热虹吸管分析
理论：靠蒸发、冷凝和重力输送热量
概述
我想把发热设备的热量输送到稍远的散热器，被告知铜棒不够。
这种情况就用热虹吸管。在密闭管中装少量水，下部加热，上部冷却。水在下部蒸发，蒸汽在上部冷凝时放热，液体靠重力流回下部。它利用汽化潜热输送热量，能以很小的温差输送比铜棒多几个数量级的热量。但回流液体只靠重力，所以加热端必须在下方。分析的重点是两点：能输送多少热量（极限）和温差多大（热阻）。
溢流极限
上升蒸汽流速变快时，会把沿管壁下流的液膜推回，液体无法回到蒸发段。这就是溢流（逆向流动）极限，是热虹吸管的典型极限。在这个Wallis形式的公式中，$A$ 为管截面积，$D$ 为内径。蒸汽密度 $\rho_v$ 越大，同样热量下蒸汽速度越慢，极限就越高。
冷凝段换热
冷凝段内壁上，液膜内的导热构成热阻。用Nusselt膜状冷凝公式求换热系数，与蒸发段换热系数合起来得到总温差。
守护永久冻土的管子
热虹吸管大规模应用的著名例子是20世纪70年代建设的阿拉斯加输油管道。为防止建在永久冻土上的支柱因温热的原油和夏季热量使地基融化下沉，在支柱中装入了数万根热虹吸管。它们只在冬季地面空气比地下冷时工作，把地下热量散到空气中，持续冷却冻土；夏季上端变热，就自动停止。无需动力和控制，利用了重力和热虹吸管的单向性。
算例：水热虹吸管
例1：溢流极限
| 内径 | 40 °C | 60 °C | 80 °C | 100 °C |
|---|---|---|---|---|
| 10 mm | 188 W | 281 W | 393 W | 521 W |
| 20 mm | 1,066 W | 1,592 W | 2,225 W | 2,945 W |
同一根管子，40 ℃和100 ℃差了2.8倍。
水蒸汽密度在40 ℃时为0.051 kg/m³，100 ℃时为0.60 kg/m³，相差12倍。蒸汽稀薄时，输送同样热量需要更快的流速，更容易把液体推回。所以低温下工作的热虹吸管，同样管径能输送的热量更少。管径加倍，截面积变为4倍，再加上公式中的 $\sqrt{D}$，约为5.7倍。基本做法是根据工作温度和所需热量确定管径。
例2：热阻与铜棒比较
计算内径10 mm、蒸发段0.15 m、绝热段0.2 m、冷凝段0.15 m的管子在60 ℃输送100 W的情况。冷凝段用Nusselt公式，蒸发段换热系数假定为5,000 W/m²K：
| 项目 | 值 |
|---|---|
| 冷凝段换热系数 | 14,929 W/m²K |
| 冷凝段温差（热阻） | 1.42 K (0.014 K/W) |
| 蒸发段温差（热阻） | 4.24 K (0.042 K/W) |
| 总温差 | 5.67 K |
| 等效热导率 | 约79,000 W/mK（约为铜的200倍） |
| 同尺寸、同温差铜棒 | 0.51 W |
热阻大部分在蒸发段，蒸汽在管内流动部分的温差极小，所以加长管子温差几乎不增加。要提高性能，改善蒸发段换热（内表面加工、充液量）最有效。
设计步骤
- 确认输送热量、工作温度，以及加热端是否在冷却端下方。
- 选择工质（室温至约200 ℃用水，更低温用氨或制冷剂等）。
- 根据溢流极限确定管径并留有余量。
- 由蒸发段、冷凝段换热估算温差。
- 确定充液量（太少会烧干，太多会导致间歇喷发和性能下降）。
“倾斜后就不冷却了”
某设备中热虹吸管以接近水平的角度安装，样机能冷却，量产机却几乎不输送热量。样机是竖直安装，量产机因机箱形状倾角变小。热虹吸管靠重力回流液体，倾角小时液体回流变慢，蒸发段烧干——加热端哪怕稍高一点就完全不工作。需要水平或向上输送热量时，必须选用带吸液芯的热管。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 低温时假设与高温相同的极限 | 溢流导致性能下降 | 用工作温度下的物性计算 |
| 不考虑倾角 | 液体不回流而烧干 | 加热端置于下方 |
| 随意确定充液量 | 烧干或间歇喷发 | 改变充液量试验 |
| 混入不凝性气体 | 冷凝段失效 | 管理脱气与密封 |
| 按管长估算热阻 | 漏掉真正原因 | 评估蒸发与冷凝段 |
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