【正文】 的流動(dòng)情況存在著很大的差異，因而對(duì)帶翅片的熱管氣氣換熱器管外側(cè)給熱系數(shù)應(yīng)以流體橫向流過(guò)翅片管束的給熱系數(shù)Uf來(lái)代替U0更為合理。一般情況下，Q可以從冷、熱流體的熱平衡方程式中求出。實(shí)驗(yàn)表明，簡(jiǎn)略計(jì)算時(shí)可令== kW/（m178。加熱段的傳熱方程為（）冷卻段的傳熱方程為（）將式（）和（）整理后可得（）（）兩式相加消去Tv后，可得 （）對(duì)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Ah為計(jì)算基準(zhǔn)的，故:（） 因而對(duì)應(yīng)于Ah的熱管氣氣換熱器總傳熱系數(shù)U為（）將（）和（）式代入上式可得：（）式（）中并未考慮吸液芯導(dǎo)熱和管內(nèi)蒸汽流動(dòng)的影響。，用下標(biāo)h表示加熱段，下標(biāo)c表示冷卻段。 總換熱系數(shù)的求解理論及方法，高溫?zé)煔饬鬟^(guò)隔板的一側(cè)，將熱量傳給帶有翅片的熱管，并通過(guò)熱管將熱量傳至空氣側(cè)。熱流體和冷流體的傳熱效率分別為： （）對(duì)一定型式的熱管氣氣換熱器，傳熱單元數(shù)、傳熱效率和兩相熱容量流率(mcp)間存在一定關(guān)系。由定義式可知：在設(shè)計(jì)熱管氣氣換熱器時(shí)，換熱要求越高，則所需傳熱面積越大，傳熱單元數(shù)也越大。 熱管氣氣換熱器計(jì)算的傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)是反映冷熱流體間換熱過(guò)程難易程度的參數(shù)，也是衡量熱管氣氣換熱器傳熱能力的參數(shù)。UA也就是傳熱系數(shù)和傳熱面積的乘積，最后達(dá)到設(shè)計(jì)熱管氣氣換熱器的目的。熱管氣氣換熱器傳熱計(jì)算的熱平衡方程為:（）其傳熱方程為（）式中，ΔTm是由冷熱流體的進(jìn)出口溫度確定的。設(shè)計(jì)中考慮的問(wèn)題有：合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致壓力降過(guò)大和動(dòng)力消耗增加，風(fēng)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致管外膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力得不到充分的發(fā)揮；熱管的管徑，厚度，以及翅片的間距，高度，厚度等參數(shù)；冷流體及熱流體運(yùn)行參數(shù)，包括流量，進(jìn)出口溫度等[2930]。一般來(lái)說(shuō)，一根熱管所要傳遞的最大軸向熱流量Qmax是已知的。管徑計(jì)算的一個(gè)基本原則是管內(nèi)蒸汽速度不超過(guò)一定的極限值。從以上看來(lái)，管徑越小，熱管換熱器的性能越好。因此增大管徑是有利的。 熱管的強(qiáng)度與最大傳熱功率熱管的設(shè)計(jì)計(jì)算通常按以下3個(gè)步驟進(jìn)行：根據(jù)一定的蒸汽速度確定熱管的直徑；按照工作壓力對(duì)熱管進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核；驗(yàn)算與熱管最大傳熱能力有關(guān)的工作極限?；瘜W(xué)反應(yīng)的結(jié)果將使殼體受到腐蝕破壞，這些都將使熱管的性能不斷變壞，甚至不能工作。據(jù)此，所選擇的熱管工作液體熔點(diǎn)應(yīng)低于熱管的工作溫度，而臨界點(diǎn)必須高于熱管的工作溫度，熱管才有可能正常工作。熱管是依靠工作液體的相變來(lái)傳遞熱量的，因此工作液體的各種性質(zhì)對(duì)于熱管的工作特性也就具有重要的影響。故此時(shí)的熱管設(shè)計(jì)應(yīng)注意經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量采用價(jià)廉易得且傳輸性能好的工作液體；不采用吸液芯，完全依靠重力回流；對(duì)管壁則盡可能采用廉價(jià)金屬碳鋼。因?yàn)闊峁艿挠猛鞠喈?dāng)廣泛，不同的用途對(duì)熱管的要求也不盡一致。第2章　熱管氣氣換熱器的計(jì)算理論及方法 熱管氣氣換熱器是由若干獨(dú)立傳熱的熱管按一定的排列方式所組成，目前的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，均采用重力式熱管作傳熱元件，所以熱管氣氣換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括重力式熱管，以及以重力式熱管作傳熱元件的氣氣換熱器兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算。（2）積灰對(duì)于灰塵較多的煙氣,如其在熱管氣氣換熱器中設(shè)計(jì)流動(dòng)速度過(guò)高,雖然能夠提高熱管的換熱能力,但是會(huì)加速熱管的磨損,且增大煙氣流動(dòng)阻力。熱管氣氣換熱器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)就使其在余熱回收等應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)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(kuò)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；②對(duì)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(huì)增加，因而經(jīng)過(guò)受熱面?zhèn)鬟^(guò)的熱量也就增加了。從氣氣換熱器中排出的容許溫度決定于必須使金屬壁溫度高于煙氣露點(diǎn)的條件[13]。這是由于進(jìn)入熱管氣氣換熱器的空氣溫度比較低（一般在20~40℃）、空氣與煙氣成逆流換熱的結(jié)果。煙囪燃料熱空氣150℃低溫?zé)煔?80℃空氣2030℃鍋爐熱管氣氣換熱器 熱管氣氣換熱器流程示意圖（a）煙囪燃料熱空氣150℃ 送烘房低溫?zé)煔?80℃空氣2030℃熱管氣氣換熱器窯爐 熱管氣氣換熱器流程示意圖（b）熱管氣氣換熱器就象省煤器和蒸汽過(guò)熱器一樣已經(jīng)成了大型鍋爐整體中正常而必要的一部分。熱管氣氣換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的熱管換熱器。我國(guó)在熱管換熱器方面的研制工作起步較早。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來(lái)越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)的熱管換熱器結(jié)構(gòu)及外形形式多樣，、。一般情況下，它有一個(gè)矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。 目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)千臺(tái)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(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。熱管在太陽(yáng)能方面的應(yīng)用。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。這條管線穿過(guò)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。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(yáng)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。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。后來(lái)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。1967年一根不銹鋼水熱管首次在空間運(yùn)轉(zhuǎn)成功。1964年至1966年期間，美國(guó)無(wú)線電公司制作了以玻璃、銅、鎳、不銹鋼、鉬等材料作為殼體，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℃。此后英國(guó)原子能實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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。但因這種倡議并未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，亦未能付諸實(shí)施。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。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(guò)該處與之對(duì)應(yīng)的液體的蒸汽壓力。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。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。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。這個(gè)溫降可以從攝氏幾度到幾十度。對(duì)于水或酒精這類低導(dǎo)熱系數(shù)的工作液體來(lái)說(shuō)，由于吸液芯（金屬網(wǎng)）的導(dǎo)熱系數(shù)比液體高，因此通過(guò)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)。 熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量，通過(guò)內(nèi)部相變傳熱過(guò)程，把熱量輸送到冷卻段，從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。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(guò)程中的熱能，已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[7]。但如何提出一套熱管氣氣換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并以廣泛應(yīng)用的MATLAB語(yǔ)言為基礎(chǔ)，以編程計(jì)算替代設(shè)計(jì)過(guò)程中繁雜的手工計(jì)算，對(duì)熱管氣氣換熱器的工程設(shè)計(jì)計(jì)算具有重要意義。大量的工業(yè)鍋爐和各種窯爐、加熱爐所排放的高溫?zé)煔猓脽峁軞鈿鈸Q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。隨著熱管制造成本的降低，尤其是九十年代前后隨著水碳鋼熱管相容性問(wèn)題的解決，熱管憑借其巨大的傳熱能力，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、造紙、冶金等領(lǐng)域的余熱回收系統(tǒng)中。熱管傳熱技術(shù)于六十年代初期由美國(guó)的科學(xué)家發(fā)明[1]，它是利用封閉工作腔內(nèi)工質(zhì)的相變循環(huán)進(jìn)行熱量傳輸，因而具有傳輸熱量大及傳輸效率高等特點(diǎn)。我國(guó)的能源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)重，節(jié)能已被提到了重要的議事日程。雖然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。由于其特殊的傳熱特性可控制管壁溫度，避免露點(diǎn)腐蝕。熱管在冷、熱兩側(cè)均可裝設(shè)翅片，以強(qiáng)化傳熱。為進(jìn)一步了解熱管的傳熱機(jī)理，將以上6個(gè)過(guò)程詳述如下：從熱源到蒸發(fā)段內(nèi)液—汽分界面的傳熱過(guò)程基本上是熱傳導(dǎo)過(guò)程。通過(guò)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)壓差是液體流動(dòng)和蒸汽流動(dòng)的基本推動(dòng)力。此流動(dòng)是由蒸汽腔兩端的小壓差引起的。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。這是因?yàn)橐S持一個(gè)邊界蒸發(fā)的過(guò)程，蒸發(fā)段內(nèi)液體的蒸汽壓力必須超過(guò)該處與之相對(duì)應(yīng)的蒸汽壓力。如果有過(guò)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。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。1964年Grover等人首次公開(kāi)了他們的試驗(yàn)結(jié)果。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℃。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。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。在能源日趨緊張的情況下，它可以用來(lái)回收工業(yè)排氣中的熱能。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。幾個(gè)典型的應(yīng)用如下：