【文章內(nèi)容簡介】 立在溫度場、速度場、變形場基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測形狀、尺寸，輪 廓的宏觀尺度模擬(mmm級)進(jìn)入到以預(yù)測組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度模擬 (毫米量級)及微觀尺度模擬(微米量級)階段。（2）單分散耦合集成模擬功能已由單一的物理場模擬普遍進(jìn)入到多種物理場相互耦合集成的階 段，以真實模擬復(fù)雜的熱加工過程。（3）共性、通用專用、特性由于普通鑄造、沖壓、鍛造工藝模擬的日益成熟及商業(yè)軟件的出現(xiàn)，熱管換 熱器研究工作的重點和前沿已由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特性問題。（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試技術(shù)等。（5）重視集成技術(shù)，使熱管換熱器工藝模擬成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分 包括：在并行環(huán)境下，與產(chǎn)品、模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)集成，與零件加工制造系統(tǒng)集成，與零件的安全可靠性能實現(xiàn)集成。自七十年代以來，熱管換熱器用于回收各種廢氣的余熱已經(jīng)取得相當(dāng)大的成效，迄今已投入運行的熱管換熱器已有好幾千臺。特別是工藝簡單、成本低廉的碳鋼水熱管的問世，更為熱管換熱器在余熱回收方面的應(yīng)用開辟了十分廣闊的前景。(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。在設(shè)計熱管時所依據(jù)的都是經(jīng)驗,當(dāng)煙氣的流量、溫度一定時,如何確定熱管的直徑、翅片高度、翅片厚度、翅片間距、熱管管間距、熱管長度等結(jié)構(gòu)尺寸沒有準(zhǔn)確的依據(jù)。這也影響了熱管氣氣換熱器的應(yīng)用。（2）積灰對于灰塵較多的煙氣,如其在熱管氣氣換熱器中設(shè)計流動速度過高,雖然能夠提高熱管的換熱能力,但是會加速熱管的磨損,且增大煙氣流動阻力。速度較小時,熱管翅片上易積灰,使熱管換熱能力下降,嚴(yán)重時堵塞換熱器,使其失效。這也與目前落后的設(shè)計方法有關(guān)，傳統(tǒng)的設(shè)計手段難以通過進(jìn)行精確的設(shè)計計算來避免積灰。（3）露點腐蝕雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計計算，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計計算手段的限制，設(shè)計計算采用試算驗證的方式進(jìn)行，難以做到各項參數(shù)的優(yōu)化組合，從而造成熱管氣氣換熱器的實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)的偏離，導(dǎo)致露點腐蝕，導(dǎo)致熱管失效。3. 熱管氣_氣換熱器的計算理論及方法熱管氣氣換熱器是由若干獨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)計計算內(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部分的設(shè)計計算。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。在進(jìn)行熱管設(shè)計計算以前，首先應(yīng)考慮怎樣確定上述這些因素。一般地說，這與設(shè)計的目的有關(guān)。因為熱管的用途相當(dāng)廣泛，不同的用途對熱管的要求也不盡一致。在某些場合下要求相當(dāng)苛刻，例如宇航、軍工中就是如此。此時管子的數(shù)量可能較少，但可靠程度和精密性要求卻相當(dāng)嚴(yán)格，可靠性占第一位，經(jīng)濟(jì)性則處于次要地位。在民用和一般工業(yè)中，管子數(shù)量相當(dāng)多（已屬批量生產(chǎn)），這時經(jīng)濟(jì)性占了突出地位，如果價格昂貴，應(yīng)用也就失去意義。故此時的熱管設(shè)計應(yīng)注意經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量采用價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；對管壁則盡可能采用廉價金屬碳鋼。殼體材料首先應(yīng)滿足與工質(zhì)的相容性要求。除此之外殼體材料還應(yīng)滿足在工作溫度下的剛度和強(qiáng)度要求。同時應(yīng)考慮對熱 管殼體材料的選擇必須符合我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。熱管是依靠工作液體的相變來傳遞熱量的，因此工作液體的各種性質(zhì)對于熱管的工作特性也就具有重要的影響。一般應(yīng)考慮以下一些原則:（1）質(zhì)應(yīng)適應(yīng)熱管的工作溫度區(qū)在指定的設(shè)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。熱管的工作溫度一般是指工作時熱管內(nèi)部工作液體的蒸汽溫度。在良好的熱管工作時，工質(zhì)必然在汽液兩相狀態(tài)。據(jù)此，所選擇的熱管工作液體熔點應(yīng)低于熱管的工作溫度，而臨界點必須高 于熱管的工作溫度，熱管才有可能正常工作。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。（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。因為一旦殼體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。化學(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。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(dāng)多。原來的文獻(xiàn)中認(rèn)為水與碳鋼材料不相容，但水碳鋼熱管換 熱器的實際運行時間甚至有超過10年的。（3）工質(zhì)應(yīng)有良好的熱物理性質(zhì)工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)用來說明工質(zhì)的物理性質(zhì)對熱管軸向傳熱能力的影響，用符號 N1表示，是一個有因次數(shù)，單位是W/m2（4）其他（包括經(jīng)濟(jì)性、毒性、環(huán)境污染等）滿足以上條件的工質(zhì)并不一定就是可采用的最好工質(zhì)，還要考慮制作的安全性、 經(jīng)濟(jì)性和來源的難易程度等一系列問題。熱管的設(shè)計計算通常按以下3個步驟進(jìn)行:根據(jù)一定的蒸汽速度確定熱管的直徑。 按照工作壓力對熱管進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核；驗算與熱管最大傳熱能力有關(guān)的工作極限。熱管管徑的大小對熱管的性能有影響，即對熱管換熱器的性能有影響。對單管傳 熱量來說，管徑越大，傳熱面積就越大，單管傳熱量就越多。對一臺換熱器來說，當(dāng)總的熱負(fù)荷一定時，所需要管子的根數(shù)就減少，這會降低設(shè)備的造價和投資。因此增大管徑是有利的。但對熱管傳熱熱阻來說，就熱管氣氣 換熱器來說，在總的傳熱熱阻中，起控制作用的是管外兩側(cè)的放熱熱阻。隨管徑的增 大，管外放熱系數(shù)要下降，熱阻要增大（此項是熱管傳熱的主要熱阻)，對傳熱不利。 對熱管的強(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。從以上看來，管徑越小，熱管換熱器的性能越好。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傳熱極限。受流通截面影 響最為顯著的傳熱極限有兩個，一個是聲速極限，另一個是攜帶極限。在熱管的加熱 段如果增加輸入的熱量超過一定值時，工質(zhì)蒸汽流在加熱段的出口處達(dá)到音速，便出現(xiàn)蒸汽流動的阻塞現(xiàn)象，由此現(xiàn)象產(chǎn)生的傳熱量的界限稱為音速極限（聲速限）。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。在這樣的條件下，蒸汽流動可以被認(rèn)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(shù)下蒸汽 流動的可壓縮性將不可忽略。一般來說，一根熱管所要傳遞的最大軸向熱流量Qmax是已知的。如果又限定它的 ，則有式中：Av是蒸汽流道的面積，dv為蒸汽腔直徑，Qmax為最大軸向熱流量。熱管氣氣換熱器一般采用的是重力式水碳鋼熱管，換熱器設(shè)計計算后只對工質(zhì)的工作溫度進(jìn)行校核。熱管氣氣換熱器設(shè)計計算的主要任務(wù)在于求取總傳熱系數(shù)U，然后根據(jù)平均溫差ΔT及熱負(fù)荷Q求得總傳熱面積A，從而定出管子根數(shù)N。設(shè)計中考慮的問題有：合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過高會導(dǎo)致壓力降過大和動力消耗增加，風(fēng)速過低會導(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)；冷流體及熱流體運行參數(shù)，包括流量，進(jìn)出口溫度等[2930]。熱管氣氣換熱器的兩種基本計算方法是平均溫差法和傳熱單元數(shù)法，它們都能完成預(yù)熱器的設(shè)計計算和校核計算。設(shè)計計算是設(shè)計一個新的氣氣換熱器，要求確定氣氣換熱器所需的換熱面積；而校核計算是是對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。通常由于設(shè)計計算時冷熱流體的進(jìn)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(jìn)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(jìn)行計算。1平均溫差法進(jìn)行熱管氣氣換熱器設(shè)計計算的步驟為：（1）由已知條件，從熱管氣氣換熱器熱平衡方程計算出冷熱流體進(jìn)出口溫度 中待求的那一個溫度；（2）由冷熱流體的四個進(jìn)出口溫度確定其對數(shù)平均溫差Tm；（3）初步布置換熱管，根據(jù)無因次準(zhǔn)則方程計算總傳熱系數(shù)U。（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阻力；（5）如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計不合理，則應(yīng)改變設(shè)計方案重新計算。，其主要步驟為：（1）首先假定一個流體的出口溫度，按熱平衡方程求出流體的另一個出口溫度；（2）由四個進(jìn)出口溫度計算出對數(shù)平均溫差A(yù) Tm。（3）根據(jù)熱管氣氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計算相應(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)出口溫度下的計算值）；（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(shè)溫度值，重復(fù)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(yīng)控在1%。傳熱單元數(shù)是反映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù)，也是衡量熱管氣氣換熱器傳熱能力的參數(shù)。熱流體和冷流體的傳熱單元數(shù)和各按下式定義計算：式中和分別為熱流體的進(jìn)出口溫度，和分別為冷流體的進(jìn)出口溫度，和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，和分別為熱流體和冷流體的水當(dāng)量。由定義式可知：在設(shè)計熱管氣氣換熱器時，換熱要求越高，則所需傳熱面積越大，傳熱單元數(shù)也越大，對操作中的熱管氣氣換熱器，傳熱單元數(shù)越大，表明其性能越好。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。熱管氣氣換熱器內(nèi)傳熱效率是指兩流體的實際傳熱量與理論上可能的最大傳熱量（即兩流體逆流操作且傳熱面積無限大時的傳熱量，此時=或=）的比值。熱流體和冷流體的傳熱效率分別為：對一定形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（）間存在一定關(guān)系。對于逆流操作的熱管氣氣換熱器為：其中：利用NTU和的關(guān)系式和熱量衡算式，可較方便的進(jìn)行傳熱計算，特別是對已有熱管氣氣換熱器傳熱性能進(jìn)行核算，課避免試算或減少試算的次數(shù)。1. NTU法進(jìn)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(jìn)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。（2）計算熱管氣氣換熱器的傳熱單元數(shù)NTU和熱容流率的比值（3）按照熱管氣氣換熱器中流體流動類型，根據(jù)NTU的計算公式計算預(yù)熱器的效能值；（4）根據(jù)冷熱流體的進(jìn)口溫度及最小熱容流率，按照公式求出換熱量Q；（5）利用熱管氣氣換熱器的熱平衡方程確定冷熱流體的出口溫度和；已計算得出口溫度重新計算傳熱系數(shù)，并重復(fù)計算步驟（2）至（5）。 2. NTU法用于熱管氣氣換熱器的設(shè)計計算，其主要步驟為：（1）由熱管氣氣換熱器的熱平衡方程求出待求的溫度值，進(jìn)而由公式計算出預(yù)熱器效能；（2）根據(jù)所選用的流動類型以及和的數(shù)值，計算傳熱單元數(shù)NTU；（3）初步確定換熱面的布置，并計算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)U的數(shù)值；（4）再由NTU的定義式確定換熱面積A=NTU/U，同時核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動阻力；（5）如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計不合理，則應(yīng)改變設(shè)計方案重新計算。 是熱管氣氣換熱器的換熱示意簡圖，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)。高溫?zé)煔庋亓鲃臃较虿粩啾焕鋮s，低溫的空氣沿流動方向不斷被加熱。原則上可以把熱管群看成是一塊流阻很小的“間壁”。因而熱管氣氣換熱器與常規(guī)間壁式換熱器的計算方法相似。 所示，用下標(biāo)h 表示加熱段，下標(biāo)c 表示冷卻段。對于加熱段，熱流體溫度為，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 。用rw 表示管壁熱阻，用ry 表示污垢熱阻，其中δy 為污垢層厚度，λy 為污垢層導(dǎo)熱系數(shù)，可得加熱段和冷卻段的傳熱系數(shù)。圖31 熱管的溫度分布示意圖對于加熱段，有 (1)對于冷卻段，有 (2)式中的 和 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；和 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；和 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)。加熱段的傳熱方程為： (3)冷卻段的傳熱方程為： (4)將上式整理后可得： (5) (6)兩式相加消去 后，可得： (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 為計算基準(zhǔn)的，故: (8) (1)對于冷卻段，有 (2)式中的 和 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；和 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；和 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)。加熱段的傳熱方程為： (3)冷卻段的傳熱方程為： (4)將上式整理后可得： (5) (6)兩式相加消去 后，可得： (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 為計算基準(zhǔn)的，故: (8) (1)對于冷卻段，有 (2)式中的 和 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；和 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；和 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)。加熱段的傳熱方程為： (3)冷卻段的傳熱方程為： (4)將上式整理后可得： (5) (6)