热管换热器(热管换热器).ppt

Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515换热器换热器 原理与设计原理与设计Principle and design of Principle and design of heat exchangerheat exchangerPrinciple and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5 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 Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管的传热过程六个传热步骤：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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5.2 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）Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015151 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：u 足够大的毛细抽吸压头u 较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率u 良好的传热特性，即有较小的径向热阻Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153）工作液对工作液的要求： u 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 u 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 u 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）Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015154）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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515③ 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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管为什么能工作？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n 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）；n 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；n 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）Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515n 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，蒸汽压压力大于液体压压力，液汽界面两侧存在着压差Δp－－毛细头；n 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 Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515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，Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515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：Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515（2）工质的压力分布情况a. 蒸汽流动p 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；p 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p 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。

Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515b. 液体流动p 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）；p 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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515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。