。三要素的组合有时是矛盾的。下面就来讨论组合的原则。

 确定一种适宜的工质之前，首先要考虑的是蒸气运行的温度范围，可按表1-2来选择。但是，在大致相同的温度范围内，可能有几种工质同时可供选用。为了确定所采用的工质最佳，必须考察其各种特性。主要要求如下：

①. 工质与管芯和管壳材料的相容性；

②. 热稳定性能好；

③. 工质能润湿管芯和管壳材料；

④. 在运行温度范围内，蒸气压力不是太高或者太低；

⑤. 汽化潜热大；

⑥. 热率高；

⑦. 工质的液相和蒸气相的黏度低；

⑧. 表面张力大；

⑨. 冰点或凝固点要适当；

⑩. 安全性要高。

  除了以上的要求之外，还必须根据与换热管内热流所受到的各种限制有关的热力学来考虑选择工质。这些限制有黏性限、声速限、毛细限、携带限和沸腾限，这些限制将在第三章中讨论。

 一只换热管能否长期运行，能否稳定地进行工作等问题都是直接与材料的不相容性有关的，这一点下面要详细地讨论。然而，工质的热性能在使用过程中有可能降低（退化），还要防止流体分解成不同成分。因此，必须要求工质在整个可能运行的温度范围内热稳定性好。

 流体表面的性质好似一张绷紧的薄膜，这与液体的表面张力和表面的大小有关。由于液体分子受到吸引力，所以整个液面就有拉力作用。表面张力随温度及压力而变化，不过，随压力的变化往往很小。表面张力的有效值由于受液蒸气、液-液或液-固界面上积累的外来物质的影响，可能有较大的变化。

 在设计换热管时，为了使它能够克服重力运行，并产生较大的毛细驱动力，所以，希望表面张力大一些。此外，还必须使工质润湿管芯和管壳材料。

 在运行的温度范围内蒸气压力必须大，以避免蒸气速度过大。因为蒸气速度大就使温度梯度大，又能把与之反向流动的冷凝液携带走，或者还会由于可压缩性引起流动不稳定。但是，压力又不能太高，太高必须用厚壁管壳。

  希望工质的汽化潜热大，以便用少量的液流来传递大量热量，从而保持管内的压差小。

 工质的热导率越大越好，这是为了减少径向温度梯度，以及减小在管芯与管壳交界面上产生沸腾的可能性。

 为了把液流的阻力减至最小，要选用蒸气相和液相黏度低的工质。

 换热管所用的工质范围很广泛，从-269℃用氦，直到892℃用锂。在50 ~250℃范围内应用水作工质的优越性最明显。在稍低一些的温度范围内（-60~ 100℃），希望用氨作工质。但是，为了使氨保持高纯度，要求细心操作。丙酮和酒精是低蒸气压的工质。上述这些工质常用于宇航设备的热管内。水和甲醇与铜相容，常用来冷却电子仪器设备。

 在230 ~ 400℃范围内，可用高温有机传热体、如联苯与联苯氧化物的低共熔混合物，其沸点在大气压下为260℃左右，但是其表面张力和汽化潜热小。

 当换热管的工作温度进一步提高，就进入液态金属的工作范围。水银的有效工作温度范围为250 ~650℃，水银具有诱人的热力特性，在室温下仍呈液态，这使热管的制作、充液操作和启动等都可以大大简化。但它也有不足之处，除了有些毒性之外，其主要的问题是难于润湿管芯和管壳。

 换热管的工作温度范围更高一些时，则希望用钙、钾和钠作工质。附录里载有它们与热管有关的特性。

 如果换热管的工作温度在1000℃以上，通常选用锂作工质，但也可以用银作工质。