热管换热器(热管换热器)课件

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 heat exchanger换热器换热器Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5 热管换热器热管换热器 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。过热管进行热量传递。3.5热管换热器热管换热器热管换热器是一种新型、高效、热管换热器是一种新型、高效、Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515其其工工作作原原理理为为:当当热热管管的的两两端端分分别别被被加加热热(与与热热流流体体接接触触)和和冷冷却却(与与冷冷流流体体接接触触)时时，被被加加热热的的一一端端(称称为为蒸蒸发发段段)管管中中的的液液体体吸吸热热蒸蒸发发成成为为蒸蒸气气，蒸蒸气气沿沿管管中中心心通通道道流流向向另另一一端端(称称为为冷冷凝凝段段)并并在在此此冷冷凝凝放放出出热热量量，由由于于多多孔孔管管芯芯毛毛细细作作用用，冷冷凝凝下下来来的的液液体体又又会会自自动动地地沿沿管管芯芯流流回回蒸蒸发发段段。如如此此循循环环往往复复，通通过过工工作作介介质质的的蒸蒸发发、冷冷凝凝，将将热热量量由由热热流流体体传传递递至至冷冷流流体体。热热管管换换热热器器具具有有传传热热效效率率高高、结结构构紧紧凑凑、操操作作简简单单、使用寿命长等优点。使用寿命长等优点。3.5.1 3.5.1 工作原理和传热过程工作原理和传热过程热管工作原理简图热管工作原理简图其工作原理为其工作原理为:当热管的两端分别被加热当热管的两端分别被加热(与热流体接触与热流体接触)和冷却和冷却(Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管的传热过程热管的传热过程六个传热步骤：六个传热步骤：1 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）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 2）液体在蒸发段内的液）液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发汽分界面上蒸发3 3）蒸汽通过蒸汽腔输送到冷凝段）蒸汽通过蒸汽腔输送到冷凝段4 4）蒸汽在冷凝段内的汽）蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上冷凝液分界面上冷凝5 5）热量从冷凝段内的汽）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）液分界面通过吸液芯和壳壁传给外热汇（即冷源）6 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。）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。热管的传热过程六个传热步骤：热管的传热过程六个传热步骤：Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5.2 3.5.2 热管的结构热管的结构热管的结构简图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）、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）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）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）3.5.2热管的结构热管的结构简图轴向分为三个区域：蒸发热管的结构热管的结构简图轴向分为三个区域：蒸发Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015151 1 管壳管壳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）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）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。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。）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 2 管芯管芯 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。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：性能良好的管芯应具有：u 足够大的毛细抽吸压头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良好的传热特性，即有较小的径向热阻1管壳管壳1）作用：将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接）作用：将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515管芯的结构管芯的结构1）紧贴管壁的单层及多层网芯）紧贴管壁的单层及多层网芯，图，图3.66（a）2）烧结粉末管芯）烧结粉末管芯，图，图3.66（b），它是由一定目数），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）轴向槽道式管芯，图，图3.66（c），它是在管壳内），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，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、梯形等多种槽的截面形状可有矩形、梯形等多种4）组合管芯）组合管芯。一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽。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，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，图类管芯有多种，图3.66（d）为一种槽道覆盖网式。）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。但因网与抽吸压头，因此可提高传热能力。但因网与 槽不易槽不易贴合紧，其径向热阻较大。贴合紧，其径向热阻较大。管芯的结构管芯的结构1）紧贴管壁的单层及多层网芯，图）紧贴管壁的单层及多层网芯，图3.66（a）Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153）工作液）工作液对工作液的要求：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 细结构细结构工作液的选用工作液的选用 热管内的工作液体随热管内部的工作温度而定热管内的工作液体随热管内部的工作温度而定低温（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）：乙醇、丙酮、氟利昂、液氨、液氢等，在常温条件下的工作液体 一般为水一般为水中温（中温（100500）：热管内部工作温度高于）：热管内部工作温度高于280时，由于水的饱和蒸汽压力较高，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（高温（500）：当管内工作温度超过）：当管内工作温度超过600以上时，可选用钾、钠或钾钠合金等液以上时，可选用钾、钠或钾钠合金等液 态金属作为工作液体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）体不足则有可能成为热管破坏的原因之一（如蒸发段干涸）3）工作液对工作液的要求：）工作液对工作液的要求：Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015154）热管的型式）热管的型式 吸液芯热管吸液芯热管：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：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）到加热段（蒸发段）两相热虹吸管两相热虹吸管：工作液体的回流依靠其本身的重力作用：工作液体的回流依靠其本身的重力作用4）热管的型式）热管的型式吸液芯热管：冷凝的工作液体依靠毛细多孔材吸液芯热管：冷凝的工作液体依靠毛细多孔材Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515 旋转热管旋转热管：工作液体的回流依靠离心力的分力作用：工作液体的回流依靠离心力的分力作用 重力辅助热管重力辅助热管：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：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旋转热管：工作液体的回流依靠离心力的分力作用旋转热管：工作液体的回流依靠离心力的分力作用重力重力Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管为什么能工作？热管为什么能工作？因为吸液芯的泵送作用因为吸液芯的泵送作用3.5.3 3.5.3 热管的工作特性热管的工作特性蒸发段蒸发段冷凝段冷凝段（1）工质循环流动的推动力）工质循环流动的推动力n 蒸蒸发发段段内内，液液体体在在液液汽汽分分界界面面上上的的逐逐渐渐蒸蒸发发使使得得分分界界面面缩缩回回到到吸吸液液芯芯里里（如图），产生弯月形气液分界面（弯月面）；（如图），产生弯月形气液分界面（弯月面）；n 冷冷凝凝段段内内，蒸蒸汽汽在在液液汽汽分分界界面面上上的的逐逐渐渐冷冷凝凝使使得得分分界界面面高高于于吸吸液液芯芯，且且分界面基本上呈平面形状，曲率半径为无限大；分界面基本上呈平面形状，曲率半径为无限大；n 蒸蒸发发和和冷冷凝凝段段的的曲曲率率半半径径之之差差工工质质（液液体体和和蒸蒸汽汽）循循环环流流动动的的毛毛细细驱动力（循环动力）。驱动力（循环动力）。热管为什么能工作？因为吸液芯的泵送作用热管为什么能工作？因为吸液芯的泵送作用3.5.3热管的工热管的工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，平衡原理，此时，蒸汽蒸汽压力大于液体力大于液体压力，力，液汽界面两侧存在液汽界面两侧存在着压差着压差p毛细头毛细头；n 对应于毛细孔曲率半径为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：的任何弯月面的相间静压差为：p=pg-pl=2cos/r pg、pl分别分别为为 汽、液相压力，汽、液相压力，r毛细孔半径毛细孔半径 为液汽分界面上的表面张力。为液汽分界面上的表面张力。液面接触角液面接触角推动力续 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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515蒸发段有毛细头蒸发段有毛细头PPe e冷凝段有毛细头冷凝段有毛细头PPc c热管两端毛细头压差热管两端毛细头压差PPcapcap：其其中中，冷冷凝凝段段，r rc c=，液液汽汽相相间间无无压压差差；蒸蒸发发段段，r r最最小小处处，循循环环驱驱动动力力最大最大毛细压差，最大最大毛细压差，蒸发段有毛细头蒸发段有毛细头Pe冷凝段有毛细头冷凝段有毛细头Pc热管两端毛细头压差热管两端毛细头压差Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515即在即在coscose e=1(=1(e e=0)=0)，coscosc c=0(=0(c c=90)=90)时，时，PPcapcap：有最大值为：有最大值为：PPcapcap：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凝段的阻力降PP、冷凝液体从冷凝段回流到蒸发段的压力降冷凝液体从冷凝段回流到蒸发段的压力降PPl l和重力和重力对液体流动引起的压力降对液体流动引起的压力降PPg g（PPg g可以是正值，负值，或零）。因此可以是正值，负值，或零）。因此（2-11）这是这是热管正常工作的必要条件热管正常工作的必要条件即在即在cose=1(e=0)，cosc=0(c=90Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515传递热量的估算传递热量的估算 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，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。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，并设热管为水忽略，并设热管为水平放置，平放置，=0。液芯内液体的流动阻力可按液芯内液体的流动阻力可按Darcy给出的公式（达西公式）给出的公式（达西公式）估算：估算：传递热量的估算传递热量的估算Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515（2）工质的压力分布情况）工质的压力分布情况a.蒸汽流动蒸汽流动p 蒸蒸发发段段：蒸蒸汽汽通通过过蒸蒸汽汽腔腔向向冷冷凝凝段段移移动动，与与多多孔孔壁壁注注入入或或吸吸出出的的管管内内流流动动相相似似，层层流流或或紊紊流流；蒸蒸发发段段沿沿蒸蒸汽汽流流向向不不断断有有蒸蒸汽汽补补充充加入，是一个加速过程，压力能部分转化为动能；加入，是一个加速过程，压力能部分转化为动能；p 冷冷凝凝段段：相相反反，即即蒸蒸汽汽的的减减速速过过程程，使使部部分分动动能能回回收收，使使气气流流方向上压力有所回升。方向上压力有所回升。p 整整个个蒸蒸汽汽流流动动过过程程，动动量量变变化化所所引引起起的的压压力力变变化化是是相相抵抵的的，则则从从蒸蒸发发段段到到冷冷凝凝段段的的蒸蒸汽汽压压差差只只表表现现为为摩摩擦擦阻阻力力pg，这这一一压压差差较较小小，其其所所对对应应的的温温差差较较小小；当当它它所所对对应应的的冷冷热热端端饱饱和和温温度度之之差差小小于于0.561.2oC即近乎等温流动，被认为正常工作，即近乎等温流动，被认为正常工作，热管工况热管工况。（2）工质的压力分布情况）工质的压力分布情况Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515b.液体流动液体流动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）；（当管不水平放置时）；p 无吸液芯的热管即靠重力回流。无吸液芯的热管即靠重力回流。整个热管工作过程类似自整个热管工作过程类似自然循环系统；通过正确选择热然循环系统；通过正确选择热管材料、工质和几何参数，以管材料、工质和几何参数，以使所产生的毛细压差满足循环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使热管的安放和使用不受重力场方向和大小的影响。场方向和大小的影响。c.压力分布压力分布b.液体流动液体流动整个热管工作过程类似自然循环整个热管工作过程类似自然循环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，称为限值时传热量无法再增加，称为“极限极限”。某些极限达到后，蒸汽的流速不再增加，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。所示为热管的传热极限曲线。3.5.4 热管的工作极限热管的工作极限1)1)连续流动极限连续流动极限 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；续的蒸汽流，传热能力将受到限制；2)2)冷冻启动极限冷冻启动极限 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作3 3）粘性极限）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围时将遇到这种限制，它又被称为蒸汽压力极限热管的传热量会受到一定的限制。这种限制完全受热管的传热量会受到一定的限制。这种限制完全受Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015154)声速极限声速极限 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；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)5)携携带带极极限限 当当热热管管中中的的蒸蒸汽汽速速度度足足够够高高时时，液液汽汽交交界界面面存存在在的的剪剪切切力力可可能能将将吸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；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)6)毛毛细细极极限限 热热管管中中工工作作介介质质的的循循环环靠靠毛毛细细吸吸液液芯芯结结构构与与工工作作液液体体产产生生的的毛毛细细压压头头维维持持，由由于于毛毛细细结结构构为为循循环环提提供供的的毛毛细细头头是是有有限限的的，这这将将使使热热管管的的最最大大传传热热量量受受到限制，这种限制通常称作毛细极限或流体动力极限；到限制，这种限制通常称作毛细极限或流体动力极限；7)7)冷凝极限冷凝极限 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；存在将降低冷凝段的冷却效率；8)8)沸腾极限沸腾极限 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。碍工作液体的循环而导致沸腾极限。4)声速极限声速极限热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515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表示。热管的工作点必须选择在包络线12345678的下方。这些极限曲的下方。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。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Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5.5 3.5.5 热管换热器的传热计算热管换热器的传热计算1.传热计算的基本方程传热计算的基本方程传热计算基本方程式：传热计算基本方程式：传热方程式传热方程式传热计算中所采用的传热面积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。热段光管外表面积为基准者居多。平均温差平均温差t tm m：根据冷热流体的流向以及它们各自是否有横向的混合，通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。过计算或从有关线图查得。传热量传热量Q Q应取为热流体放热量应取为热流体放热量Q Qh h与冷流体吸热量与冷流体吸热量Q Qc c的算术平均值，即的算术平均值，即3.5.5热管换热器的传热计算热管换热器的传热计算1.传热计算的基本方程传热计算的基本方程Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015152.热管元件各传热环节热阻热管元件各传热环节热阻 典典型型的的吸吸液液芯芯热热管管的的传传热热过过程程可可分分解解为为以以下下各各种种传传热热环环节，并构成了总的热阻。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环境热源与热管加热段外壁间 2加热段管壁导热加热段管壁导热3蒸发段吸液芯液体组合层的传热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凝结段吸液芯液体组合层的传热8凝结段管壁的导热凝结段管壁的导热9凝结段外壁与环境冷源间的换热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从蒸发段到冷凝段的轴向导热11通过吸液芯的轴向导热通过吸液芯的轴向导热2.热管元件各传热环节热阻热管元件各传热环节热阻典型的吸液芯热典型的吸液芯热Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015152.热管元件各传热环节热阻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环境热源与热管加热段外壁间的换热热阻R1 热热阻阻R1之之值值随随换换热热条条件件不不同同而而异异，因因而而应应分分清清对对流流换换热热、辐辐射射换换热热还还是是复复合合换换热热，是是受受迫迫对对流流还还是是自自然然对对流流，热热管管外外壁壁是是光光管管还还是是带带肋肋，热热管管外外壁壁与与热热源源的的固固体体壁壁面面有有无无接接触触等等有关问题，采用相应的计算公式。有关问题，采用相应的计算公式。环节续2.热管元件各传热环节热阻（热管元件各传热环节热阻（1）环境热源与热管加热段外壁）环境热源与热管加热段外壁Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515环节续环节续环节续Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515环节续环节续环节续Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515(2)加热段管壁的导热，热阻加热段管壁的导热，热阻R2(3)蒸发段吸液芯液体组合层的传热，热阻蒸发段吸液芯液体组合层的传热，热阻R3环节续(2)加热段管壁的导热，热阻加热段管壁的导热，热阻R2(3)蒸发段吸液芯液体组蒸发段吸液芯液体组Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515(4)蒸发段液体界面的相变换热，热阻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，热阻从蒸发段到凝结段蒸汽流动换热，热阻R5环节续(4)蒸发段液体界面的相变换热，热阻蒸发段液体界面的相变换热，热阻R4(5)从蒸发段到凝结从蒸发段到凝结Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515(6)凝结段液汽界面的相变换热，热阻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，热阻凝结段吸液芯液体组合层的传热，热阻R7环节续(6)凝结段液汽界面的相变换热，热阻凝结段液汽界面的相变换热，热阻R6(7)凝结段吸液芯凝结段吸液芯Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515(8)凝结段管壁的导热，热阻凝结段管壁的导热，热阻R8(9)凝结段外壁与环境冷源间的换热，热阻凝结段外壁与环境冷源间的换热，热阻R9环节续(8)凝结段管壁的导热，热阻凝结段管壁的导热，热阻R8(9)凝结段外壁与环境冷源间凝结段外壁与环境冷源间Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515(10)从蒸发段到冷凝段的轴向导热，热阻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，热阻通过吸液芯的轴向导热，热阻R113 对流换热系数(10)从蒸发段到冷凝段的轴向导热，热阻从蒸发段到冷凝段的轴向导热，热阻R10(11)通过吸通过吸Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5.6 3.5.6 热管换热器的流动阻力计算热管换热器的流动阻力计算3.5.6热管换热器的流动阻力计算热管换热器的流动阻力计算Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5.7 3.5.7 热管换热器的热管工作安全性校验热管换热器的热管工作安全性校验3.5.7热管换热器的热管工作安全性校验热管换热器的热管工作安全性校验Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515RcRcRcRcPrinciple and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5.8 热管换热器的热力设计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。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。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。的两相闭式热虹吸管。3.5.8热管换热器的热力设计热管换热器的热力设计热管换热器热管换热器Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515为蒸发段换热面的清洁度，取为蒸发段换热面的清洁度，取0.80.9为蒸发段换热面的清洁度，取为蒸发段换热面的清洁度，取0.80.9Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515垂直两相闭式热虹吸管达携带极限时的最大热流量垂直两相闭式热虹吸管达携带极限时的最大热流量垂直两相闭式热虹吸管达携带极限时的最大热流量垂直两相闭式热虹吸管达携带极限时的最大热流量Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515热管换热器热管换热器(热管换热器热管换热器)课件课件Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153.5.9 3.5.9 热管的应用热管的应用 热热管管技技术术被被公公认认是是一一种种很很有有价价值值的的传传热热新新技技术术，在在空空间间技技术术、电电器器工工业业、核核电电工工业业、化化学学工工业业、食食品品工工业业、动动力力机机械械、工工业业余余热热回回收等很多方面都得到了广泛应用。如收等很多方面都得到了广泛应用。如:1、化工及石化领域、化工及石化领域2 2、建材及轻纺织工业领域、建材及轻纺织工业领域3 3、冶金工业领域、冶金工业领域4 4、电力电子领域、电力电子领域5 5、航空航天领域、航空航天领域6 6、内燃机、内燃机7 7、其他领域、其他领域3.5.9热管的应用热管的应用热管技术被公认是一种很有价热管技术被公认是一种很有价Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015151热管技术在化工及石化领域的应用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，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，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：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：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：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：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；1热管技术在化工及石化领域的应用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热管及热管换热器近年来Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015152热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用 建建材材行行业业如如水水泥泥、陶陶瓷瓷等等工工业业都都要要消消耗耗大大量量的的能能量量，以以陶陶瓷瓷为为例例，据据统统计计，能能源源费费占占生生产产总总成成本本的的40%以以上上。开开发发新新型型高高效效节节能能设设备备将将极极大大的的促促进进此此行行业业的的发发展展。80年年代代国国内内的的许许多多单单位位应应用用热热管管换换热热技技术术回回收收陶陶瓷瓷、水水泥泥生生产产中中排排放放的的余余热热取取得得了了良良好好的的节节能能效效果果，90年年代代高高温温热热管管技技术术的的工工业业开开发发应应用用获获得得成成功功，这这些些都都为为热热管管技技术术的的工工业业推推广广打打下下了了良良好好的的基基础础。如如下下是是近近年年来来热热管管技技术术在在建建材材、轻轻工工业业中中成成功功应应用用的的一一些些实实例：例：高岭土喷雾干燥热风炉；高岭土喷雾干燥热风炉；十二醇硫酸钠喷雾干燥；十二醇硫酸钠喷雾干燥；玻璃窑炉的余热回收；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、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；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；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；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。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。2热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用建建Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015153热管技术在冶金工业中的应用热管技术在冶金工业中的应用 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：坯件加坯件加热炉炉热管空气管空气预热器；器；线材退火炉空气材退火炉空气预热器；器；轧钢连续加加热炉空气炉空气预热器；器；热管余管余热锅炉；炉；热管省煤器等。管省煤器等。3热管技术在冶金工业中的应用热管技术在冶金工业中的应用冶金工业也是耗能大户，冶金工业也是耗能大户，Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 202015154热管技术在电力电子领域的应用热管技术在电力电子领域的应用 电电子子技技术术近近年年来来迅迅速速发发展展，电电子子器器件件的的高高频频、高高速速以以及及集集成成电电路路的的密密集集和和小小型型化化，使使得得单单位位容容积积电电子子器器件件的的发发热热量量快快速速提提高高，而而电电子子器器件件正正常常工工作作必必须须在在一一定定的的温温度度范范围围之之内内，电电子子器器件件的的散散热热成成为为了了其其发发展展的的一一个个瓶瓶颈颈，因因此此电电子子技技术术的的发展需要有良好的散热手段来保证。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，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 近近年年来来，大大功功率率电电子子器器件件的的冷冷却却上上采采用用了了热热管管，收收到到较较好好效效果果。如如上上图图所所示示，对对于于大大功功率的晶体管采用圆柱形热管作为散热元件。率的晶体管采用圆柱形热管作为散热元件。在在解解决决CPU温温度度的的问问题题时时，铜铜、纯纯铝铝制制散散热热器器已已经经成成为为最最为为普普及及的的产产品品但但其其传传热热性性能能仍仍然然远远小小于于热热管管散散热热器器。采采用用热热管管技技术术的的散散热热器器也也越越来来越越多多，有有些些厂厂商商甚甚至至拿拿它它作作为为卖卖点点或或者者树立品牌形象。树立品牌形象。在在电电力力领领域域，热热管管电电机机的的出出现现及及实实用用化化成成为为了了一一个个典典型型的的代代表表。热热管管电电机机中中的的主主要要应应用用之之一一是是用用一一根根旋旋转转热热管管来来代代替替电电机机的的传传动动轴轴，将将电电机机转转子子产产生生的的热热量量通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。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。4热管技术在电力电子领域的应用热管技术在电力电子领域的应用电子技术近年电子技术近年Principle and design of heat exchanger Principle and design of heat exchanger 20201515 “神神州州号号飞飞船船的的热热控控制制系系统统：热热控控制制系系统统用用于于保保证证飞飞船船各各舱舱仪仪器器设设备备、结结构构以以及及乘乘员员所所需需要要的的环环境境温温度度条条件件，合合理理调调配配飞飞船船之之间间的的热热量量的的传传输输，并并排排放放到到宇宇宙宙空空间间。他他通通常常采采用用流流体体对对流流换换热热方方式式。其其传传热热回回路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。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。”摘自摘自神舟圆梦神舟圆梦 “1979年年，当当闵闵桂桂荣荣率率领领空空间间热热物物理理代代表表团团赴赴美美参参加加美美国国宇宇航航学学会会热热物物理理年年会会时时，他他的的大大会会报报告告让让西西方方专专家家吓吓了了一一跳跳。偌偌大大的的饭饭店店里里，因因为为中中国国代代表表团团所所做做报报告告产产生生轰轰动动效效应应，其其他他两两个个会会议议竟竟然然暂暂停停了了下下来来。这这是是中中国国航航天天科科技技工工作作者者首首次次在在国国际际会会议议上上进进行行高高水水平平的的航航天天学学术术报报告告。与与会会的的国国外外专专家家这这才才发发现现，先先进进的的热热管管、百百叶叶窗窗等等热热控控技技术术在在中中国国卫卫星星上的应用竟然比欧洲、日本早了