热交换器原理与设计高效间壁式热交换器

热交换器原理与设计高效间壁式热交换器第1页/共130页换热器是由两块条形金属板卷成同心螺旋组合件，通道的交错边缘焊接密封或两边各配一个端盖密封。主要有可拆式和不可拆式两大类。3.1

螺旋板式热交换器3.1.1基本构造和工作原理第2页/共130页第3页/共130页(a)结构简图(b)实物图图3.1螺旋板式热交换器(可拆式)定距柱螺旋板回转支座头盖垫片切向接管第4页/共130页图3.2螺旋板式热交换器的三种型式第5页/共130页Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型

图3.3流道的密封第6页/共130页根据我国现行行业标准JB/T4751—2003，螺旋板式换热器的型号表示法为：可拆换热器区别代码：D—堵死型G—贯通型不可拆不标注通道间距，mm公称直径，mm板宽，m公称换热面积，m2公称压力，MPa材质代号，C－碳钢，S－不锈钢L－螺旋板换热器型式代号：K－可拆，B－不可拆第7页/共130页特点1.传热效率高，比管式高0.5~1倍。紧凑性达到：100m2/m32.逆流传热，两端温差小。3.不易结垢，“自洁”作用，容易清洗。5成本低。缺点：密封比较困难。第8页/共130页3.1.2设计计算1)换热系数α

的计算(1)湍流时(Re>6000)α=0.023

λ

/deRe0.8Prm(1+3.54de/Dm)，W/(m2·℃)(3.1)(2)层流时(Re<2000)

W/(m2·℃)(3.3)(3)过渡流至湍流(Re>1000)Nu=Pr0.25(μ/μw)0.17[0.0315Re0.8-6.65*10-7(lt/b)1.3](λ/de)

(3.4)当Re>30000时，式中(lt/b)的影响可忽略。(4)蒸汽冷凝时

W/(m2·℃)(3.5)第9页/共130页图3.4凝结换热系数计算曲线第10页/共130页(5)蒸汽冷凝冷却时

(3.6)(6)沸腾传热时核态沸腾时，沸腾换热系数用下式计算2)传热系数

K的计算(3.7)(3.8)第11页/共130页3)流体压降的计算螺旋板换热器的总阻力可分为三部分：弯曲通道的阻力，定距柱的影响及进出口的局部阻力。

(3.9)对于蒸汽，轴向流动冷凝时，可用下式计算其压降：

(3.10)蒸汽螺旋向流动冷凝时，压降的计算式为

(3.11)第12页/共130页图3.5不等通道螺旋体4)换热面积及螺旋通道几何尺寸的计算(1)螺旋体的绘制(2)螺旋板长度计算(3)螺旋体的有效圈数ne(4)螺旋体的最大外径D第13页/共130页螺旋板式热交换器设计计算

[例3.1]第14页/共130页3.2

板式热交换器3.2.1构造和工作原理第15页/共130页第16页/共130页

传热板片是关键部件：★使流体低速下发生强烈湍流，强化传热；★提高板片刚度，能耐较高压力。第17页/共130页图3.8我国板式热交换器国家标准的板片波纹形式第18页/共130页流体的单边流和对角流第19页/共130页图3.11密封垫片第20页/共130页材料名称适用场合304,316,316L氯离子含量不高的一般流体哈氏合金Hastelloy

C-276,C-22氧化性酸，如硫酸，混酸工业纯钛TA1海水等氯离子含量高的液体钛钯合金TA9还原酸，如次氯酸耐酸钢RS-2强酸，如浓硫酸、硝酸等254SMO海水等氯离子含量高的液体传热板片材料及适用介质第21页/共130页其他类型板式热交换器的结构图3.12板式蒸发器第22页/共130页图3.13板式冷凝器板片第23页/共130页图3.14流体在板间通道中三维流动第24页/共130页图3.15板式热交换器中的三种流体换热第25页/共130页板式热交换器的型号表示法单板公称换热面积是指经圆整后的单板计算换热面积按国标GB16409—1996，板式热交换器的型号按如下格式表示：框架结构形式代号垫片材料代号换热器换热面积，m2设计压力，MPa单板公称换热面积，m2板片波纹形式代号板片换热器代号（B,BL,或BZ）第26页/共130页材料名称适用温度适用介质丁腈橡胶-20~120℃水、油类、烃、醛等三元乙丙-50~150℃水、一般有机酸、碱等氟橡胶-20~250℃有机溶液、酸、碱、醇食品、医药橡胶-20~120℃食品、医药氯丁橡胶-40~100℃碱及部分酸硅橡胶-65~230℃部分油类、酒精密封材料及适用介质第27页/共130页目前世界上板式热交换器所达到的主要技术指标如下(可拆式)：最大板片面积：4.67～0.475m2，最大角孔尺寸：450mm以上，最大处理量：5000m3/h，最高工作压力：2.8MPa，最高工作温度：橡胶垫片—150℃，压缩石棉垫片—260℃，压缩石棉橡胶垫片—360℃，最佳传热系数：7000W/(m2·℃)(水水，无垢阻)，紧凑性：250～1000m2/m3，金属消耗量：16kg/m2。第28页/共130页型号\技术参数BR005BR01BR02BR035BR05BR07BR09BR13单板有效热

面积m20.0530.10.230.350.520.660.851.3外形尺寸mm500x170660x2501000x3301215x4001440x5001660x5001770x6202140x820板片厚度mm0.5～0.70.6～1板片材料SUS304、316、316L、RS-2、HastelloyC-276、TAI、H68、Hsn62-1角孔直径mm405065100150150170250平均板间距mm33.23.53.53.83.83.83.8平均流道

截面积m20.000420.0006560.000980.0012250.00170.00170.002150.00284当量直径m0.0060.00640.0070.0070.00760.00760.00760.0076板式换热器板片主要技术参数第29页/共130页型号/技术参数BR005BR01BR02BR035BR05BR07BR09BR13最高使用压力MPa2.5使用温度范围oC-19～250装机有效面积台m20.5～51～103～3015～6030～14050～20060～25090～650最大处理量液体（气体)m3/h30(300)70(700)100(1000)200(2000)300(3000)300(3000)600(6000)1200(12000)传热系数(水-水)W/m2.k≤6500≤6100≤5800最大热交换量

(水-水)MW0.6161630355090接管公称直径mm405065100150150175250设备最大质量kg7028059014502520270049809800板式换热器整机主要技术参数第30页/共130页第31页/共130页1、高效换热板片的波纹结构，使流体在板间流动时不断改变流向和速度，形成剧烈湍流，在低流速下可获得高的传热系数。相同工况传热系数比管壳式高6~7倍。2、结构紧凑板片表面的波纹增加了有效换热面积，紧凑性达到：300m2/m3，约为管壳式的2~5倍；体积为管壳式的1/5

~

1/10；重量是管壳式的1/5左右。3、清洗、检修方便板面光洁，湍流冲击力强，结垢倾向小，一旦结垢，用化学或手工清洗也很方便。4、操作灵活可增/减板片数或改变流程组合适应新的换热要求。5、通用性与防腐从通常的水到有一定粘度的液体以及含小颗粒的悬浮液都可处理；钛材可用于防腐。板式热交换器特点第32页/共130页4×1

4×11×4

1×41×4

2×2

流程×通道(甲)

流程×通道(乙)（a）串联（b）并联（c）混联3.2.2流程组合及传热、压降计算第33页/共130页图3.17板式热交换器的1×4流程组合示意图

2×2第34页/共130页1×7.1×3+1×4第35页/共130页传热计算板式热交换器的传热面积是扣除不参与部分(板片的角孔及密封垫片等)后板片的展开面积，即有效传热面积。平均温差Δtm按纯逆流情况下对数平均温差Δtlm,c，再乘以修正系数Ψ：

Δtm

=ΨΔtlm,c传热系数

K的计算：第36页/共130页液体名称污垢热阻矿化水或蒸馏水0.0000017软水0.0000034硬水0.0000086处理过的冷却水0.0000069沿海海水或港湾水0.000086大洋的海水0.000052河水、运河水、井水等0.000086机器夹套水0.0000103润滑油0.0000034~0.0000086植物油0.000017~0.000052有机溶剂0.0000017~0.00000103水蒸气0.0000017一般工艺流体0.0000017~0.00000103表3.2板式热交换器中的污垢热阻值

m2·℃/W第37页/共130页图3.18板式热交换器的温差修正系数(LMTD法)图3.19温差修正系数(NTU法)第38页/共130页对流换热系数一、无相变情况下，一般板片两侧为传热相似

(3.19)

流体被加热时：m=0.4

流体被冷却时：m=0.3

C、n随板片、流体和流动类型不同而不同：

C=0.15~0.4;n=0.65~0.85;m=0.3~0.45;

Z=0.05~0.2(黏度修正项的指数)。第39页/共130页二、有相变时，相变换热系数计算很复杂☆凝结换热：

重力控制区(凝液膜雷诺数Relf

<临界雷诺数，

约150~500)：

(3.23)

剪切力控制区(Relf>临界雷诺数)：

(3.24)☆沸腾换热

(3.25)式中αl

可按式(3.19)计算。第40页/共130页压力损失计算国产板式热交换器用于无相变换热时的压力降计算通常以欧拉数Eu与雷诺数Re之间准则关系式给出：

Eu=bRed

(3.27)式中系数b和指数d随板式换热器具体结构而定。由Eu=Δp/ρw2，可求多程时压降为：

Δp=mEuρw2=mbRedρw2

(3.28)m为流程数；w为工质在流道中的流速，m/s。第41页/共130页通道形状de备注传热计算阻力计算套管热交换器d2

–d1d1

—内管外径d2

—外管内径板式热交换器2b2Lb/(L+b)L—板有效宽B—板间距螺旋板式热交换器2b2Hb/(H+b)H—板有效宽b—通道间距当量直径de

附录B第42页/共130页Ne=F/FpNt=Ne+2

←计算值Nt=m1

n1+m2n2+1←实际值3.2.3板式热交换器的

热力计算程序设计第43页/共130页板式热交换器设计计算

[例3.2]第44页/共130页3.3板壳式热交换器结构：板壳式热交换器由板管束和壳体两部分组成。将全焊式板管束组装在压力容器(壳体)内，是介于管壳式和板式热交换器之间的一种换热器。性能：既具有板式热交换器传热效率高、结构紧凑及重量轻的优点，又具有管壳式热交换器耐高温高压、密封性能好及安全可靠等优点，较好地解决了耐温、抗压与结构紧凑、高效传热之间的矛盾。特点：传热系数达到管壳式的2～3倍；流阻较小，一般压降不超过0.5bar；同样换热条件下结构紧凑，体积仅为管壳式的30%左右。第45页/共130页图3.23板壳式热交换器结构简图b)板管结构c)板管束端面a)整体结构第46页/共130页项目板壳式换热器立管式换热器传热面积

m2350518热流进口温度

℃478478热流出口温度

℃120130冷流进口温度

℃9292冷流出口温度

℃430410总阻力降

MPa0.05080.047热端温差

℃4868冷端温差

℃2838总传热系数

W/m2·K666.8200容器直径

mm10001000设计高度

mm1015417500设备质量

t13.528有效热负荷

kW51594660表3.3换热器参数对比第47页/共130页图3.25大型焊接板壳式热交换器图3.26板片及其流道a)板片组b)反应产物流道板c)混合进料流道板3.3.2几种典型的板壳式热交换器1）Packinox公司板壳式换热器第48页/共130页图3.28LBQ大型板壳式热交换器结构2）国产LBQ大型板壳式热交换器第49页/共130页图3.29径向流动板壳式热交换器结构简图3）径向流动板壳式热交换器第50页/共130页b)波纹板片1—中间焊缝平面；2—波纹；3—四周缝焊边；4—孔缝焊边；5—导通孔)图3.30新型板壳式热交换器a)基本结构1—板外流道进出口；2—板内流道进出口；3—板外流道；4—板内流道；5—壳体；6—导通孔4）新型板壳式热交换器第51页/共130页板壳式热交换器设计计算

[例3.3]第52页/共130页3.4

板翅式热交换器3.4.1构造和工作原理板翅式热交换器的结构与流动形式第53页/共130页翅片隔板封条由隔板、翅片和封条组成单元体。多个单元体根据流动方式的布置叠置起来，钎焊成一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。☆翅片又称二次表面，翅片传热面积约为总传热面积的67~88%；有翅片比没有翅片体积减少18%。☆紧凑度一般为1500~2500m2/m3，最高可达4370m2/m3。第54页/共130页图3.32不同流型的板束通道第55页/共130页1平板；2翅片；3封条；4分配段；5导流片；6封头；7板束；8封头；9封头图3.33板翅式热交换器第56页/共130页发动机用板翅式热交换器航空用板翅式热交换器第57页/共130页类似圆管，扩大传热面积形成湍流，破坏边界层K比平直形高30%开孔率5~10%，K比平直形高促进湍流，波幅愈大，K越高第58页/共130页

图3.44板翅基本单元结构尺寸图H─翅片高；δ─翅片厚；s─翅片间距(x+δ)；Le─单元有效长；B─单元有效宽；x─内距(s–δ)；y─内高(H–δ)；一次传热面：F1=F·x/(x+y);

二次传热面：F2=F·y/(x+y)总传热面：F=2(x+y)·B·Le·n/s当量直径：de=4A/U=2xy/(x+y)单元通道流通面积：Ai=xy·B/sn层板束通道流通面积：A=nAi=nxy·B/s3.4.2板翅式热交换器的设计计算第59页/共130页图3.45翅片及其表面温度分布示意图第60页/共130页通过隔板表面的传热Q1

Q1

=α

F1

(tw

-tf

)沿翅片的传热Q2

Q2

=α

F2

(tm

-tf

)由：

tw

>tm

Q2

=αF2

ηf

(tw

–tf

)隔板表面温度翅片表面平均温度翅片效率一次传热面积隔板表面面积二次传热面积翅片表面面积第61页/共130页Q1

=αF1

(tw–tf

)Q2

=αF2

ηf

(tw–tf

)Q

=Q1

+Q2

=

αF1

(tw–tf

)+

αF2

ηf

(tw–tf)=

α

(F1

+F2

ηf)(tw–tf)=

αF

η0(tw–tf)

η0

—翅片壁面总效率：把二次传热面和一次传热面同等看待，认为都处于一次传热面的传热温差(tw–tf)下时，对总传热面所应打的折扣。F

η0

=F1

+F2

ηf=

Fe

→有效传热面积η0

=(F1

+F2

ηf)/F

=1–F2/F(1–ηf)η0

=1–y/(x+y)(1–ηf)←F2=F·y/(x+y)第62页/共130页图3.49翅片壁面总效率和翅片几何参数及换热系数的关系翅片壁面总效率η0大于翅片效率ηf。ηf越高，η0也越大。第63页/共130页☆当流体A的一个通道与流体B的两个通道间隔排列，

即ABBABBABB…排列时，翅片表面总效率的计算

式与冷、热流体通道一一间隔时就有所不同。☆当忽略

MmHsinh(mH)和MmH[cosh(mH)-1]，且H=b时，以上三式成为：η1′=1/cosh(mb)

(3.62)η1=

½(1+1/cosh(mb))

(3.63)η2=

tanh(mb)/(mb)

(3.64)第64页/共130页

传热量和传热系数计算

Qc=αcFcηoc(tw–tfc)

(3.65)

Qh=αhFhηoh(tfh–tw)

(3.66)☆稳定传热情况下，Qc=Qh=Q，并忽略翅片及

隔板热阻，将式(3.66)与式(3.67)相加可得

(3.67)☆流体温度通常是沿流程变化的，可以将式(3.68)

中两流体温差取为对数平均温差Δtlm，得

Q=KcFcΔtlm

(3.68)第65页/共130页或

Q=KhFhΔtlm

(3.69)☆式中Kc、Kh—分别为以冷、热通道总

传热面积为基准时的传热系数。

(3.70)

(3.71)第66页/共130页4)换热系数的计算(1)无相变时的对流换热系数

(3.73)(2)有相变时的换热系数①冷凝换热当液膜为层流时，凝结换热系数为

(3.81)当液膜为紊流时

(3.82)②沸腾换热

(3.83)第67页/共130页图3.50板翅式热交换器芯子中

的进口压降和出口压升5)压力损失计算板翅式热交换器压降分成入口端、出口端和中心部分三个部分。(1)热交换器芯子入口的阻力

(3.84)(2)热交换器芯子出口的阻力

(3.85)(3)热交换器芯子中阻力

(3.86)总的压力降Δp即为三者之和：Δp=Δp1–Δp2+Δp3

(3.87)第68页/共130页3.4.3板翅式热交换器单元尺寸

的决定和设计步骤

[例3.4]第69页/共130页3.5.1构造和工作原理☆换热管为带翅片的翅片管。☆翅片材料可采用碳钢、不锈钢、铝或铜材等。☆翅片管特别适用于换热系数较低的流体。常常用这种换热器来加热或冷却低压空气。☆结构不很紧凑，金属消耗量大，制造成本较高。3.5翅片管式热交换器第70页/共130页第71页/共130页空调器中的翅片管组第72页/共130页图3.55空气冷却器的基本结构第73页/共130页卧式空冷器流体出口流体进口空气空气翅片第74页/共130页第75页/共130页c)波纹a)开槽b)轮辐图3.58几种紊流式翅片管a)纵翅b)横翅图3.57管外表面的纵翅

和横翅管3.5.2翅片管的类型和选择第76页/共130页图3.59几种机械连接的翅片管翅片管的截面第77页/共130页纵向翅片管横向翅片管螺旋槽纹管缩放管第78页/共130页翅片管型式L型绕片式LL型绕片式镶片式双金属轧片式套片式传热性能54321耐温性能54231耐热冲击能力54231耐大气腐蚀能力43512清理尘垢的难易程度54321制造费用12345表3.4常用的5种翅片管的性能评定注：1—最佳；5—最差第79页/共130页图3.60翅片管的传热性能比较图3.61翅片高度的选择第80页/共130页翅片管几何尺寸1.基管外径和管壁厚；2.翅片高度和翅片厚度；3.翅片距；4.翅化比：翅化表面积/光管外表面

(单位长)

高翅片23.4；低翅片17.15.管长：3、4.5、6、9m。管内对流换热系数102030580W/(m2·℃)28.419.014.25800W/(m2·℃)51.647.343.7表3.5三种翅化比的传热系数参考值第81页/共130页翅片类别管材管径，mm翅片参数，mm翅片管外径管外径内径外径翅片外径翅片高翅片厚翅片距翅片净距低翅片钢管20255012.50.52.31.82高翅片钢管20255716.00.52.31.82.28高翅片铝管19255716.00.52.31.82.28翅片类别外表面积，m2/m管长翅片管与光管外表面积的比较空气流通面积的比较光管外表面积Fo翅片面积Ff′翅片根部面积Fb′翅片管总外表面积Ff′

+Fb′翅化比Ff

′+Fb′Fo净截面积迎风面积空气速度(管束中)空气速度(迎风面)低翅片0.07851.2790.0611.3417.10.442.27高翅片0.07851.7790.0611.8423.40.502.0高翅片0.07851.7790.0611.8423.40.502.0表3.6国产空冷器翅片管的特性参数第82页/共130页图3.62翅片管排列型式及其管距第83页/共130页Fb′

—翅片根部无翅片部分表面积Ff′

—翅片管上翅片的表面积Ff

—翅片管总外表面积，

Ff=Fb′

+Ff′

Fo

—翅片光管外表面积β

—翅化比，β=

(Fb′

+Ff′

)/Fo=

Ff

/Foηf—翅片效率η—翅片壁面总效率：

η

=(Fb′

+ηfFf′

)/Ff第84页/共130页Q

=KoFo

Δtm=KfFf

ΔtmFf、Fo

—翅片管外表面积、翅片光管外表面积1.单层翅片管时以光管外表面积Fo为基准时以翅片管外表面积Ff为基准时2.复合翅片管时以光管外表面积Fo为基准时以翅片管外表面积Ff为基准时3.5.3翅片管热交换器的传热计算第85页/共130页管内流体温度tf(℃)接触(间隙)热阻rc,o(m2·℃/W)占总热阻百分数(%)≤100≤0.00007忽略100～2000.00009～0.0001710200～30020~30(应改用别的形式翅片管)表3.7国产绕片式翅片管接触(间隙)热阻(以基管外表面积为基准)第86页/共130页对于已定型的翅片管式热交换器，可用简单的关系式来计算其传热系数：☆以热水为热媒的空气加热器

Kf

=c(vρ)mwn

(3.93)☆以蒸汽为热媒的空气加热器

Kf

=c(vρ)m

(3.94)式中系数c及指数m，n均由实验确定。

w—管内水流速，m/s；

vρ—通过热交换器管窄截面上

质量流速，kg/(m2·s)第87页/共130页3.湿工况☆伴有结露的空气被冷却过程，即减湿

冷却的运行工况称为湿工况。☆ξ

为析湿系数，考虑伴有湿空气中水

蒸气的凝结而使传热增强的因素。

(3.95)☆对一些定型的表冷器产品，常由实验确定传热系数的计算式：

(3.96)第88页/共130页

换热系数和压力损失的计算1)空气横向流过圆管外环形翅片管束对于低翅片管束，df

/db=1.2~1.6，db=13.5~16mm对于高翅片管束，df/db=1.7~2.4，db=12~41mm式中：df、db—分别为翅片外径和翅根直径，m；

Y、H、δf—分别为翅片的间距、高度和厚度，m；cp、μ、λ—按流体平均温度取值；

Gmax—最小流通截面处质量流速，kg/(m2·h)将高低翅片管参数代入，并以光管外表面积为基准，得简化式：

低翅片管:αo=412vNF0.718Φ

高翅片管:αo=454vNF0.718Φ式中：αo—以基管外表面积为基准的空气侧换热系数，W/(m2·℃)；

vNF—标准状态下迎风面风速，m/s；

Φ—校正系数，鼓风式时，Φ=1.0，引风式时，Φ值见表3.8第89页/共130页标准迎面风速vNF，m/s管排数456810Φ

值低翅片2.240.9160.9350.9470.9630.9733.130.9080.9300.9450.9610.970高翅片2.540.9160.9350.9470.9630.9723.550.9080.9300.9450.9610.970表3.8

Φ值☆计算空气压降

Δp

=0.66nvNF1.725/ρ2.725，N/m2(3.101)第90页/共130页2)空气横向流过圆管外横向矩形翅片管束翅侧换热系数可按下式计算：

式中:db—翅片根部圆直径，m；nf—每单位长度上翅片数；F′b—单位管长以翅根直径为基准

无翅片部分表面积，m2/m；F′f—单位长度上翅片的表面积，m2/m，

图上所示两根管共有一个翅片情况，每根管取其一半；Gmax—最小流通截面处质量速度，kg/(m2·s)。第91页/共130页压降按下式计算：

N/m2式中摩擦系数：第92页/共130页螺纹管螺纹增加换热面积，还增强紊流和提高换热系数。波纹管内螺纹管波纹状内螺纹管内翅片管翅铝芯第93页/共130页外螺纹管束(Ff/Fi

=3~4.5)1）外螺纹管外对流换热时de=两翅中心线间翅片管总投影面积翅中心距Φ1—壳方管束排列校正系数，见下表排列形式四方顺列st

/df

=1.25四方顺列st

/df

=1.33三角错列st

/df

=1.25Φ1值0.900.801.00注：st

—管心距，m；df

—螺纹管外径，m。图3.67外螺纹管束的js及fs☆管外压力损失可按下式计算：

N/m2(3.105a)第94页/共130页2）外螺纹管外冷凝时式中：λ1、μ1、ρ1—分别为凝液导热系数，W/(m·℃)；

动力黏度，kg/(m·s)及密度，kg/m3；Fo—光管外表面面积，m2；

Γ—冷凝负荷，Γ=M/(lN)，kg/(m·s)；M—冷凝量，kg/s；L—管长，m；N—传热管总根数；第95页/共130页3.5.4空冷器的设计

[例3.5]第96页/共130页3.6热管热交换器第97页/共130页第98页/共130页三流体分离式热管热交换器结构第99页/共130页热管一般由三部分组成：管壳（封闭的金属管）、毛细多孔材料（管芯）和蒸汽腔以及工作介质（工作液）。工作原理：蒸发段受热使毛细材料中的工作液蒸发，蒸汽流向冷凝段，蒸汽凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力流回蒸发段。使热量由热管一端传至另一端。由于汽化潜热大，极小温差下就能传递大量热量。传热状况：蒸发段；绝热段；冷凝段。图3.76热管工作原理简图1管壳；2管芯；3蒸汽腔；4液体3.6.1热管的组成与工作特性第100页/共130页

热管的管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。

管芯是一种毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。

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点，较低的粘度及良好的稳定性。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力。第101页/共130页热管工作过程当热管一端受热，工作液蒸发，蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力流回蒸发段。如此循环，热量从一端传到另一端！第102页/共130页热管特点☆传热效率高,冷、热流体在管外两侧流动，两侧可加装翅片，强化传热；☆管外流动，压力损失小；

☆结构紧凑；

☆维护费小，没有易损部件，密封简单可靠，容易清洗。第103页/共130页图3.78两相闭式热虹吸管图3.79旋转热管第104页/共130页图3.80径向热管工作原理简图热工艺气内管被加热水翅片径向热管吸液芯工作介质(蒸汽)工作介质(水)第105页/共130页参数热管类型是否有吸液芯液体回流动力传热极限常用场合两相闭式热管无重力干涸极限、沸腾极限、携带极限常用于热源在冷源下方的情况旋转热管无离心力冷凝极限、携带极限、沸腾极限所有需要冷却散热的旋转零部件分离式热管无重力烧干极限、声速极限、冷凝极限需要严格避免冷热流体相互渗漏的场合可变导热管有些有毛细力或其他烧干极限、携带极限、冷凝极限需要冷凝段(或蒸发段)的温度不随热负荷变化而变的场合微型热管及小型热管有毛细力毛细极限、沸腾极限电子产品等毛细泵回路有毛细力毛细极限等航空领域，电子元器件等各种类型热管换热器对比第106页/共130页a)热管启动前的液汽交界面b)热管工作时的液汽交界面c)吸液芯内液汽界面参数图3.81热管内质量流、压力和温度分布图3.82热管液汽分界面的形状热管工作特性对普通热管，液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力。毛细力需要克服液体的流动压降和蒸汽的压降，而液体的体积力在压力平衡中或为零，或为推动力，或为阻力。第107页/共130页

Δp=2σ1/R

(3.112)

Δp=pv–p1=2σ1cosθ/r

(3.113)☆设加热段和冷却段的毛细头分别为

Δp′e

和

Δp′c，

则热管两端毛细压差为Δpc=Δp′e

–Δp′c=Δpv+Δpl

=2σ1(cosθe

/r–cosθc

/r)(3.114)☆当cosθe=1、cosθc=0，即加热段(蒸发段)处于半球状凹面、

冷却段(冷凝段)处于平面时，毛细压差达最大值：

Δpc,

max=2σ1/r

(3.115)☆热管不处于水平时，还应考虑重力对液体流动的影响。

设由此引起的压力损失相应为Δpv、Δp1和Δpg，则

Δpc

≥

Δpv+Δp1+Δpg

(3.116)第108页/共130页★热管的传热能力会受到一种或几种因素的限制，如毛细力、声速、粘性、携带、沸腾等，因而构成热管的传热极限（或称工作极限）。★这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的级限类型是由该热管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的。这些极限主要有：热管的传热极限第109页/共130页黏性极限在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动更受黏性力支配，当因黏滞阻力的作用使推动蒸汽流动的蒸汽压力下降至零时，热管的传热能力达到了极限，称之为黏性极限。声速极限热管中的蒸汽流动类似于拉伐尔喷管中的气体流动。当蒸发段温度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大，传热量因而加大。但当蒸发段出口汽速达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段出口处汽速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作达到了声速的极限。

携带极限热管中蒸汽与液体的流动方向相反，交界面上二者相互作用，阻止对方流动。液体表面由于受逆向蒸汽流的作用产生波动，当蒸汽速度高到能把液面上的液体剪切成细滴并带到冷凝段时，液体被大量携带走，使应当返回蒸发段的液体不足甚至中断，造成蒸发段干涸，使热管停止工作，达到热管的携带传热极限。毛细极限又称吸液极限，当汽、液循环压降与所能提供的最大毛细压头达到平衡时，传热量达到最大值。如再加大蒸发量和冷凝量，会因毛细压头不足使抽回的液体量不能满足蒸发需要量，将发生蒸发段吸液芯的干涸和过热。导致壳壁温度剧烈升高，甚至“烧毁”。第110页/共130页冷凝极限指通过冷凝段汽—液交界面所能传递的最大热量。热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在降低了冷凝段的冷却效率。沸腾极限当蒸发段径向热流密度很大时，会使管芯内工作液体沸腾。如热流密度达到临界值，由于所发生的大量汽泡堵塞毛孔，减弱或破坏了毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不能满足蒸发要求。连续流动极限对小型热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管内的蒸气流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态。这时，由于不能获得连续的蒸气流，传热能力将受到限制。冷冻启动极限对高温热泵，室温下吸液芯中，工质通常为固态（冷冻状态），启动运行后，冷凝的蒸汽可能在冷冻的吸液芯表面冻结，不能回流至蒸发段。而另方面，因为轴向热传导，吸液芯工质可能液化回流至蒸发段。如总的液体回流量小于蒸发量，这会使饱和液体区的液体量减少，甚至可能使蒸发段干涸，因而达到冷冻启动极限。第111页/共130页工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限。而高温下则应防止毛细极限及沸腾极限。对于高温热管，注意冷冻启动极限；对于小型热管和微型热管，则注意连续流动极限。热管的工作点必须选择在包络线的下方。热管的传热极限第112页/共130页3.6.2热管热交换器的传热计算

典型吸液芯热管传热可分解为以下传热环节1.环境热源与热管加热段外壁间的换热—R12.热管加热段管壁的导热—R23.热管蒸发段吸液芯液体组合层的传热—R34.蒸发段液汽界面的相变换热—R45.从蒸发段到凝结段蒸汽流动传热—R56.凝结段汽液界面蒸汽的相变换热—R67.凝结段吸液芯液体组合层的传热—R78.凝结段管壁的导热—R89.冷却段外壁与环境冷源间的换热—R910.从加热段至冷却段管壁的轴向导热—R1011.通过吸液芯的轴向导热—R11图3.84热管热阻线路图第113页/共130页3.6.3热管热交换器的流动阻力计算指热管外流体流过热管管束时的流动阻力。1)流体横掠光滑管束

Δp=0.334CfnGmax2/(2ρ)，

N/m2(3.145)2)流体横掠错排翅片管束

☆流体横掠错排圆芯管—环形翅片管束

Δp=fsnGmax2/(2ρ)，

N/m2(3.146)

☆流体横掠错排圆芯管—矩形翅片管束

可用本书式(3.103)。第114页/共130页3.6.4热管热交换器的热管工作安全性校验为保证热管工作安全可靠，应作以下工作安全性校验：1)热管工作温度核算。包括平均工作温度tv

，

可能达到的最高和最低工作温度tv,max、tv,min。

tv=tm1

Rc/Rt+tm2Re/Rt

℃(3.152)

tv，max=t1′–Qs,fRe

℃(3.153a)

tv，min

=t1″–Qs,lRe

℃(3.153b)2)单管热负荷计算。对吸液芯热管，毛细极限

是主要的性能限制：

Qs,max<Qc,max

(毛细极限时)

☆热虹吸管(重力热管)：

Qs,max<Qe,max

(携带极限时)

Qs,

max=Δtmax/Rt

(3.154)第115页/共130页☆垂直两相闭式热虹吸管：

W(3.155)☆对斜置的两相闭式热虹吸管：

W(3.156)3)壁温计算

tp，min

=t1″–Qs,l

R1

(3.157)第116页/共130页3.6.5热管热交换器的热力设计

[例3.6]第117页/共130页3.7蒸发冷却(冷凝)器图3.85蒸发冷却器结构简图蒸发冷却(冷凝)器在工作原理上是一种同时具有冷水塔(直接接触式)和管壳式热交换器性能的热交换器。当管内被冷却的工艺流体不发生相变时，称它为蒸发冷却器；当发生相变(冷凝)时，称为蒸发冷凝器。3.7.1蒸发冷却(冷凝)器的结构第118页/共130页图3.86蒸发冷却器截面上流体温度分布图3.87沿流程的温度分布3.7.2蒸发冷却(冷凝)器中的传热第119页/共130页☆取蒸发冷却器的微元高度段dx来讨论，

管内流体失去的热量为：