热管及热管换热器

1、余热锅炉原理余热锅炉原理 图图191是一台余热锅炉的结构示意图，是一台余热锅炉的结构示意图，从图中可以看出产汽的过程。从图中可以看出产汽的过程。烟气，经烟道到余热锅炉入口，烟气自下而上流动，流经过热器、烟气，经烟道到余热锅炉入口，烟气自下而上流动，流经过热器、两组蒸发器和省煤器，最后排入烟囱。排烟温度约为两组蒸发器和省煤器，最后排入烟囱。排烟温度约为100220，烟气温度从烟气温度从380/330降到排烟温度，所放出的热量用来使水变成降到排烟温度，所放出的热量用来使水变成蒸汽。进入余热锅炉的给水，其温度约为蒸汽。进入余热锅炉的给水，其温度约为42126左右，先进左右，先进入上部的省煤器，水在省

2、煤器内吸收热量使水温上升，水温升到入上部的省煤器，水在省煤器内吸收热量使水温上升，水温升到略低于汽包压力下的饱和温度，就离开省煤器进入汽包。进入汽略低于汽包压力下的饱和温度，就离开省煤器进入汽包。进入汽包的水与汽包内的饱和水混合后，沿汽包下方的下降管分别进入包的水与汽包内的饱和水混合后，沿汽包下方的下降管分别进入两组蒸发器，在蒸发器内的水吸热开始产汽，通常是只有一部份两组蒸发器，在蒸发器内的水吸热开始产汽，通常是只有一部份水变成汽，所以在蒸发器管内流动的是汽水混合物。汽水混合物水变成汽，所以在蒸发器管内流动的是汽水混合物。汽水混合物离开蒸发器进入汽包上部。在汽包内装有汽水分离设备，可以把离开蒸

3、发器进入汽包上部。在汽包内装有汽水分离设备，可以把汽和水分开，水落到汽包内水空间，而蒸汽从汽包顶部出来到过汽和水分开，水落到汽包内水空间，而蒸汽从汽包顶部出来到过热器。在过热器内吸收热量，使饱和蒸汽变成过热蒸汽。根据产热器。在过热器内吸收热量，使饱和蒸汽变成过热蒸汽。根据产汽过程有三个阶段，对应的应该要有三个受热面，即省煤器、蒸汽过程有三个阶段，对应的应该要有三个受热面，即省煤器、蒸发器和过发器和过 热管及热管换热器热管及热管换热器 2 热管工作原理 2.1 热管的组成（典型热管）管壳、吸液芯、工质热管的组成（典型热管）管壳、吸液芯、工质图图2.1 2.1 热管示意图热管示意图1管壳；2管芯；

4、3蒸汽腔；4工作液 热管热管：是一种传热性极好的人工是一种传热性极好的人工构件，常用的热管由三部分组成：构件，常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（管主体为一根封闭的金属管（管壳），内部空腔内有少量工作介壳），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管质（工作液）和毛细结构（管芯），管内的空气及其他杂物必芯），管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理：三种物理学原理： 在真空状态下，液体的沸点降低；在真空状态下，液体的沸点降低； 同种物质的汽化潜热比显热高的同种物质的汽化潜热比显热高的多；多； 多孔毛细结构对液体的抽吸力可多孔

5、毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。使液体流动。 从传热状况看，热管沿轴向从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段，绝热段和冷凝段可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分三部分。 热管的热管的管壳管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。在材料的选择上必须考虑到热管在长期运行中管壳无腐蚀，工质与造。在材料的选择上必须考虑到热管在长期运行中管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。管壳不发生化学反应，不产生气体。 管壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属铌、管壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属

6、铌、钽或玻璃、陶瓷等。管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来，在热端钽或玻璃、陶瓷等。管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接受和放出热量，并承受管内外压力不等时所产生的压力差。和冷端接受和放出热量，并承受管内外压力不等时所产生的压力差。 热管的热管的管芯管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减小接触热阻，衬里也可由多孔陶紧贴内壁以减小接触热阻，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。如右图所示为几种不同的瓷或烧结金属构成。如右图所示为几种不同的管芯的结果示意图管芯的结果示意

7、图 热管的热管的工作液工作液要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性。工作液体还应有较大的表面张力和点，较低的粘度及良好的稳定性。工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物力。工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构。质将积累在蒸发段破坏毛细结构。 2.2 热管的三个区段的划分热管的三个区段的划分 *

8、根据热管外部热交换情况分：加热段、绝热段、冷却段根据热管外部热交换情况分：加热段、绝热段、冷却段 * 根据热管内部工质传热传质情况分：蒸发段、绝热段、冷根据热管内部工质传热传质情况分：蒸发段、绝热段、冷凝段凝段 2.3 热管的传热热管的传热热管在实现其热量转移过程中，包含了六个相互关联的主要过程：热管在实现其热量转移过程中，包含了六个相互关联的主要过程： 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液汽分界面汽分界面 液体在蒸发段内的液液体在蒸发段内的液汽分界面上蒸发汽分界面上蒸发 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段到冷凝段蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段到

9、冷凝段 蒸汽在冷凝段内的汽蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结液分界面上凝结 热量从汽热量从汽液分界面通过吸液芯、液分界面通过吸液芯、 液体和管壁传给冷源液体和管壁传给冷源 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段 热管内质量流、压力和温度分布热管内质量流、压力和温度分布热管的工作特性热管的工作特性热管液汽分界面的形状热管液汽分界面的形状（a）管起动前的液）管起动前的液汽交界面汽交界面 （b）热管工作时的液）热管工作时的液汽交界面汽交界面（c）吸液芯内液）吸液芯内液汽界面参数汽界面参数 对于普通热管，其液体和蒸汽循环的主对于普通热管，其液

10、体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的，力。假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的，沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量流率、沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量流率、压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如右上图所示。右上图所示。 在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽液在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽液分界面缩回到管芯里，即向毛细孔一侧下陷，分界面缩回到管芯里，即向毛细孔一侧下陷，使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。而在使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐渐凝结的

11、结果使液汽分界面冷凝段，蒸汽逐渐凝结的结果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形状，高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形状，即界面的曲率半径为无穷大即界面的曲率半径为无穷大(见右上图上部见右上图上部及右下图及右下图)。曲率半径之差提供了使工质循。曲率半径之差提供了使工质循环流动的毛细驱动力环流动的毛细驱动力(循环压头循环压头)，用以克服，用以克服循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及动量变化所引起的循环阻力。动量变化所引起的循环阻力。 热管工作过程动画注意：热管中的水会 因为内部低压而在100 以下就沸腾蒸发。水蒸汽流热量输入液态水蒸发液体由于重力或

12、吸附力回流水蒸汽冷凝热量散失 4 两相闭式热虹吸管两相闭式热虹吸管重力热管、热虹吸管重力热管、热虹吸管与有芯热管的区别在于冷凝液回流的机理不同与有芯热管的区别在于冷凝液回流的机理不同热虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流热虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流有芯热管是依靠毛细抽吸力使冷凝液回流有芯热管是依靠毛细抽吸力使冷凝液回流 重力热管的特点：重力热管的特点： * 不需要吸液芯，制作简单，成本低廉不需要吸液芯，制作简单，成本低廉 * 减少了吸液芯本身产生的热阻，减少了吸液芯本身产生的热阻， 具有良好的传热性能具有良好的传热性能 * 一切由吸液芯引起的故障，均可避免，一切由吸液芯引起的故障，均可避免， 工

13、作可靠工作可靠重力热管应用场合：重力热管应用场合：只能应用于重力场中，而不能用于空间（无重力场）；只能应用于重力场中，而不能用于空间（无重力场）；只能将热管的下部作为加热段，而上部作为冷凝段；只能将热管的下部作为加热段，而上部作为冷凝段；主要用于传热，不能用于均温；主要用于传热，不能用于均温；可以作为热二极管。可以作为热二极管。根据重力热管具有的特点，国内作为余热回收用的热管换热器大多根据重力热管具有的特点，国内作为余热回收用的热管换热器大多数采用这种形式的热管。数采用这种形式的热管。 5 热管分类热管分类 按照热管管内工作温度分： 低温热管低温热管(-273(-2730)0)、常温热管、常温

14、热管(0(0250)250)、中温热管、中温热管(250(250450)450)、 高温热管高温热管(450(4501000)1000)。 按照工作液体回流动力分： 有芯热管、两相闭式热虹吸管有芯热管、两相闭式热虹吸管( (又称重力热管又称重力热管) )、重力辅助热管、旋转热管、重力辅助热管、旋转热管、 电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管。电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管。 按管壳与工作液体的组合方式分： 铜铜- -水热管、碳钢水热管、碳钢- -水热管、铝水热管、铝- -丙酮热管、碳钢丙酮热管、碳钢- -萘热管、不锈钢萘热管、不锈钢- -钠热管。钠热管。 按结构形式分按结构形式分

15、: 普通热管、分离式热管、毛细泵回路管、微型热管、平板热管、径向热管普通热管、分离式热管、毛细泵回路管、微型热管、平板热管、径向热管 按热管的功用分按热管的功用分: 传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管管 6 热管的相容性及寿命热管的相容性及寿命相容性指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的相容性指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化。影响热管寿命及工作的重要因素之一产生不凝性化学反应或物理变化。影响热管寿命及工作的重要因素之一产生不凝性气体气体 由

16、于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化。这种不相容的最典型例子就是效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化。这种不相容的最典型例子就是碳钢碳钢-水热管，由于碳钢中的铁与水发生以下的化学反应：水热管，由于碳钢中的铁与水发生以下的化学反应：Fe + 2 H2O = Fe(OH) 2 + H23Fe + 4 H2O Fe3O4 + 4 H2Fe(O

17、H) 2 Fe3O4 + H2O + H2所产生的不凝性氢气将使热管性能恶化，传热能力降低甚至失效。所产生的不凝性氢气将使热管性能恶化，传热能力降低甚至失效。 只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢寿命及工业应用的可能性。碳钢-水热管正是通过化学处理的方法，有效地水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢-水热管这种高性能、长寿命、水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。低成本的热管得以

18、在工业中大规模推广使用。 7 7 总结热管的重要特点总结热管的重要特点*高导热性高导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。可多传递几个数量级的热量。 当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在

19、着一些传热极限。传热极限。*良好的等温性良好的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，温决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。降亦很小，因而热管具有优良的等温性。 *热流密度可变性热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积

20、输入热量，以较大的传热面积输入热量， 而以较小的冷却面积输出热量，而以较小的冷却面积输出热量， 这样即可以改变热流密度，这样即可以改变热流密度， 解决一些其他方法难以解决的解决一些其他方法难以解决的 传热难题。传热难题。*热流方向可逆性热流方向可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可做为蒸发段，而另一端向外散热就成力是毛细力，因此任意一端受热就可做为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热

21、的化学反应器及其他装置。于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。*热二极管与热开关性能热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。低于这一温度时，热管就不传热。*恒温特性恒温特性（可控热管）普通热管的各部分热阻基本上不随加热量（可控热管）普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变

22、，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管但人们发展了另一种热管 可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。的恒温特性。*环境适应性环境适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面