热管换热器(热管换热器)

热管换热器(热管换热器)第一页，共66页。3.5热管换热器热管换热器是一种新型、高效、节能换热器，广泛使用于航天航空业，并逐步用于加热炉对流室烟气余热回收中。它是由数根热管组成的。热管外部装有翅片以提高传热效果。热管管束中间装有隔板，冷、热流体分别在隔板的两侧流动，通过热管进行热量传递。第二页，共66页。其工作原理为:当热管的两端分别被加热(与热流体接触)和冷却(与冷流体接触)时，被加热的一端(称为蒸发段)管中的液体吸热蒸发成为蒸气，蒸气沿管中心通道流向另一端(称为冷凝段)并在此冷凝放出热量，由于多孔管芯毛细作用，冷凝下来的液体又会自动地沿管芯流回蒸发段。如此循环往复，通过工作介质的蒸发、冷凝，将热量由热流体传递至冷流体。热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、操作简单、使用寿命长等优点。3.5.1工作原理和传热过程热管工作原理简图第三页，共66页。六个传热步骤：1）热量从热源通过壳壁和充满液体工质的吸液芯传递到液汽分界面上2）液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发3）蒸汽通过蒸汽腔输送到冷凝段4）蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上冷凝5）热量从冷凝段内的汽-液分界面通过吸液芯和壳壁传给外热汇（即冷源）6）冷凝液借助吸液芯的毛细作用从冷凝段返回蒸发段重新工作。第四页，共66页。3.5.2热管的结构热管的结构简图轴向分为三个区域：蒸发段（或称热源段、热端）、蒸发输送段（或称绝热段）、冷凝段（或称热汇段、冷端）径向分为三个部分：密闭的管壳、毛细结构（或称吸液芯）、蒸汽通道（或称蒸汽腔）第五页，共66页。1管壳1）作用：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2）要求：由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造，材料的选择必须首先考虑到与所要使用的工质的相容性，即要求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。3）材料：以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属铌、钽或玻璃、陶瓷等。2管芯管芯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。性能良好的管芯应具有：足够大的毛细抽吸压头较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率良好的传热特性，即有较小的径向热阻第六页，共66页。管芯的结构1）紧贴管壁的单层及多层网芯，图3.66（a）2）烧结粉末管芯，图3.66（b），它是由一定目数的金属粉末或金属丝网烧结在管内壁面而成3）轴向槽道式管芯，图3.66（c），它是在管壳内壁开轴向细槽，以提供毛细压头及液体回流通道，槽的截面形状可有矩形、梯形等多种4）组合管芯。一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率，组合管芯既能兼顾毛细力和渗透率，从而获得高的轴向传热能力，而且大多数管芯的径向热阻甚小。它基本上把管芯分成两部分，一部分起毛细抽吸作用，一部分起液体回流通道作用。此类管芯有多种，图3.66（d）为一种槽道覆盖网式。它是在轴向槽道管芯表面覆盖一层细孔网，槽道成为低阻力的液体回流通道，细孔网则提供高的毛细抽吸压头，因此可提高传热能力。但因网与槽不易贴合紧，其径向热阻较大。第七页，共66页。3）工作液对工作液的要求：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工作液的选用热管内的工作液体随热管内部的工作温度而定低温（﹤100℃）：乙醇、丙酮、氟利昂、液氨、液氢等，在常温条件下的工作液体一般为水中温（100～500℃）：热管内部工作温度高于280℃时，由于水的饱和蒸汽压力较高，故应考虑具有低饱和蒸汽压的工作液体如联苯、萘、汞等高温（﹥500℃）：当管内工作温度超过600℃以上时，可选用钾、钠或钾钠合金等液态金属作为工作液体工作液在外壳封闭前装入热管，其数量应使毛细结构足够饱和并稍有过量，若液体不足则有可能成为热管破坏的原因之一（如蒸发段干涸）第八页，共66页。4）热管的型式①

吸液芯热管：冷凝的工作液体依靠毛细多孔材料（吸液芯）的毛细抽吸力返回到加热段（蒸发段）②两相热虹吸管：工作液体的回流依靠其本身的重力作用第九页，共66页。③

旋转热管：工作液体的回流依靠离心力的分力作用④

重力辅助热管：同时受到毛细力和重力作用使凝液回流。当具有吸液芯的热管处于冷凝段在加热段上方位置时，热管就将按重力辅助热管方式运行第十页，共66页。因为吸液芯的泵送作用3.5.3热管的工作特性蒸发段冷凝段（1）工质循环流动的推动力蒸发段内，液体在液汽分界面上的逐渐蒸发使得分界面缩回到吸液芯里（如图），产生弯月形气液分界面（弯月面）；冷凝段内，蒸汽在液汽分界面上的逐渐冷凝使得分界面高于吸液芯，且分界面基本上呈平面形状，曲率半径为无限大；蒸发和冷凝段的曲率半径之差－－工质（液体和蒸汽）循环流动的毛细驱动力（循环动力）。第十一页，共66页。吸液芯内的凹形液汽界面的形成属于毛细现象，根据力学平衡原理，此时，蒸汽压力大于液体压力，液汽界面两侧存在着压差Δp－－毛细头；

对应于毛细孔曲率半径为r的任何弯月面的相间静压差为：

Δp=pg-pl=2σcosθ/r

pg、pl分别为汽、液相压力，r—毛细孔半径

σ为液汽分界面上的表面张力。θ—液面接触角推动力续第十二页，共66页。蒸发段有毛细头ΔPe冷凝段有毛细头ΔPc热管两端毛细头压差ΔPcap：其中，冷凝段，rc=∞，液汽相间无压差；蒸发段，r最小处，循环驱动力最大－－最大毛细压差，第十三页，共66页。即在cosθe=1(θe=0°)，cosθc=0(θc=90°)时，ΔPcap：有最大值为：ΔPcap：是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的阻力降ΔPν、冷凝液体从冷凝段回流到蒸发段的压力降ΔPl和重力对液体流动引起的压力降ΔPg（ΔPg可以是正值，负值，或零）。因此（2-11）这是热管正常工作的必要条件第十四页，共66页。传递热量的估算根据上述平衡关系式和阻力与工质流量的关系，可估算出工质的循环量，从而计算出每根热管可能传递的热量。

一般情况下，蒸气流速不高，蒸气流动阻力忽略，并设热管为水平放置，=0。液芯内液体的流动阻力可按Darcy给出的公式（达西公式）估算：第十五页，共66页。第十六页，共66页。（2）工质的压力分布情况a.蒸汽流动

蒸发段：蒸汽通过蒸汽腔向冷凝段移动，与多孔壁注入或吸出的管内流动相似，层流或紊流；蒸发段沿蒸汽流向不断有蒸汽补充加入，是一个加速过程，压力能部分转化为动能；冷凝段：相反，即蒸汽的减速过程，使部分动能回收，使气流方向上压力有所回升。整个蒸汽流动过程，动量变化所引起的压力变化是相抵的，则从蒸发段到冷凝段的蒸汽压差只表现为摩擦阻力Δpg，这一压差较小，其所对应的温差较小；当它所对应的冷热端饱和温度之差小于0.56－1.2oC即近乎等温流动，被认为正常工作，－－热管工况。第十七页，共66页。b.液体流动冷凝液通过毛细作用返回蒸发段内的流动为层流流动，并主要受摩擦阻力支配，由动量引起的压差可以忽略，且受重力的影响（当管不水平放置时）；无吸液芯的热管即靠重力回流。整个热管工作过程类似自然循环系统；通过正确选择热管材料、工质和几何参数，以使所产生的毛细压差满足循环的要求，并完全超过重力作用使热管的安放和使用不受重力场方向和大小的影响。c.压力分布第十八页，共66页。

热管的传热量会受到一定的限制。这种限制完全受流动过程的控制，达到这一极限值时传热量无法再增加，称为“极限”。某些极限达到后，蒸汽的流速不再增加，除非改变工作温度。而对于另一些极限，当其达到后工作流体的循环中断，热管蒸发段局部烧干并出现过热。图2.8所示为热管的传热极限曲线。3.5.4热管的工作极限1)连续流动极限对小热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管管内的蒸汽流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态。在这种情况下，由于不能获得连续的蒸汽流，传热能力将受到限制；2)冷冻启动极限在从冷冻状态启动过程中，蒸发端来的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发端来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作3）粘性极限当蒸汽的压力由于粘性力的作用在热管冷凝段的末端降为零，如液态金属热管，在这种条件下，热管传热将受到限制。热管的工作温度低于正常工作温度范围时将遇到这种限制，它又被称为蒸汽压力极限第十九页，共66页。4)声速极限热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发段出口处蒸汽速度可能达到声速或超声速，而出现阻塞现象，这时的最大传热量被称为声速极限；5)携带极限当热管中的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面液体撕裂将其带入蒸汽流。这种现象减少了冷凝回流液，限制了传热能力；6)毛细极限热管中工作介质的循环靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头维持，由于毛细结构为循环提供的毛细头是有限的，这将使热管的最大传热量受到限制，这种限制通常称作毛细极限或流体动力极限；7)冷凝极限热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在将降低冷凝段的冷却效率；8)沸腾极限如果径向热流或管壁温度变得非常高，吸液芯中工质的沸腾可能阻碍工作液体的循环而导致沸腾极限。第二十页，共66页。传热极限可用传热量和工作温度（即管内蒸汽平均温度）为直角坐标的两轴来定性地表示。热管的工作点必须选择在包络线1－2－3－4－5－6－7－8的下方。这些极限曲线的实际形状随工质和吸液芯材料及热管形状等因素而变化。65431278第二十一页，共66页。3.5.5热管换热器的传热计算1.传热计算的基本方程传热计算基本方程式：传热方程式传热计算中所采用的传热面积F：可以是光管外表面积或热管加热段管外总面积或加热段光管外表面积，因而就有相应的传热系数。常用的以加热段光管外表面积为基准者居多。平均温差∆tm：根据冷热流体的流向以及它们各自是否有横向的混合，通过计算或从有关线图查得。传热量Q应取为热流体放热量Qh与冷流体吸热量Qc的算术平均值，即第二十二页，共66页。2.热管元件各传热环节热阻典型的吸液芯热管的传热过程可分解为以下各种传热环节，并构成了总的热阻。环节续1环境热源与热管加热段外壁间2加热段管壁导热3蒸发段吸液芯－－液体组合层的传热4蒸发段液体界面的相变换热5从蒸发段到凝结段蒸汽流动换热6凝结段液汽界面的相变换热7凝结段吸液芯－－液体组合层的传热8凝结段管壁的导热9凝结段外壁与环境冷源间的换热10从蒸发段到冷凝段的轴向导热11通过吸液芯的轴向导热第二十三页，共66页。2.热管元件各传热环节热阻（1）环境热源与热管加热段外壁间的换热热阻R1热阻R1之值随换热条件不同而异，因而应分清对流换热、辐射换热还是复合换热，是受迫对流还是自然对流，热管外壁是光管还是带肋，热管外壁与热源的固体壁面有无接触等有关问题，采用相应的计算公式。环节续第二十四页，共66页。环节续第二十五页，共66页。环节续第二十六页，共66页。(2)加热段管壁的导热，热阻R2(3)蒸发段吸液芯－－液体组合层的传热，热阻R3环节续第二十七页，共66页。(4)蒸发段液体界面的相变换热，热阻R4(5)从蒸发段到凝结段蒸汽流动换热，热阻R5环节续第二十八页，共66页。(6)凝结段液汽界面的相变换热，热阻R6(7)凝结段吸液芯－－液体组合层的传热，热阻R7环节续第二十九页，共66页。(8)凝结段管壁的导热，热阻R8(9)凝结段外壁与环境冷源间的换热，热阻R9环节续第三十页，共66页。(10)从蒸发段到冷凝段的轴向导热，热阻R10(11)通过吸液芯的轴向导热，热阻R113对流换热系数第三十一页，共66页。第三十二页，共66页。3.5.6热管换热器的流动阻力计算第三十三页，共66页。第三十四页，共66页。3.5.7热管换热器的热管工作安全性校验第三十五页，共66页。RcRc第三十六页，共66页。第三十七页，共66页。第三十八页，共66页。3.5.8热管换热器的热力设计热管换热器的热力设计可按常规的间壁式换热器的设计方法进行计算。要注意的是，热管换热器的设计是在给定热管元件的基础上进行的，因此在设计之前必须选定热管元件。选择热管元件时，主要根据已知的流体工作温度估计热管的工作温度，使设计后的热管工作温度在安全数值范围内。对于热管形式，应考虑使用场合的不同选择合适的形式。如，用于余热回收时，可多考虑应用结构简单、性能优良、工作可靠的两相闭式热虹吸管。第三十九页，共66页。第四十页，共66页。第四十一页，共66页。第四十二页，共66页。第四十三页，共66页。第四十四页，共66页。第四十五页，共66页。第四十六页，共66页。为蒸发段换热面的清洁度，取0.8~0.9第四十七页，共66页。第四十八页，共66页。第四十九页，共66页。第五十页，共66页。垂直两相闭式热虹吸管达携带极限时的最大热流量第五十一页，共66页。第五十二页，共66页。3.5.9热管的应用热管技术被公认是一种很有价值的传热新技术，在空间技术、电器工业、核电工业、化学工业、食品工业、动力机械、工业余热回收等很多方面都得到了广泛应用。如:1、化工及石化领域2、建材及轻纺织工业领域3、冶金工业领域4、电力电子领域5、航空航天领域6、内燃机7、其他领域第五十三页，共66页。1．热管技术在化工及石化领域的应用热管及热管换热器近年来在石油化工领域中的应用已愈来愈受人们的重视，它具有体积紧凑、压力降小、可以控制露点腐蚀、一段破坏不会引起两相流互混等优点，提高的设备的运行效率和可靠性。它在石化领域的应用可谓是无所不在，如下所示为热管换热器在该领域的部分应用场合：

在合成氨工业中：

回收低温余热余热助燃空气，或生产低压蒸汽作为原料；回收高温余热产生中压蒸汽作原料蒸汽的补充，或生产高压蒸汽作为生产的动力源；控制固定床催化反应器的化学反应温度，使其向最佳反映温度曲线无限逼近，从而提高合成氨的效率。在硫酸工业中：

沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收；沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收；SO2炉气余热回收；SO3气体冷却器；在盐酸、硝酸工业中也同样有大量的应用在石化领域应用更是广泛：

热管裂解炉；热管乙苯脱氢反映器；热管氧化反应器；催化裂化再生取热器；

…………

第五十四页，共66页。2．热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用建材行业如水泥、陶瓷等工业都要消耗大量的能量，以陶瓷为例，据统计，能源费占生产总成本的40%以上。开发新型高效节能设备将极大的促进此行业的发展。80年代国内的许多单位应用热管换热技术回收陶瓷、水泥生产中排放的余热取得了良好的节能效果，90年代高温热管技术的工业开发应用获得成功，这些都为热管技术的工业推广打下了良好的基础。如下是近年来热管技术在建材、轻工业中成功应用的一些实例：

高岭土喷雾干燥热风炉； 十二醇硫酸钠喷雾干燥； 玻璃窑炉的余热回收； 水泥生产工业中的回转窑冷却机的余热利用、废尾气余热利用、悬浮预热机、烘干机等热工设备； 陶瓷窑炉的隧道窑烟道气余热利用； 电瓷厂遂道窑冷却带余热利用； 纺织工业中的热定型机余热回收利用、浆纱机的余热回收等。第五十五页，共66页。冶金工业也是耗能大户，不论是有色冶金或黑色冶金工业都存在大量的节能问题。以钢铁企业为例，焦炉、高炉及炼钢工序均有相当数量的余热未能回收利用。余热的温度最高可达1600oC，热能的形态有固体、气体、液体，其中最多的为间歇排放，因此给余热回收带来了一定的难度。由于热管的众多特点，特别适宜于上述场合的余热回收利用，从70年代开始，国内冶金界就有许多工程技术人员和热管技术工作者进行了卓有成效的合作开发，取得了良好的效果。目前已经在烧结排气显热和热风炉燃烧废气的余热回收方面，达到了定性设计和系列化、标准化的程度。高温热管及高温热管空气预热器、高温热管空气蒸发器的开发运行成功，又给冶金业带来了新的希望。在冶金工业中大量应用的热管换热器设备有：坯件加热炉热管空气预热器； 线材退火炉空气预热器； 轧钢连续加热炉空气预热器； 热管余热锅炉； 热管省煤器等。第五十六页，共66页。电子技术近年来迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得单位容积电子器件的发热量快速提高，而电子器件正常工作必须在一定的温度范围之内，电子器件的散热成为了其发展的一个瓶颈，因此电子技术的发展需要有良好的散热手段来保证。管式热管散热器示意图

1为冷凝段2为蒸发段热管问世以来，使电力电子装置的散热系统有了新的发展。热管使自冷的应用范围迅速扩大。因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠，热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围近年来，大功率电子器件的冷却上采用了热管，收到较好效果。如上图所示，对于大功率的晶体管采用圆柱形热管作为散热元件。在解决CPU温度的问题时，铜、纯铝制散热器已经成为最为普及的产品但其传热性能仍然远小于热管散热器。采用热管技术的散热器也越来越多，有些厂商甚至拿它作为卖点或者树立品牌形象。在电力领域，热管电机的出现及实用化成为了一个典型的代表。热管电机中的主要应用之一是用一根旋转热管来代替电机的传动轴，将电机转子产生的热量通过热管传到轴端的散热部分，并用风扇排至电机壳外。传递的功率显著提高。第五十七页，共66页。“神州号飞船的热控制系统：热控制系统用于保证飞船各舱仪器设备、结构以及乘员所需要的环境温度条件，合理调配飞船之间的热量的传输，并排放到宇宙空间。他通常采用流体对流换热方式。其传热回路可以采用泵驱动液体回路、热管辐射回路和毛细泵抽吸回路等。”——摘自《神舟圆梦》

“1979年，当闵桂荣率领空间热物理代表团赴美参加美国宇航学会热物理年会时，他的大会报告让西方专家吓了一跳。偌大的饭店里，因为中国代表团所做报告产生轰动效应，其他两个会议竟然暂停了下来。这是中国航天科技工作者首次在国际会议上进行高水平的航天学术报告。与会的国外专家这才发现，先进的热管、百叶窗等热控技术在中国卫星上的应用竟然比欧洲、日本早了十年。”——摘自《中国航天报》5．热管在航天领域的应用热管适应航天技术的发展的要求而发展的，所以热管技术在航天领域得到了许多非常重要的应用。由于航天领域中热管运行可靠性及其本身的各种性能都有严格的要求。这些要求也促进了热管技术的发展。下面是两个具体的应用实例，从中就可以看出热管技术在航天领域的重要位置。第五十八页，共66页。6.热管在内燃机上的应用1）

热管在内燃机冷却系统的应用

内燃机的冷却主要包括缸外水冷系统和机油冷却系统，水冷效率已经达到了很高的水平，但机油冷却还有很大的发展空间，机油冷热效率不高，功率损失较大，因此适当的采用热管技术可以克服这些缺点。但此项技术目前因为技术水平有限，还未能得以实现，其应用还有待研究发展。Myidea:如右图所示：为一种“新型”热管。特点：蒸发段在冷凝段上部；适用范围：高速往复运动部件；尺寸：视使用场合具体确定。在内燃机上可以安装在活塞下部，用以给活塞冷却，但是有很多问题需要解决：强度、尺寸、安装方法、对内燃机经济性影响……2）热管在内燃机余热回收中的应用内燃机排气余热约占燃烧所产生热量的34%，排气温度在300-500oC之间。回收这部分热量，将会大大提高内燃机的经济性。

目前已经开发出柴油机热管余热锅炉，在船用柴油机排气余热回收、发电机组余热回收等方面起到了显著的效果。第五十九页，共66页。热管在核电工程中的应用随着热管技术的成熟和核能技术的迅速发展，热管技术在核电工程中的应用显得越来越重要。最早的开发在空间核电源中的应用，已逐渐发展到地面核反应堆及核废料的散热及事故预防等方面。在这个领域具体应用有：空间核电源中的应用、核废料的冷却、事故情况下的安全壳体保护、热管蒸汽发生器等热管在太阳能利用中的应用太阳能取之不尽、用之不尽的洁净无污染的能源。广泛利用太阳能将是未来世界能源利用中的重要途径。由于热管本身具有的特性，使得其在太阳能中的利用具有极其广阔的应用前景。我国的热管太阳能应用技术主要集中于民用热水器的开发研究，但其制造价格昂贵，在采用新的技术后，其成本有了显著降低，普及程度也得以大幅度的提高。此外，还有热管太阳能灶、热管太阳能电站也进入了市场热管在航天飞行技术中的应用热管最早就是应航天技术的发展的要求而发展的，所以热管航飞行器方面得到了大量的应用，并随着航天技术的发展得到了大幅度的发展。如：等温蜂窝板、超音速热管机翼、大型空间站热管散热器等。7．热管在其他领域中的应用第六十页，共66页。3.5.10热管及热管换热器的补充知识点1

（一）热管依靠自身内部工作液体相变来实现传热，具有以下基本特性。(1)很高的导热性

热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，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。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不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，径向并无太大的改善(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，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。

第六十一页，共66页。(3)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输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

(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展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其