【正文】 AU A ??? （ 13） 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 31 其中的 1U 、 2U 分別為加熱段和冷卻段管外的有效給熱系數(shù)。從式（ 15）求出U，分別代入式（ 16），可求出 Ah。 在解決了熱管氣 氣換熱器的總傳熱系數(shù) U 之后，就可寫出熱管氣 氣換熱器的總傳熱方程式為 : 1 mQ UA T?? (16) 式中的 Q 為熱管氣 氣換熱器總傳熱量， U 為熱管氣 氣換熱器 的總傳熱系數(shù)， 1A 為熱管氣 氣換熱器加熱段管外總面積，Δ Tm 為熱管氣 氣換熱器的對數(shù)平均溫差。 式（ 10）就具有如下的形式 ： 111 1 1 1 10 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2222 2 2 20 2 0 2 2 2 2 2 2 21()()wyf w y i i i iwyf w y i iA A A A ArrU U A A A A U A U AA A A ArrU A A A A U A??? ? ? ? ??? ? ? ?? （ 11） 式中 的為以管內(nèi)面積為基準的熱管內(nèi)部蒸發(fā)傳熱系數(shù)， 為以管內(nèi)面積為基準的熱管內(nèi)部冷凝傳熱系數(shù)。 加熱段的傳熱方程為： 1 1 1()vQ U A T T?? (3) 冷卻段的傳熱方程為： 2 2 2()vQ U A T T?? (4) 將上式整理后可得： 1 11v QTTUA?? (5) 2 22v QTTUA?? (6) 兩式相加消去 vT 后，可得： 121 1 2 211TTQU A U A??? (7) 對于熱管氣 氣換熱器，一般總是以加熱段管外側(cè)的總表面積 1A 為計算基準的， 故 : 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 29 10()fA A A?? (8) 111 1 1 11 0 1 0 1 1 1 1 1 1 11 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (1) 對于冷卻段，有 222 2 2 22 0 2 0 2 2 2 2 2 2 21 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (2) 式中的 1A 和 2A 分別為加熱段和冷卻段的管外總表面積， A0， A0， 2 分別為加熱段和冷卻段翅片間光管表面積； 1fA 和 2fA 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積； 1U 和 2U 分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準的傳熱系數(shù)。對于加熱段，熱流體溫度為 1T ， Tv 代表管內(nèi)介質(zhì)蒸汽溫度；對于換熱管，在加熱段和冷卻段的管內(nèi)蒸汽溫度基本相等，冷流體溫度為 2T 。高溫煙氣沿流動方向不斷被冷卻，低溫的空氣沿流動方向不斷被加熱。39。 1. ? NTU 法進行熱管氣 氣換熱器校核計算得主要步驟為： （ 1）由熱管氣 氣換熱器的進口溫度和假定出口溫度來確定物性參數(shù)，計算熱管氣 氣換熱器的傳熱系數(shù) U。222 39。39。熱流體和冷流體的 傳熱效率分別為： 39。1T 或 39。 采用傳熱單元數(shù)法計算換熱過程，還必須引入傳熱效率的概念。2T 和 39。2 22 1 2 2()TT pdT UAN T U T T m c???? 式中 39。39。 （ 3）根據(jù)熱管氣 氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計算相應工作條件下的傳熱系數(shù) U的數(shù) 值； （ 4）從已知的 UA和 A1由傳熱方程求出換熱量 Q (假設出口溫度下的計算 值 ）； 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 24 （ 5）再由熱管氣 氣換熱器熱平衡方程計算出冷熱流體的出口溫 度值； 以新計算出的出口溫度作為假設溫度值，重復以上步驟 （ 2)至（ 5)， 直至前后兩次計算值的誤差小于給定數(shù)值為止，一般相對誤差應控在 1%。 通常由于設計計算時冷熱流體的進出口溫度差比較易于得到，對數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進行計算；而校核計算時由于熱管氣 氣換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱管氣 氣換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進行計算。 熱管氣 氣換熱器的設計計算方法 熱管氣 氣換熱器設計計算的主要任務在于求取總傳熱系數(shù) U，然后根據(jù)平均溫差 ΔT 及熱負荷 Q求得總傳熱面積 A，從而定出管子根數(shù) N。否則，在高馬赫數(shù)下蒸汽 流動的可壓縮性將不可忽略。 管徑計算的一個基本原則是管內(nèi)蒸汽速度不超過一定的極限 值。從以上看來，管徑越小，熱管換熱器的性能越好。因此增大管徑是有利的。 按照工作壓力對熱管進行機械強度 校核； 驗算與熱管最大傳熱能力有關(guān)的工作極限。目前還沒有完整的理論來計算材料的相容性，但是確定材料相容性的 試驗研究結(jié)果已相當多。在某一溫度范圍內(nèi)有幾種工作液體可選用，這就要依次考慮各種因素，并加以對比，作出選擇。一般應考慮以下一些原則 : 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 21 （ 1）質(zhì)應適應熱管的工作溫度區(qū) 在指定的設計條件下，冷源和熱源的溫度是已知的，換熱條件也是明確的，因而熱管本身的工作溫度范圍可以通過一般的傳熱公式計算出來。殼體材料首先應滿足與工質(zhì)的相容性要求。在某些場合下要求相當苛刻，例如宇航、軍工中就是如此。 熱管的材料及工作溫度 根據(jù)熱管的工作原理知道，影響熱管性能的幾個主要因 素為： 管內(nèi)的工作 液體； 熱管的工作 溫度； 管壁（殼體 ） 材料。速度較小時 ,熱管翅片上易積灰 ,使熱管換熱能力下降 ,嚴重時堵塞換熱器 ,使其失效。 (1)熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù) 熱管直徑、熱管長度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù) (翅片間距、翅片高度、翅片厚度 ) 決定翅片效率和翅化比 ,對熱管氣 氣換熱器的傳熱及流阻性能影響較大 ,并涉及換熱器的緊湊性、投資和運行費用。 （ 4）重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎性研究 主要有：熱管換熱器熱加工基礎理論、缺陷形成機理及判據(jù)、新的數(shù)理模型、 新的算法、前后處理等基礎性研究及物理模擬與精確測試技術(shù)等。熱管氣 氣換熱器 的技術(shù)優(yōu)勢就在于利用了熱管內(nèi)部工質(zhì)的相變傳熱，換熱系數(shù)大，易于控制空氣及煙 氣的出口溫度。熱管氣 氣換熱器這一獨特的優(yōu)點就使 其在余熱回收等應用領域開辟了廣闊的 天地； ⑤便于拆裝、檢查和更換。由于熱管氣 氣換熱器的加熱段和冷凝段都有帶翅片，大大擴展了 換熱表面，因此，其傳熱系數(shù)比普通光管氣 氣換熱器的要大好 多倍； 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 18 ②對數(shù)平均溫差大。在這些地方，煙氣與水或蒸汽 的溫度差將會增加，因而經(jīng)過受熱面?zhèn)鬟^的熱量也就增加了。 采用熱管氣 氣換熱器能夠把排出煙氣時帶走的熱量損失減少到能夠容許的程度。 傳統(tǒng)的氣 氣換熱器的缺點是過于笨重，愈提高煙氣冷卻程度或者空氣的加熱溫 度，氣 氣換熱器就愈加笨重。熱管空氣預器熱同 樣還可以提高鍋爐整體的蒸汽生產(chǎn)量。 熱管氣 氣換熱器是目前應用最為廣泛的一種余熱回收設備 ,它利用鍋爐、加熱爐 等排煙余熱預熱爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對環(huán)境的污 染，因此，熱管氣 氣換熱器在余熱回收利用中得到非常廣泛的應用。以后幾年，熱管換熱器相繼在紡織、石油、化工等行業(yè)用于余熱回收及干燥工藝 上。 1976 年 12 月 7日，在衛(wèi)星上首次應用熱管取得了成功。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應用時間不長，但發(fā)展速度很快。 熱管換熱器分類 (1)按形 式分 :整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉(zhuǎn)式熱管換熱器等。 （ 2）熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動，可以比較容易的實現(xiàn)冷、熱流體 的逆流換熱。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人 們的重視，是一種應用前 景非常好的換熱設備。 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 14 熱管換熱器是由美國發(fā)明的，最初被用于航天技術(shù)和核反應堆，以解決向陽面和 背陰面受熱不均勻。一般情況下，它有一個矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。目前國內(nèi)已有數(shù)千臺熱管氣 氣換熱器先后投入使用， 取得 了較好的使用效果。在 1972 年，第一根鈉熱管運行成功，以后相繼研制成功氨、水、鈉、汞、聯(lián)苯等各種介質(zhì)的熱管，并在應用上取得了一定的 進展。 熱管在太陽能方面的應用。其熱管的設計使用壽命可 達 30 年，滿足整個管線工程的要求。后來，決定在管架蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 13 支撐中裝 設簡單的重力熱管，從而解 決這個困難。低溫熱管在通信聯(lián)絡中冷卻紅外線傳感器、參量放 大器； 在醫(yī)學方面可用作低溫手術(shù)刀，進行眼睛和腫瘤的手術(shù)。 格雷提出轉(zhuǎn)動熱管，此種熱管沒有吸液芯，依靠轉(zhuǎn)動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)的重大進展。 1969 年，蘇聯(lián)、日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了有關(guān)熱管應用研究的文章。 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 過程的基本方程，并提出了計算熱管工作毛細限的數(shù)學模型，從而奠定了熱管理論的基礎。 1967 年至 1968 年，美國應用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應用范圍涉及到空調(diào)、電子器件、核電機的冷卻等方面。工作的興趣主要是熱管在核熱 離子二極管轉(zhuǎn)換器方面的應用。 1963 年 LosAlamos 科學實驗室的 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。他當時的想 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)，達到熱量從一個地點傳動到另一個地點的目的。冷熱流體均在管外流動，由于管外流動的換熱系數(shù) 遠高于管內(nèi)流動的換熱系 數(shù)，用于品位較低的熱能回收場合非常經(jīng)濟。熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的 轉(zhuǎn)軸燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的以適應長距離或冷 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 )，也可用于空間 (無重 力場 )。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 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，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的 恒溫特性。熱管可以獨立改變蒸發(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。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熱能力。 當蒸汽凝結(jié)時，液體就浸透冷卻段內(nèi)的吸液芯毛細孔，彎月面具有很大的曲率半徑，可以認為是無窮大。當蒸汽流過蒸發(fā)段和絕熱段時，由于粘滯效應和速度效應使得壓力不斷下降（在絕熱段 只有粘滯效應），一旦到達冷卻段，蒸汽就開始在液體一吸液芯表面上凝結(jié)，減速流 動使部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而使得在流體運動的方向上壓力有所回升。如果此溫差小于176。 圖 12 熱管的汽一液交界面 當蒸發(fā)段里的液體一旦因吸收了汽化潛熱并蒸發(fā)時，蒸汽就開始通過熱管的蒸汽腔向冷卻段流動。單個毛細孔上簡單的力學平衡現(xiàn)象表明，對于球形分界面，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。在多孔吸液芯的情況下，對流傳熱是很小的，因為要產(chǎn)生有實際意義的對流流動，毛細孔顯得太小了。這 6 個過 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； 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 9 （ 6)在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。由于熱管內(nèi)部抽成真空，所以工 質(zhì)極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動迅速。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。據(jù)有關(guān)報道稱，我國三分 之二的能源被鍋爐吞噬，而我國工業(yè)鍋爐的實際運行效率只有65%左右，工業(yè)發(fā)達國 家的燃煤工業(yè)鍋 爐運行熱效率達 85%，因此，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，節(jié)能潛力十分 巨大。具有 極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、溫 度可控制等特點。 Design calculation 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 7 1. 緒 論 熱管及熱管換熱器的概述 熱管是一種具有極高導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。在討論熱管換熱器的設計過程中，主要針 對其熱力計算、設備結(jié)構(gòu)計算、元件參數(shù)的選擇做了一個合理構(gòu)建，并結(jié)合實際情況 設計出了空氣預熱熱管式換熱器基本模型。 二零一三年六月