1、 1 热管换热器设计计算及设计说明书 第一章 热管及热管换热器的概述 热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出 。 热管传热技术于六十年代初期由美国的科学家发明 1，它是利用封闭工作腔内 工质的相变循环进行热量传输，因而具有传输热量大及传输效率高等特点。随着热管制造成本的降低，尤其是九十年代前后随着水碳钢热管相容性问
2、题的解决，热管凭借其巨大的传热能力，被广泛应用于石油、化工、食品、造纸、冶金等领域的余热回收系统中。热管气 -气换热器是最能体现热管优越性的热管换热器产品，它正在逐步取代传统的管壳式换热器。热管气 -气换热器是目前应用最广泛的一种气 -气换热器。 我国的能源短缺问题日趋严重，节能已被提到了重要的议事日程。大量的工业锅炉和各种窑炉、加热炉所排放的高温烟气，用热管气 -气换热器进行余热回收， 所得到的高温空气可用于助燃或干燥，因此应用前景非常广阔。据有关报道称，我国三分之二的能源被锅炉吞噬，而我国工业锅炉的实际运行效率只有 65%左右，工业发达国家的燃煤工业锅炉运行热效率达 85%，因此，提高工业
3、锅炉的热效率，节能潜力十分巨大。如果我国锅炉的热效率能够提高 10%，节约的能耗则相当于三峡水库一年的发电量，做好工业锅炉及窑炉的节能工作对节约能源具有十分重要的意义 26。 利用热管气 -气换热器代替传统的管壳式气 -气换热器，一方面 ,能够大大提高预热空气进入炉内的温度，降低烟气温度，从而大大提高锅炉的热效 率；另一方面，热管气 -气换热器运行压降非常小，有时甚至不需要增加引风机等设备，从而使得运行费用大大降低。 1.1 热管及其应用 2 热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可
4、远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体 压降 小等优点。由于其特殊的传热特性可控制管壁温度，避免露点腐蚀。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业中进行 余 热回收以 及综合利用工艺过程中的热能，已取得了显著的经济效益 7。 重力热管 因其简单的结构及经济的成本得到了广泛的应用，其 工作原理 是： 热管受热侧吸收废气热量，并将热量传给管内工质 (液态 )，工质吸热后以蒸发与沸腾的形式转变为蒸汽，蒸汽在压差作用下上升至放热侧，同时凝结成液体放出汽化潜热，热量传给放热侧的冷流体，冷凝液体依靠重力回流到受热侧。由于热管内部抽成
5、真空，所以工质极易蒸发与沸腾，热管起动迅速。热管在冷、热两侧均可装设翅片，以强化传热。 1.1.1 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 个同时发生而又相互关联的主要过程 ,如图 1.1。这 6 个过程是： 3 图 1.1 热管的工作过程示意图 (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流到冷凝段； (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
6、冷源； (6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。 为进一步了解热管的传热机理，将以上 6 个过程详述如下： 从热源到蒸发段内液 汽分界面的传热过程基本上是热传导过程。对于水或酒精这类低导热系数的工作液体来说，由于吸液芯（金属网）的导热系数比液体高，因此通过吸液芯和液体时，热能差不多主要靠多孔吸液芯材料进行传导。但是，如果工作液体是具有高导热系数的液态金属，此时热量既通过吸液芯材料进行热传导，同是也通过吸液芯毛细孔内的液态金属进行传导。在多孔吸液 芯的情况下，对流传热是很小的，因为要产生有实际意义的对流流动，毛细孔显得太小了。通过吸液芯材料和工作液体的传导所产生的温差是热管热
7、流通路中的主要温度梯度之一，它的大小取决于工作液体、吸液芯材料、吸液芯液膜 蒸汽 q q 工质 4 厚度以及径向净热流量。这个温降可以从摄氏几度到几十度。 热量传递到液 汽分界面附近以后，液体就可能蒸发，与液体蒸发的同时，由于从表面离开的液体质量使液 汽交界面缩回到吸液芯里面，形成一个凹形的弯月面 (如图 1.2),这个弯月面的形状对热管工作性能有决定性影响。单个毛细孔上简单的力学平衡现象表明，对于球形分界面，蒸 汽压力与液体压力之差是等于表面张力除以弯月面半径之商的两倍。这个压差是液体流动和蒸汽流动的基本推动力。它主要起到循环时作用于液体的重力和粘滞力相抗衡的作用。在蒸发段，如果热量进一步增
8、高，则弯月面还要进一步缩入到吸液芯里面，最后它可能妨碍毛细结构中的液体流动，并破坏热管的正常工作。 图 1.2 热管的汽 液交界面 当蒸发段里的液体一旦因吸收了汽化潜热并蒸发时，蒸汽就开始通过热管的蒸汽腔向冷却段流动。此流动是由蒸汽腔两端的小压差引起的。 蒸发段内蒸汽的温度比冷却段内的饱和温度稍高一些，从而形成了两端的温度 差。 蒸发段与冷却段之间这个温差常常可作为热管工作成功与否的一个判据。如果此温差小于 0.5 或 1 ，则热管常常被称为在“热管工况”下工作，即等温工作。 在蒸汽向冷却段流动的同时，在蒸发段的沿途上不断加进补充的质量（蒸汽），因此在整个蒸发段内，轴向的质量流量和速度是不断增
9、加的，在热管的冷却段内则出现相反的情况。 热管内的蒸汽流动可以是层流，也可是湍流，这取决于热管的实际工作情5 况。当蒸汽流过蒸发段和绝热段时，由于粘滞效应和速度效应使得压力不断下降（在绝热段只有粘滞效应），一旦到达冷却段，蒸汽就开始在液体 吸液芯表面上凝结，减速流动使部分动能转化为静压能，从而使得在流体运动的方向上压力有所回升。应该指出：蒸汽腔内的驱动压力要比蒸发段与冷却段内液体的饱和蒸汽压差销为小一些。这是因为要维持一个边界蒸发的过程，蒸发段内液体的蒸汽压力必须超过该处与之相对应的蒸汽压力。同样，为了保持连续凝结，正在冷凝中的蒸汽压力必须超过该处与之对应的液体的蒸汽压力。 当蒸汽凝结时，液体
10、就浸透冷却段内的吸液芯毛细孔，弯月面具有很大的曲率半径，可以认为是无穷大。在热管内只要有过量的工质，就一定集中在冷凝表面上，因而实际上冷凝段的汽 液分界面是一个 平面，蒸汽凝结释放出的潜热通过吸液芯、液体层和管壁把热量传给管外冷源。如果有过量液体存在，则从分界面到管壁外面的温降将比蒸发段内相应的温降大，因而，冷却段内的热阻在热管设计中是应当考虑的重要热阻之一。 1.1.2 热管的发展历程及应用领域 热管作为一种具有高导热性能的传热装置，其概念首先是由美国通用发动机公司的 Gaugler 于 1944 年提出的。他当时的想法是：液体在某一位置上吸热蒸发，而后在它的下方某一位置放热冷凝，不附加任何
11、动力而使冷凝的液体再回到上方原位置继续吸热蒸发，如此循环，达到热量从一个地点传动到另 一个地点的目的。 Gaugler 所提出的第一个专利是一个冷冻装置，由于时代条件的限制， Gaugler 的发明在当时未能得到应用。 1962 年特雷费森向美国通用电气公司提出报告，倡议在宇宙飞船上采用一种类似 Gaugler 的传热设备。但因这种倡议并未经过实验证明，亦未能付诸实施。 1963 年 Los-Alamos 科学实验室的 Grover 在他的专利中正式提出热管的命名，该装置基本上与 Gaugler 的专利相类似。他采用一根不锈钢管作壳体，钠为工作介质，并发表了管内装有丝网吸液芯的热管实验结果，进
12、行了有限的理论分析，同时提 出了以银和锂作为热管的工作介质的观点。 1964 年 Grover 等人首次公开了他们的试验结果。此后英国原子能实验室开始了类似的以钠和其它物质作为工作介质的热管研究工作。工作的兴趣主要是热管在核热离子二极管转换器方面的应用。与此同时，在意大利的欧洲原子能6 联合核研究中心也开展了积极的热管研究工作。但兴趣仍然集中在热离子转换器方面，热管的工作温度达到 16001800 。 1964 年至 1966 年期间，美国无线电公司制作了以玻璃、铜、镍、不锈钢、钼等材料作为壳体，水、铯、钠、锂、铋等作为管内的工作液体的多种热管，操作 温度达到 1650 。 1967 年至 1
13、968 年，美国应用于工业的热管日渐广泛，应用范围涉及到空调、电子器件、核电机的冷却等方面。并初次出现了柔性热管和平板式的异形热管。 Los-Alamos 科学实验室的工作一直处于领先状态，其工作重点是卫星上热管的应用研究。 1967 年一根不锈钢 -水热管首次在空间运转成功。 1965 年 Cotter首次较完整地阐述了热管理论，他描述了热管中发生的各个过程的基本方程，并提出了计算热管工作毛细限的数学模型，从而奠定了热管理论的基础。 Katzoff 于 1966 年首先发明有干道的热管。干道 的作用是为后冷凝段回流到蒸发段的液体提供一个压力降较小的通道。后来莫里茨核普鲁谢客提出了一个新的名词
14、，把在吸液芯结构中加进一些干道的热管称为“第二代热管”，并把它与“第一代热管”即装有丝网层等吸液芯的热管作了比较，他们证明“第二代热管”比第一代热管好。 1969 年，苏联、日本的有关杂志均发表了有关热管应用研究的文章。在日本的文章中描述了带翅片热管管束的空气加热器。在能源日趋紧张的情况下，它可以用来回收工业排气中的热能。同年特纳核比恩特提出了“可变导热管”作为恒温控制使用。格雷提出转动热管，此种热管没有吸液芯 ，依靠转动中的离心力使液体从冷凝段回流到蒸发段，这些发明都是热管技术的重大进展。 热管自 1964 年问世以来，获得了广泛的应用。高温液态金属热管已广泛地被用于动力工程的核反应堆和同位
15、素反应器的冷却系统，并在空间应用中作为热离子核热电发生器的重要部件；此外，作为高温换热器回收高温热能颇具前途。中温热管广泛地被用于电子器件及集成电路的冷却、大功率行波管的冷却、密闭仪表的冷却；在动力工程中用于透平叶轮、发电机、电动机以及变压器的冷却；在能量工程方面用于废气热能回收、太阳能和地热能的利用；在机械工程方面用于高速切削工 具（车刀、钻头）的冷却。低温热管在通信联络中冷却红外线传感器、参量放大器；在医学方面可用作低温手术刀，进行眼睛和肿瘤的手术。随着热管技术的发展，其应用范围还在扩大。几个典型的应用如下： 7 美国阿拉斯加输油管线工程采用热管作输油管线的支撑。这条管线穿过寒冷的冻土地带
16、，夏天冻土融化，使得管线下陷，引起管线破裂。后来，决定在管架支撑中装设简单的重力热管，从而解决这个困难。冬天通过热管将管桩基础周围的热量带出并散失在空气中，使土壤冻透，形成结实的“低温锚桩”。夏天，由于重力热管具有单向传热性能，大气中的热不能传到地下 ，故地下冻土不能融化；采用了氨 -碳钢热管，长 10 20m，上部散热端装有铝翅片，埋入土壤中的深度为 9 12m，在热管两端温差小于 1 的情况下，保证每根热管可输送 300W 的热流。其热管的设计使用寿命可达 30 年，满足整个管线工程的要求。在 1290km长的管线上，总共使用了 112,000 多根热管。 热管应用于一个化学反应釜，反应釜
17、的搅拌轴就是一根热管。当反应釜中的反应温度达不到热管启动温度时，热管不工作，一旦温度上升到热管工作温度时，热管便通过釜内的吸热片把热量传到釜外，通过散热片散入空间，从而使得釜内反应温度保 持恒定。 热管在太阳能方面的应用。目前太阳能热管发电装置、太阳能热管热水器等产品已经得到了成功应用。随着工业技术的发展，热管技术正愈来愈广泛地渗入到各个工业领域中，发挥出愈来愈重要的作用。 我国热管研究开始于 1970 年左右。在 1972 年，第一根钠热管运行成功，以后相继研制成功氨、水、钠、汞、联苯等各种介质的热管，并在应用上取得了一定的进展。 1981 年国内第一台试验性热管换热器运行成功，各地相继出现
18、了各种不同类型的、不同温度范围的气 -气热管换热器和气 -液热管换热器，在工业余热回收方面发挥了良好的作用，并积累了 一定的使用经验。 20 世纪 80 年代初，国内一些科研院所、高校及制造厂相继开展了热管气 -气换热器的试验研究。主要目的是解决热管的制造工艺、碳钢 -水热管的相容性、中高温热管的研制、热管的传热性能及热管换热器的设计方法等问题，其研究成果陆续在石化、冶金、电力等行业推广应用。 目前国内已有数千台热管气 -气换热器先后投入使用，取得了较好的使用效果。但也暴露了不少问题，如热管失效、低温腐蚀、积灰、漏风等，影响了热管气 -气换热器的进一步推广。因此，急需对这些问题进行细致分析与研
19、究，完善热管气 -气换热器的设计制造方法，提高 热管气 -气换热器的使用效果和寿命 812。 8 1.1.3 热管换热器的性能特点及技术优势 由热管管束和外壳等组成的换热器称为热管换热器。一般情况下，它有一个矩形的外壳，在矩形外壳中布满了带翅片的热管。热管的布置可以是错列呈三角形的排列，也可以是顺列呈正方形排列。在矩形壳体内部的中央有一块隔板把壳体分成两个部分，形成热流体与冷流体的通道。当热冷流体同时在各自的通道中流过时，热管就将热流体的热量传给了冷流体，实现了两种流体的热量交换。 根据具体工况设计的热管换热器结构及外形形式多样，图 1.3、图 1.4 分别为应用 最为广泛的气 -气热管换热器
20、外形示意图和气 -液热管换热器外形示意图。 图 1.3 气 -气热管换热器 9 图 1.4 气 -液热管换热器 热管式换热器是一种新型的换热器，于 70 年代初才开始应用于工业中作为节能设备。虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。热管换热器的最大特点是：结构简单、换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器，换热流体通过换热器时的压力损失也比其他换热器小，因而动力消耗也小。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热 设备。 我国于 1970 年开始的热管研制工作，首先是为航天技术发展的需要而进行的。 1976 年 12
21、月 7 日，在卫星上首次应用热管取得了成功。我国气象卫星也应用了热管，并获得了预期效果。我国在热管换热器方面的研制工作起步较早。南京工业大学于 1973 年就开始了这方面研制工作，并和南京炼油厂共同完成了国内第一台热管换热器。以后几年，热管换热器相继在纺织、石油、化工等行业用于余热回收及干燥工艺上。各研究热管的科研单位和大专院校都先后与制造热管的厂家组成了科研生产联合体，在扩大热管换热器应用范围和有效、合理地使用热管换热器 等方面起了推动作用。 热管气 -气换热器是一种应用最广泛的热管换热器。随着能源短缺问题的日趋严峻，节能意识越来越深入人心，热管气 -气换热器的应用前景更加广阔。 热管气 -
22、气换热器是目前应用最为广泛的一种余热回收设备 ,它利用锅炉、10 加热炉等排烟余热预热炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，还可以减轻对环境的污染，因此，热管气 -气换热器在余热回收利用中得到非常广泛的应用。图 1.5（ a）是热管气 -气换热器用于回收锅炉烟气余热，得到的热空气用于锅炉助燃的流程示意图，图 1.5（ b）是热管气 -气换热器用于回收窑炉烟气余热来 加热空气，得到的热空气作为烘房热源的流程示意图。 图 1.5 热管气 -气换热器流程示意图（ a） 图 1.5 热管气 -气换热器流程示意图（ b） 烟囱 燃料 热空气 150 送烘房 低温烟气 150 低温烟气 180 空气 20-30 锅炉 热管气 -气换热器
