第三章2热管换热器(热管换热器).

Principleanddesignofheatexchanger2015换热器原理与设计PrincipleanddesignofheatexchangerPrincipleanddesignofheatexchanger20153.5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。Principleanddesignofheatexchanger2015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Principleanddesignofheatexchanger2015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。Principleanddesignofheatexchanger20153.5.2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）Principleanddesignofheatexchanger20151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：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Principleanddesignofheatexchanger2015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。Principleanddesignofheatexchanger20153）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）Principleanddesignofheatexchanger20154）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Principleanddesignofheatexchanger2015③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Principleanddesignofheatexchanger2015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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）。Principleanddesignofheatexchanger2015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，蒸汽压力大于液体压力，液汽界面两侧存在着压差Δp－－毛细头；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/rpg、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Principleanddesignofheatexchanger2015eeerPcos2蒸发段有毛细头ΔPecceececaprrPPPcoscos2冷凝段有毛细头ΔPccccrPcos2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，Principleanddesignofheatexchanger2015ecaprP2max,glcapPPPP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Principleanddesignofheatexchanger2015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：vPgPKALmPlPrincipleanddesignofheatexchanger2015Principleanddesignofheatexchanger2015（2）工质的压力分布情况a.蒸汽流动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；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。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。Principleanddesignofheatexchanger2015b.液体流动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）；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Principleanddesignofheatexchanger2015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，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，由于不能获得连续的蒸汽流，传热能力将受到限制；2)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3）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Principleanddesignofheatexchanger20154)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)携带极限当热管中的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将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；6)毛细极限热管中工作介质的循环靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头维持，由于毛细结构为循环提供的毛细头是有限的，这将使热管的最大传热量受到限制，这种限制通常称作毛细极限或流体动力极限；7)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，不凝性气体的存在将降低冷凝段的冷却效率；8)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碍工作液体的循环而导致沸腾极限。Principleanddesignofheatexchanger2015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1－2－3－4－5－6－7－8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。65431278Principleanddesignofheatexchanger20153.5.5热管换热器的传热计算1.传热计算的基本方程传热计算基本方程式：传热方程式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。平均温差∆tm：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。传热量Q应取为热流体放热量Qh与冷流体吸热量Qc的算术平均值，即chQQQ21Principleand