換熱器的設(shè)計(jì)熱管技術(shù)

第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2.

熱管的發(fā)展歷史第一個階段時間為1836一1942年熱虹吸管——帕金斯管階段，是一種兩端封閉、其中充有少量水的管子。工作時管子一端插在高溫?zé)煔饣蚧鹬?，另一端插在水中，依靠水的沸騰和凝結(jié)傳遞熱量。由于管內(nèi)空氣未抽除，所以傳熱性能較差。1863年得到工業(yè)應(yīng)用，用于法國的一臺機(jī)車鍋爐及其火箱過熱器中；1867年用于英國軍隊(duì)的移動式面包烤爐中。1892年J．Perkins的孫子L．P．Perkins,指出：“排除管內(nèi)空氣可有效地改進(jìn)其工作性能并對提高管子的傳熱極限提出了不少改進(jìn)意見，建議可用這種改進(jìn)的帕金斯管即兩相閉式熱虹吸管來回收煙氣余熱加熱空氣”。1930年以后，在英國、前蘇聯(lián)、捷克及其它國家，熱管在面包烤爐上得到了廣泛的應(yīng)用。第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第二個階段時間為60年代-70年代1944年，美國俄亥俄通用發(fā)動機(jī)公司的高格勒(E．S．Gaugler)以不太引人注目的“傳熱器件”的名稱提出來的。首次提出了有吸液芯的標(biāo)準(zhǔn)熱管，或稱現(xiàn)代熱管的原理首次提出可以將熱量由上而下(依靠吸液芯克服重力回流冷凝液)進(jìn)行相變傳熱。1963年美國格羅弗獨(dú)立發(fā)明了高效導(dǎo)熱裝置，采用絲網(wǎng)式吸液芯，用不銹鋼作外殼，鈉作為工質(zhì)正式提出以熱管為名，并申請了美國專利。格羅弗因而被稱為現(xiàn)代熱管之父。在空間技術(shù)迅速發(fā)展的有利形勢下這項(xiàng)發(fā)明在美國洛斯一一阿拉莫斯(LosAlamos)實(shí)驗(yàn)室完成了從設(shè)想到實(shí)驗(yàn)的全過程，井進(jìn)行了初步的理論分析，次年，在美國《應(yīng)用物理》雜志上發(fā)表了他的論文及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引起了人們廣泛的興趣及重視。

這種新型、高效的換熱元件——熱管，由于其先進(jìn)巧妙的構(gòu)思和良好的換熱性能能，在應(yīng)用中具有強(qiáng)大的生命力，引起了科技界的極大興趣及研究熱情。第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1967年熱管首次空間試驗(yàn)成功。美國首次用熱管進(jìn)行衛(wèi)星的溫度控制，即GEOS—B衛(wèi)星熱管系統(tǒng)，共運(yùn)行145天，使用效果良好，在阿特拉斯火箭周圍全部布滿了熱管，借助這些熱管使火箭容器和美國“天空實(shí)驗(yàn)室’軌道站的起居艙保持了均溫，防止了字奮飛行器進(jìn)人大氣層時外殼被強(qiáng)烈加熱。在此期間，重力熱管的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。前蘇聯(lián)首次在200t／h鍋爐上安裝重力熱管空氣預(yù)熱器。捷克的斯可達(dá)工廠從1955年開始制造重力熱管換熱器，用作鍋爐的空氣預(yù)熱器。除此之外，英國、日本、德國等國也開始了熱管的研制工作。第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第三個階段為70年代以后在空間應(yīng)用熱管成功的基礎(chǔ)人熱管在地面上的應(yīng)用也蓬勃地開展起來。最多的是用于工業(yè)余熱回收及空調(diào)低溫余熱回收的熱管換熱器。這類換熱器已系列化、商品化生產(chǎn)。熱管應(yīng)用已涉及到94種行業(yè)，單管型熱管換熱器的余熱回收量已達(dá)105kW級，單管長度長達(dá)7—10m，在大型電廠鍋爐中用作前置式空氣預(yù)熱器。分離型熱管換熱器的余熱回收量更大，較多用于冶金、化工等行業(yè)。在此期間，美國在阿拉斯加州永久凍土帶輸油管道的重力熱管保護(hù)系統(tǒng)是最大的一項(xiàng)應(yīng)用熱管的工程，使用了11400根熱管和21m長的熱管，在熱管數(shù)和長度方面都是創(chuàng)紀(jì)錄的。此外，一些特殊熱管的研究工作也右了很大進(jìn)展，如可變熱導(dǎo)熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、微型熱管及超長熱管等。與世界各國的熱管發(fā)展情況一樣，我國于1970年即開始對有吸液芯的熱管進(jìn)行研究，1972年我國第一文鈉熱管研制成功，1980年我國第一臺槽道式吸液芯熱管換熱器投入運(yùn)行。至80年代初我國從事熱管所究的科研單位及大專院校已遍及全國。第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3.

熱管的類型：按工作溫度范圍可分為：

（1）低溫?zé)峁埽汗ぷ鳒囟确秶鸀?－122K；工質(zhì)可選為氫、氖、氮、氧及甲烷，其沸點(diǎn)低于122K（2）中溫?zé)峁埽?22－628K，工質(zhì)可選為普通制冷劑或液體，如氟利昂、甲醇、氨和水（3）高溫?zé)峁埽簻囟雀哂?28K，工質(zhì)可選為汞、鉀、鈉、鋰、銀等液態(tài)金屬；

按凝液回流方式：（1）普通熱管：冷凝液靠吸液芯的毛細(xì)力作用返回蒸發(fā)端；（2）重力熱管：靠重力返回蒸發(fā)端；第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月重力熱管示意圖第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月按熱管回流凝結(jié)液的方式(1)借助毛細(xì)力回流凝結(jié)液的熱管，稱為標(biāo)準(zhǔn)熱管，簡稱熱管。(2)借助重力回流凝結(jié)波的熱管，稱為重力熱管，又可稱為二相熱虹吸管。(3)借助離心力回流凝結(jié)液的熱管，稱為旋轉(zhuǎn)熱管．(4)借助靜電體積力回流凝結(jié)液的熱管，稱為電流體動力熱管。(5)借助磁體積力回流凝結(jié)液的熱管，稱為磁流體動力熱管。(6)借助滲透力回流凝結(jié)液的熱管，稱為滲透熱管。第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月三、按熱管的尺寸分熱管可分成長熱管、一般熱管和微型熱管三種。

(1)長熱管為l／d>>1的熱管長熱管運(yùn)行具有獨(dú)特之處，如傳熱特性及傳熱極限等。

(2)微型熱管內(nèi)徑非常小的熱管

目前已有內(nèi)徑為l0一100μm的微型熱管。在這種情況下，表面張力與使凝結(jié)液回沉的驅(qū)動力的相互影響，對保證熱管的正常工作就有特殊的意義。

(3)一般熱管尺寸介于二者之間的熱管為一般熱管。第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月四、按熱管的結(jié)構(gòu)分熱管可分成單管型、回路型、平板型、撓性四種。

(1)單管型熱管蒸發(fā)段、絕熱段和凝結(jié)段均在同一根管內(nèi)。

(2)回路型熱管在冷熱源間有一定的距離時，熱管的蒸發(fā)段與凝結(jié)段用較長的連接管連起來。常用于重力熱管中，如組成換熱器即分離型熱管換熱器。

(3)平板型熱管吸液芯能把液態(tài)工質(zhì)沿較大的平面分布開，從而造成一個近于等溫的平板消除局部加熱所產(chǎn)生的熱點(diǎn)。也可用來制造一種極有效的散熱器

(4)撓性熱管撓性熱管是在熱管蒸發(fā)段和凝結(jié)段之間加一段可彎曲的波紋管或塑料管。第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月五、特殊熱管

(1)可變熱導(dǎo)熱管采用一定的方法使熱管的熱導(dǎo)率隨著熱源或冷源的條件改變而改變，從而達(dá)到恒定熱管某部分溫度的目的．可變熱導(dǎo)熱管也稱為可控?zé)峁?。此種熱管已日益廣泛地被應(yīng)用于溫度控制技術(shù)中。

(2)等溫爐、黑體爐中使用的均溫?zé)峁芾脽峁艿牡葴匦?，可使整個爐體的溫度差控制在o.1℃范圍之內(nèi)。

(3)多組分工質(zhì)熱管利用各組分工質(zhì)的不同性瓦拓寬熱管的工作范圍，改善熱管的工作性能。

第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月六、重力熱管的類型

(1)閉式重力熱管熱管管殼為單管型且密閉稱閉式重力熱管。按工質(zhì)工作狀態(tài)不同又可分為單相閉式重力熱管與兩相閉式重力熱管。團(tuán)絕大部分重力熱管均為兩相閉式重力熱管所以一般無特殊說明重力熱管即指兩相閉式重力熱管。

(2)開式重力熱管由于重力場的特殊性，陳常規(guī)熱管的封閉型式外，還可以有與外界相通、殼體不封閉的開式重力熱管。第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4.

熱管的形狀第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月5.

熱管的性能和特點(diǎn)：（1）傳熱能力強(qiáng)：一根鋼－水熱管的傳熱能力大致相當(dāng)于同樣尺寸紫銅棒導(dǎo)熱能力的1500倍；（2）等溫性；（3）優(yōu)良的熱響應(yīng)性：蒸汽的速度以近似于該溫度下的聲速進(jìn)行移動（4）熱流密度可調(diào)（通過改變加熱段和放熱段的長度或加裝肋片）；第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

（6）能在失重狀態(tài)下工作，可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星；（7）具有可變熱導(dǎo)性和可變熱阻性；

（8）采用不同的工質(zhì)可適用不同的溫度范圍；（5）便于從狹窄空間取出熱量及遠(yuǎn)距離傳輸；

（9）具有熱二極管和熱開關(guān)的功能。

（10）結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，體積小，工質(zhì)循環(huán)無須消耗電能。

（11）無運(yùn)動部件，無噪聲，無振動，可靠性高，維修量小。第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）熱管應(yīng)用中存在的主要問題：密封性、熱管管材與工質(zhì)間的相容性。第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月7.熱管的傳熱過程（一）從溫度為t1的熱源到溫度為t2的冷源間的熱量傳輸過程由下列七個環(huán)節(jié)組成：

(1)熱源與熱管蒸發(fā)段外壁間的換熱；

(2)熱管蒸發(fā)段固體壁的導(dǎo)熱過程；

(3)熱管蒸發(fā)段的蒸發(fā)(沸騰)換熱過程；(4)熱管蒸發(fā)段到凝結(jié)段間蒸汽的流動換熱過程；

(5)熱管凝結(jié)段的凝結(jié)換熱過程；

(6)熱管凝結(jié)段固體壁的導(dǎo)熱過程；(7)熱管凝結(jié)段外壁與冷源間的換熱過程。第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）熱管各傳熱環(huán)節(jié)的換熱熱阻

(1)熱源與蒸發(fā)段外壁間的換熱熱阻；

(2)熱管蒸發(fā)段固體壁的導(dǎo)熱熱阻

(3)熱管蒸發(fā)段的蒸發(fā)(沸騰)換熱熱阻(4)熱管蒸發(fā)段到凝結(jié)段間蒸汽的流動換熱熱阻（可以忽略）

(5)熱管凝結(jié)段的凝結(jié)換熱熱阻；

(6)熱管凝結(jié)段固體壁的導(dǎo)熱熱阻；(7)熱管凝結(jié)段外壁與冷源間的對流換熱熱阻。第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月熱管的內(nèi)部總熱阻與總熱阻比較小的，在整個熱管的傳熱過程中，外部熱阻的值比內(nèi)部總熱阻的值大得多。所以，傳熱的主要矛盾在外部環(huán)節(jié)。第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．凝結(jié)換熱過程第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．蒸發(fā)段的傳熱第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月6.

熱管的工程應(yīng)用：（1）熱能回收裝置；空氣

煙氣

空氣預(yù)熱器示意圖第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）能量轉(zhuǎn)換裝置；第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）等溫恒溫裝置第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）太陽能聚集器；第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）電子和電器設(shè)備的冷卻；第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）溫度控制（如：航天器）；第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月7

熱管的傳熱極限第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）粘性限:溫度較低時，受到介質(zhì)粘滯力的限制，稱為粘度限(ab線)，粘度限是對液態(tài)金屬及長熱管而言的。（2）聲速限

是指在熱管蒸發(fā)段出口蒸汽速度不能超過聲速的限制。常用來限制和檢查高溫?zé)峁艿墓ぷ鳡顟B(tài)。當(dāng)冷凝段的溫度太低時會出現(xiàn)這種情況。第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）攜帶限熱管中蒸氣與液體的流向相反，存在剪切力，當(dāng)蒸氣速度足夠高時，就可將液滴從液體界面拉下往冷凝段，這時可頻繁地聽到液滴掩擊聲，蒸發(fā)段介質(zhì)過早耗盡，中斷循環(huán)，這種限制你為攜帶限（cd).第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）毛細(xì)限(吸液限)指熱管內(nèi)蒸汽和液體流動等所需的壓力降，不能超過毛細(xì)結(jié)構(gòu)可能達(dá)到的最大毛細(xì)壓力差。如果超過了最大毛細(xì)壓力差，則說明再吸液芯內(nèi)蒸發(fā)掉的液體比毛細(xì)芯供給的的液體來的要快，容易使蒸發(fā)段吸液芯干涸。（de).（5）沸騰限熱管中的相變可以是表面蒸發(fā)，也可以是在吸液芯內(nèi)部沸騰。沸騰限是指在熱管蒸發(fā)段輸入的熱流密度不能超過工質(zhì)在毛細(xì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生模態(tài)沸騰的臨界熱流密度的極限。第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月7

熱管的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.熱管的阻力特性計(jì)算 要保證熱管正常工作，必須使熱管吸液芯產(chǎn)生的最大毛細(xì)壓差克服以下三個阻力的和：

1)Δp1-液體從冷凝段返回到蒸發(fā)段的阻力；

2)Δpv－蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段的阻力；

3)Δpg-重力壓頭第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月蜷曲絲網(wǎng)吸液芯：覆網(wǎng)槽道吸液芯：第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.熱管的傳熱特性計(jì)算從熱源到冷源包括9各傳熱過程，及存在9個熱阻：①熱源與蒸發(fā)段外表面的傳熱熱阻②蒸發(fā)段管壁的徑向熱阻③蒸發(fā)段吸液芯徑向熱阻④蒸發(fā)段氣液交界面蒸發(fā)熱阻⑤蒸汽沿軸向流動的熱阻⑥冷凝段氣液界面冷凝熱阻⑦冷凝段吸液芯徑向熱阻⑧冷凝段管壁徑向熱阻⑨冷凝段管壁外表面與冷卻介質(zhì)的傳熱熱阻第39頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5

熱管換熱器的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.熱管換熱器的傳熱計(jì)