热管及热管换热器..

热管的工作特性
对于普通热管，其液体和蒸汽循环的主 要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细 力。假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的， 沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量流率、 压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如 右上图所示。 在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽液 分界面缩回到管芯里，即向毛细孔一侧下陷， 使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。而在 冷凝段，蒸汽逐渐凝结的结果使液汽分界面 高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形状， 即界面的曲率半径为无穷大(见右上图上部 及右下图)。曲率半径之差提供了使工质循 环流动的毛细驱动力(循环压头)，用以克服 循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及 动量变化所引起的循环阻力。
⑴在真空状态下，液体的沸点降低； ⑵同种物质的汽化潜热比显热高的 多； ⑶多孔毛细结构对液体的抽吸力可 使液体流动。
图2.1 热管示意图 1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液
从传热状况看，热管沿轴向 可分为蒸发段，绝热段和冷凝段 三部分。
热管的管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制 造。在材料的选择上必须考虑到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。 管壳材料有多种，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。管壳的作用是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。 热管的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。如右图所示为几种不同的 管芯的结果示意图
2.3 热管的传热
热管在实现其热量转移过程中，包含了六个相互关联的主要过程： 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、 液体和管壁传给冷源 ⑥ 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段
②重力热管应用场合：
• 只能应用于重力场中，而不能用于空间（无重力场）； • 只能将热管的下部作为加热段，而上部作为冷凝段； • 主要用于传热，不能用于均温； • 可以作为热二极管。 根据重力热管具有的特点，国内作为余热回收用的热管换热器大多 数采用这种形式的热管。
5 热管分类
按照热管管内工作温度分： 低温热管(-273～0℃)、常温热管(0～250℃)、中温热管(250～450℃)、 高温热管(450～1000℃)。 按照工作液体回流动力分： 有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、 电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管。 按管壳与工作液体的组合方式分： 铜-水热管、碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管。 按结构形式分: 普通热管、分离式热管、毛细泵回路管、微型热管、平板热管、径向热管 按热管的功用分: 传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热 管
6 热管的相容性及寿命
• 相容性指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的 化学反应或物理变化。影响热管寿命及工作的重要因素之一产生不凝性 气体
余热锅炉原理
• 图19－1是一台余热锅炉的结构示意图， 从图中可以看出产汽的过程。
• 烟气，经烟道到余热锅炉入口，烟气自下而上流动，流经过热器、 两组蒸发器和省煤器，最后排入烟囱。排烟温度约为100－220℃， 烟气温度从380/330℃降到排烟温度，所放出的热量用来使水变成 蒸汽。进入余热锅炉的给水，其温度约为42—126℃左右，先进 入上部的省煤器，水在省煤器内吸收热量使水温上升，水温升到 略低于汽包压力下的饱和温度，就离开省煤器进入汽包。进入汽 包的水与汽包内的饱和水混合后，沿汽包下方的下降管分别进入 两组蒸发器，在蒸发器内的水吸热开始产汽，通常是只有一部份 水变成汽，所以在蒸发器管内流动的是汽水混合物。汽水混合物 离开蒸发器进入汽包上部。在汽包内装有汽水分离设备，可以把 汽和水分开，水落到汽包内水空间，而蒸汽从汽包顶部出来到过 热器。在过热器内吸收热量，使饱和蒸汽变成过热蒸汽。根据产 汽过程有三个阶段，对应的应该要有三个受热面，即省煤器、蒸 发器和过
热管内质量流、压力和温度分布
热管液汽分界面的形状
（a）管起动前的液—汽交界面 （b）热管工作时的液—汽交界面 （c）吸液芯内液—汽界面参数
热管工作过程动画
注意：热管中的水会
因为内部低压而在100℃ 以下就沸腾蒸发。
热量散失
水蒸汽流 水蒸汽冷凝
热量输入 液态水蒸发 液体由于重力 或吸附力回流
4 两相闭式热虹吸管——重力热管、热虹吸管
热管的工作液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。工作液体还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。工作液还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。
2.2 热管的三个区段的划分 * 根据热管外部热交换情况分：加热段、绝热段、冷却段 * 根据热管内部工质传热传质情况分：蒸发段、绝热段、冷 凝段
热管及热管换热器
2 热管工作原理
2.1 热管的组成（典型热管）管壳、吸液芯、工质
热管：是一种传热性极好的人工 构件，常用的热管由三部分组成： 主体为一根封闭的金属管（管 壳），内部空腔内有少量工作介 质（工作液）和毛细结构（管 芯），管内的空气及其他杂物必 须排除在外。热管工作时利用了 三种物理学原理：
• 与有芯热管的区别在于冷凝液回流的机理不同 • 热虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流 • 有芯热管是依靠毛细抽吸力使冷凝液回流 • • • • • • • ① 重力热管的特点：
பைடு நூலகம்
* 不需要吸液芯，制作简单，成本低廉 * 减少了吸液芯本身产生的热阻， ——具有良好的传热性能 * 一切由吸液芯引起的故障，均可避免， ——工作可靠