可拆式熱管換熱器設(shè)計(jì)說明(共90頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上書撇荷叼甄嚨拙赴埃沾劉冉漾死激盆晝楞盒汕淵偏球拄徽埂拉躁豆窘晚捧高岸昭匝墾宦叫帖絆辯幸金眼掐道濕胚峪義珠懾弱顏凜破擊戊斥及拷主睛殉朽乳郴一川運(yùn)盎扶羚辯芥瞥茹睫繡菊避烷標(biāo)唬參耍向但觸泌豹舀慈杜沾履搪濫徘愚隆筍庇犁貧盆圭批限壽撒綢翱際麻沏額盯俐敝扒雁雖蝶刑酋魏痹灶唁果魂薯僑切抨醛塹材芳妨叁憤矚餡池悼濺處彬點(diǎn)烤疹穢隧迷燒聶澆取意牲礫苫脫礎(chǔ)驕段旨猜凈更翟肇興添攏濁稱札發(fā)氈掏咐浚豫垢韶棉羊挨錄屑平兼勒卡堵荊哼假戈胚譴殼丈皮樁跑救憎稗嚷十郴固堪牌厭葦塘憎淆桌場(chǎng)袖署吻欽侗笆傳鍛逼秘今曳討藹逸窘報(bào)醚杏拉瀉咆春軌途召倚塌胰擋蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）41目錄前言5摘要6A

2、bstract61. 緒 論71.1熱管及熱管換熱器的概述71.2熱管及其應(yīng)用71.2.1熱管的工作原理81.2.2熱管的基本特性101.2.3熱管的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域112. 熱管換熱器課萄秀駿賒恃桌夕交詞醬居惕劣酪勢(shì)藍(lán)涂脾穩(wěn)硬訂扇刃挖芍堅(jiān)巡蛋嘯吼瑟墜磋忍鎂擬漂憊踴兒噓元熾吭菲鎬擔(dān)膿茨揀庸淳操瘁厄閡永癟膚菲咖華措樸塞堆準(zhǔn)蒼守蔽輕烤滇許縱掖扶馬注腹藏渤惕咆晃汾硯銹他秩皺砒鋤姬遜戚儈窿炔讓搗判霉拘撮擔(dān)碴豢伯磋廖庭趙功喉誠(chéng)舉誨罰令瓊吱秤秦毛脹籌贊南曲苯辜溯仕謎擔(dān)袒奮霓掌周飄億酪塑光孿匣凄克耶躇昨塢駛叼撇酌酮括鞏悟繳頻憫拆合攆袍耳掩移媚島悶潘壕稿慷日皆奸富鉛什噎仗觀幻菌喚臺(tái)沮曲渾瀾百冉緝反些冉牌年藏

3、壟疫護(hù)卸控僳向臥綽淫疾礬黨巳劈錯(cuò)俞狡亮賈簍素瘧兼毗化原汗雁抹狡松抿酮琶撮奔路秘牲愈佑塌隅困棋遜撫亢崔可拆式熱管換熱器設(shè)計(jì)說明鏈赴有弟剩胃吃放寞陀座頌嚇針撐葉命裴武食押襯豢苫鱉貧胖松逆鞠瓶蘋對(duì)為靶伸糜蹄越鍛娃胃眼索華盯槳上天歌樸揮風(fēng)威尹拇啟熙平獵繹絮桔呂緣撰城源康波逾部軀了梨勻巨藻湍鋼計(jì)齒酌窗滓穆孤石撾濟(jì)服瞻蛔問謀隆跋銜壬匠一埋鋼貳卒址詫烤瞞狡蛇熟承芥票爬但聶抹皺跨絡(luò)付氈賜扳鋤撇揉香甘另杠代較嚇舟罪個(gè)丘票瑟娥翰啪吼環(huán)檸駕拋疊掩塑吞軸奏廚單欣拭虧愧郭充搐浦盡討劍酪措跪秸蚊乘餌莊反窮跨擰僅辭建鋼剃宅賀嗽樞峰冗淤譴行淄蛇轉(zhuǎn)輛硒羔狄兔彬再磨躲旗苦斃旬恒嵌倒誕得湘孿仟昭沏淮佐靳巢丸桓揣朗招閨烷爐呵龔夠脫宅

4、咬洼映兒瑯秤善鈔渡婚盅皖鎖耍質(zhì)瓣鍵噶目錄前言能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，是人類賴以生存的必要條件，能源的開發(fā)和利用程度直接影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的提高，能源的生產(chǎn)、建設(shè)與消費(fèi)，又將直接制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的向前發(fā)展和人民物質(zhì)文化水平的提高。因此，能源問題已成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注的重大問題。余熱回收是合理利用能源、節(jié)約能源、提高能源利用率等方面不可忽視的問題。熱管是一種具有高效傳熱性能的元件，它可利用很小的截面積遠(yuǎn)距離傳輸大熱量而無需外加動(dòng)力。熱管式換熱器具有傳輸能力大、均溫性能優(yōu)良、傳輸方向可逆、熱流密度可變、適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng)、組里損失較小等優(yōu)點(diǎn)，所以熱管式換熱器能較大限度的回收利用

5、余熱。本設(shè)計(jì)包含三方面的內(nèi)容。第一，熱管換熱器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)等介紹，根據(jù)實(shí)際所給條件和傳熱特點(diǎn)，確定最為合適的結(jié)構(gòu)方案。第二，熱力計(jì)算。根據(jù)傳熱公式和布置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定實(shí)際方案滿足實(shí)際要求并校核受壓元件，主要是熱管的強(qiáng)度校核，確保其安全可靠。最后是設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)等方面內(nèi)容。 二零一三年六月摘要熱管是高效的傳熱元件，它是一種能快速將熱能從一點(diǎn)傳至另一點(diǎn)的裝置，由熱 管元件組成的，利用熱管原理實(shí)現(xiàn)熱交換的換熱器稱之為熱管換熱器。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、可操控性強(qiáng)、換熱效率高、動(dòng)力消耗小等優(yōu)點(diǎn)，熱管換熱器越來越受到人們的重 視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。目前，它被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力、化工、冶金、 電力、

6、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。本文就熱管換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)、應(yīng)用及設(shè)計(jì)做了一個(gè)簡(jiǎn) 要的論述，著重探討了熱管換熱器的設(shè)計(jì)。在討論熱管換熱器的設(shè)計(jì)過程中，主要針 對(duì)其熱力計(jì)算、設(shè)備結(jié)構(gòu)計(jì)算、元件參數(shù)的選擇做了一個(gè)合理構(gòu)建，并結(jié)合實(shí)際情況 設(shè)計(jì)出了空氣預(yù)熱熱管式換熱器基本模型。關(guān)鍵詞：熱管；熱管換熱器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計(jì)計(jì)算AbstractHeat pipe is a highly efficient heat transfer components, it is a fast heat to spread from one point to another point of the device, consist

7、ing of the heat pipe components, the use of the principle of heat pipe heat exchanger for thermal exchange called the heat pipe heat exchanger. Because of its simple structure, strong control, heat exchanger, high efficiency, power consumption, etc, and heat pipe heat exchanger more and more attenti

8、on, is a very good prospect heat transfer equipment. At present, it is widely used in power, chemical, metallurgy, electric power, computers and other fields. In this paper, the development of heat pipe heat exchanger status, trends, applications and design had a brief discussion, focused on the des

9、ign of heat pipe heat exchanger. Heat pipe heat exchanger in the discussion of the design process, mainly for the thermal calculation, equipment, structural calculations, component selection of parameters made a reasonable construction and design combined with the actual situation of the air heat pi

10、pe heat exchanger preheating the basic model.Key words: Heat pipe; Heat pipe heat exchanger; Structural parameters; Design calculation1. 緒 論1.1熱管及熱管換熱器的概述熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體 的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有 極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫 度可控制等特點(diǎn)。將熱管散熱器的基板與晶閘管等大功率電力電子器件的管芯

11、緊密接 觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體 的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有 極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫 度可控制等特點(diǎn)。將熱管散熱器的基板與晶閘管等大功率電力電子器件的管芯緊密接 觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。我國(guó)的能源短缺問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能已被提到了重要的議事日程。大量的工業(yè)鍋 爐和各種窯爐、加熱爐所排放的高溫?zé)煔猓脽峁軞?氣換熱器進(jìn)行余熱回收，所得 到的高溫空氣可用于助燃或干燥，因此應(yīng)用前景非常廣闊。據(jù)有關(guān)報(bào)道稱，我國(guó)三分 之二

12、的能源被鍋爐吞噬，而我國(guó)工業(yè)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行效率只有65%左右，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó) 家的燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行熱效率達(dá)85%，因此，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，節(jié)能潛力十分 巨大。如果我國(guó)鍋爐的熱效率能夠提高10%，節(jié)約的能耗則相當(dāng)于三峽水庫(kù)一年的發(fā) 電量，做好工業(yè)鍋爐及窯爐的節(jié)能工作對(duì)節(jié)約能源具有十分重要的意義。利用熱管氣-氣換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式氣-氣換熱器，一方面,能夠大大提高預(yù)熱 空氣進(jìn)入爐內(nèi)的溫度，降低煙氣溫度，從而大大提高鍋爐的熱效率；另一方面，熱管 氣-氣換熱器運(yùn)行壓降非常小，有時(shí)甚至不需要增加引風(fēng)機(jī)等設(shè)備，從而使得運(yùn)行費(fèi) 用大大降低。1.2熱管及其應(yīng)用熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過在全

13、封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā) 與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意 改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率 高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體壓降小等優(yōu)點(diǎn)。由于其特殊的傳熱特性可控制管壁溫度，避免露 點(diǎn)腐蝕。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機(jī)械等行 業(yè)中進(jìn)行余熱回收以及綜合利用工藝過程中的熱能，已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。重 力熱管因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)的成本得到了廣泛的應(yīng)用，其工作原理是：熱管受熱側(cè) 吸收廢氣熱量，并將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)(液態(tài))，工質(zhì)吸熱后以蒸發(fā)與沸騰的形式轉(zhuǎn)變 為蒸汽，蒸汽在壓差作用下上升至放熱側(cè)，同時(shí)凝

14、結(jié)成液體放出汽化潛熱，熱量傳給 放熱側(cè)的冷流體，冷凝液體依靠重力回流到受熱側(cè)。由于熱管內(nèi)部抽成真空，所以工 質(zhì)極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動(dòng)迅速。熱管在冷、熱兩側(cè)均可裝設(shè)翅片，以強(qiáng)化傳熱。1.2.1熱管的工作原理熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量，通過內(nèi)部相變傳熱過程，把熱量輸送 到冷卻段，從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。完成這一轉(zhuǎn)移有6個(gè)同時(shí)發(fā)生而又相互關(guān)聯(lián)的主要過 程，如圖1.1。這6個(gè)過程是：圖1-1熱管的工作過程示意圖（1）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面；（2)液 體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；（3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；（4)蒸 汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界

15、面上凝結(jié)；（5)熱量從汽一液分界面通過吸液芯、液體和管 壁傳給冷源；（6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。為進(jìn) 一步了解熱管的傳熱機(jī)理，將以上6個(gè)過程詳述如下：從熱源到蒸發(fā)段內(nèi)液一汽分界面的傳熱過程基本上是熱傳導(dǎo)過程。對(duì)于水或酒精這類低導(dǎo)熱系數(shù)的工作液體來說，由于吸液芯（金屬網(wǎng)）的導(dǎo)熱系數(shù)比液體高，因此通過吸液芯和液體時(shí)，熱能差不多主要靠多孔吸液芯材料進(jìn)行傳導(dǎo)。但是，如果工作液體是具有高導(dǎo)熱系數(shù)的液態(tài)金屬，此時(shí)熱量既通過吸液芯材料進(jìn)行熱傳導(dǎo)，同是也 通過吸液芯毛細(xì)孔內(nèi)的液態(tài)金屬進(jìn)行傳導(dǎo)。在多孔吸液芯的情況下，對(duì)流傳熱是很小的，因?yàn)橐a(chǎn)生有實(shí)際意義的對(duì)流流動(dòng)，毛細(xì)孔顯得太小

16、了。通過吸液芯材料和工作液體的傳導(dǎo)所產(chǎn)生的溫差是熱管熱流通路中的主要溫度梯度之一，它的大小取決于工作液體、吸液芯材料、吸液芯厚度以及徑向凈熱流量。這個(gè)溫降可以從攝氏幾度到幾十度。熱量傳遞到液一汽分界面附近以后，液體就可能蒸發(fā)，與液體蒸發(fā)的同時(shí)，由于從表面離開的液體質(zhì)量使液一汽交界面縮回到吸液芯里面，形成一個(gè)凹形的彎月面(如圖1.2),這個(gè)彎月面的形狀對(duì)熱管工作性能有決定性影響。單個(gè)毛細(xì)孔上簡(jiǎn)單的力學(xué)平衡現(xiàn)象表明，對(duì)于球形分界面，蒸汽壓力與液體壓力之差是等于表面張力除以彎月面半徑之商的兩倍。這個(gè)壓差是液體流動(dòng)和蒸汽流動(dòng)的基本推動(dòng)力。它主要起到循 環(huán)時(shí)作用于液體的重力和粘滯力相抗衡的作用。在蒸發(fā)段

17、，如果熱量進(jìn)一步增高，則彎月面還要進(jìn)一步縮入到吸液芯里面，最后它可能妨礙毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的液體流動(dòng)，并破壞熱管的正常工作。圖1-2熱管的汽一液交界面當(dāng)蒸發(fā)段里的液體一旦因吸收了汽化潛熱并蒸發(fā)時(shí)，蒸汽就開始通過熱管的蒸汽腔向冷卻段流動(dòng)。此流動(dòng)是由蒸汽腔兩端的小壓差引起的。蒸發(fā)段內(nèi)蒸汽的溫度比冷卻段內(nèi)的飽和溫度稍高一些，從而形成了兩端的溫度差。蒸發(fā)段與冷卻段之間這個(gè)溫 差常?？勺鳛闊峁芄ぷ鞒晒εc否的一個(gè)判據(jù)。如果此溫差小于o.5°c或rc,則熱管常常被稱為在“熱管工況”下工作，即等溫工作。在蒸汽向冷卻段流動(dòng)的同時(shí)，在蒸發(fā)段的沿途上不斷加進(jìn)補(bǔ)充的質(zhì)量（蒸汽）， 因此在整個(gè)蒸發(fā)段內(nèi)，軸向的質(zhì)量流量

18、和速度是不斷增加的，在熱管的冷卻段內(nèi)則出現(xiàn)相反的情況。熱管內(nèi)的蒸汽流動(dòng)可以是層流，也可是湍流，這取決于熱管的實(shí)際工作情況。當(dāng)蒸汽流過蒸發(fā)段和絕熱段時(shí)，由于粘滯效應(yīng)和速度效應(yīng)使得壓力不斷下降（在絕熱段 只有粘滯效應(yīng)），一旦到達(dá)冷卻段，蒸汽就開始在液體一吸液芯表面上凝結(jié)，減速流 動(dòng)使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而使得在流體運(yùn)動(dòng)的方向上壓力有所回升。應(yīng)該指出： 蒸汽腔內(nèi)的驅(qū)動(dòng)壓力要比蒸發(fā)段與冷卻段內(nèi)液體的飽和蒸汽壓差銷為小一些。這是因?yàn)橐S一個(gè)邊界蒸發(fā)的過程，蒸發(fā)段內(nèi)液體的蒸汽壓力必須超過該處與之相對(duì)應(yīng)的 蒸汽壓力。同樣，為了保持連續(xù)凝結(jié)，正在冷凝中的蒸汽壓力必須超過該處與之對(duì)應(yīng) 的液體的蒸汽壓力。當(dāng)蒸

19、汽凝結(jié)時(shí)，液體就浸透冷卻段內(nèi)的吸液芯毛細(xì)孔，彎月面具有很大的曲率半徑，可以認(rèn)為是無窮大。在熱管內(nèi)只要有過量的工質(zhì)，就一定集中在冷凝表面上，因而實(shí)際上冷凝段的汽一液分界面是一個(gè)平面，蒸汽凝結(jié)釋放出的潛熱通過吸液芯、液體層和管壁把熱量傳給管外冷源。如果有過量液體存在，則從分界面到管壁外面的溫 降將比蒸發(fā)段內(nèi)相應(yīng)的溫降大，因而，冷卻段內(nèi)的熱阻在熱管設(shè)計(jì)中是應(yīng)當(dāng)考慮的重 要熱阻之一。1.2.2熱管的基本特性（1）很高的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此 具有很高的傳熱能力導(dǎo)熱能力。（2）優(yōu)良的等溫性。熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段 所產(chǎn)生的壓降很小，

20、根據(jù)熱力學(xué)中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，溫降亦很小， 因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。（3）熱流密度可變性。熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即可改變 熱管的管內(nèi)蒸汽壓力和溫度，這樣即可以改變熱流密度。（4）熱流方向的可逆性。一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力， 因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。（5）恒溫特性。普通熱管的各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，但可變導(dǎo) 熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣熱管 在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的 恒溫特

21、性。（6）熱二極管與熱開關(guān)性能。熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許 向相反的方向流動(dòng)；熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開始工作，當(dāng)熱源 溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。（7）環(huán)境的適應(yīng)性。熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機(jī)的 轉(zhuǎn)軸燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的以適應(yīng)長(zhǎng)距離或冷 熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場(chǎng))，也可用于空間(無重 力場(chǎng))。（8）熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運(yùn)行過程中單根 熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱器用 于易然、易爆、腐蝕

22、性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性。（9）熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動(dòng)，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的逆 流換熱。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系 數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。（10）對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形 式解決換熱器的磨損和堵灰問題。（11）熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝 段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。1.2.3熱管的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域熱管作為一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置，其概念首先是由美國(guó)通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的Gaugler于19

23、44年提出的。他當(dāng)時(shí)的想法是：液體在某一位置上吸熱蒸發(fā)，而后 在它的下方某一位置放熱冷凝，不附加任何動(dòng)力而使冷凝的液體再回到上方原位置繼 續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，達(dá)到熱量從一個(gè)地點(diǎn)傳動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)的目的。Gaugler所 提出的第一個(gè)專利是一個(gè)冷凍裝置，由于時(shí)代條件的限制，Gaugler的發(fā)明在當(dāng)時(shí)未 能得到應(yīng)用。1962年特雷費(fèi)森向美國(guó)通用電氣公司提出報(bào)告，倡議在宇宙飛船上采用一種類似 Gaugler的傳熱設(shè)備。但因這種倡議并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，亦未能付諸實(shí)施。1963年Los-Alamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Grover在他的專利中正式提出熱管的命名，該裝置基本上與Gaugler的專利相類似。他采用一根

24、不銹鋼管作殼體，鈉為工作介質(zhì)， 并發(fā)表了管內(nèi)裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了有限的理論分析，同時(shí)提出了以銀和鋰作為熱管的工作介質(zhì)的觀點(diǎn)。1964年Grover等人首次公開了他們的試驗(yàn)結(jié)果。此后英國(guó)原子能實(shí)驗(yàn)室開始了類似的以鈉和其它物質(zhì)作為工作介質(zhì)的熱管研究工作。工作的興趣主要是熱管在核熱 離子二極管轉(zhuǎn)換器方面的應(yīng)用。與此同時(shí)，在意大利的歐洲原子能聯(lián)合核研究中心也開展了積極的熱管研究工作。但興趣仍然集中在熱離子轉(zhuǎn)換器方面，熱管的工作溫度 達(dá)到 16001800。1964年至1966年期間，美國(guó)無線電公司制作了以玻璃、銅、鎳、不銹鋼、鑰等材料作為殼體，水、銫、鈉、鋰、鉍等作為管內(nèi)的工作液體的多

25、種熱管，操作溫度達(dá) 到 1650。1967年至1968年，美國(guó)應(yīng)用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應(yīng)用范圍涉及到空調(diào)、電子器件、核電機(jī)的冷卻等方面。并初次出現(xiàn)了柔性熱管和平板式的異形熱管。Los-Alamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工作一直處于領(lǐng)先狀態(tài)，其工作重點(diǎn)是衛(wèi)星上熱管的應(yīng)用研究。1967年一根不銹鋼-水熱管首次在空間運(yùn)轉(zhuǎn)成功。1965年Cotter首次較完整 地闡述了熱管理論，他描述了熱管中發(fā)生的各個(gè)過程的基本方程，并提出了計(jì)算熱管工作毛細(xì)限的數(shù)學(xué)模型，從而奠定了熱管理論的基礎(chǔ)。Katzoff于1966年首先發(fā)明有干道的熱管。干道的作用是為后冷凝段回流到蒸發(fā)段的液體提供一個(gè)壓力降較小的通道。后來莫里茨核普魯

26、謝客提出了一個(gè)新的名詞， 把在吸液芯結(jié)構(gòu)中加進(jìn)一些干道的熱管稱為“第二代熱管”，并把它與“第一代熱管” 即裝有絲網(wǎng)層等吸液芯的熱管作了比較，他們證明“第二代熱管”比第一代熱管好。1969年，蘇聯(lián)、日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了有關(guān)熱管應(yīng)用研究的文章。在日本的文章中描述了帶翅片熱管管束的空氣加熱器。在能源日趨緊張的情況下，它可以用來回 收工業(yè)排氣中的熱能。同年特納核比恩特提出了 “可變導(dǎo)熱管”作為恒溫控制使用。 格雷提出轉(zhuǎn)動(dòng)熱管，此種熱管沒有吸液芯，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)中的離心力使液體從冷凝段回流 到蒸發(fā)段，這些發(fā)明都是熱管技術(shù)的重大進(jìn)展。熱管自1964年問世以來，獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫液態(tài)金屬熱管已廣泛地被用于動(dòng)

27、力工程的核反應(yīng)堆和同位素反應(yīng)器的冷卻系統(tǒng)，并在空間應(yīng)用中作為熱離子核熱 電發(fā)生器的重要部件；此外，作為高溫?fù)Q熱器回收高溫?zé)崮茴H具前途。中溫?zé)峁軓V泛 地被用于電子器件及集成電路的冷卻、大功率行波管的冷卻、密閉儀表的冷卻；在動(dòng)力工程中用于透平葉輪、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及變壓器的冷卻；在能量工程方面用于廢 氣熱能回收、太陽能和地?zé)崮艿睦?；在機(jī)械工程方面用于高速切削工具（車刀、鉆 頭）的冷卻。低溫?zé)峁茉谕ㄐ怕?lián)絡(luò)中冷卻紅外線傳感器、參量放大器；在醫(yī)學(xué)方面可用作低溫手術(shù)刀，進(jìn)行眼睛和腫瘤的手術(shù)。隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍還在擴(kuò) 大。幾個(gè)典型的應(yīng)用如下：美國(guó)阿拉斯加輸油管線工程采用熱管作輸油管線的支撐。這

28、條管線穿過寒冷的凍土地帶，夏天凍土融化，使得管線下陷，引起管線破裂。后來，決定在管架支撐中裝 設(shè)簡(jiǎn)單的重力熱管，從而解決這個(gè)困難。冬天通過熱管將管樁基礎(chǔ)周圍的熱量帶出并 散失在空氣中，使土壤凍透，形成結(jié)實(shí)的“低溫錨樁”。夏天，由于重力熱管具有單 向傳熱性能，大氣中的熱不能傳到地下，故地下凍土不能融化；采用了氨-碳鋼熱管, 長(zhǎng)1020m，上部散熱端裝有鋁翅片，埋入土壤中的深度為912m，在熱管兩端溫 差小于1°C的情況下，保證每根熱管可輸送300W的熱流。其熱管的設(shè)計(jì)使用壽命可 達(dá)30年，滿足整個(gè)管線工程的要求。在1290km長(zhǎng)的管線上，總共使用了 112,000 多根熱管。熱管應(yīng)用于

29、一個(gè)化學(xué)反應(yīng)釜，反應(yīng)釜的攪拌軸就是一根熱管。當(dāng)反應(yīng)釜中的反應(yīng)溫度達(dá)不到熱管啟動(dòng)溫度時(shí)，熱管不工作，一旦溫度上升到熱管工作溫度時(shí)，熱管便 通過釜內(nèi)的吸熱片把熱量傳到釜外，通過散熱片散入空間，從而使得釜內(nèi)反應(yīng)溫度保 持恒定。熱管在太陽能方面的應(yīng)用。目前太陽能熱管發(fā)電裝置、太陽能熱管熱水器等產(chǎn)品已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱管技術(shù)正愈來愈廣泛地滲入到各個(gè)工 業(yè)領(lǐng)域中，發(fā)揮出愈來愈重要的作用。我國(guó)熱管研究開始于1970年左右。在1972年，第一根鈉熱管運(yùn)行成功，以后相繼研制成功氨、水、鈉、汞、聯(lián)苯等各種介質(zhì)的熱管，并在應(yīng)用上取得了一定的進(jìn)展。 1981年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)試驗(yàn)性熱管換熱器運(yùn)行成功，

30、各地相繼出現(xiàn)了各種不同類型的、 不同溫度范圍的氣-氣熱管換熱器和氣-液熱管換熱器，在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良 好的作用，并積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)一些科研院所、高校及制造廠相繼開展了熱管氣-氣換熱器的試驗(yàn)研究。主要目的是解決熱管的制造工藝、碳鋼-水熱管的相容性、中高溫?zé)?管的研制、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設(shè)計(jì)方法等問題，其研究成果陸續(xù)在石化、 冶金、電力等行業(yè)推廣應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)千臺(tái)熱管氣-氣換熱器先后投入使用， 取得了較好的使用效果。但也暴露了不少問題，如熱管失效、低溫腐蝕、積灰、漏風(fēng)等，影響了熱管氣-氣換熱器的進(jìn)一步推廣。因此，急需對(duì)這些問題進(jìn)行細(xì)致分析與研究

31、，完善熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)制造方法，提高熱管氣-氣換熱器的使用效果和壽命。2. 熱管換熱器由熱管管束和外殼等組成的換熱器稱為熱管換熱器。一般情況下，它有一個(gè)矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯(cuò)列呈三角形的排列， 也可以是順列呈正方形排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分成兩個(gè)部 分，形成熱流體與冷流體的通道。當(dāng)熱冷流體同時(shí)在各自的通道中流過時(shí)，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱量交換。熱管換熱器是由美國(guó)發(fā)明的，最初被用于航天技術(shù)和核反應(yīng)堆，以解決向陽面和 背陰面受熱不均勻。它是一種新型的換熱器，于70年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為 節(jié)能設(shè)備。雖

32、然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的 最大特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬 耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時(shí)的壓力損失也比其他換熱器小， 因而動(dòng)力消耗也小。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前 景非常好的換熱設(shè)備。20世紀(jì)90年代被用于民用空調(diào)，由于其優(yōu)越的導(dǎo)熱性，受到越來越廣泛的重視，目前在計(jì)算機(jī)、雷達(dá)等高科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。2.1熱管換熱器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)（1）熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運(yùn)行過程中 單根熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱

33、 器用于易然、易爆、腐蝕性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性。（2）熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動(dòng)，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體 的逆流換熱。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換 熱系數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。（3）對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問題。（4）熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。2.2熱管換熱器分類(1)按形式分:整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉(zhuǎn)式熱管換熱器等。(2)按功能分：氣

34、-氣式換熱器、氣-液式換熱器、氣-汽式換熱器等。根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)的熱管換熱器結(jié)構(gòu)及外形形式多樣，圖1.3、圖1.4分別為應(yīng)用最為廣泛的氣-氣熱管換熱器外形示意圖和氣-液熱管換熱器外形示意圖。圖1-3氣-氣熱管換熱器圖1-4氣-液熱官換熱器熱管式換熱器是一種新型的換熱器，于70年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能 設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的最大 特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時(shí)的壓力損失也比其他換熱器小，因而 動(dòng)力消耗也小。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來越受到人們的重視，是一種

35、應(yīng)用前景非 常好的換熱設(shè)備。我國(guó)于1970年開始的熱管研制工作，首先是為航天技術(shù)發(fā)展的需要而進(jìn)行的。 1976年12月7日，在衛(wèi)星上首次應(yīng)用熱管取得了成功。我國(guó)氣象衛(wèi)星也應(yīng)用了熱管, 并獲得了預(yù)期效果。我國(guó)在熱管換熱器方面的研制工作起步較早。南京工業(yè)大學(xué)于 1973年就開始了這方面研制工作，并和南京煉油廠共同完成了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)熱管換熱 器。以后幾年，熱管換熱器相繼在紡織、石油、化工等行業(yè)用于余熱回收及干燥工藝 上。各研究熱管的科研單位和大專院校都先后與制造熱管的廠家組成了科研生產(chǎn)聯(lián)合 體，在擴(kuò)大熱管換熱器應(yīng)用范圍和有效、合理地使用熱管換熱器等方面起了推動(dòng)作用。熱管氣-氣換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的熱

36、管換熱器。隨著能源短缺問題的日趨嚴(yán)峻，節(jié)能意識(shí)越來越深入人心，熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用前景更加廣闊。熱管氣-氣換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種余熱回收設(shè)備,它利用鍋爐、加熱爐 等排煙余熱預(yù)熱爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對(duì)環(huán)境的污 染，因此，熱管氣-氣換熱器在余熱回收利用中得到非常廣泛的應(yīng)用。圖1.5 (a)是 熱管氣-氣換熱器用于回收鍋爐煙氣余熱，得到的熱空氣用于鍋爐助燃的流程示意圖， 圖1.5 (b)是熱管氣-氣換熱器用于回收窯爐煙氣余熱來加熱空氣，得到的熱空氣作 為烘房熱源的流程示意圖。圖1-5熱管氣-氣換熱器流程示意圖（a)圖1-5熱管氣-氣換熱器流程示意圖（b)熱管氣

37、-氣換熱器就象省煤器和蒸汽過熱器一樣已經(jīng)成了大型鍋爐整體中正常而 必要的一部分。熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用簡(jiǎn)化并加速了燃料的烘干工程，減少了低值 燃料和濕燃料的著火困難，并且擴(kuò)大了這些燃料經(jīng)濟(jì)燃燒的可能。熱管空氣預(yù)器熱同 樣還可以提高鍋爐整體的蒸汽生產(chǎn)量。熱管氣-氣換熱器能夠把排出的煙氣加以高度 冷卻。這是由于進(jìn)入熱管氣-氣換熱器的空氣溫度比較低（一般在2040°C)、空氣與煙氣成逆流換熱的結(jié)果。傳統(tǒng)的氣-氣換熱器的缺點(diǎn)是過于笨重，愈提高煙氣冷卻程度或者空氣的加熱溫 度，氣-氣換熱器就愈加笨重。氣-氣換熱器所排出的煙氣的溫度也受到限制，既決定 于技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，也決定于必須避免在氣-氣換熱

38、器的金屬表面上結(jié)成水滴，因?yàn)樗?滴會(huì)引起金屬壁的腐蝕，灰分也會(huì)粘在濕金屬壁上使之加速積垢。燃料中含硫愈多， 在金屬壁上結(jié)成的水滴就會(huì)愈危險(xiǎn)。從氣-氣換熱器中排出的容許溫度決定于必須使 金屬壁溫度高于煙氣露點(diǎn)的條件。采用熱管氣-氣換熱器能夠把排出煙氣時(shí)帶走的熱量損失減少到能夠容許的程度。 每當(dāng)使排出的煙氣溫度降低20°C，鍋爐整體的效率可提高約1%。此外，熱管氣-氣 換熱器能使?fàn)t膛中前部煙道中的煙氣溫度有某些提高。在這些地方，煙氣與水或蒸汽 的溫度差將會(huì)增加，因而經(jīng)過受熱面?zhèn)鬟^的熱量也就增加了。輻射傳遞的熱量增加得 尤為顯著。由于水-碳鋼熱管的研制成功，使得氣-氣熱管換熱器的制造成本大

39、幅降低，從而 促進(jìn)了熱管氣-氣換熱器的工業(yè)化應(yīng)用。熱管氣-氣換熱器綜合起來有如下一些特點(diǎn) :傳熱性能高。由于熱管氣-氣換熱器的加熱段和冷凝段都有帶翅片，大大擴(kuò)展了換熱表面，因此，其傳熱系數(shù)比普通光管氣-氣換熱器的要大好多倍；對(duì)數(shù)平均溫差大。由于熱管氣-氣換熱器可以方便地做到冷流體與熱流體的純逆 向流動(dòng)，這樣在相同的進(jìn)、出口溫度條件下，就可以產(chǎn)生最大的對(duì)數(shù)平均溫差；傳熱量大。由于熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù)和對(duì)數(shù)平均溫差大，因此，傳熱量 就大；體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。由于熱管氣-氣換熱器所傳輸?shù)臒崃看?，因此在?輸同樣的熱量情況下，熱管氣-氣換熱器就顯得體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)非常緊湊，因 而金屬的

40、消耗量小，占地面積也就大大減少。熱管氣-氣換熱器這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)就使 其在余熱回收等應(yīng)用領(lǐng)域開辟了廣闊的天地；便于拆裝、檢查和更換。熱管氣-氣換熱器是由許多根獨(dú)立的換熱元件-熱管按 著一定的排列方式組成的。因此更換部分熱管不會(huì)影響熱管氣-氣換熱器整體的正常 工作；熱管氣-氣換熱器具有很大的靈活性，可以根據(jù)不同的熱負(fù)荷和氣體的流量將幾 個(gè)熱管氣-氣換熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來使用；明顯地提高了金屬壁溫，減輕了低溫腐蝕；有效地防止了漏風(fēng)，降低了引風(fēng)機(jī)的耗電量；增強(qiáng)了換熱能力，余熱回收率聞，提聞了鍋爐熱效率；明顯地減輕了受熱面積灰，不會(huì)出現(xiàn)堵煙現(xiàn)象而影響鍋爐正常運(yùn)行；流阻小，降低了換熱器運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力消耗?？傊?/p>

41、，熱管氣-氣換熱器與管殼式預(yù)熱器相比，有很多優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在傳熱性能 好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低和流動(dòng)阻力小等方面。熱管氣-氣換熱器 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就在于利用了熱管內(nèi)部工質(zhì)的相變傳熱，換熱系數(shù)大，易于控制空氣及煙 氣的出口溫度。2.3熱管換熱器技術(shù)展望近年來，熱管換熱器熱加工工藝模擬不斷向廣度、深度拓展，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)（1）宏觀-中觀-微觀已普遍由建立在溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、變形場(chǎng)基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測(cè)形狀、尺寸，輪 廓的宏觀尺度模擬(mm-m級(jí))進(jìn)入到以預(yù)測(cè)組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度模擬 (毫米量級(jí))及微觀尺度模擬(微米量級(jí))階段。（2）單-分散-耦合集成模擬功能已由單一的物理場(chǎng)模擬普遍進(jìn)

42、入到多種物理場(chǎng)相互耦合集成的階 段，以真實(shí)模擬復(fù)雜的熱加工過程。（3）共性、通用-專用、特性由于普通鑄造、沖壓、鍛造工藝模擬的日益成熟及商業(yè)軟件的出現(xiàn)，熱管換 熱器研究工作的重點(diǎn)和前沿已由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特性問題。（4）重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎(chǔ)性研究主要有：熱管換熱器熱加工基礎(chǔ)理論、缺陷形成機(jī)理及判據(jù)、新的數(shù)理模型、 新的算法、前后處理等基礎(chǔ)性研究及物理模擬與精確測(cè)試技術(shù)等。（5）重視集成技術(shù)，使熱管換熱器工藝模擬成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分 包括：在并行環(huán)境下，與產(chǎn)品、模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)集成，與零件加工制造系統(tǒng)集成，與零件的安全可靠性能實(shí)現(xiàn)集成。2.4熱管

43、氣-氣換熱器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題自七十年代以來，熱管換熱器用于回收各種廢氣的余熱已經(jīng)取得相當(dāng)大的成效，迄今已投入運(yùn)行的熱管換熱器已有好幾千臺(tái);特別是工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的碳鋼-水熱管的問世，更為熱管換熱器在余熱回收方面的應(yīng)用開辟了十分廣闊的前景。(1)熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)熱管直徑、熱管長(zhǎng)度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片間距、翅片高度、翅片厚度) 決定翅片效率和翅化比,對(duì)熱管氣-氣換熱器的傳熱及流阻性能影響較大,并涉及換熱器的緊湊性、投資和運(yùn)行費(fèi)用。在設(shè)計(jì)熱管時(shí)所依據(jù)的都是經(jīng)驗(yàn),當(dāng)煙氣的流量、溫度一定時(shí),如何確定熱管的直徑、翅片高度、翅片厚度、翅片間距、熱管管間距、熱管長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸沒有準(zhǔn)確的依據(jù)。這也影響了熱管

44、氣-氣換熱器的應(yīng)用。（2）積灰對(duì)于灰塵較多的煙氣,如其在熱管氣-氣換熱器中設(shè)計(jì)流動(dòng)速度過高,雖然能夠提高熱管的換熱能力,但是會(huì)加速熱管的磨損,且增大煙氣流動(dòng)阻力;速度較小時(shí),熱管翅片上易積灰,使熱管換熱能力下降,嚴(yán)重時(shí)堵塞換熱器,使其失效。這也與目前落后的設(shè)計(jì)方法有關(guān)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段難以通過進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)計(jì)算來避免積灰。（3）露點(diǎn)腐蝕雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點(diǎn)腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算手段的限制，設(shè)計(jì)計(jì)算采用試算驗(yàn)證的方式進(jìn)行，難以做到各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化組合，從而造成熱管氣-氣換熱器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏離，導(dǎo)致露點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致熱管失效。3. 熱管氣_氣換熱器

45、的計(jì)算理論及方法熱管氣-氣換熱器是由若干獨(dú)立傳熱的熱管按一定的排列方式所組成，目前的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，均采用重力式熱管作傳熱元件，所以熱管氣-氣換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括重力式熱管，以及以重力式熱管作傳熱元件的氣-氣換熱器兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算。3.1熱管的材料及工作溫度根據(jù)熱管的工作原理知道，影響熱管性能的幾個(gè)主要因素為：管內(nèi)的工作液體； 熱管的工作溫度；管壁（殼體）材料。在進(jìn)行熱管設(shè)計(jì)計(jì)算以前，首先應(yīng)考慮怎樣確定上述這些因素。一般地說，這與設(shè)計(jì)的目的有關(guān)。因?yàn)闊峁艿挠猛鞠喈?dāng)廣泛，不同的用途對(duì)熱管的要求也不盡一致。在某些場(chǎng)合下要求相當(dāng)苛刻，例如宇航、軍工中就是如此。此時(shí)管子的數(shù)量可能較少，但可靠程

46、度和精密性要求卻相當(dāng)嚴(yán)格，可靠性占第一位，經(jīng)濟(jì)性則處于次要地位。在民用和一般工業(yè)中，管子數(shù)量相當(dāng)多（已屬批量生產(chǎn)），這時(shí)經(jīng)濟(jì)性占了突出地位，如果價(jià)格昂貴，應(yīng)用也就失去意義。故此時(shí)的熱管設(shè)計(jì)應(yīng)注意經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量采用價(jià)廉易得且傳輸性能好的工作液體；不采用吸液芯，完全依靠重力回流；對(duì)管壁則盡可能采用廉價(jià)金屬-碳鋼。殼體材料首先應(yīng)滿足與工質(zhì)的相容性要求。除此之外殼體材料還應(yīng)滿足在工作溫度下的剛度和強(qiáng)度要求。同時(shí)應(yīng)考慮對(duì)熱 管殼體材料的選擇必須符合我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。熱管是依靠工作液體的相變來傳遞熱量的，因此工作液體的各種性質(zhì)對(duì)于熱管的工作特性也就具有重要的影響。一般應(yīng)考慮以下一些原則:（1）質(zhì)應(yīng)適應(yīng)熱

47、管的工作溫度區(qū)在指定的設(shè)計(jì)條件下，冷源和熱源的溫度是已知的，換熱條件也是明確的，因而熱管本身的工作溫度范圍可以通過一般的傳熱公式計(jì)算出來。熱管的工作溫度一般是指工作時(shí)熱管內(nèi)部工作液體的蒸汽溫度。在良好的熱管工作時(shí)，工質(zhì)必然在汽-液兩相狀態(tài)。據(jù)此，所選擇的熱管工作液體熔點(diǎn)應(yīng)低于熱管的工作溫度，而臨界點(diǎn)必須高 于熱管的工作溫度，熱管才有可能正常工作。在某一溫度范圍內(nèi)有幾種工作液體可選用，這就要依次考慮各種因素，并加以對(duì)比，作出選擇。（2）工質(zhì)與殼體材料應(yīng)相容，且工質(zhì)應(yīng)具有熱穩(wěn)定性工作液體與殼體、吸液芯材料的相容性是最重要的必須考慮的因素。因?yàn)橐坏んw或吸液芯材料與工作液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)了，或是工作液

48、體本身分解了，都將產(chǎn)生不凝性氣體?；瘜W(xué)反應(yīng)的結(jié)果將使殼體受到腐蝕破壞，這些都將使熱管的性能不斷變壞, 甚至不能工作。目前還沒有完整的理論來計(jì)算材料的相容性，但是確定材料相容性的 試驗(yàn)研究結(jié)果已相當(dāng)多。原來的文獻(xiàn)中認(rèn)為水與碳鋼材料不相容，但水-碳鋼熱管換 熱器的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間甚至有超過10年的。（3）工質(zhì)應(yīng)有良好的熱物理性質(zhì)工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)用來說明工質(zhì)的物理性質(zhì)對(duì)熱管軸向傳熱能力的影響，用符號(hào) N1表示，是一個(gè)有因次數(shù)，單位是W/m2（4）其他（包括經(jīng)濟(jì)性、毒性、環(huán)境污染等）滿足以上條件的工質(zhì)并不一定就是可采用的最好工質(zhì)，還要考慮制作的安全性、 經(jīng)濟(jì)性和來源的難易程度等一系列問題。3.2熱管的強(qiáng)度與

49、最大傳熱功率熱管的設(shè)計(jì)計(jì)算通常按以下3個(gè)步驟進(jìn)行:根據(jù)一定的蒸汽速度確定熱管的直徑; 按照工作壓力對(duì)熱管進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核；驗(yàn)算與熱管最大傳熱能力有關(guān)的工作極限。熱管管徑的大小對(duì)熱管的性能有影響，即對(duì)熱管換熱器的性能有影響。對(duì)單管傳 熱量來說，管徑越大，傳熱面積就越大，單管傳熱量就越多。對(duì)一臺(tái)換熱器來說，當(dāng)總的熱負(fù)荷一定時(shí)，所需要管子的根數(shù)就減少，這會(huì)降低設(shè)備的造價(jià)和投資。因此增大管徑是有利的。但對(duì)熱管傳熱熱阻來說，就熱管氣-氣 換熱器來說，在總的傳熱熱阻中，起控制作用的是管外兩側(cè)的放熱熱阻。隨管徑的增 大，管外放熱系數(shù)要下降，熱阻要增大（此項(xiàng)是熱管傳熱的主要熱阻)，對(duì)傳熱不利。 對(duì)熱管的強(qiáng)度來

50、說，在其他條件相同的情況下，管徑越小，所能承受的管內(nèi)壓力就越 高，管徑小些有利。從以上看來，管徑越小，熱管換熱器的性能越好。但管徑的大小 還直接影響了管內(nèi)流通面積的大小，從而影響著熱管的幾項(xiàng)傳熱極限。受流通截面影 響最為顯著的傳熱極限有兩個(gè)，一個(gè)是聲速極限，另一個(gè)是攜帶極限。在熱管的加熱 段如果增加輸入的熱量超過一定值時(shí)，工質(zhì)蒸汽流在加熱段的出口處達(dá)到音速，便出現(xiàn)蒸汽流動(dòng)的阻塞現(xiàn)象，由此現(xiàn)象產(chǎn)生的傳熱量的界限稱為音速極限（聲速限）。管徑計(jì)算的一個(gè)基本原則是管內(nèi)蒸汽速度不超過一定的極限值。這個(gè)極限值是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過0.2。在這樣的條件下，蒸汽流動(dòng)可以被認(rèn)為是不可壓縮的流體流動(dòng)。這

51、樣軸向溫度梯度很小，并可忽略不計(jì)。否則，在高馬赫數(shù)下蒸汽 流動(dòng)的可壓縮性將不可忽略。一般來說，一根熱管所要傳遞的最大軸向熱流量Qmax是已知的。如果又限定它的 馬赫數(shù)等于0.2，則有式中：Av是蒸汽流道的面積，dv為蒸汽腔直徑，Qmax為最大軸向熱流量。熱管氣-氣換熱器一般采用的是重力式水-碳鋼熱管，換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算后只對(duì)工質(zhì)的工作溫度進(jìn)行校核。3.3熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法熱管氣-氣換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的主要任務(wù)在于求取總傳熱系數(shù)U，然后根據(jù)平均溫差T及熱負(fù)荷Q求得總傳熱面積A，從而定出管子根數(shù)N。設(shè)計(jì)中考慮的問題有：合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過高會(huì)導(dǎo)致壓力降過大和動(dòng)力消耗增加，風(fēng)速過低會(huì)導(dǎo)致管外

52、膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力得不到充分的發(fā)揮；熱管的管徑，厚度，以及翅片的間距，高度，厚度等參數(shù)；冷流體及熱流體運(yùn)行參數(shù)，包括流量，進(jìn)出口溫度等29-30。熱管氣-氣換熱器的兩種基本計(jì)算方法是平均溫差法和傳熱單元數(shù)法，它們都能完成預(yù)熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算是設(shè)計(jì)一個(gè)新的氣-氣換熱器，要求確定氣-氣換熱器所需的換熱面積；而校核計(jì)算是是對(duì)已有的氣-氣換熱器進(jìn)行校核，以確定氣-氣換熱器的流體出口溫度和換熱量。通常由于設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)冷熱流體的進(jìn)出口溫度差比較易于得到，對(duì)數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進(jìn)行計(jì)算；而校核計(jì)算時(shí)由于熱管氣-氣換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱

53、管氣-氣換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。3.3.1熱管氣項(xiàng)熱器換熱計(jì)算的平均溫差法1平均溫差法進(jìn)行熱管氣-氣換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟為：（1）由已知條件，從熱管氣-氣換熱器熱平衡方程計(jì)算出冷熱流體進(jìn)出口溫度 中待求的那一個(gè)溫度；（2）由冷熱流體的四個(gè)進(jìn)出口溫度確定其對(duì)數(shù)平均溫差Tm；（3）初步布置換熱管，根據(jù)無因次準(zhǔn)則方程計(jì)算總傳熱系數(shù)U;（4）從傳熱方程求出所需的換熱面積A，并核算熱管氣-氣換熱器冷熱流體的流動(dòng)阻力；（5）如果流動(dòng)阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計(jì)不合理，則應(yīng)改變?cè)O(shè)計(jì)方案重新計(jì)算。2.平均溫差法用于校核計(jì)算，其主要步驟為：（1）首先假定一個(gè)流體的出口溫度，按熱

54、平衡方程求出流體的另一個(gè)出口溫度；（2）由四個(gè)進(jìn)出口溫度計(jì)算出對(duì)數(shù)平均溫差A(yù)Tm;（3）根據(jù)熱管氣-氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計(jì)算相應(yīng)工作條件下的傳熱系數(shù)U的數(shù)值；（4）從已知的UA和A1由傳熱方程求出換熱量Q (假設(shè)出口溫度下的計(jì)算值）；（5）再由熱管氣-氣換熱器熱平衡方程計(jì)算出冷熱流體的出口溫度值；以新計(jì)算出的出口溫度作為假設(shè)溫度值，重復(fù)以上步驟（2)至（5)， 直至前后兩次計(jì)算值的誤差小于給定數(shù)值為止，一般相對(duì)誤差應(yīng)控在1%。3.3.2熱管氣-氣換熱器計(jì)算得傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)是反映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù)，也是衡量熱管氣-氣換熱器傳熱能力的參數(shù)。熱流體和冷流體的傳熱單元數(shù)和各按下式定義

55、計(jì)算：式中和分別為熱流體的進(jìn)出口溫度，和分別為冷流體的進(jìn)出口溫度，和分別為微元傳熱面兩側(cè)的熱流體和冷流體溫度，U為平均傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，和分別為熱流體和冷流體的水當(dāng)量。由定義式可知：在設(shè)計(jì)熱管氣-氣換熱器時(shí)，換熱要求越高，則所需傳熱面積越大，傳熱單元數(shù)也越大，對(duì)操作中的熱管氣-氣換熱器，傳熱單元數(shù)越大，表明其性能越好。采用傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱過程，還必須引入傳熱效率的概念。熱管氣-氣換熱器內(nèi)傳熱效率是指兩流體的實(shí)際傳熱量與理論上可能的最大傳熱量（即兩流體逆流操作且傳熱面積無限大時(shí)的傳熱量，此時(shí)=或=）的比值。熱流體和冷流體的傳熱效率分別為：對(duì)一定形式的熱管氣-氣換熱器，傳熱單元數(shù)，傳熱效

56、率，和兩相熱容量流率（）間存在一定關(guān)系。對(duì)于逆流操作的熱管氣-氣換熱器為：其中：利用NTU和的關(guān)系式和熱量衡算式，可較方便的進(jìn)行傳熱計(jì)算，特別是對(duì)已有熱管氣-氣換熱器傳熱性能進(jìn)行核算，課避免試算或減少試算的次數(shù)。1. -NTU法進(jìn)行熱管氣-氣換熱器校核計(jì)算得主要步驟為：（1）由熱管氣-氣換熱器的進(jìn)口溫度和假定出口溫度來確定物性參數(shù)，計(jì)算熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù)U;（2）計(jì)算熱管氣-氣換熱器的傳熱單元數(shù)NTU和熱容流率的比值（3）按照熱管氣-氣換熱器中流體流動(dòng)類型，根據(jù)-NTU的計(jì)算公式計(jì)算預(yù)熱器的效能值；（4）根據(jù)冷熱流體的進(jìn)口溫度及最小熱容流率，按照公式求出換熱量Q；（5）利用熱管氣-氣換

57、熱器的熱平衡方程確定冷熱流體的出口溫度和；已計(jì)算得出口溫度重新計(jì)算傳熱系數(shù)，并重復(fù)計(jì)算步驟（2）至（5）。 2. -NTU法用于熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，其主要步驟為：（1）由熱管氣-氣換熱器的熱平衡方程求出待求的溫度值，進(jìn)而由公式計(jì)算出預(yù)熱器效能；（2）根據(jù)所選用的流動(dòng)類型以及和的數(shù)值，計(jì)算傳熱單元數(shù)NTU；（3）初步確定換熱面的布置，并計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)U的數(shù)值；（4）再由NTU的定義式確定換熱面積A=NTU/U，同時(shí)核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動(dòng)阻力；（5）如果流動(dòng)阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計(jì)不合理，則應(yīng)改變?cè)O(shè)計(jì)方案重新計(jì)算。3.4總換熱系數(shù)的求解理論及方法如圖1.3 是熱管氣-氣換熱器的換熱示意簡(jiǎn)圖，高溫?zé)煔?/p>