热管式热交换器设计说明

1、本科毕业设计说明书热管式热交换器（烟气余热回收空气预热器）Heat pipe heat exchanger (flue gas heat recovery air preheater) 摘 要 热管是一种依靠管内工质的蒸发，凝结和循环流动而传递热量的部件。由热管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之为热管换热器。热管换热器最大的特点是：结构简单，传热效率高、动力消耗小。其越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热设备。目前，它被广泛应用于动力、化工、冶金、电力、计算机等领域。本文就热管换热器的发展现状、趋势、应用及设计做了一个简要的论述，着重探讨了热管换热器的设计。在讨论热管换热

2、器的设计过程中，主要针对热力计算，设备结构计算、元件参数的选择做了一个合理构建。关键词：热管；热管热交换器；设计计算；ABSTRACRely on heat pipe is a pipe working fluid evaporation, condensation and recycling the flow of heat transfer member. Components of the heat pipe, heat pipe principle the use of heat exchange heat exchanger called the heat pipe heat exc

3、hanger. Heat pipe heat exchanger biggest feature is: simple structure, high heat transfer efficiency, power consumption is small. Which more and more people's attention, is a very good application prospects heat transfer equipment. Currently, it is widely used in power, chemical, metallurgy, ele

4、ctric power, computers and other fields. In this paper, the development of heat pipe heat exchanger status, trends, application and design to make a brief discussion, focused on the heat pipe heat exchanger design. In discussing the heat pipe heat exchanger design process, mainly for thermal calcula

5、tion, equipment, structural calculations, component selection of parameters made a reasonable construction.Key words：Heat pipe；Heat pipe heat exchanger；Design calculations； 目 录第一章 绪论 1 第一节 热管及热管换热器概述 1第二节 热管及其应用 3 1.2.1热管的构造原理3 1.2.2热管的工作原理 7 1.2.3热管的基本特性8 1.2.4热管分类8 1.2.5热管技术9 1.2.6热管技术特点10第二章 热管换热

6、器12 第一节 热管换热器技术优势12 第二节 热管换热器的分类12 第三 节换热器应用前景14第三章 热管气-气换热器设计中应注意的问题 16第四章 热管气-气换热器设计步骤 17 第一节 计算步骤 17 第二节 符号说明 19第三节标注说明 20致谢 22参考文献 23附录 25外文资料及翻译35任务书 55 第一章 绪论第一章 绪论 第一节 热管的发展及现状在现有的传热元件中，热管是我们所知的最高效的传热元件之一，它能将大量热量通过其特别小的截面积远距离地传输而不需要外加动力。热管的原理首先是由美国的俄亥俄州通用发动机公司（The General Motors Corporation,O

7、hio,U.S.A）的R.S.Gaugler于1994年在美国专利（No.2350348）中提出的。他当时正在研究冷冻问题，他设想有一装置由封闭的管子组成，在管内液体吸热蒸发后与该下方的某一位置放热冷凝，在无任何外加动力的前提下，冷凝液体借助管内的毛细力吸液芯所产生的毛细力回到上方继续吸收热量蒸发，如此循环，达到热量从一处传输到另一处的目的。然而他的想法当时并没有被通用发动机公司所采纳应用。1962年L.Trefethen再次提出类似于Gaugler的传热元件并用于宇航飞船，但是因为这种建议并未经过实验证明，也没能付诸实施。1963年美国的Los Alamos的国家实验室的G.M.Grover

8、重新独立发明了类似于Gaugler所提出的传热元件，并进行了性能测试实验，在美国应用物理杂志上公开发表了一篇论文，并正式将此传热元件命名为热管“Heat Pipe”,指出他的热导率已远远超过任何一种已知的金属，得出了以钠为工作液体，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯的热管实验的结果。美国的Los Alamos国家实验室在热管理论以及热管在空间技术方面的应用领先地位。1965年Cotter首次提出了比较完整的热管理论，为以后的热管理论的研究奠定了基础。1967年的一根不锈钢-水热管首次被送入地球卫星轨道，并运行成功，从此吸引了很多科学技术工作人员热衷于热管研究，前西德、意大利、荷兰、英国、前苏联、

9、法国及日本等国均开展了大量的研究工作，使得热管技术得到了很快的发展。Katzoff在1966年发明了有干道的热管。干道的作用：为了给从冷凝段回流到蒸发段的液体提供了一个压力降较小的通道，从而大大的提高了热管的传输能力。1969年前苏联和日本的有关杂志都发表了热管应用研究方面的文章。在日本的有关文章中已有描述带翅片热管束的空气加热器，在能源日益紧张的情况下，它可被用来回收工业排气中的热能。同时Turner和Bienert都提出了用可变热导管来实现恒温控制。Gray研究了一种新型热管旋转热管，这些发明均是热管技术的重大进展。1970年，美国出现供应热管商品的部门，热管的应用从宇航方面扩大到地面。在

10、热管发展史上值得一提的是，在横穿阿拉斯加输油管线工程中的应用，用热管作为管线的支撑，来保证地面的永冻层，以满足工程需要。该工程共使用112000余根热管，单根热管的长度约为923m。1974年以后，热管在节约能源方面和新能源开发方面的研究得到了充分的重视，用由热管组成换热器来回收废热，并将其用于工业中以节约能源。美国和日本在这方面取得的进展最为显著。1980年，美国Q-Dot公司生产了热管废热锅炉，同时日本帝人工程公司也成功的用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀的问题。之后，各国的热管换热器研究及制作工作迅猛展开，分离式、回转式等新的结构形式相继出现，并日趋大型化、工业化。1984年

11、，Cotter比较完整的提出了微型热管的理论及展望，从而为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。毛细泵回路CPL(Capillary pumped loops)和回路热管系统LHP(Loop heat pipe systems)因其结构灵活、应用面广、在很小温差下可远距离传递热量，较常规热管能传递更大的热量的特点，引起了整个热管界的普遍关注，并成为理论研究和应用研究的热点。70年代以来，热管技术的飞速发展，各国的高等院校、科研机构、公司及厂矿都开展了多方面的开发及应用研究，国际间、地区间和各国自身的热管技术交流活动日趋频繁，1973年，在德国斯图加特（Stuttgart）召开了第一届国际热管会议

12、，1976年，在意大利的哥伦比亚(Bologna)召开了第二届国际热管会议，此后1981年在英国伦敦(London)， 1987在法国格林贝尔(Gernoble)，1984年在日本筑波(Tuskuba),1990年在前苏联明斯克(Minsk)，1992年在中国北京，1995年在美国西墨西哥州(Albuquerque)，1997年在德国斯图加特（Stuttgart），1999年在日本东京（Tokyo）分别召开了第四到十一届国际热管会议。除此之外，中国和日本双方从1985年到1994年分别召开了四届双边和多边热管技术研讨会议，1996年，在澳大利亚墨尔本(Melbourner)召开了多边会议正式规

13、范热管技术研讨会议。我国自70年代开始，开展了热管的传热性能研究和热管在电子器件冷却器和空间飞行器方面的应用研究。由于我国是一个发展中的国家，能源综合利用水平比较低，为此自80年代初，我国的热管研究及开发的重点转向节能和能源的合理利用，相继开发了热管余热锅炉、热管气-气换热器、高温热管热风炉、高温热管蒸汽发生器等各类热管产品。由于碳钢-水两相闭式热虹吸管的价格低廉、结构简单、制造方便，易于在工业中推广应用，碳钢-水相容性的基本解决，使得此类热管得到广泛的应用，我国热管技术工业化应用的开发研究工作发展很迅速，学术交流活动也很活跃，从1983年起，已先后召开了六届全国性热管会议，具体日期和地点见表

14、1-1.表1-1 全国热管会议情况一览表全国热管会议届数召开日期召开地点第一届1983年哈尔滨第二届1988年湖南大庸第三届1991年四川都江堰第四届1994年黑龙江牡丹江第五届1996年江苏无锡第六届1998年福建邵武随着科学技术水平的不断的提高，热管研究及应用的领域也将不断拓宽。新能源的开发，笔记本电脑CPU冷却、电子装置芯片冷却以及大功率晶体管，可控硅元件、电路控制板凳的冷却，化工、冶金、动力、轻工、玻璃、陶瓷等领域的高效传热传质设备的开发，均促进了热管技术的进一步发展。第二节 热管及其应用1.2.1热管的构造原理 热管构造的四要素为：（1）工质或工作流体；（2）管芯或毛细结构；（3）管

15、壳；（4）翅片。（1）工质预确定一种适宜的工质，首先要考虑的是蒸汽运行的温度范围。但是，在相同的温度范围内，可能有几种工质同时可供选用。为了确定所采用的工质是最佳的，必须考察它的各种特性。主要要求如下：质与管芯和管壳材料的相容性；热稳定性能良好；工质能润湿管芯和管壳材料；在运行温度范围内，蒸汽压力不是太高或者太低；汽化潜热大；导热系数高；工质的液相和蒸汽相的粘度低；表面张力大；冰点或凝固点要适当。除了以上的要求之外，还必须根据与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。这些限制有粘性限、毛细限、声速限、沸腾限和携带限。一只热管能否长时间运行，能否稳定的进行工作等问题均是直接与材料的

16、不相容性有关的，这一点涉及了热管的四要素。然而，工质的热性能在使用过程中有可能退化（降低），还要防止流体分解成为不同的成分。因此，必须要求工质在可能运行的温度范围内热稳定要良好。流体表面的性质好像一张紧绷的包膜，这与液体的表面的张力和表面的大小有关。由于液体分子受到吸引力，所以整个页面就有拉力的作用。表面的张力随温度和压力而变化，不过，其随压力变化往往很小。表面的张力的有效值由于受到液-液、液-蒸汽或液-固界面上积累的外来物质的影响，可能有较大的变化。在设计热管时，为了使它能克服重力并运行，并产生比较大的毛细驱动力，所以，希望表面的张力大一些。此外，还必须要使工质润湿管芯和管壳材料，以及接触角

17、为零，或者是非常小。在运行温度范围内的蒸汽的压力必须大，以避免蒸汽的压力速度过大。因为蒸汽速度大也就是温度梯度大，也能把与之相反方向的冷凝液携带走，或者还会因为可压缩性引起流动的不稳定。但是，压力不能太高，太高必须得用厚壁管壳。期望工质的汽化潜热大，以实现用少量的液流来传递大量的热量，从而维持管内的小压力。工质的热导率越大越好，这是要为了减少径向的温度梯度，以及减小在管芯和管壳的交界面上产生沸腾的可能性。为了把液流的阻力减到最小，要选用液相和蒸汽相粘度低的工质。工质的品质因数M=，它为快速比较工质的好坏提供了更便利的方法。M数越大越好。水和所有的有机流体，如酒精和丙酮相比，其明显的优点是汽化潜

18、热和表面的张力大。当然，最终还要根据可利用性、成本、相容性等因素来确定工质。品质因数的大小是选择工质的唯一标准。在特定的情况下，其他因素也可能更为重要。例如，对于成本而言，宁愿选择钾而是不选择铯或铷，原因是它们的成本比钾要高一百多倍。又如，在12001800K范围内，锂比大部分的金属（包括钠在内）的品质因素都大，但是如果采用锂做工质，就可用不锈钢做管壳。因此，选用性能低一些的钠-不锈钢的这种热管将是便宜和方便的。热管所用工质的范围很广泛，由4K下用氦，直到2300K下用锂。在350500K范围内，应用水作工质的优越性最显著。在这个温度范围内，其他可以用来选择的有机流体的品质因数都偏低。在稍低一

19、些的温度范围内（270350K），希望用氦做工质。但是，为了使氦保持高纯度，要求细心操作。丙酮是低蒸汽压的工质。上述这些工质常来用于宇航设备的热管内。水和甲醇与铜相容，常用于冷却电子仪器设备。在500650K的范围内，可用高温有机传热工质，如联苯与联苯氧化物的低共熔混合物，在大气压力下其沸点为260左右，但是其表面的张力和汽化潜热很小。若其中含有很多其他的有机物，则当膜温度超过临界值时，联苯就会很快分解掉。然而，这种低共熔混合物和许多具有相同运行温度范围的其他流体不同，它们具有特定的沸点，而不是一个沸点范围。当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5006

20、00K，水银具有很诱人的热力特性。在室温下仍呈液态，这使热管的制作、冲液操作和起动等都可以大大简化。但他也有不足之处，除了有些毒性之外，它用作热管工质与作热虹吸管的工质不同，其主要的问题是难于润湿管芯和管壳。热管的工作温度范围更高一些时，则希望用钙、钾和钠等做工质。如果热管的工作温度在1400K以上，通常选用锂做工质，但也可以用银来做工质。（2）管芯热管管芯的选择与工质的选择是一样的，与很多因素有关，但其中主要的因素和工质的性质紧密相关。管芯的主要作用是产生毛细压差，把工质从冷凝段输送到蒸发段。此外还必须能把液体分布到蒸发段上可能吸热的任何范围内。尤其是在失重的情况下，当冷凝液回流的距离超过1

21、m时，常常需要使用不同形式的管芯，才能起到这两个作用。管芯产生的最大毛细压差，随毛细孔的减小而增加，而对管芯所要求的另一个特性及渗透率，它随毛细孔增大而增加，故均匀管芯的最佳毛细孔尺寸是两者折衷的结果。从这个意义上讲，管芯有三种主要形式。水平放置的热管和重力辅助式热管采用低性能管芯，它具有较大的毛细孔。在克服重力场的场合下，需要小毛细孔。通常要求热管的传热能力高，故必须采用非均匀的管芯或干道管芯，并且用细孔结构来辅助促使流体的轴向流动。另一方面，管芯的厚度应适当。增加管芯的厚度可以提高热管的传热能力，但却增加了管芯的径向热阻，又使传热能力降低，于是蒸发段容许有最大热通量也随之降低。蒸发段的总热

22、阻还与管芯内工质的放热系数有关。管芯还必须具有其他方面的一些重要性能，如与工质的相容性和润湿性、易于制作成和热管内壁一样并且最好是性能稳定的形状。此外，造价也应该便宜。均匀管芯均匀管芯有很多种形式，最常用的管芯是用丝网或斜纹织品制成的。所用的材料为不锈钢、镍、铜及铝。并加工成具有一定尺寸范围的毛细孔。各种丝网及斜纹织品的毛细孔尺寸和渗透率，查有关的表格。为了增加液体流动的能力，可开一些粗一点的流道。在管壁上开槽到铜热管和铝热管，已用于失重环境(一般在地球重力场内，单用槽道管芯不能产生很大的毛细压差，而且携带现象还可能限制热管的轴向热流量。为克服这一问题，在槽道上覆盖一层丝网)。干道管芯高性能热

23、管必须采用干道管芯。为了克服这种热管工质导热系数低的不利因素，必须把热管的温度梯度减到最小。这种热管的内径只有5.25mm，传输热量为15瓦，在1m长度内的总温降不超过6。用铝合金做管壳，丙酮做工质。这种管芯系统，旨在使沿管内传输的液体压降最小。如六条干道上覆盖一层细丝网，可以得到较大的驱动力。为了充分发挥干道管芯热管的作用时，还必须进一步考虑到蒸汽或气体阻塞干道的问题。如果干道内产生蒸汽泡（或气泡），或者是蒸汽泡（或气泡）被带到干道，将大大降低干道的传输能力。如果气泡完全阻隔了干道，则传热能力取决于干道的有效毛细的半径。也就是说，畅通的干道存在一个有效状态，为了保证干道在这种条件下还能够再启

24、动，必须把热负荷降低到畅通干道的最大传热能力以下。槽道管芯槽道管芯，即在热管管壳内壁面上挤压或车上轴向槽或螺旋槽道，起到毛细作用。槽道管芯的径向的热阻在蒸发段和冷凝段是根本不相同的，这是因为他们的传热机理不同。蒸发段内肋顶在传热过程中不起有效的作用。传热的途径可能是：沿肋片导热；通过弯月面上的液膜导热或者在液体界面上蒸发。由于冷凝段内槽道被冷凝液所淹没，所以肋顶在传热过程中起到了有效作用。肋顶上液膜将成为主要的热阻。冷凝液膜的厚度与冷凝率及工质的润湿性能有关。（3）管壳管壳的作用是把工质与外界分隔开，因此管壳的作用是承压、防漏、能向工质的传热以及把工质的热量传出。管壳材料的选定与以下几种因素有

25、关：相容性，包括工质以及外界环境两方面的相容性。强度与重量之比。传热系数。易于加工，包括机械加工性、可焊性及延展性。多孔性。润湿性。吸液芯结构材料、热管壳体材料及工作流体应根据热管的任务和工作条件来选择。因为热管应用的温度范围很广，用于多种多样的场合，结构材料和工作流体的选择范围也很广。热管结构材料和工作流体间的相容性问题，对于热管长期工作寿命有着决定性的影响。因此，正确选择热管的材料是十分重要的。 （4）翅片强化传热的有效措施之一是增加扩展表面，扩展表面的形式有多种多样，有翅片管和热管上常采用等厚度圆形翅片，对于气-气式热管换热器的热管，必须采用翅片作为扩展表面。翅片与光管表面接触的形式有：

26、串片；绕片；高频焊片；整体轧制片。在热管表面上加上翅片（等高度）可使表面增加到613倍，即可使管外的热系数增加59倍。由此可见，翅片是热管不可缺少的结构组成部分。（5）相容性不相容引起的后果主要有两个：一是腐蚀材料，另一是产生不凝结气体。如果管壳或管芯材料溶解于工质中，则在冷凝段和蒸发段之间多半要发生传质。溶解的固体材料沉积到蒸发段内，这将导致或者产生局部热点或者堵住管芯的毛细孔，产生不凝结液体。这些都是热管出故障最为常见的迹象。由于不凝结气体趋向于聚集到冷凝段，使冷凝段逐渐被气体堵塞。这种现象，可以从不凝结气体与蒸汽界面处的极具温降上鉴别出来。很多实验室进行过寿命试验，但是，一个实验室取得的

27、寿命实验数据可能得到令人满意的相容性。而另一个实验室由于采用不同的组装方法，例如采用非标准的材料处理过程，就可能得出不同的腐蚀特性或产生不凝气体的特性。因此，无论是改变清洗方法或者是改变热管组装方法，都应重新取得相容性的数据，这一点是很重要的。从相容性的观点来看，以丙酮、氨和金属为工质时，不锈钢适于作管壳和管芯的材料，其缺点是导热效率低。而铜和铝则可用于需要导热率高的地方。铜特别适合于做批量生产的水热管的材料。塑料也可被用来做管壳材料，而且已认真考虑过在非常高的温度下采用陶瓷这类耐融材料做热管管壳。为了使管壳产生一定的挠性，可采用不锈钢波纹管。在要求电绝缘的情况下，采用陶瓷或玻璃与金属封接材料

28、作管壳。当然，这种管壳必须和不导电的管芯和工质配合使用。热管的寿命试验主要是鉴定工质与管芯和外壳材料之间可能出现的任何不相容性。然而，基本的寿命试验应是在实际运行条件下进行长期的性能试验。假如显著增加蒸发段的热通量，是热管在超过其设计能力下运行，就可能引起烧毁。因此，难以用增加蒸发段热通量的办法来加快寿命试验。如果为了加快寿命试验，把热通量增加到约为正常运行条件所需要热通量的四倍，则必须用回流方式进行正规的性能试验，以保证仍然达到设计能力。进行寿命试验的方法，以及把结果推论到几年是一个争论较大的课题。例如，在人造卫星上，一旦发生事故就难于补救。如果可能实现，则最低的标准要求达到七年寿命。因此，

29、必须加速寿命试验，这样才能以高精度来预言热管在长期内的可靠性。加快寿命试验另一种可能的途径是加快任何降低热管性能过程的速度。如果设计允许，可提高热管运行温度。此法的缺点是升高温度可能影响到工质本身的稳定性。例如，丙酮的分解可能是产生金属氧化物的一个因素，生成双丙酮醇。其沸点比纯丙酮的高很多。显然，制定寿命试验方案时要考虑很多因素，包括热管用阀门的必要性或者像试验热管一样把试验热管全部密封起来等。第二届国际热管会议上提出了大量新的相容性资料。如表：表1-2 工质推荐的管壳材料不推荐的管壳材料氨铝、碳钢、镍、不锈钢铜丙酮铜、二氧化硅、铝、不锈钢甲醇铜、不锈钢、二氧化硅铝水铜、347型不锈钢不锈钢、

30、铝、二氧化硅钾不锈钢、因康镍合金钛钠不镍钢、因康镍合金钛1.2.2热管的工作原理热管工作的主要任务是从加热段吸收热量，通过内部相变传热过程，把热量输送到冷却段，从而实现热量转移。完成这一转移有6个相互关系的主要过程：（1）：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：（2）：液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发；（3）：蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段留到冷凝段；（4）：蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结；（5）：热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传递给冷源；（6）：在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液回流到蒸发段。1.2.3热管的基本特性（1）很高的导热性。热管内部主要是依靠

31、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，单位重量的热管可多传递几个数量级热量。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，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大改善（径向热管除外）。（2）优良的等温性。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，根据热力学中的Clausuis-Claperon方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。（3）热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积，即以较

32、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输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样既可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难(4)热流方向的可逆性。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以作为蒸发段，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平衡，也可以先放热后吸热的化学反应器及其他装置。（5）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与某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，

33、热管就不传热。（6）恒温特性（可控热管）。普通热管各部分热阻基本上不随加热量的变化而变化，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。（7）环境的适应性。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（重力场），也可用于空间（无重力场）。1.2.4热管的分类由于热管的用途、

34、种类和形式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。（1）按照热管管内工作温度区分：热管可分为低温热管（-2730）、常温热管（0250）、中温热管（250450）高温热管（4501000）等。（2）按照工作液体回流动力区分：热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管（重力热管）、重力辅助热管、旋转热管、点流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。（3）按照壳体与工作液体的组合方式划分（这是一种习惯的划分方法）可分为：铜-水热管、碳钢-水热管、铜钢复合-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-荼热管、不锈钢-钠热管等等。（4）按照结构形式分：可

35、分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。（5）按热管的功能划分：可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。1.2.5热管技术根据热管工作原理和基本特性，可以将热管技术分为以下几个部分：（1）温度展平：温度展平又称为均温技术，及利用热管本身等温性，把一个温度不均的温度常展平为一个均匀的温度场。设有一具有 不均匀温度场的圆柱体，其展开表面如图1-1（a）所示，在圆柱体的正反两面有很大的温差-(>>),但如设法在圆柱体的表面上布置一定量的环状热管，则圆柱体表面温度将如图1-1（b）所示，此时-的温差将变得很小。又如在化

36、学工业中，经常遇到化学反应器内部的不等温性问题，特别是固定床催化反应器的不等温性将影响化学产品的产率和质量。如果我们用热管控制化学反应热均衡，就可能获得一个较为均匀的温度场，均温技术在航天飞行器及电子设备仪器仪表板方面都有重要的应用。（2）汇源分隔 所谓汇源分隔是指利用热管将热源和热汇（冷源）分隔在两个场所进行热交换，分隔的距离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定，可以从几十厘米到100米，这种技术在连续生产的工程换热中有十分重要的意义。一般间壁换热方式，此时如管壁有微小的泄露，冷热流体将立即互混，迫使生产停车。但采用热管换热器，则源、汇两种流体将不再有互混的可能。（3）变换热流密度 热管能

37、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，相反，也可以较大的加热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量。如此可使单位加热和冷却传热面积上的热流量发生变化。蒸发段长于冷凝段，且附加翅片，显然蒸发段的传热面积远大于冷凝 ，传热量Q一定时，蒸发段的热流密度远小于冷凝段的热流密度，热流密度变换在工程中有重要的应用，例如可以用来控制管壁温度以避免出现的漏点腐蚀。（4）热控制（可变导热管） 可变导热管为热阻可以改变的热管，可用来温度控制。图1-7所示为充气式可变导热管，热管的冷凝段充有一定量的不凝性气体，当热管工作时，在热管有两个区和，为工作液体的饱和蒸汽区，为不凝性气体区。这两个区的交界面

38、位置是可以变动的，当蒸发段热源的温度高于额定值时，输入的热量就将增大，管内饱和蒸汽压力升高，不凝性气体被压缩，交界面向右移动，冷凝顿传热面积加大，热量输出也随之增大，管内饱和蒸汽压力下降，交界面向左移动，冷凝段传热面积缩小，热量输出也随之减小，管内饱和蒸汽压力回升，交界面位置右移，达到额定值时维持平衡。因此热量输入增加，热量输出也增加；热量输入减少，热量输出也减少。如此可保持热管的工作温度基本不变。在工程上可变导热管技术可以用来控制热源或热汇的温度。（5）单向导热（热二极管） 利用重力热管的传热原理，可将热管看作为单向导热元件。为蒸发段在冷凝段的下方，热管可以正常工作；冷凝段在蒸发段的下方，热

39、管则不能工作。热二极管原理在太阳能及地土永冻工程中有很重要的应用。（6）旋转元件的传热（旋转热管） 一般热管是一种静止的传热元件，旋转热管则是在回转运动中传热的元件，其原理是热管内工作液体 依靠转动中的离心力从冷凝段向蒸发段回流，或是靠液体位差产生的重力。旋转热管在工程中可用做高速回转轴件的传热元件，如电机轴、高速钻头的冷却以及塑料纤维、塑料薄膜加工等回转设备。（7）微型热管技术 随着电子、电器工程的迅速发展，微型电子器件及元件的散热已成为一个重要的问题，微型热管的研究正是适应于这种要求而发展的。微型热管的概念与常规热管概念有所不同，它的毛细力不是由吸液芯产生而是由蒸汽通道周边的液缝的弯月面提

40、供的。蒸汽通道的截面有各种形状，有三角形、矩形、正方形、梯形等等，管内无吸液芯。微型热管在半导体芯片、集成电路板、笔记本电脑（CPU）的散热方面有很重要的应用。（8）高温热管技术 在温度超过700的换热条件下，使用普通的换热器会有很多困难，如无温差应力、材料高温蠕变、高温腐蚀等问题。高温热管可带来很大的方便，如温差应力小，结构形式简单，不易受高温破坏，单根热管破坏不影响设备整体性能等诸多优点。高温热管的工作液体是液态经书（钠、钾、锂、铯等），其特点是饱和蒸汽压很低，所以在高温条件下，工作的热管只承受高温而不承受管内高压。高温热管在核工程、太阳能电站、斯特林发动机、高温热风炉、高温照扣、赤热体取

41、热等方面有着重要的用途。1.2.6热管技术特点与常规换热技术相比，热管技术之所以能不断受到工程界欢迎，是因其具有如下的重要特点。（1）热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行这一特点对连续性生产的工程，如化工、冶金、动力等部门具有特别重要的意义。常规换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体，而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。（2）热管管壁的温度可调性 热管管壁的温度可以调节，这在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以通过适当地热流变换把热管管壁温度调整

42、在低温流体的露点以上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。这在电站锅炉尾部的空气预热方面应用的特别成功，设置在锅炉尾部的热管空气预热器，由于能调整管壁温度不仅能防止烟气结露，而且也避免了烟灰在管壁上的粘结，保证锅炉长期运行，并提高了锅炉的效率。（3）冷、热段结构和位置布置灵活 由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置布置非常灵活，可适应于各种复杂的场合。由于结构紧凑占地空间小，因此特别适合于工程改造及地面空间狭小和设备拥挤的场合，且维修工作量小。（4）热管换热设备效率高，节能效果显著。 3第二章 热管换热器第二章 热管换热器由于我国是一个发展中国家，能源的综合利用水平较低，因

43、此自80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，相继开发了热管气-气换热器、气-液换热器、液-液换热器。利用热管气-气换热器代替传统的管壳式气-气换热器，一方面，能大大提高预热空气进入炉内的温度，降低烟气温度，从而大大提高锅炉的热效率；另一方面，热管气-气换热器运行压降非常小，有时甚至不需要增加引风机等设备，从而使得运行费用大大降低。热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面换热器。热管换热器的最大特点是：结构简单，换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器；换热流体通过换热器时的压力损失比其他换热器小，因而动力消耗也小。由于冷热流体是通过换

44、热器不同部位换热的，而热管元件又相互独立的，因此即使有某根热管失效、穿孔也不会对冷热流体间的隔离与换热有多少影响。此外，此外换热器可以方便的调整冷热侧换热面积比，从而可有效的避免有腐蚀性气体的露点腐蚀。第一节 热管换热器的技术优势（1）换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。热管换热器用于易燃、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。（2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热，冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回

45、收场合非常经济。（3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。（4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。第二节 热管换热器的分类 （1）按形式分：整体式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器等。 （2）按功能分：气-气换热器、气-液换热器、气-汽换热器等。热管式换热器是一种新型的换热器，于70年代初开始应用于工业中作为节能设备。虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。热管换热器最大的特点是：结构简单、换热效率高，在传递相同热量

46、的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器，换热流体通过换热器时的压力损失也比其他换热器小，因而动力消耗也小。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热设备。热管气-气换热器是目前应用最为广泛的一种余热回收设备，它利用锅炉、加热炉等排烟余热预热炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，还可以减轻对环境的污染，因此，热管气-气换热器在余热回收利用中得到非常广泛的应用。热管气-气换热器的应用简化并加速了燃料的烘干工程，减少了低值燃料和湿燃料的着火困难，并且扩大了这些燃料经济燃烧的可能。热管空气预热器同样还可以提高锅炉的蒸汽产生量。热管气-气换热器能够把排出的烟气加

47、以高度冷却。这是由于进入热管气-气换热器的空气温度比较低（一般在20-40）、空气与烟气成逆流换热的结果。传统的气-气换热器的缺点是笨重，愈提高烟气冷却程度或者空气的加热温度，气-气换热器就愈加笨重。气-气换热器所排出的烟气的温度也受到限制，既决定于技术经济条件，也决定于必须避免在气-气换热器的金属表面上结成水滴，因为水滴会引起金属壁的腐蚀，灰分也会粘在湿金属壁上使之加速积垢。燃料中含硫越多，在金属壁上结成的水的就会越危险。从气-气换热器中排出的容许温度决定于必须使金属壁温度高于烟气露点的条件。采用热管气-气换热器能够把排出烟气时带走的热量损失减少到能够允许的程度，每当使排出的烟气温度降低20

48、，锅炉整体效率可提高约1。此外热管气-气换热器能使炉膛中前部烟道中的烟气温度有某些提高。在这些地方，烟气与水或蒸汽的温度差将会增加，因而经过受热面传过的热量也就增加了。辐射传递的热量增加尤为显著。由于水-碳钢热管的研制成功，使得气-气热管换热器的制造成本大幅减低，从而促进了热管气-气换热器的工业化应用。热管气-气换热器综合起来有如下一些特点：(1)传热性能高。由于热管气-气换热器的加热段和冷凝段都带有翅片，大大展了换热表面，因此，其传热系数比普通的光管气-气换热器的要大好多倍； （2）对数平均温差大。由于热管气-气换热器可以方便地做到冷流体与热流体的纯逆向流动，这样在相同的进、出口温度条件下，

49、就可以产生最大的对数平均温差； （3）传热量大。由于热管气-气换热器的传热系数和对数平均温差大，因此，传热量就大； （4）体积小、重量轻、结构紧凑。由于热管气-气换热器所传输的热量大，因此在传输同样的热量的情况下，热管气-气换热器就显得体积小、重量轻、结构紧凑，因而金属的消耗量小，占地面积就大大减少。热管气-气换热器这一独特的优点就使得在余热回收等应用领域开辟了广阔的天地； （5）便于拆装、检查和更换。热管气-气换热器是由许多根独立的换热元件-热管按照着一定的排列方式组成的。因此更换部分热管不会影响热管气-气换热器整体的正常工作；（6）热管气-气换热器具有很大灵活性，可以根据不同的热负荷和气体

50、的流量将几个热管气-气换热器串联或并联起来使用；（7）明显的提高了金属壁温，减轻了低温腐蚀；（8）有效地防止了漏风，降低了引风机的耗电量；（9）增强了换热能力，余热回收率高，提高了锅炉热效率；(10)明显的减轻了受热面积灰，不会出现堵烟现象而影响锅炉正常运行；（11）流阻小，降低了换热器运行时动力消耗。总之，热管气-气换热器与管壳式预热器相比，有很多优点，主要体现在传热性能好、结构简单、紧凑、投资小、运行费用低和流阻小等方面。热管气-气换热器的技术优势就在于利用了热管内部工质的相变传热，换热系数大，易于控制空气及烟气出口温度。第三节 换热器应用前景热交换器在工业生产中的应用极为普遍，例如动力工

51、业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器，电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、给水加热器、冷水塔；冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气和煤气预热；制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是热交换器的应用实例。在化学工业和石油工业的生产过程中，应用热交换器的场合更是不胜枚举。在航空航天工业中，为了及时取出发动机及辅助动力装置在运行时所产生的大量热量，热交换器也是不可缺少的重要部件。在各个生产领域中，要挖掘能源利用的潜力，做好节能减排，必须合理组织热交换过程并利用和回收余热，这往往和正确的设计与使用热交换器密不可分。由于世

52、界上燃煤、石油、天然气资源储量是有限而面临着能源短缺的局面，各国都在致力于新能源的开发，因而换热器的应用又与能源的开发（如太阳能、地热能、海洋热能）与节约紧密相连。所以，热交换器的应用遍及动力，冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各工业部门。它不但是一种广泛应用的通用设备，并且在某些工业企业中占有很重要的地位。例如在石油化工工厂中，它的投资约占到建厂投资的15左右，它的重量占工业设备总重的40%；在年产30万吨乙烯装置中，它的投资约占总投资的25%；在我国一些大中型炼油企业中，各式热交换器的装置数达到300500台以上。就起压力、温度来说，国外的管壳式热交换器的最高压力达8

53、4Mpa，最高温度达1500，而最大外形尺寸长达33m，最大传热面积达6700，现有的实际情况，还要超过上面给出数据。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时间内将保持稳定增长。预计到2010年年底，我国换热器的市场需求将达到500亿元。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模在150亿元；电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右；船舶工业换热器市场规模在40亿元以上；机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖换热器行业市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器件、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。预计2010年岛2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长。到2015年，我国换热器产业规模将突破880亿元；到2020年我国换热器产业规模有望达到1500亿元。第三章 热管气-气换热器设计中应注意的问题第三章 热管气-气换热器设计