热管式热交换器设计说明讲解Word格式.docx
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第二节热管及其应用……………………………………………………………………3
1.2.1热管的构造原理………………………………………………………3
1.2.2热管的工作原理……………………………………………………………7
1.2.3热管的基本特性………………………………………………………………8
1.2.4热管分类………………………………………………………………………8
1.2.5热管技术………………………………………………………………………9
1.2.6热管技术特点…………………………………………………………………10
第二章热管换热器…………………………………………………………………………12
第一节热管换热器技术优势……………………………………………………………12
第二节热管换热器的分类………………………………………………………………12
第三节换热器应用前景…………………………………………………………………14
第三章热管气-气换热器设计中应注意的问题…………………………………………16
第四章热管气-气换热器设计步骤………………………………………………………17
第一节计算步骤………………………………………………………………………17
第二节符号说明………………………………………………………………………19
第三节标注说明………………………………………………………………………20
致谢…………………………………………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………………………………………23
附录…………………………………………………………………………………………25
外文资料及翻译…………………………………………………………………………35
任务书………………………………………………………………………………………55
第一章绪论
第一节热管的发展及现状
在现有的传热元件中,热管是我们所知的最高效的传热元件之一,它能将大量热量通过其特别小的截面积远距离地传输而不需要外加动力。
热管的原理首先是由美国的俄亥俄州通用发动机公司(TheGeneralMotorsCorporation,Ohio,U.S.A)的R.S.Gaugler于1994年在美国专利(No.2350348)中提出的。
他当时正在研究冷冻问题,他设想有一装置由封闭的管子组成,在管内液体吸热蒸发后与该下方的某一位置放热冷凝,在无任何外加动力的前提下,冷凝液体借助管内的毛细力吸液芯所产生的毛细力回到上方继续吸收热量蒸发,如此循环,达到热量从一处传输到另一处的目的。
然而他的想法当时并没有被通用发动机公司所采纳应用。
1962年L.Trefethen再次提出类似于Gaugler的传热元件并用于宇航飞船,但是因为这种建议并未经过实验证明,也没能付诸实施。
1963年美国的LosAlamos的国家实验室的G.M.Grover重新独立发明了类似于Gaugler所提出的传热元件,并进行了性能测试实验,在美国《应用物理》杂志上公开发表了一篇论文,并正式将此传热元件命名为热管“HeatPipe”,指出他的热导率已远远超过任何一种已知的金属,得出了以钠为工作液体,不锈钢为壳体,内部装有丝网吸液芯的热管实验的结果。
美国的LosAlamos国家实验室在热管理论以及热管在空间技术方面的应用领先地位。
1965年Cotter首次提出了比较完整的热管理论,为以后的热管理论的研究奠定了基础。
1967年的一根不锈钢-水热管首次被送入地球卫星轨道,并运行成功,从此吸引了很多科学技术工作人员热衷于热管研究,前西德、意大利、荷兰、英国、前苏联、法国及日本等国均开展了大量的研究工作,使得热管技术得到了很快的发展。
Katzoff在1966年发明了有干道的热管。
干道的作用:
为了给从冷凝段回流到蒸发段的液体提供了一个压力降较小的通道,从而大大的提高了热管的传输能力。
1969年前苏联和日本的有关杂志都发表了热管应用研究方面的文章。
在日本的有关文章中已有描述带翅片热管束的空气加热器,在能源日益紧张的情况下,它可被用来回收工业排气中的热能。
同时Turner和Bienert都提出了用可变热导管来实现恒温控制。
Gray研究了一种新型热管——旋转热管,这些发明均是热管技术的重大进展。
1970年,美国出现供应热管商品的部门,热管的应用从宇航方面扩大到地面。
在热管发展史上值得一提的是,在横穿阿拉斯加输油管线工程中的应用,用热管作为管线的支撑,来保证地面的永冻层,以满足工程需要。
该工程共使用112000余根热管,单根热管的长度约为9~23m。
1974年以后,热管在节约能源方面和新能源开发方面的研究得到了充分的重视,用由热管组成换热器来回收废热,并将其用于工业中以节约能源。
美国和日本在这方面取得的进展最为显著。
1980年,美国Q-Dot公司生产了热管废热锅炉,同时日本帝人工程公司也成功的用热管做成锅炉给水预热器,解决了排烟的露点腐蚀的问题。
之后,各国的热管换热器研究及制作工作迅猛展开,分离式、回转式等新的结构形式相继出现,并日趋大型化、工业化。
1984年,Cotter比较完整的提出了微型热管的理论及展望,从而为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。
毛细泵回路CPL(Capillarypumpedloops)和回路热管系统LHP(Loopheatpipesystems)因其结构灵活、应用面广、在很小温差下可远距离传递热量,较常规热管能传递更大的热量的特点,引起了整个热管界的普遍关注,并成为理论研究和应用研究的热点。
70年代以来,热管技术的飞速发展,各国的高等院校、科研机构、公司及厂矿都开展了多方面的开发及应用研究,国际间、地区间和各国自身的热管技术交流活动日趋频繁,1973年,在德国斯图加特(Stuttgart)召开了第一届国际热管会议,1976年,在意大利的哥伦比亚(Bologna)召开了第二届国际热管会议,此后1981年在英国伦敦(London),1987在法国格林贝尔(Gernoble),1984年在日本筑波(Tuskuba),1990年在前苏联明斯克(Minsk),1992年在中国北京,1995年在美国西墨西哥州(Albuquerque),1997年在德国斯图加特(Stuttgart),1999年在日本东京(Tokyo)分别召开了第四到十一届国际热管会议。
除此之外,中国和日本双方从1985年到1994年分别召开了四届双边和多边热管技术研讨会议,1996年,在澳大利亚墨尔本(Melbourner)召开了多边会议正式规范热管技术研讨会议。
我国自70年代开始,开展了热管的传热性能研究和热管在电子器件冷却器和空间飞行器方面的应用研究。
由于我国是一个发展中的国家,能源综合利用水平比较低,为此自80年代初,我国的热管研究及开发的重点转向节能和能源的合理利用,相继开发了热管余热锅炉、热管气-气换热器、高温热管热风炉、高温热管蒸汽发生器等各类热管产品。
由于碳钢-水两相闭式热虹吸管的价格低廉、结构简单、制造方便,易于在工业中推广应用,碳钢-水相容性的基本解决,使得此类热管得到广泛的应用,我国热管技术工业化应用的开发研究工作发展很迅速,学术交流活动也很活跃,从1983年起,已先后召开了六届全国性热管会议,具体日期和地点见表1-1.
表1-1全国热管会议情况一览表
全国热管会议届数
召开日期
召开地点
第一届
1983年
哈尔滨
第二届
1988年
湖南大庸
第三届
1991年
四川都江堰
第四届
1994年
黑龙江牡丹江
第五届
1996年
江苏无锡
第六届
1998年
福建邵武
随着科学技术水平的不断的提高,热管研究及应用的领域也将不断拓宽。
新能源的开发,笔记本电脑CPU冷却、电子装置芯片冷却以及大功率晶体管,可控硅元件、电路控制板凳的冷却,化工、冶金、动力、轻工、玻璃、陶瓷等领域的高效传热传质设备的开发,均促进了热管技术的进一步发展。
第二节热管及其应用
1.2.1热管的构造原理
热管构造的四要素为:
(1)工质或工作流体;
(2)管芯或毛细结构;
(3)管壳;
(4)翅片。
(1)工质
预确定一种适宜的工质,首先要考虑的是蒸汽运行的温度范围。
但是,在相同的温度范围内,可能有几种工质同时可供选用。
为了确定所采用的工质是最佳的,必须考察它的各种特性。
主要要求如下:
①质与管芯和管壳材料的相容性;
②热稳定性能良好;
③工质能润湿管芯和管壳材料;
④在运行温度范围内,蒸汽压力不是太高或者太低;
⑤汽化潜热大;
⑥导热系数高;
⑦工质的液相和蒸汽相的粘度低;
⑧表面张力大;
⑨冰点或凝固点要适当。
除了以上的要求之外,还必须根据与热管内热流所受到的各种限制有关的热力学来考虑选择工质。
这些限制有粘性限、毛细限、声速限、沸腾限和携带限。
一只热管能否长时间运行,能否稳定的进行工作等问题均是直接与材料的不相容性有关的,这一点涉及了热管的四要素。
然而,工质的热性能在使用过程中有可能退化(降低),还要防止流体分解成为不同的成分。
因此,必须要求工质在可能运行的温度范围内热稳定要良好。
流体表面的性质好像一张紧绷的包膜,这与液体的表面的张力和表面的大小有关。
由于液体分子受到吸引力,所以整个页面就有拉力的作用。
表面的张力随温度和压力而变化,不过,其随压力变化往往很小。
表面的张力的有效值由于受到液-液、液-蒸汽或液-固界面上积累的外来物质的影响,可能有较大的变化。
在设计热管时,为了使它能克服重力并运行,并产生比较大的毛细驱动力,所以,希望表面的张力大一些。
此外,还必须要使工质润湿管芯和管壳材料,以及接触角为零,或者是非常小。
在运行温度范围内的蒸汽的压力必须大,以避免蒸汽的压力速度过大。
因为蒸汽速度大也就是温度梯度大,也能把与之相反方向的冷凝液携带走,或者还会因为可压缩性引起流动的不稳定。
但是,压力不能太高,太高必须得用厚壁管壳。
期望工质的汽化潜热大,以实现用少量的液流来传递大量的热量,从而维持管内的小压力。
工质的热导率越大越好,这是要为了减少径向的温度梯度,以及减小在管芯和管壳的交界面上产生沸腾的可能性。
为了把液流的阻力减到最小,要选用液相和蒸汽相粘度低的工质。
工质的品质因数M=/,它为快速比较工质的好坏提供了更便利的方法。
M数越大越好。
水和所有的有机流体,如酒精和丙酮相比,其明显的优点是汽化潜热和表面的张力大。
当然,最终还要根据可利用性、成本、相容性等因素来确定工质。
品质因数的大小是选择工质的唯一标准。
在特定的情况下,其他因素也可能更为重要。
例如,对于成本而言,宁愿选择钾而是不选择铯或铷,原因是它们的成本比钾要高一百多倍。
又如,在1200~1800K范围内,锂比大部分的金属(包括钠在内)的品质因素都大,但是如果采用锂做工质,就可用不锈钢做管壳。
因此,选用性能低一些的钠-不锈钢的这种热管将是便宜和方便的。
热管所用工质的范围很广泛,由4K下用氦,直到2300K下用锂。
在350~500K范围内,应用水作工质的优越性最显著。
在这个温度范围内,其他可以用来选择的有机流体的品质因数都偏低。
在稍低一些的温度范围内(270~350K),希望用氦做工质。
但是,为了使氦保持高纯度,要求细心操作。
丙酮是低蒸汽压的工质。
上述这些工质常来用于宇航设备的热管内。
水和甲醇与铜相容,常用于冷却电子仪器设备。
在500~650K的范围内,可用高温有机传热工质,如联苯与联苯氧化物的低共熔混合物,在大气压力下其沸点为260℃左右,但是其表面的张力和汽化潜热很小。
若其中含有很多其他的有机物,则当膜温度超过临界值时,联苯就会很快分解掉。
然而,这种低共熔混合物和许多具有相同运行温度范围的其他流体不同,它们具有特定的沸点,而不是一个沸点范围。
当热管的工作温度进一步提高,就进入液态金属的工作范围。
水银的有效工作温度范围为500~600K,水银具有很诱人的热力特性。
在室温下仍呈液态,这使热管的制作、冲液操作和起动等都可以大大简化。
但他也有不足之处,除了有些毒性之外,它用作热管工质与作热虹吸管的工质不同,其主要的问题是难于润湿管芯和管壳。
热管的工作温度范围更高一些时,则希望用钙、钾和钠等做工质。
如果热管的工作温度在1400K以上,通常选用锂做工质,但也可以用银来做工质。
(2)管芯
热管管芯的选择与工质的选择是一样的,与很多因素有关,但其中主要的因素和工质的性质紧密相关。
管芯的主要作用是产生毛细压差,把工质从冷凝段输送到蒸发段。
此外还必须能把液体分布到蒸发段上可能吸热的任何范围内。
尤其是在失重的情况下,当冷凝液回流的距离超过1m时,常常需要使用不同形式的管芯,才能起到这两个作用。
管芯产生的最大毛细压差,随毛细孔的减小而增加,而对管芯所要求的另一个特性及渗透率,它随毛细孔增大而增加,故均匀管芯的最佳毛细孔尺寸是两者折衷的结果。
从这个意义上讲,管芯有三种主要形式。
水平放置的热管和重力辅助式热管采用低性能管芯,它具有较大的毛细孔。
在克服重力场的场合下,需要小毛细孔。
通常要求热管的传热能力高,故必须采用非均匀的管芯或干道管芯,并且用细孔结构来辅助促使流体的轴向流动。
另一方面,管芯的厚度应适当。
增加管芯的厚度可以提高热管的传热能力,但却增加了管芯的径向热阻,又使传热能力降低,于是蒸发段容许有最大热通量也随之降低。
蒸发段的总热阻还与管芯内工质的放热系数有关。
管芯还必须具有其他方面的一些重要性能,如与工质的相容性和润湿性、易于制作成和热管内壁一样并且最好是性能稳定的形状。
此外,造价也应该便宜。
①均匀管芯
均匀管芯有很多种形式,最常用的管芯是用丝网或斜纹织品制成的。
所用的材料为不锈钢、镍、铜及铝。
并加工成具有一定尺寸范围的毛细孔。
各种丝网及斜纹织品的毛细孔尺寸和渗透率,查有关的表格。
为了增加液体流动的能力,可开一些粗一点的流道。
在管壁上开槽到铜热管和铝热管,已用于失重环境(一般在地球重力场内,单用槽道管芯不能产生很大的毛细压差,而且携带现象还可能限制热管的轴向热流量。
为克服这一问题,在槽道上覆盖一层丝网)。
②干道管芯
高性能热管必须采用干道管芯。
为了克服这种热管工质导热系数低的不利因素,必须把热管的温度梯度减到最小。
这种热管的内径只有5.25mm,传输热量为15瓦,在1m长度内的总温降不超过6℃。
用铝合金做管壳,丙酮做工质。
这种管芯系统,旨在使沿管内传输的液体压降最小。
如六条干道上覆盖一层细丝网,可以得到较大的驱动力。
为了充分发挥干道管芯热管的作用时,还必须进一步考虑到蒸汽或气体阻塞干道的问题。
如果干道内产生蒸汽泡(或气泡),或者是蒸汽泡(或气泡)被带到干道,将大大降低干道的传输能力。
如果气泡完全阻隔了干道,则传热能力取决于干道的有效毛细的半径。
也就是说,畅通的干道存在一个有效状态,为了保证干道在这种条件下还能够再启动,必须把热负荷降低到畅通干道的最大传热能力以下。
③槽道管芯
槽道管芯,即在热管管壳内壁面上挤压或车上轴向槽或螺旋槽道,起到毛细作用。
槽道管芯的径向的热阻在蒸发段和冷凝段是根本不相同的,这是因为他们的传热机理不同。
蒸发段内肋顶在传热过程中不起有效的作用。
传热的途径可能是:
沿肋片导热;
通过弯月面上的液膜导热或者在液体界面上蒸发。
由于冷凝段内槽道被冷凝液所淹没,所以肋顶在传热过程中起到了有效作用。
肋顶上液膜将成为主要的热阻。
冷凝液膜的厚度与冷凝率及工质的润湿性能有关。
(3)管壳
管壳的作用是把工质与外界分隔开,因此管壳的作用是承压、防漏、能向工质的传热以及把工质的热量传出。
管壳材料的选定与以下几种因素有关:
①相容性,包括工质以及外界环境两方面的相容性。
②强度与重量之比。
③传热系数。
④易于加工,包括机械加工性、可焊性及延展性。
⑤多孔性。
⑥润湿性。
吸液芯结构材料、热管壳体材料及工作流体应根据热管的任务和工作条件来选择。
因为热管应用的温度范围很广,用于多种多样的场合,结构材料和工作流体的选择范围也很广。
热管结构材料和工作流体间的相容性问题,对于热管长期工作寿命有着决定性的影响。
因此,正确选择热管的材料是十分重要的。
(4)翅片
强化传热的有效措施之一是增加扩展表面,扩展表面的形式有多种多样,有翅片管和热管上常采用等厚度圆形翅片,对于气-气式热管换热器的热管,必须采用翅片作为扩展表面。
翅片与光管表面接触的形式有:
①串片;
②绕片;
③高频焊片;
④整体轧制片。
在热管表面上加上翅片(等高度)可使表面增加到6~13倍,即可使管外的热系数增加5~9倍。
由此可见,翅片是热管不可缺少的结构组成部分。
(5)相容性
不相容引起的后果主要有两个:
一是腐蚀材料,另一是产生不凝结气体。
如果管壳或管芯材料溶解于工质中,则在冷凝段和蒸发段之间多半要发生传质。
溶解的固体材料沉积到蒸发段内,这将导致或者产生局部热点或者堵住管芯的毛细孔,产生不凝结液体。
这些都是热管出故障最为常见的迹象。
由于不凝结气体趋向于聚集到冷凝段,使冷凝段逐渐被气体堵塞。
这种现象,可以从不凝结气体与蒸汽界面处的极具温降上鉴别出来。
很多实验室进行过寿命试验,但是,一个实验室取得的寿命实验数据可能得到令人满意的相容性。
而另一个实验室由于采用不同的组装方法,例如采用非标准的材料处理过程,就可能得出不同的腐蚀特性或产生不凝气体的特性。
因此,无论是改变清洗方法或者是改变热管组装方法,都应重新取得相容性的数据,这一点是很重要的。
从相容性的观点来看,以丙酮、氨和金属为工质时,不锈钢适于作管壳和管芯的材料,其缺点是导热效率低。
而铜和铝则可用于需要导热率高的地方。
铜特别适合于做批量生产的水热管的材料。
塑料也可被用来做管壳材料,而且已认真考虑过在非常高的温度下采用陶瓷这类耐融材料做热管管壳。
为了使管壳产生一定的挠性,可采用不锈钢波纹管。
在要求电绝缘的情况下,采用陶瓷或玻璃与金属封接材料作管壳。
当然,这种管壳必须和不导电的管芯和工质配合使用。
热管的寿命试验主要是鉴定工质与管芯和外壳材料之间可能出现的任何不相容性。
然而,基本的寿命试验应是在实际运行条件下进行长期的性能试验。
假如显著增加蒸发段的热通量,是热管在超过其设计能力下运行,就可能引起烧毁。
因此,难以用增加蒸发段热通量的办法来加快寿命试验。
如果为了加快寿命试验,把热通量增加到约为正常运行条件所需要热通量的四倍,则必须用回流方式进行正规的性能试验,以保证仍然达到设计能力。
进行寿命试验的方法,以及把结果推论到几年是一个争论较大的课题。
例如,在人造卫星上,一旦发生事故就难于补救。
如果可能实现,则最低的标准要求达到七年寿命。
因此,必须加速寿命试验,这样才能以高精度来预言热管在长期内的可靠性。
加快寿命试验另一种可能的途径是加快任何降低热管性能过程的速度。
如果设计允许,可提高热管运行温度。
此法的缺点是升高温度可能影响到工质本身的稳定性。
例如,丙酮的分解可能是产生金属氧化物的一个因素,生成双丙酮醇。
其沸点比纯丙酮的高很多。
显然,制定寿命试验方案时要考虑很多因素,包括热管用阀门的必要性或者像试验热管一样把试验热管全部密封起来等。
第二届国际热管会议上提出了大量新的相容性资料。
如表:
表1-2
工质
推荐的管壳材料
不推荐的管壳材料
氨
铝、碳钢、镍、不锈钢
铜
丙酮
铜、二氧化硅、铝、不锈钢
甲醇
铜、不锈钢、二氧化硅
铝
水
铜、347型不锈钢
不锈钢、铝、二氧化硅
钾
不锈钢、因康镍合金
钛
钠
不镍钢、因康镍合金
1.2.2热管的工作原理
热管工作的主要任务是从加热段吸收热量,通过内部相变传热过程,把热量输送到冷却段,从而实现热量转移。
完成这一转移有6个相互关系的主要过程:
(1):
热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面:
(2):
液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发;
(3):
蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段留到冷凝段;
(4):
蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结;
(5):
热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传递给冷源;
(6):
在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液回流到蒸发段。
1.2.3热管的基本特性
(
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