【正文】 計(jì)算總傳熱系數(shù) U。但管徑的大小 還直接影響了管內(nèi)流通面積的大小，從而影響著熱管的幾項(xiàng)傳熱極限。 （ 2）工質(zhì)與殼體材料應(yīng)相容，且工質(zhì)應(yīng)具有熱穩(wěn)定性 工作液體與殼體、吸液芯材料的相容性是最重要的必須考慮的因素。在進(jìn)行熱管設(shè)計(jì)計(jì)算以前，首先應(yīng)考慮怎樣確定上述這些因素。 熱管換熱器技術(shù)展望 近年來，熱管換熱器熱加工工藝模擬不斷向廣度、深度拓展，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) （ 1）宏觀 中觀 微觀 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 已普遍由建立在溫度場(chǎng)、 速度場(chǎng)、變形場(chǎng)基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測(cè)形狀、尺寸，輪 廓的宏觀尺度模擬 (mmm 級(jí) )進(jìn)入到以預(yù)測(cè)組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度模擬 (毫米量級(jí) )及微觀尺度模擬 (微米量級(jí) )階段。 每當(dāng)使排出的煙氣溫度降低 20176。各研究熱管的科研單位和大專院校都先后與制造 熱管的廠家組成了科研生產(chǎn)聯(lián)合 體，在擴(kuò)大熱管換熱器應(yīng)用范圍和有效、合理地使用熱管換熱器等方面起了推動(dòng)作用。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)。但也暴露了不少問題，如熱管失效、低溫腐蝕、積灰、漏風(fēng)等，影響了熱管氣 氣換熱器的進(jìn)一步推廣。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 ” 。 Katzoff 于 1966 年首先發(fā)明有干道的熱管。 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。 （ 4）熱流方向的可逆性。 c或 rc,則熱管常常被稱為在 “ 熱管工況 ” 下工作，即等溫工作。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。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。第二，熱力計(jì)算。根據(jù)傳熱公式和布置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定實(shí)際方案滿足實(shí)際要求并校核受壓元件，主要是熱管的強(qiáng)度校核，確保其安全可靠。 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。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)。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 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。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。 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。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。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。因此，急需對(duì)這些問題進(jìn)行細(xì)致分析與研究，完善熱管氣 氣換熱器的設(shè)計(jì)制造方法，提高熱管氣 氣換熱器的使用效果和壽 命。 （ 3）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。 熱管氣 氣換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的熱管換熱器。 C， 鍋爐整體的效率可提高約 1%。 （ 2）單 分散 耦合集成 模擬功能已由單一的物理場(chǎng)模擬普遍進(jìn)入到多種物理場(chǎng)相互耦合集成的階 段，以真實(shí)模擬復(fù)雜的熱加工過程。 一般地說，這與設(shè)計(jì)的目的有關(guān)。因?yàn)橐坏んw或吸液芯材料與工作液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)了，或是工作液體本身分解了，都將產(chǎn)生不凝性氣體。受流通截面影 響最為顯著的傳熱極限有兩個(gè)，一個(gè)是聲速極限，另一個(gè)是攜帶極限。 （ 4）從傳熱方程求出所需的換熱面積 A， 并核算熱管氣 氣換熱器冷熱流體的流動(dòng) 阻力； （ 5）如果流動(dòng)阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計(jì)不合理，則應(yīng)改變?cè)O(shè)計(jì)方案重新計(jì)算。2T 分別為冷流體的進(jìn)出口溫度， 1dT 和 2dT 分別為微元傳熱面兩側(cè)的熱流體和冷流體溫度， U 為平均傳熱系數(shù)，A 為傳熱面積， 1()pmc 和 2()pmc 分別為熱流體和冷流體的水當(dāng)量。39。因而熱管氣 氣換熱器與常規(guī)間壁式換熱器的 計(jì)算方法相似。從式（ 15）求出U，分別代入式（ 16），可求出 Ah。對(duì)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(duì)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 。222 39。 采用傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱過程，還必須引入傳熱效率的概念。 （ 3）根據(jù)熱管氣 氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計(jì)算相應(yīng)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(shè)出口溫度下的計(jì)算 值 ）； 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 （ 5）再由熱管氣 氣換熱器熱平衡方程計(jì)算出冷熱流體的出口溫 度值； 以新計(jì)算出的出口溫度作為假設(shè)溫度值，重復(fù)以上步驟 （ 2)至（ 5)， 直至前后兩次計(jì)算值的誤差小于給定數(shù)值為止，一般相對(duì)誤差應(yīng)控在 1%。 管徑計(jì)算的一個(gè)基本原則是管內(nèi)蒸汽速度不超過一定的極限 值。目前還沒有完整的理論來計(jì)算材料的相容性，但是確定材料相容性的 試驗(yàn)研究結(jié)果已相當(dāng)多。在某些場(chǎng)合下要求相當(dāng)苛刻，例如宇航、軍工中就是如此。 （ 4）重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎(chǔ)性研究 主要有：熱管換熱器熱加工基礎(chǔ)理論、缺陷形成機(jī)理及判據(jù)、新的數(shù)理模型、 新的算法、前后處理等基礎(chǔ)性研究及物理模擬與精確測(cè)試技術(shù)等。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)過受熱面?zhèn)鬟^的熱量也就增加了。 熱管氣 氣換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種余熱回收設(shè)備 ,它利用鍋爐、加熱爐 等排煙余熱預(yù)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(duì)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(yīng)用。 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。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。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。 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。 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。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。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。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。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。 二零一三年六月 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 摘要 熱管是高效 的傳熱元件，它是一種能快速將熱能從一點(diǎn)傳至另一點(diǎn)的裝置，由熱 管元件組成的，利用 熱管原理實(shí)現(xiàn)熱交換的換熱器稱之為熱管換熱器。 本設(shè)計(jì)包含三方面的內(nèi)容。 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。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 ，如圖 。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)。 （ 3） 熱流密度可變性。 熱管的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)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。 1967 年一根不銹鋼 水熱管首次在空間運(yùn)轉(zhuǎn)成功。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。主要目的是解決熱管的制造工藝、碳鋼 水熱管的相容性、中高溫?zé)? 管的研制、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設(shè)計(jì)方法等問題，其研究成果陸續(xù)在石化、 冶金、電力等行業(yè)推廣應(yīng)用。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。南京工業(yè)大學(xué)于 1973 年就開始了這方面研制工作，并和南京煉油廠共同完成了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)熱管換熱 器。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。 總之，熱管氣 氣換熱器與管殼式預(yù)熱器相比，有很多優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在傳熱性能 好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低和流動(dòng)阻力小等方面。 3. 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。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。 對(duì)熱管的強(qiáng)度來說，在其他條件相同的情況下，管徑越小，所能承受的管內(nèi)壓力就越 高，管徑小些有利。設(shè)計(jì)計(jì)算是設(shè)計(jì)一個(gè)新的氣 氣換熱器，要求確定氣 氣換熱器所需的換熱面積；而校核計(jì)算是是對(duì)已有的氣 氣換熱器進(jìn)行校核，以確定氣 氣換熱器的流體出口溫度和換熱量。1T 分別為熱流體的進(jìn)出口溫 度， 39。111 39。 總換熱系數(shù)的求解理論及方法 如圖 是熱管氣 氣換熱器的換熱示意簡(jiǎn)圖，高溫?zé)煔饬鬟^隔板的一側(cè)，將熱量 傳給帶有翅片的熱管，并通過熱管將熱量傳至空氣側(cè)。最后式（ 11）可寫為： 111 1 1 1121 2 1 1 2221 1 12 2 2 21 1 1 1wyw y H P i H P iwywyA A A ArrU U A A U A U AA A ArrA A U A? ? ? ? ? ?? ? ? (14) 如果熱管氣 氣換熱器的冷、熱流體的隔板放在熱管的中央，此時(shí)冷側(cè)和熱側(cè)管外總面積相等（冷熱側(cè)翅片參數(shù)相同時(shí)），若冷流體是干凈的空氣，則上式可簡(jiǎn)化成為 : 111 1 1121 1 1 11 1 1 1 12 2wyw y H P H P iA A ArrU U A A U U A U??? ? ? ? ? ????? (15) 式（ 15）常被用來計(jì)算熱管氣 氣換熱器的總傳熱系數(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(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 1A 為計(jì)算基準(zhǔn)的， 故 : 10()fA A A?? (8) 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 111 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(duì)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(zhǔn)的傳熱系數(shù)。對(duì)于逆流操作的熱管氣 氣換熱器為： 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 ? ?? ?1111 1 11 e x p ( 1 )1 e x p ( 1 )N T U RR N T U R? ??? ? ?? ?2222 2 21 e x p ( 1 )1 e x p ( 1 )N T U RR N T U R? ??? 其中： 112()()ppmcR mc? 221()()ppmcR mc? 利用