【正文】 的形成凝結(jié)液，凝結(jié)液在吸液芯毛細力的作用下，返回到蒸發(fā)段再吸熱。蒸發(fā)熱管3 個工作段中，蒸發(fā)段與凝結(jié)段是必不可少的，而絕熱段根據(jù)設(shè)計的要求可有可無，在實際應(yīng)用的熱管結(jié)構(gòu)中，通常都是沒有絕熱段的。 熱管作為一種高效的傳熱元件，有著區(qū)別于其它傳熱元器件的特性。在這里提出將熱管的技術(shù)用于高速主軸冷卻，主要因為熱管的以下幾點特性為實現(xiàn)主軸冷卻控制提供了可行性：（1）高效的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要靠工作液體汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。因此有人把熱管稱之為熱的“超導(dǎo)體”。（2）熱響應(yīng)性速度快。只要是蒸發(fā)段的溫度稍微高于其冷凝段的溫度，熱管就會快速響應(yīng)，調(diào)節(jié)蒸發(fā)段溫度與冷凝段溫度之間的溫度差。（3）結(jié)構(gòu)形狀的多樣性。熱管的基本結(jié)構(gòu)可以根據(jù)熱源和冷源的條件需要，變化出多種形狀，而且加熱和冷卻的位置可以任意選取，使其適應(yīng)性大大增強，也擴大了其應(yīng)用的領(lǐng)域。（4）管內(nèi)溫度分布非常均勻。熱管表面溫度是由真空中的蒸汽溫度控制的，而熱管內(nèi)部的各部分熱阻很小，受溫度變化不大，當(dāng)加熱量變化時，熱管蒸發(fā)段和冷凝段的溫度也會發(fā)生均勻變化。這種等溫性與熱管的形狀和尺寸關(guān)系不大。（5）導(dǎo)熱密度可以隨著需要的變化而變化。既可以用較小的蒸發(fā)段輸入熱量，用較大的冷凝段輸出熱量，也可以用較大的蒸發(fā)段輸入熱量，而以較小的冷凝段輸出熱量。高速主軸在高速旋轉(zhuǎn)時，和軸承產(chǎn)生大量的熱量，如不及時導(dǎo)走，將會影響系統(tǒng)的正常運行。在高速主軸的冷卻系統(tǒng)設(shè)計上，通過改用高效的導(dǎo)熱元器件，來控制電主軸的溫升，減小電主軸的熱膨脹，對于提高電主軸的使用性能是至關(guān)重要的。在本設(shè)計中，電機帶動軸和軸承轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的熱量通過菊形盤和法蘭傳到真空室外，迅速通過熱管內(nèi)部的蒸汽帶到冷凝段，而在冷凝端遇上冷空氣，就會迅速帶走熱量，保證電主軸的恒溫狀態(tài)。第二章 熱管的選擇及軸承產(chǎn)熱計算 熱管工質(zhì)的選擇良好的工質(zhì)應(yīng)具有如下的性質(zhì)：①傳熱能力高；②在工作時有適中的飽和蒸汽壓；③與管芯、管殼材料能長期相容，本身化學(xué)組成穩(wěn)定，不發(fā)生分解；④導(dǎo)熱系數(shù)高，⑤潤濕性能好。工質(zhì)的選擇取決于使用要求。采用不同的工質(zhì)，熱管可以在極其廣泛的溫度范圍內(nèi)工作。根據(jù)溫度范圍可將熱管分為低溫、中溫和高溫?zé)峁?。低溫?zé)峁苁侵腹ぷ鳒囟仍?～200K范圍內(nèi)的熱管。用氦做工質(zhì)，可以在4K下工作。氫和氖可以在20～30K范圍內(nèi)使用。溫度再高一些，則可用的工質(zhì)有氮和氧。在100～200K范圍內(nèi)常用的工質(zhì)有甲烷、乙烷、F—13等。低溫工質(zhì)的特點是傳輸系數(shù)均很小，毛細升高系數(shù)也很小。它們與一般的工程材料均能相容，但用氫作工質(zhì)時需注意材料的氫脆（腐蝕）問題。很多低溫工質(zhì)是易燃易爆的，而且這些工質(zhì)在常溫下貯存時均為超臨界狀態(tài)，壓力很高，因此需注意使用的安全性。中溫?zé)峁苁侵腹ぷ髟?00～700K范圍內(nèi)的熱管。這是迄今使用最為廣泛的一類熱管。在此溫度范圍內(nèi)，水的熱性能最好，能在350～500K溫度下使用，缺點是與鋁，鋼等常用工程材料不相容，只能與銅長期相容．而且其凝固點高，因此限制了它的使用。但近年來通過大量的研究，在鋼水相容性方面取得了進展；鋼/水熱管已在余熱回收方面廣泛應(yīng)用。在航天器溫度控制和空調(diào)系統(tǒng)所要求助200～350K范圍內(nèi)，最佳的工質(zhì)是氨氣，其熱性能僅次于水。而且能與鋁、鋼等工程材料長期相容，凝固點也低，因此在衛(wèi)星、飛船上得到了廣泛的使用。丙酮和甲醇可以在300～400K范圍內(nèi)使用，其蒸汽壓比氨低，與氨相比，可在較高溫度時使用。特別是甲醇，其熱性能僅次于氨，有良好的控制靈敏度，因而在氣體控制熱管中很有用。此外F—1F—2F—113等氟利昂也可在這一溫區(qū)內(nèi)使用。在中溫區(qū)的高溫端，即500K～700K范圍內(nèi)，合適的工質(zhì)較少。已經(jīng)進行研究的工質(zhì)有汞和一些有機物，如導(dǎo)熱姆、聯(lián)苯等。但這些有機物的共同特點是蒸發(fā)潛熱及表面張力較小，高于一定溫度可能發(fā)生分解。鑒于這一溫區(qū)對于熱能回收、太陽能利用、化工過程有很大的意義，因此尋找該溫區(qū)的熱管工質(zhì)仍是一個重要的課題[9]。根據(jù)設(shè)計所給熱管工作溫度在40～60℃這個區(qū)間，這一區(qū)間可選的工質(zhì)有氨、甲醇和氟利昂。，選用甲醇作為工質(zhì)較為合適。 幾種常見工質(zhì)的適用范圍工質(zhì)（常壓）下沸點（℃）熔點（凝點）（℃）臨界點（℃）合適的工作 范圍（℃）對應(yīng)的壓力范圍（）氨337840～60～氟利昂112435 ――20～120～丙酮579820～120～甲醇649824030～130～水100050～250～導(dǎo)熱姆25712497200～350～汞36139――300～550～鉀77462――550～850～鈉89298――600～1200～ 工質(zhì)物性數(shù)據(jù)的選擇和計算查化工工藝設(shè)計手冊：，℃。飽和溫度。取管內(nèi)熱流體（甲醇）溫度。管外空氣冷流體溫度不變，取。甲醇定性溫度為：。空氣的定性溫度為：。℃時的物性數(shù)據(jù)[10]： 甲醇在48℃時的物理性質(zhì)：空氣在25℃時的物理性質(zhì)： 物理性質(zhì)表物性甲醇（48℃）空氣（25℃）密度 比熱 導(dǎo)熱系數(shù) 普蘭特準(zhǔn)數(shù)粘度 估算熱管的工作溫度 已知：℃，℃則熱管工作的平均溫度為：℃ 推動力的計算 ℃ 軸承產(chǎn)熱的計算軸承的摩擦損失在軸承內(nèi)部幾乎全部變?yōu)闊崃?，因而致使軸承溫度升高，軸承的發(fā)熱量可以用以下公式進行計算[11]： 式中： ――軸承摩擦發(fā)熱量，； ――摩擦力矩，； ――軸承轉(zhuǎn)速， ；摩擦力矩的估算公式為： 式中： M ——摩擦力矩，； ——軸承摩擦系數(shù)，的取值見表23[4]，本設(shè)計取； ——當(dāng)量動載荷，； ——軸承的公稱內(nèi)徑，；由查軸承標(biāo)準(zhǔn)，選用極限轉(zhuǎn)速為22000的軸承，其型號為61905?；緟?shù)為：內(nèi)徑，外徑，寬度，基本額定動載荷，基本額定靜載荷，疲勞負荷極限。軸承的預(yù)期計算壽命取為10年，軸承壽命計算公式[12]：，對于深溝球軸承，式中取3。代入數(shù)據(jù)： 則： 軸承類型摩擦系數(shù)μ深溝球軸承～角接觸球軸承～調(diào)心球軸承～滾針軸承～圓錐滾子軸承～調(diào)心滾子軸承～推力球軸承～推力滾子軸承～ 熱管工作平均溫度的計算 因為℃，℃，則熱管工作的平均溫度： ℃。 管殼材料的選擇及強度計算管殼的作用是將工質(zhì)與外界環(huán)境隔離，因此對它的基本要求就是密封不漏，并能承受內(nèi)、外壓差。管殼還是熱量傳入與傳出熱管的必經(jīng)之路，因此要求它的熱阻小。它還必須與工質(zhì)相容。在具體應(yīng)用時，還應(yīng)滿足一定的形狀尺寸要求。一般情況下，熱管殼體均為金屬材料制成，但在特殊情況下，如要求熱管具有電絕緣性能時，也有用非金屬材料（如陶瓷）作熱管殼體的。選擇管殼材料應(yīng)考慮如下幾個方面[13]：（1）相容性及穩(wěn)定性不僅與工質(zhì)要相容，還應(yīng)與外界環(huán)境介質(zhì)相容。在工業(yè)應(yīng)用中，特別是化工裝置中的換熱器或是煙氣廢熱回收換熱器中，熱管可能直接與腐蝕性介質(zhì)或氣體接觸，這樣為了保證熱管能長期安全可靠地運行，與外部介質(zhì)的相容性也需在選擇管材時加以考慮。（2）高的導(dǎo)熱系數(shù)在采用金屬材料殼體情況下，主要熱阻在管芯上，這個要求很容易滿足，但在溫差要求極小的等溫?zé)峁埽ㄈ绾隗w）或管殼采用電絕緣林料的情況下，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的材料。（3）工藝性好首先要求材料有良好的焊接氣密性，例如用鋁合金作管殼時，應(yīng)選用焊接氣密性好的純鋁或鋁—鎂合金（防銹鋁），一般不采用常用的結(jié)構(gòu)材料鋁銅合金，如LY—12，因它的焊接氣密性較差。在結(jié)構(gòu)鋼中，推薦采用易焊接的低碳鋼15等。對槽道熱管，一般是用擠壓性能良好的鋁—鎂合金LF2LF紫銅等材料。（4）高強度，重量輕 這個要求對空間應(yīng)用是極為重要的，因此在航天器上使用的中、低溫?zé)峁艽蠖疾捎娩X合金做管殼。（5)材料致密，滲透率要小。（6)對工質(zhì)有良好的浸潤性。（7)價廉。綜合管殼材料的選用原則和表24，本設(shè)計選用鋼號為Q235（GB 912）的碳素鋼為管材[14] 。根據(jù)我國管材標(biāo)準(zhǔn)GB151，管外徑32的碳鋼熱管。校核所能承受的最大工作壓力。碳鋼的應(yīng)力：315～335，取。根據(jù)材料許用應(yīng)力公式有： 因為％，其中，碳鋼抗拉強度安全系數(shù)：。材料許用應(yīng)力：熱管最大容許工作壓力的計算： 式中：――熱管壁厚，；――熱管外徑。查文獻［3］℃時的飽和壓力，所以。 常用管殼材料和工質(zhì)的相容性工質(zhì)鋁銅碳鋼鎳不銹鋼鈦氮√√√√√甲烷√√――――√――氨√√√√――甲醇√√√√――丙酮√√――√√――苯√――√――――――水√√√聯(lián)苯醚√――√√――鉀――――√――鈉――――――√√汞――――――――√――表24中， “√”表示管殼材料與工質(zhì)能相容；“”表示管殼材料和工質(zhì)不相容。 熱阻和傳熱面積的計算 熱阻的計算由《熱管和熱管換換熱器》，本設(shè)計按照常規(guī)圓筒壁導(dǎo)熱公式計算：式中：——蒸發(fā)段導(dǎo)熱熱阻，；——冷凝