热管换热器(热管换热器)

Principle and design of heat exchanger 2015
1 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 两相热虹吸管：工作液体的回流依靠其本身的重力作用
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③ 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
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3.5.2 热管的结构
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）
热管的结构简图
3.5.1 工作原理和传热过程
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热管工作原理简图 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。
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。
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3）工作液 对工作液的要求： 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 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 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
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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。
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换热器
原理与设计
Principle and design of heat exchanger
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3.5 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。
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3.5.3 热管的工作特性 热管为什么能工作？ 因为吸液芯的泵送作用 （1）工质循环流动的推动力 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）； 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； 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）。
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： 足够大的毛细抽吸压头 较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率 良好的传热特性，即有较小的径向热阻
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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）
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4）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）