熱管及熱管換熱器

1、余熱鍋爐原理余熱鍋爐原理 圖圖191是一臺余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)示意圖，是一臺余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出產(chǎn)汽的過程。從圖中可以看出產(chǎn)汽的過程。煙氣，經(jīng)煙道到余熱鍋爐入口，煙氣自下而上流動，流經(jīng)過熱器、煙氣，經(jīng)煙道到余熱鍋爐入口，煙氣自下而上流動，流經(jīng)過熱器、兩組蒸發(fā)器和省煤器，最后排入煙囪。排煙溫度約為兩組蒸發(fā)器和省煤器，最后排入煙囪。排煙溫度約為100220，煙氣溫度從煙氣溫度從380/330降到排煙溫度，所放出的熱量用來使水變成降到排煙溫度，所放出的熱量用來使水變成蒸汽。進入余熱鍋爐的給水，其溫度約為蒸汽。進入余熱鍋爐的給水，其溫度約為42126左右，先進左右，先進入上部的省煤器，水在省

2、煤器內(nèi)吸收熱量使水溫上升，水溫升到入上部的省煤器，水在省煤器內(nèi)吸收熱量使水溫上升，水溫升到略低于汽包壓力下的飽和溫度，就離開省煤器進入汽包。進入汽略低于汽包壓力下的飽和溫度，就離開省煤器進入汽包。進入汽包的水與汽包內(nèi)的飽和水混合后，沿汽包下方的下降管分別進入包的水與汽包內(nèi)的飽和水混合后，沿汽包下方的下降管分別進入兩組蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)的水吸熱開始產(chǎn)汽，通常是只有一部份兩組蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)的水吸熱開始產(chǎn)汽，通常是只有一部份水變成汽，所以在蒸發(fā)器管內(nèi)流動的是汽水混合物。汽水混合物水變成汽，所以在蒸發(fā)器管內(nèi)流動的是汽水混合物。汽水混合物離開蒸發(fā)器進入汽包上部。在汽包內(nèi)裝有汽水分離設(shè)備，可以把離開蒸

3、發(fā)器進入汽包上部。在汽包內(nèi)裝有汽水分離設(shè)備，可以把汽和水分開，水落到汽包內(nèi)水空間，而蒸汽從汽包頂部出來到過汽和水分開，水落到汽包內(nèi)水空間，而蒸汽從汽包頂部出來到過熱器。在過熱器內(nèi)吸收熱量，使飽和蒸汽變成過熱蒸汽。根據(jù)產(chǎn)熱器。在過熱器內(nèi)吸收熱量，使飽和蒸汽變成過熱蒸汽。根據(jù)產(chǎn)汽過程有三個階段，對應的應該要有三個受熱面，即省煤器、蒸汽過程有三個階段，對應的應該要有三個受熱面，即省煤器、蒸發(fā)器和過發(fā)器和過 熱管及熱管換熱器熱管及熱管換熱器 2 熱管工作原理 2.1 熱管的組成（典型熱管）管殼、吸液芯、工質(zhì)熱管的組成（典型熱管）管殼、吸液芯、工質(zhì)圖圖2.1 2.1 熱管示意圖熱管示意圖1管殼；2管芯；

4、3蒸汽腔；4工作液 熱管熱管：是一種傳熱性極好的人工是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件，常用的熱管由三部分組成：構(gòu)件，常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管主體為一根封閉的金屬管（管殼），內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介殼），內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)（工作液）和毛細結(jié)構(gòu)（管質(zhì)（工作液）和毛細結(jié)構(gòu)（管芯），管內(nèi)的空氣及其他雜物必芯），管內(nèi)的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學原理：三種物理學原理： 在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低；在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低； 同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多；多； 多孔毛細結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可多孔

5、毛細結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可使液體流動。使液體流動。 從傳熱狀況看，熱管沿軸向從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段可分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段三部分三部分。 熱管的熱管的管殼管殼是受壓部件，要求由高導熱率、耐壓、耐熱應力的材料制是受壓部件，要求由高導熱率、耐壓、耐熱應力的材料制造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運行中管殼無腐蝕，工質(zhì)與造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運行中管殼無腐蝕，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學反應，不產(chǎn)生氣體。管殼不發(fā)生化學反應，不產(chǎn)生氣體。 管殼材料有多種，以不銹鋼、銅、鋁、鎳等較多，也可用貴重金屬鈮、管殼材料有多種，以不銹鋼、銅、鋁、鎳等較多，也可用貴重金屬

6、鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱端鉭或玻璃、陶瓷等。管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱端和冷端接受和放出熱量，并承受管內(nèi)外壓力不等時所產(chǎn)生的壓力差。和冷端接受和放出熱量，并承受管內(nèi)外壓力不等時所產(chǎn)生的壓力差。 熱管的熱管的管芯管芯是一種緊貼管殼內(nèi)壁的毛細結(jié)構(gòu)，是一種緊貼管殼內(nèi)壁的毛細結(jié)構(gòu)，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內(nèi)壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶緊貼內(nèi)壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成。如右圖所示為幾種不同的瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成。如右圖所示為幾種不同的管芯的結(jié)果示意圖管芯的結(jié)果示意

7、圖 熱管的熱管的工作液工作液要有較高的汽化潛熱、導熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸要有較高的汽化潛熱、導熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。工作液體還應有較大的表面張力和點，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。工作液體還應有較大的表面張力和潤濕毛細結(jié)構(gòu)的能力，使毛細結(jié)構(gòu)能對工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細潤濕毛細結(jié)構(gòu)的能力，使毛細結(jié)構(gòu)能對工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結(jié)構(gòu)和管壁產(chǎn)生溶解作用，否則被溶解的物力。工作液還不能對毛細結(jié)構(gòu)和管壁產(chǎn)生溶解作用，否則被溶解的物質(zhì)將積累在蒸發(fā)段破壞毛細結(jié)構(gòu)。質(zhì)將積累在蒸發(fā)段破壞毛細結(jié)構(gòu)。 2.2 熱管的三個區(qū)段的劃分熱管的三個區(qū)段的劃分 *

8、根據(jù)熱管外部熱交換情況分：加熱段、絕熱段、冷卻段根據(jù)熱管外部熱交換情況分：加熱段、絕熱段、冷卻段 * 根據(jù)熱管內(nèi)部工質(zhì)傳熱傳質(zhì)情況分：蒸發(fā)段、絕熱段、冷根據(jù)熱管內(nèi)部工質(zhì)傳熱傳質(zhì)情況分：蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段凝段 2.3 熱管的傳熱熱管的傳熱熱管在實現(xiàn)其熱量轉(zhuǎn)移過程中，包含了六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：熱管在實現(xiàn)其熱量轉(zhuǎn)移過程中，包含了六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程： 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汽分界面 液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液汽分界面上蒸發(fā)汽分界面上蒸發(fā) 蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段到冷凝段蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段到

9、冷凝段 蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽液分界面上凝結(jié)液分界面上凝結(jié) 熱量從汽熱量從汽液分界面通過吸液芯、液分界面通過吸液芯、 液體和管壁傳給冷源液體和管壁傳給冷源 在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后工作液體回流到蒸發(fā)段在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后工作液體回流到蒸發(fā)段 熱管內(nèi)質(zhì)量流、壓力和溫度分布熱管內(nèi)質(zhì)量流、壓力和溫度分布熱管的工作特性熱管的工作特性熱管液汽分界面的形狀熱管液汽分界面的形狀（a）管起動前的液）管起動前的液汽交界面汽交界面 （b）熱管工作時的液）熱管工作時的液汽交界面汽交界面（c）吸液芯內(nèi)液）吸液芯內(nèi)液汽界面參數(shù)汽界面參數(shù) 對于普通熱管，其液體和蒸汽循環(huán)的主對于普通熱管，其液

10、體和蒸汽循環(huán)的主要動力是毛細材料和液體結(jié)合所產(chǎn)生的毛細要動力是毛細材料和液體結(jié)合所產(chǎn)生的毛細力。假設(shè)熱管中沿蒸發(fā)段蒸發(fā)率是均勻的，力。假設(shè)熱管中沿蒸發(fā)段蒸發(fā)率是均勻的，沿冷凝段冷凝率也是均勻的，則其質(zhì)量流率、沿冷凝段冷凝率也是均勻的，則其質(zhì)量流率、壓力分布、溫度分布及彎月面曲率的分布如壓力分布、溫度分布及彎月面曲率的分布如右上圖所示。右上圖所示。 在蒸發(fā)段內(nèi)，由于液體不斷蒸發(fā)，使汽液在蒸發(fā)段內(nèi)，由于液體不斷蒸發(fā)，使汽液分界面縮回到管芯里，即向毛細孔一側(cè)下陷，分界面縮回到管芯里，即向毛細孔一側(cè)下陷，使毛細結(jié)構(gòu)的表面上形成彎月形凹面。而在使毛細結(jié)構(gòu)的表面上形成彎月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐漸凝結(jié)的

11、結(jié)果使液汽分界面冷凝段，蒸汽逐漸凝結(jié)的結(jié)果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形狀，高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形狀，即界面的曲率半徑為無窮大即界面的曲率半徑為無窮大(見右上圖上部見右上圖上部及右下圖及右下圖)。曲率半徑之差提供了使工質(zhì)循。曲率半徑之差提供了使工質(zhì)循環(huán)流動的毛細驅(qū)動力環(huán)流動的毛細驅(qū)動力(循環(huán)壓頭循環(huán)壓頭)，用以克服，用以克服循環(huán)流動中作用于工質(zhì)的重力、摩擦力以及循環(huán)流動中作用于工質(zhì)的重力、摩擦力以及動量變化所引起的循環(huán)阻力。動量變化所引起的循環(huán)阻力。 熱管工作過程動畫注意：熱管中的水會 因為內(nèi)部低壓而在100 以下就沸騰蒸發(fā)。水蒸汽流熱量輸入液態(tài)水蒸發(fā)液體由于重力或

12、吸附力回流水蒸汽冷凝熱量散失 4 兩相閉式熱虹吸管兩相閉式熱虹吸管重力熱管、熱虹吸管重力熱管、熱虹吸管與有芯熱管的區(qū)別在于冷凝液回流的機理不同與有芯熱管的區(qū)別在于冷凝液回流的機理不同熱虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流熱虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流有芯熱管是依靠毛細抽吸力使冷凝液回流有芯熱管是依靠毛細抽吸力使冷凝液回流 重力熱管的特點：重力熱管的特點： * 不需要吸液芯，制作簡單，成本低廉不需要吸液芯，制作簡單，成本低廉 * 減少了吸液芯本身產(chǎn)生的熱阻，減少了吸液芯本身產(chǎn)生的熱阻， 具有良好的傳熱性能具有良好的傳熱性能 * 一切由吸液芯引起的故障，均可避免，一切由吸液芯引起的故障，均可避免， 工

13、作可靠工作可靠重力熱管應用場合：重力熱管應用場合：只能應用于重力場中，而不能用于空間（無重力場）；只能應用于重力場中，而不能用于空間（無重力場）；只能將熱管的下部作為加熱段，而上部作為冷凝段；只能將熱管的下部作為加熱段，而上部作為冷凝段；主要用于傳熱，不能用于均溫；主要用于傳熱，不能用于均溫；可以作為熱二極管?？梢宰鳛闊岫O管。根據(jù)重力熱管具有的特點，國內(nèi)作為余熱回收用的熱管換熱器大多根據(jù)重力熱管具有的特點，國內(nèi)作為余熱回收用的熱管換熱器大多數(shù)采用這種形式的熱管。數(shù)采用這種形式的熱管。 5 熱管分類熱管分類 按照熱管管內(nèi)工作溫度分： 低溫熱管低溫熱管(-273(-2730)0)、常溫熱管、常溫

14、熱管(0(0250)250)、中溫熱管、中溫熱管(250(250450)450)、 高溫熱管高溫熱管(450(4501000)1000)。 按照工作液體回流動力分： 有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管( (又稱重力熱管又稱重力熱管) )、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、 電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管。電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管。 按管殼與工作液體的組合方式分： 銅銅- -水熱管、碳鋼水熱管、碳鋼- -水熱管、鋁水熱管、鋁- -丙酮熱管、碳鋼丙酮熱管、碳鋼- -萘熱管、不銹鋼萘熱管、不銹鋼- -鈉熱管。鈉熱管。 按結(jié)構(gòu)形式分按結(jié)構(gòu)形式分

15、: 普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管 按熱管的功用分按熱管的功用分: 傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管管 6 熱管的相容性及壽命熱管的相容性及壽命相容性指熱管在預期的設(shè)計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的相容性指熱管在預期的設(shè)計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學反應或物理變化。影響熱管壽命及工作的重要因素之一產(chǎn)生不凝性化學反應或物理變化。影響熱管壽命及工作的重要因素之一產(chǎn)生不凝性氣體氣體 由

16、于工作液體與管殼材料發(fā)生化學反應或電化學反應，產(chǎn)生不凝性氣體，由于工作液體與管殼材料發(fā)生化學反應或電化學反應，產(chǎn)生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到冷凝段聚集起來形成氣塞，從而使有在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到冷凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化。這種不相容的最典型例子就是效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化。這種不相容的最典型例子就是碳鋼碳鋼-水熱管，由于碳鋼中的鐵與水發(fā)生以下的化學反應：水熱管，由于碳鋼中的鐵與水發(fā)生以下的化學反應：Fe + 2 H2O = Fe(OH) 2 + H23Fe + 4 H2O Fe3O4 + 4 H2Fe(O

17、H) 2 Fe3O4 + H2O + H2所產(chǎn)生的不凝性氫氣將使熱管性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。所產(chǎn)生的不凝性氫氣將使熱管性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。 只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長期的工作只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業(yè)應用的可能性。碳鋼壽命及工業(yè)應用的可能性。碳鋼-水熱管正是通過化學處理的方法，有效地水熱管正是通過化學處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學反應問題，才使得碳鋼解決了碳鋼與水的化學反應問題，才使得碳鋼-水熱管這種高性能、長壽命、水熱管這種高性能、長壽命、低成本的熱管得以在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。低成本的熱管得以

18、在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。 7 7 總結(jié)熱管的重要特點總結(jié)熱管的重要特點*高導熱性高導熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。 當然，高導熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，不可能違反熱當然，高導熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，不可能違反熱力學第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些力學第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在

19、著一些傳熱極限。傳熱極限。*良好的等溫性良好的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，溫決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。 *熱流密度可變性熱流密度可變性熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積

20、輸入熱量，以較大的傳熱面積輸入熱量， 而以較小的冷卻面積輸出熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量， 這樣即可以改變熱流密度，這樣即可以改變熱流密度， 解決一些其他方法難以解決的解決一些其他方法難以解決的 傳熱難題。傳熱難題。*熱流方向可逆性熱流方向可逆性一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力，因此任意一端受熱就可做為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成力是毛細力，因此任意一端受熱就可做為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用為冷凝段。此特點可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱

21、的化學反應器及其他裝置。于先放熱后吸熱的化學反應器及其他裝置。*熱二極管與熱開關(guān)性能熱二極管與熱開關(guān)性能熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，所謂熱熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關(guān)則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度熱開關(guān)則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。低于這一溫度時，熱管就不傳熱。*恒溫特性恒溫特性（可控熱管）普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量（可控熱管）普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變

22、，因此當加熱量變化時，熱管各部分的溫度亦隨之變化。的變化而變，因此當加熱量變化時，熱管各部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)展了另一種熱管但人們發(fā)展了另一種熱管 可變導熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量可變導熱管，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，這樣可使熱管在加熱量大幅的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使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。的恒溫特性。*環(huán)境適應性環(huán)境適應性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管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