换热器的设计热管技术

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热管的发展历史第一个阶段时间为1836一1942年热虹吸管——帕金斯管阶段，是一种两端封闭、其中充有少量水的管子。工作时管子一端插在高温烟气或火中，另一端插在水中，依靠水的沸腾和凝结传递热量。由于管内空气未抽除，所以传热性能较差。1863年得到工业应用，用于法国的一台机车锅炉及其火箱过热器中；1867年用于英国军队的移动式面包烤炉中。1892年J．Perkins的孙子L．P．Perkins,指出：“排除管内空气可有效地改进其工作性能并对提高管子的传热极限提出了不少改进意见，建议可用这种改进的帕金斯管即两相闭式热虹吸管来回收烟气余热加热空气”。1930年以后，在英国、前苏联、捷克及其它国家，热管在面包烤炉上得到了广泛的应用。第2页，课件共43页，创作于2023年2月第二个阶段时间为60年代-70年代1944年，美国俄亥俄通用发动机公司的高格勒(E．S．Gaugler)以不太引人注目的“传热器件”的名称提出来的。首次提出了有吸液芯的标准热管，或称现代热管的原理首次提出可以将热量由上而下(依靠吸液芯克服重力回流冷凝液)进行相变传热。1963年美国格罗弗独立发明了高效导热装置，采用丝网式吸液芯，用不锈钢作外壳，钠作为工质正式提出以热管为名，并申请了美国专利。格罗弗因而被称为现代热管之父。在空间技术迅速发展的有利形势下这项发明在美国洛斯一一阿拉莫斯(LosAlamos)实验室完成了从设想到实验的全过程，井进行了初步的理论分析，次年，在美国《应用物理》杂志上发表了他的论文及实验结果，引起了人们广泛的兴趣及重视。

这种新型、高效的换热元件——热管，由于其先进巧妙的构思和良好的换热性能能，在应用中具有强大的生命力，引起了科技界的极大兴趣及研究热情。第3页，课件共43页，创作于2023年2月1967年热管首次空间试验成功。美国首次用热管进行卫星的温度控制，即GEOS—B卫星热管系统，共运行145天，使用效果良好，在阿特拉斯火箭周围全部布满了热管，借助这些热管使火箭容器和美国“天空实验室’轨道站的起居舱保持了均温，防止了字奋飞行器进人大气层时外壳被强烈加热。在此期间，重力热管的应用范围进一步扩大。前苏联首次在200t／h锅炉上安装重力热管空气预热器。捷克的斯可达工厂从1955年开始制造重力热管换热器，用作锅炉的空气预热器。除此之外，英国、日本、德国等国也开始了热管的研制工作。第4页，课件共43页，创作于2023年2月第三个阶段为70年代以后在空间应用热管成功的基础人热管在地面上的应用也蓬勃地开展起来。最多的是用于工业余热回收及空调低温余热回收的热管换热器。这类换热器已系列化、商品化生产。热管应用已涉及到94种行业，单管型热管换热器的余热回收量已达105kW级，单管长度长达7—10m，在大型电厂锅炉中用作前置式空气预热器。分离型热管换热器的余热回收量更大，较多用于冶金、化工等行业。在此期间，美国在阿拉斯加州永久冻土带输油管道的重力热管保护系统是最大的一项应用热管的工程，使用了11400根热管和21m长的热管，在热管数和长度方面都是创纪录的。此外，一些特殊热管的研究工作也右了很大进展，如可变热导热管、旋转热管、微型热管及超长热管等。与世界各国的热管发展情况一样，我国于1970年即开始对有吸液芯的热管进行研究，1972年我国第一文钠热管研制成功，1980年我国第一台槽道式吸液芯热管换热器投入运行。至80年代初我国从事热管所究的科研单位及大专院校已遍及全国。第5页，课件共43页，创作于2023年2月3.

热管的类型：按工作温度范围可分为：

（1）低温热管：工作温度范围为0－122K；工质可选为氢、氖、氮、氧及甲烷，其沸点低于122K（2）中温热管：122－628K，工质可选为普通制冷剂或液体，如氟利昂、甲醇、氨和水（3）高温热管：温度高于628K，工质可选为汞、钾、钠、锂、银等液态金属；

按凝液回流方式：（1）普通热管：冷凝液靠吸液芯的毛细力作用返回蒸发端；（2）重力热管：靠重力返回蒸发端；第6页，课件共43页，创作于2023年2月重力热管示意图第7页，课件共43页，创作于2023年2月按热管回流凝结液的方式(1)借助毛细力回流凝结液的热管，称为标准热管，简称热管。(2)借助重力回流凝结波的热管，称为重力热管，又可称为二相热虹吸管。(3)借助离心力回流凝结液的热管，称为旋转热管．(4)借助静电体积力回流凝结液的热管，称为电流体动力热管。(5)借助磁体积力回流凝结液的热管，称为磁流体动力热管。(6)借助渗透力回流凝结液的热管，称为渗透热管。第8页，课件共43页，创作于2023年2月三、按热管的尺寸分热管可分成长热管、一般热管和微型热管三种。

(1)长热管为l／d>>1的热管长热管运行具有独特之处，如传热特性及传热极限等。

(2)微型热管内径非常小的热管

目前已有内径为l0一100μm的微型热管。在这种情况下，表面张力与使凝结液回沉的驱动力的相互影响，对保证热管的正常工作就有特殊的意义。

(3)一般热管尺寸介于二者之间的热管为一般热管。第9页，课件共43页，创作于2023年2月四、按热管的结构分热管可分成单管型、回路型、平板型、挠性四种。

(1)单管型热管蒸发段、绝热段和凝结段均在同一根管内。

(2)回路型热管在冷热源间有一定的距离时，热管的蒸发段与凝结段用较长的连接管连起来。常用于重力热管中，如组成换热器即分离型热管换热器。

(3)平板型热管吸液芯能把液态工质沿较大的平面分布开，从而造成一个近于等温的平板消除局部加热所产生的热点。也可用来制造一种极有效的散热器

(4)挠性热管挠性热管是在热管蒸发段和凝结段之间加一段可弯曲的波纹管或塑料管。第10页，课件共43页，创作于2023年2月五、特殊热管

(1)可变热导热管采用一定的方法使热管的热导率随着热源或冷源的条件改变而改变，从而达到恒定热管某部分温度的目的．可变热导热管也称为可控热管。此种热管已日益广泛地被应用于温度控制技术中。

(2)等温炉、黑体炉中使用的均温热管利用热管的等温性，可使整个炉体的温度差控制在o.1℃范围之内。

(3)多组分工质热管利用各组分工质的不同性瓦拓宽热管的工作范围，改善热管的工作性能。

第11页，课件共43页，创作于2023年2月六、重力热管的类型

(1)闭式重力热管热管管壳为单管型且密闭称闭式重力热管。按工质工作状态不同又可分为单相闭式重力热管与两相闭式重力热管。团绝大部分重力热管均为两相闭式重力热管所以一般无特殊说明重力热管即指两相闭式重力热管。

(2)开式重力热管由于重力场的特殊性，陈常规热管的封闭型式外，还可以有与外界相通、壳体不封闭的开式重力热管。第12页，课件共43页，创作于2023年2月4.

热管的形状第13页，课件共43页，创作于2023年2月第14页，课件共43页，创作于2023年2月第15页，课件共43页，创作于2023年2月5.

热管的性能和特点：（1）传热能力强：一根钢－水热管的传热能力大致相当于同样尺寸紫铜棒导热能力的1500倍；（2）等温性；（3）优良的热响应性：蒸汽的速度以近似于该温度下的声速进行移动（4）热流密度可调（通过改变加热段和放热段的长度或加装肋片）；第16页，课件共43页，创作于2023年2月

（6）能在失重状态下工作，可用于宇宙飞船和人造卫星；（7）具有可变热导性和可变热阻性；

（8）采用不同的工质可适用不同的温度范围；（5）便于从狭窄空间取出热量及远距离传输；

（9）具有热二极管和热开关的功能。

（10）结构简单，质量轻，体积小，工质循环无须消耗电能。

（11）无运动部件，无噪声，无振动，可靠性高，维修量小。第17页，课件共43页，创作于2023年2月（6）热管应用中存在的主要问题：密封性、热管管材与工质间的相容性。第18页，课件共43页，创作于2023年2月7.热管的传热过程（一）从温度为t1的热源到温度为t2的冷源间的热量传输过程由下列七个环节组成：

(1)热源与热管蒸发段外壁间的换热；

(2)热管蒸发段固体壁的导热过程；

(3)热管蒸发段的蒸发(沸腾)换热过程；(4)热管蒸发段到凝结段间蒸汽的流动换热过程；

(5)热管凝结段的凝结换热过程；

(6)热管凝结段固体壁的导热过程；(7)热管凝结段外壁与冷源间的换热过程。第19页，课件共43页，创作于2023年2月（二）热管各传热环节的换热热阻

(1)热源与蒸发段外壁间的换热热阻；

(2)热管蒸发段固体壁的导热热阻

(3)热管蒸发段的蒸发(沸腾)换热热阻(4)热管蒸发段到凝结段间蒸汽的流动换热热阻（可以忽略）

(5)热管凝结段的凝结换热热阻；

(6)热管凝结段固体壁的导热热阻；(7)热管凝结段外壁与冷源间的对流换热热阻。第20页，课件共43页，创作于2023年2月热管的内部总热阻与总热阻比较小的，在整个热管的传热过程中，外部热阻的值比内部总热阻的值大得多。所以，传热的主要矛盾在外部环节。第21页，课件共43页，创作于2023年2月

1．凝结换热过程第22页，课件共43页，创作于2023年2月

2．蒸发段的传热第23页，课件共43页，创作于2023年2月6.

热管的工程应用：（1）热能回收装置；空气

烟气

空气预热器示意图第24页，课件共43页，创作于2023年2月第25页，课件共43页，创作于2023年2月第26页，课件共43页，创作于2023年2月（2）能量转换装置；第27页，课件共43页，创作于2023年2月（3）等温恒温装置第28页，课件共43页，创作于2023年2月（4）太阳能聚集器；第29页，课件共43页，创作于2023年2月

（5）电子和电器设备的冷却；第30页，课件共43页，创作于2023年2月（6）温度控制（如：航天器）；第31页，课件共43页，创作于2023年2月7

热管的传热极限第32页，课件共43页，创作于2023年2月（1）粘性限:温度较低时，受到介质粘滞力的限制，称为粘度限(ab线)，粘度限是对液态金属及长热管而言的。（2）声速限

是指在热管蒸发段出口蒸汽速度不能超过声速的限制。常用来限制和检查高温热管的工作状态。当冷凝段的温度太低时会出现这种情况。第33页，课件共43页，创作于2023年2月（3）携带限热管中蒸气与液体的流向相反，存在剪切力，当蒸气速度足够高时，就可将液滴从液体界面拉下往冷凝段，这时可频繁地听到液滴掩击声，蒸发段介质过早耗尽，中断循环，这种限制你为携带限（cd).第34页，课件共43页，创作于2023年2月（4）毛细限(吸液限)指热管内蒸汽和液体流动等所需的压力降，不能超过毛细结构可能达到的最大毛细压力差。如果超过了最大毛细压力差，则说明再吸液芯内蒸发掉的液体比毛细芯供给的的液体来的要快，容易使蒸发段吸液芯干涸。（de).（5）沸腾限热管中的相变可以是表面蒸发，也可以是在吸液芯内部沸腾。沸腾限是指在热管蒸发段输入的热流密度不能超过工质在毛细结构中产生模态沸腾的临界热流密度的极限。第35页，课件共43页，创作于2023年2月7

热管的设计计算

1.热管的阻力特性计算 要保证热管正常工作，必须使热管吸液芯产生的最大毛细压差克服以下三个阻力的和：

1)Δp1-液体从冷凝段返回到蒸发段的阻力；

2)Δpv－蒸汽从蒸发段流到冷凝段的阻力；

3)Δpg-重力压头第36页，课件共43页，创作于2023年2月蜷曲丝网吸液芯：覆网槽道吸液芯：第37页，课件共43页，创作于2023年2月第38页，课件共43页，创作于2023年2月

2.热管的传热特性计算从热源到冷源包括9各传热过程，及存在9个热阻：①热源与蒸发段外表面的传热热阻②蒸发段管壁的径向热阻③蒸发段吸液芯径向热阻④蒸发段气液交界面蒸发热阻⑤蒸汽沿轴向流动的热阻⑥冷凝段气液界面冷凝热阻⑦冷凝段吸液芯径向热阻⑧冷凝段管壁径向热阻⑨冷凝段管壁外表面与冷却介质的传热热阻第39页，课件共43页，创作于2023年2月第40页，课件共43页，创作于2023年2月3.5

热管换热器的设计与计算

1.热管换热器的传热计