【文章內容簡介】 段導熱熱阻，；——熱管外徑，；——熱管內徑，；——管壁導熱系數，；——熱管蒸發(fā)段長度，；——熱管冷凝段長度。 設和分別為充滿液體的吸液芯在蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱熱阻，若不考慮吸液芯中所發(fā)生的對流傳熱的影響，則和仍可看成是通過圓筒壁的導熱熱阻，不過在考慮的時候應采用有效的導熱系數。因此：式中： ——冷凝段吸液芯有效導熱系數，；設和為別為蒸發(fā)段和冷凝段汽—液交界面的傳熱熱阻，有：式中： ——氣體常數； ——蒸發(fā)段氣液交界面處的蒸汽溫度，； ——與相平衡的蒸汽壓力，； 式中：各符號的下標代表冷凝段，其余意義與上式相同。設是蒸汽流動傳熱熱阻，設蒸發(fā)段的蒸汽壓力為，冷凝段的蒸汽壓力為，有： 實際上，由于氣——液交界面處的溫降以及蒸發(fā)段和冷凝段蒸汽流動的溫降都很小，因而其熱阻也可以忽略不計，故在設計計算中，、和常常忽略不計，所以此處僅考慮、和，總熱阻為各個熱阻之和。式中提到的吸液芯導熱系數和，由《熱管與熱管換熱器》，對于芯子液體串聯，查《熱管與熱管換熱器》表41可知： 式中： ——充滿液體吸液芯的有效導熱系數，； ——液態(tài)工質的導熱系數，；——吸液芯材料的導熱系數，；——液體的容積份額（液體的體積與液體和吸液芯總體積之比），適用范圍為。故對于蒸發(fā)段，蒸發(fā)段吸液芯有效導熱系數：對于冷凝段，冷凝段吸液芯有效導熱系數： 熱管采用的是Q235型號碳素結構鋼，查得，，。 傳熱面積的計算設為蒸發(fā)段管壁外表溫度，為冷卻段管壁外表空氣溫度，由《熱管和熱管換熱器》，有： 式中： ——熱管蒸發(fā)段管壁溫度，℃； ——熱管冷凝段管壁溫度，℃。將數據代入： 則熱量損失效率：考慮到由軸承產生的熱量在菊形盤、導熱板和柔性線纜上傳導時也存在熱量損失，特別是筒體將散失掉相當一部分的熱量，設計取，則熱管熱負荷： 由前計算可知：℃，設熱管蒸發(fā)段的傳熱面積為，蒸發(fā)段的對流傳熱系數為。值可由經驗公式[15]計算：式中： ——蒸發(fā)段的傳熱系數，； ——熱流體的流速，； ——單位體積熱流體流過蒸發(fā)段的換熱量。 所以： 傳熱管數目的計算蒸發(fā)段長度，冷凝段長度。那么所需熱管的數目：根取8根。 單根熱管的傳熱能力 每根熱管的傳熱能力= 總熱量熱管總數（根）單根熱管傳熱量總傳熱面積 8 熱管外徑蒸發(fā)段長度冷凝段長度 傳熱系數 321703第三章 熱管的設計 聲速極限條件下的蒸汽腔直徑由《熱管技術理論》可知，管徑設計的一個基本原則是管內的蒸汽速度不超過一定的極限值。在這樣的條件下，蒸汽流動可以被認為是不可壓縮的流體流動，這樣軸向溫度梯度很小，并可忽略不計，否則，在高馬赫數下蒸汽流動的可壓縮行將不可忽略。一般說來，一根熱管所要傳遞的最大軸向熱流量是已知的，由《熱管技術理論》式2104得：故：式中：——蒸汽腔直徑，；——單根熱管傳遞的最大熱流量，；——蒸汽的熱流密度，；——汽化潛熱，；——是蒸汽比熱容比，單原子蒸汽等于5/3，雙原子蒸汽為7/5，多原子蒸汽為4/3；——蒸汽的氣體常數，等于通用氣體常數除以蒸汽的分子量，即 （），則；——蒸汽的溫度，℃。代入數據： ，就不會出現聲速極限。，管外徑32（內徑為）的熱管滿足要求。 吸液芯的選擇及設計 吸液芯的選擇考慮到制造方便，決定選用絲網結構，并選用銅質絲網。熱管仰（傾）角為。（1）由《熱管技術理論》式319知，液芯所需克服的液柱靜壓頭為： （2）選取絲網目數根據經驗，所選絲網的毛細壓力要大于液柱靜壓頭，熱管才能穩(wěn)定地工作，即： 因此 根據表21知，多層絲網可取，為絲網間距，相當于網眼寬度，一般情況下，網眼寬度等于絲徑，由此可得： 因而可求得網目數為： 因為相當于英制304目，取標準350目，350目換算成公制為： 因此選用350目的多層銅絲網吸液芯可達到上述要求。 幾種吸液芯結構的有效毛細半徑[16～19]吸液芯結構有效毛細半徑說明圓柱形毛細孔溝槽——毛細孔半徑矩形溝槽——溝槽寬度三角形溝槽——溝槽寬度——頂角圓形溝槽——溝槽寬度平行絲線芯——線間距絲網芯（多層）——絲網間距——網絲直徑燒結金屬氈——氈絲直徑——孔隙率①填充球（燒結芯）——顆粒半徑① 孔隙率：式中：為單位網格的纖維長度。對于矩形斷面的纖維，為其厚度，對于圓形斷面的纖維，為其直徑。（3）最大毛細壓力 對350目絲網，仍假定其絲間距與其絲直徑相等，則： 絲網產生的最大毛細壓力為： （4）滲透率 由《熱管技術理論》表23可查得卷繞絲網滲透率為： ，而 代入數值后，有： （5）由《熱管技術理論》式321，得吸液芯截面積： （6）吸液芯層數 已知絲徑，每層絲網厚為，故層數： 為使熱管有較大的富余能力，取層，故實際網厚： 實際蒸汽腔直徑 即：可近似取 驗算毛細極限和計算傳遞的最大功率 吸液芯實際厚度下的毛細極限為： 假設甲醇蒸汽在熱管中的流動為層流流動，則蒸汽摩擦系數： 液體摩擦系數： 將上述數值代入《熱管技術理論》式320得： 可見設計的吸液芯滿足要求。 核算雷諾數 由《熱管技術理論》式2103得： 可見按層流流動計算是正確的。 熱管傳熱極限的計算 熱管的傳熱能力雖然很大，但是也不可能無限地加大熱負荷。實際上，熱管的工作能力總是受到若干因素控制的。如果我們以熱管的工作溫度為分析依據，熱管的工作特性如圖31所示： 圖31 熱管的傳熱極限圖中1～2是代表粘性極限，它意味著熱管中蒸汽流動的粘滯阻力限制了熱管的最大傳熱能力；2～3代表聲速極限，即由于熱管內蒸汽流速在某一點達到了當地聲速而限制了熱管的傳熱能力；3～4代表攜帶極限，這是由于熱管內部蒸汽流速過高，將逆向回流的冷凝液體部分地從汽液交界面上“撕落”下來，攜帶往熱管的冷凝段，從而破壞了熱管的正常工作并達到的傳熱極限；4～5代表熱管的毛細極限，所謂毛細極限是指熱管在工作條件下，內部的汽、液循環(huán)流動所產生的壓力降和重力場對管內流體的影響，由此而帶來的壓力損失恰好與熱管內吸液芯所能產生的最大毛細壓頭相平衡，此時所達到的熱管傳熱極限稱為毛細極限；5～6代表沸騰極限，它是熱管加熱段吸液芯中的液體受熱沸騰所產生的氣泡阻礙了正常液體的回流，或由于徑向熱流密度過大，從而形成膜態(tài)沸騰，使得壁面干涸所產生的傳熱極限。盡管熱管具有極好的傳熱性能，但也受到一定限制，即工質流動過程的限制。達到某些極限后，工質不能連續(xù)流動，例如介質冷凝后的回流量不能滿足蒸發(fā)段的蒸發(fā)量時，就會造成循環(huán)障礙，即使溫差加大，熱流壁也增加甚微，甚至不會增加。當工作介質的循環(huán)中斷，蒸發(fā)段液體耗盡時就形成干涸點，熱管發(fā)生干涸后，如果熱源溫度向上浮動，管殼溫度會急劇上升并可能燒毀。如果熱源溫度穩(wěn)定而不過高，熱管達到干涸點后，就簡單地停止工作而失效，這時的失效熱管只能像一支普通的金屬管(棒)一樣導熱，其傳遞的熱量大大低于正常仁作的熱管。Busse對熱管內部傳熱極限的描述，有助于人們對傳熱極限概念的進一步理解。它以熱管橫截面上軸向平均熱流密度為縱坐標，熱管兩端的溫差為為橫坐標，概念性地對熱管傳熱極限作了分類。如圖32所示，當熱管兩端溫差為零時，沒有熱量傳送，熱管內具有均勻的溫度。如熱管的一端冷卻到，而熱管的另一端仍保持不變，則熱流隨著的增大而快速增加，圖中01段的斜率很大，說明熱管有很大的熱導率，它可能比相同尺寸的銅棒大上幾個數量級。當熱流到達1點時，熱導率突然下降為零。各種熱管在不同的工作狀態(tài)下，可能出現和限制其傳熱能力的極限不盡相同。在上述的熱管傳熱極限中，毛細極限、聲速極限、攜帶極限和沸騰極限是熱管運行中最普遍遇到的。 圖32 熱管傳熱極限的示意圖 攜帶傳熱極限的計算 由《熱管與熱管換熱器》中公式3－38可以知道： 式中——為加工表面厚度，取。 ——為臨界深度，等于。 ——為與蒸汽速度圖形有關的系數，對于層流可以取。 ——汽化潛熱，取。由此可以得到：