【正文】 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）可拆式熱管換熱器設(shè)計(jì)及使用說明畢業(yè)論文1. 緒 論熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體 的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有 極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫 度可控制等特點(diǎn)。將熱管散熱器的基板與晶閘管等大功率電力電子器件的管芯緊密接 觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體 的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有 極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫 度可控制等特點(diǎn)。將熱管散熱器的基板與晶閘管等大功率電力電子器件的管芯緊密接 觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。我國(guó)的能源短缺問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能已被提到了重要的議事日程。大量的工業(yè)鍋 爐和各種窯爐、加熱爐所排放的高溫?zé)煔?，用熱管氣氣換熱器進(jìn)行余熱回收，所得 到的高溫空氣可用于助燃或干燥，因此應(yīng)用前景非常廣闊。據(jù)有關(guān)報(bào)道稱，我國(guó)三分 之二的能源被鍋爐吞噬，而我國(guó)工業(yè)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行效率只有65%左右，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó) 家的燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行熱效率達(dá)85%，因此，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，節(jié)能潛力十分 巨大。如果我國(guó)鍋爐的熱效率能夠提高10%，節(jié)約的能耗則相當(dāng)于三峽水庫(kù)一年的發(fā) 電量，做好工業(yè)鍋爐及窯爐的節(jié)能工作對(duì)節(jié)約能源具有十分重要的意義。利用熱管氣氣換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式氣氣換熱器，一方面,能夠大大提高預(yù)熱 空氣進(jìn)入爐內(nèi)的溫度，降低煙氣溫度，從而大大提高鍋爐的熱效率；另一方面，熱管 氣氣換熱器運(yùn)行壓降非常小，有時(shí)甚至不需要增加引風(fēng)機(jī)等設(shè)備，從而使得運(yùn)行費(fèi) 用大大降低。熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā) 與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意 改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率 高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體壓降小等優(yōu)點(diǎn)。由于其特殊的傳熱特性可控制管壁溫度，避免露 點(diǎn)腐蝕。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機(jī)械等行 業(yè)中進(jìn)行余熱回收以及綜合利用工藝過程中的熱能，已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。重 力熱管因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)的成本得到了廣泛的應(yīng)用，其工作原理是：熱管受熱側(cè) 吸收廢氣熱量，并將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)(液態(tài))，工質(zhì)吸熱后以蒸發(fā)與沸騰的形式轉(zhuǎn)變 為蒸汽，蒸汽在壓差作用下上升至放熱側(cè)，同時(shí)凝結(jié)成液體放出汽化潛熱，熱量傳給 放熱側(cè)的冷流體，冷凝液體依靠重力回流到受熱側(cè)。由于熱管內(nèi)部抽成真空，所以工 質(zhì)極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動(dòng)迅速。熱管在冷、熱兩側(cè)均可裝設(shè)翅片，以強(qiáng)化傳熱。熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量，通過內(nèi)部相變傳熱過程，把熱量輸送 到冷卻段，從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。完成這一轉(zhuǎn)移有6個(gè)同時(shí)發(fā)生而又相互關(guān)聯(lián)的主要過 程。這6個(gè)過程是：圖11熱管的工作過程示意圖（1）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液汽分界面；（2)液 體在蒸發(fā)段內(nèi)的液汽分界面上蒸發(fā)；（3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；（4)蒸 汽在冷凝段內(nèi)的汽液分界面上凝結(jié)；（5)熱量從汽一液分界面通過吸液芯、液體和管 壁傳給冷源；（6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。為進(jìn) 一步了解熱管的傳熱機(jī)理，將以上6個(gè)過程詳述如下：從熱源到蒸發(fā)段內(nèi)液一汽分界面的傳熱過程基本上是熱傳導(dǎo)過程。對(duì)于水或酒精這類低導(dǎo)熱系數(shù)的工作液體來說，由于吸液芯（金屬網(wǎng)）的導(dǎo)熱系數(shù)比液體高，因此通過吸液芯和液體時(shí)，熱能差不多主要靠多孔吸液芯材料進(jìn)行傳導(dǎo)。但是，如果工作液體是具有高導(dǎo)熱系數(shù)的液態(tài)金屬，此時(shí)熱量既通過吸液芯材料進(jìn)行熱傳導(dǎo)，同是也 通過吸液芯毛細(xì)孔內(nèi)的液態(tài)金屬進(jìn)行傳導(dǎo)。在多孔吸液芯的情況下，對(duì)流傳熱是很小的，因?yàn)橐a(chǎn)生有實(shí)際意義的對(duì)流流動(dòng)，毛細(xì)孔顯得太小了。通過吸液芯材料和工作液體的傳導(dǎo)所產(chǎn)生的溫差是熱管熱流通路中的主要溫度梯度之一，它的大小取決于工作液體、吸液芯材料、吸液芯厚度以及徑向凈熱流量。這個(gè)溫降可以從攝氏幾度到幾十度。熱量傳遞到液一汽分界面附近以后，液體就可能蒸發(fā)，與液體蒸發(fā)的同時(shí)，由于從表面離開的液體質(zhì)量使液一汽交界面縮回到吸液芯里面，形成一個(gè)凹形的彎月面(),這個(gè)彎月面的形狀對(duì)熱管工作性能有決定性影響。單個(gè)毛細(xì)孔上簡(jiǎn)單的力學(xué)平衡現(xiàn)象表明，對(duì)于球形分界面，蒸汽壓力與液體壓力之差是等于表面張力除以彎月面半徑之商的兩倍。這個(gè)壓差是液體流動(dòng)和蒸汽流動(dòng)的基本推動(dòng)力。它主要起到循 環(huán)時(shí)作用于液體的重力和粘滯力相抗衡的作用。在蒸發(fā)段，如果熱量進(jìn)一步增高，則彎月面還要進(jìn)一步縮入到吸液芯里面，最后它可能妨礙毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的液體流動(dòng)，并破壞熱管的正常工作。圖12熱管的汽一液交界面當(dāng)蒸發(fā)段里的液體一旦因吸收了汽化潛熱并蒸發(fā)時(shí)，蒸汽就開始通過熱管的蒸汽腔向冷卻段流動(dòng)。此流動(dòng)是由蒸汽腔兩端的小壓差引起的。蒸發(fā)段內(nèi)蒸汽的溫度比冷卻段內(nèi)的飽和溫度稍高一些，從而形成了兩端的溫度差。蒸發(fā)段與冷卻段之間這個(gè)溫 差常?？勺鳛闊峁芄ぷ鞒晒εc否的一個(gè)判據(jù)。176。c或rc,則熱管常常被稱為在“熱管工況”下工作，即等溫工作。在蒸汽向冷卻段流動(dòng)的同時(shí)，在蒸發(fā)段的沿途上不斷加進(jìn)補(bǔ)充的質(zhì)量（蒸汽）， 因此在整個(gè)蒸發(fā)段內(nèi)，軸向的質(zhì)量流量和速度是不斷增加的，在熱管的冷卻段內(nèi)則出現(xiàn)相反的情況。熱管內(nèi)的蒸汽流動(dòng)可以是層流，也可是湍流，這取決于熱管的實(shí)際工作情況。當(dāng)蒸汽流過蒸發(fā)段和絕熱段時(shí)，由于粘滯效應(yīng)和速度效應(yīng)使得壓力不斷下降（在絕熱段 只有粘滯效應(yīng)），一旦到達(dá)冷卻段，蒸汽就開始在液體一吸液芯表面上凝結(jié)，減速流 動(dòng)使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而使得在流體運(yùn)動(dòng)的方向上壓力有所回升。應(yīng)該指出： 蒸汽腔內(nèi)的驅(qū)動(dòng)壓力要比蒸發(fā)段與冷卻段內(nèi)液體的飽和蒸汽壓差銷為小一些。這是因?yàn)橐S一個(gè)邊界蒸發(fā)的過程，蒸發(fā)段內(nèi)液體的蒸汽壓力必須超過該處與之相對(duì)應(yīng)的 蒸汽壓力。同樣，為了保持連續(xù)凝結(jié)，正在冷凝中的蒸汽壓力必須超過該處與之對(duì)應(yīng) 的液體的蒸汽壓力。當(dāng)蒸汽凝結(jié)時(shí)，液體就浸透冷卻段內(nèi)的吸液芯毛細(xì)孔，彎月面具有很大的曲率半徑，可以認(rèn)為是無窮大。在熱管內(nèi)只要有過量的工質(zhì)，就一定集中在冷凝表面上，因而實(shí)際上冷凝段的汽一液分界面是一個(gè)平面，蒸汽凝結(jié)釋放出的潛熱通過吸液芯、液體層和管壁把熱量傳給管外冷源。如果有過量液體存在，則從分界面到管壁外面的溫 降將比蒸發(fā)段內(nèi)相應(yīng)的溫降大，因而，冷卻段內(nèi)的熱阻在熱管設(shè)計(jì)中是應(yīng)當(dāng)考慮的重 要熱阻之一。（1）很高的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此 具有很高的傳熱能力導(dǎo)熱能力。（2）優(yōu)良的等溫性。熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段 所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的ClausuisClapeyron方程式可知，溫降亦很小， 因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。（3）熱流密度可變性。熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即可改變 熱管的管內(nèi)蒸汽壓力和溫度，這樣即可以改變熱流密度。（4）熱流方向的可逆性。一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力， 因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。（5）恒溫特性。普通熱管的各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，但可變導(dǎo) 熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣熱管 在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的 恒溫特性。（6）熱二極管與熱開關(guān)性能。熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許 向相反的方向流動(dòng)；熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開始工作，當(dāng)熱源 溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。（7）環(huán)境的適應(yīng)性。熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機(jī)的 轉(zhuǎn)軸燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的以適應(yīng)長(zhǎng)距離或冷 熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場(chǎng))，也可用于空間(無重 力場(chǎng))。（8）熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運(yùn)行過程中單根 熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱器用 于易然、易爆、腐蝕性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性。（9）熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動(dòng)，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的逆 流換熱。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系 數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。（10）對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形 式解決換熱器的磨損和堵灰問題。（11）熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝 段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。熱管作為一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置，其概念首先是由美國(guó)通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的Gaugler于1944年提出的。他當(dāng)時(shí)的想法是：液體在某一位置上吸熱蒸發(fā)，而后 在它的下方某一位置放熱冷凝，不附加任何動(dòng)力而使冷凝的液體再回到上方原位置繼 續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，達(dá)到熱量從一個(gè)地點(diǎn)傳動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)的目的。Gaugler所 提出的第一個(gè)專利是一個(gè)冷凍裝置，由于時(shí)代條件的限制，Gaugler的發(fā)明在當(dāng)時(shí)未 能得到應(yīng)用。1962年特雷費(fèi)森向美國(guó)通用電氣公司提出報(bào)告，倡議在宇宙飛船上采用一種類似 Gaugler的傳熱設(shè)備。但因這種倡議并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，亦未能付諸實(shí)施。1963年LosAlamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Grover在他的專利中正式提出熱管的命名，該裝置基本上與Gaugler的專利相類似。他采用一根不銹鋼管作殼體，鈉為工作介質(zhì)， 并發(fā)表了管內(nèi)裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了有限的理論分析，同時(shí)提出了以銀和鋰作為熱管的工作介質(zhì)的觀點(diǎn)。1964年Grover等人首次公開了他們的試驗(yàn)結(jié)果。此后英國(guó)原子能實(shí)驗(yàn)室開始了類似的以鈉和其它物質(zhì)作為工作介質(zhì)的熱管研究工作。工作的興趣主要是熱管在核熱 離子二極管轉(zhuǎn)換器方面的應(yīng)用。與此同時(shí)，在意大利的歐洲原子能聯(lián)合核研究中心也開展了積極的熱管研究工作。但興趣仍然集中在熱離子轉(zhuǎn)換器方面，熱管的工作溫度 達(dá)到 1600?1800。1964年至1966年期間，美國(guó)無線電公司制作了以玻璃、銅、鎳、不銹鋼、鑰等材料作為殼體，水、銫、鈉、鋰、鉍等作為管內(nèi)的工作液體的多種熱管，操作溫度達(dá) 到 1650。1967年至1968年，美國(guó)應(yīng)用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應(yīng)用范圍涉及到空調(diào)、電子器件、核電機(jī)的冷卻等方面。并初次出現(xiàn)了柔性熱管和平板式的異形熱管。LosAlamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工作一直處于領(lǐng)先狀態(tài)，其工作重點(diǎn)是衛(wèi)星上熱管的應(yīng)用研究。1967年一根不銹鋼水熱管首次在空間運(yùn)轉(zhuǎn)成功。1965年Cotter首次較完整 地闡述了熱管理論，他描述了熱管中發(fā)生的各個(gè)過程的基本方程，并提出了計(jì)算熱管工作毛細(xì)限的數(shù)學(xué)模型，從而奠定了熱管理論的基礎(chǔ)。Katzoff于1966年首先發(fā)明有干道的熱管。干道的作用是為后冷凝段回流到蒸發(fā)段的液體提供一個(gè)壓力降較小的通道。后來莫里茨核普魯謝客提出了一個(gè)新的名詞， 把在吸液芯結(jié)構(gòu)中加進(jìn)一些干道的熱管稱為“第二代熱管”，并把它與“第一代熱管” 即裝有絲網(wǎng)層等吸液芯的熱管作了比較，他們證明“第二代熱管”比第一代熱管好。1969年，蘇聯(lián)、日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了有關(guān)熱管應(yīng)用研究的文章。在日本的文章中描述了帶翅片熱管管束的空氣加熱器。在能源日趨緊張的情況下，它可以用來回 收工業(yè)排氣中的熱能。同年特納核比恩特提出了 “可變導(dǎo)熱管”作為恒溫控制使用。 格雷提出轉(zhuǎn)動(dòng)熱管，此種熱管沒有吸液芯，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)中的離心力使液體從冷凝段回流 到蒸發(fā)段，這些發(fā)明都是熱管技術(shù)的重大進(jìn)展。熱管自1964年問世以來，獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫液態(tài)金屬熱管已廣泛地被用于動(dòng)力工程的核反應(yīng)堆和同位素反應(yīng)器的冷卻系統(tǒng)，并在空間應(yīng)用中作為熱離子核熱 電發(fā)生器的重要部件；此外，作為高溫?fù)Q熱器回收高溫?zé)崮茴H具前途。中溫?zé)峁軓V泛 地被用于電子器件及集成電路的冷卻、大功率行波管的冷卻、密閉儀表的冷卻；在動(dòng)力工程中用于透平葉輪、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及變壓器的冷卻；在能量工程方面用于廢 氣熱能回收、太陽能和地?zé)崮艿睦?；在機(jī)械工程方面用于高速切削工具（車刀、鉆 頭）的冷卻。低溫?zé)峁茉谕ㄐ怕?lián)絡(luò)中冷卻紅外線傳感器、參量放大器；在醫(yī)學(xué)方面可用作低溫手術(shù)刀，進(jìn)行眼睛和腫瘤的手術(shù)。隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍還在擴(kuò) 大。幾個(gè)典型的應(yīng)用如下：美國(guó)阿拉斯加輸油管線工程采用熱管作輸油管線的支撐。這條管線穿過寒冷的凍土地帶，夏天凍土融化，使得管線下陷，引起管線破裂。后來，決定在管架支撐中裝 設(shè)簡(jiǎn)單的重力熱管，從而解決這個(gè)困難。冬天通過熱管將管樁基礎(chǔ)周圍的熱量帶出并 散失在空氣中，使土壤凍透，形成結(jié)實(shí)的“低溫錨樁”。夏天，由于重力熱管具有單 向傳熱性能，大氣中的熱不能傳到地下，故地下凍土不能融化；采用了氨碳鋼熱管, 長(zhǎng)10?20m，上部散熱端裝有鋁翅片，埋入土壤中的深度為9?12m，在熱管兩端溫 差小于1176。C的情況下，保證每根熱管可輸送300W的熱流。其熱管的設(shè)計(jì)使用壽命可 達(dá)30年，滿足整個(gè)管線工程的要求。在1290km長(zhǎng)的管線上，總共使用了 112,000 多根熱管。熱管應(yīng)用于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)釜，反應(yīng)釜的攪拌軸就是一根熱管。當(dāng)反應(yīng)釜中的反應(yīng)溫度達(dá)不到熱管啟動(dòng)溫度時(shí)，熱管不工作，一旦溫度上升到熱管工作溫度時(shí)，熱管便 通過釜內(nèi)的吸熱片把熱量傳到釜外，通過散熱片散入空間，從而使得釜內(nèi)反應(yīng)溫度保 持恒定。熱管在太陽能方面的應(yīng)用。目前太陽能熱管發(fā)電裝置、太陽能熱管熱水器等產(chǎn)品已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱管技術(shù)正愈來愈廣泛地滲入到各個(gè)工 業(yè)領(lǐng)域中，發(fā)揮出愈來愈重要的作用。我國(guó)熱管研究開始于1970年左右。在1972年，第一根鈉熱管運(yùn)行成功，以后相繼研制成功氨、水、鈉、汞、聯(lián)苯等各種介質(zhì)的熱管，并在應(yīng)用上取得了一定的進(jìn)展。 1981年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)試驗(yàn)性熱管換熱器運(yùn)行成功，各地相繼出現(xiàn)了各種不同類型的、 不同溫度范圍的氣氣熱管換熱器和氣液熱管換熱器，在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良 好的作用，并積累