熱管換熱器設(shè)計(jì)說明書

1、第一章熱管及熱管換熱器的概述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。具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫度可控制等特點(diǎn)。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。熱管傳熱技術(shù)于六十年代初期由美國的科學(xué)家發(fā)明1 ， 它是利用封閉工作腔工質(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)。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題的解決，熱管憑借其巨大的傳熱能力，被廣泛應(yīng)用于石

2、油、化工、食品、造紙、冶金等領(lǐng)域的余熱回收系統(tǒng)中。熱管氣- 氣換熱器是最能體現(xiàn)熱管優(yōu)越性的熱管換熱器產(chǎn)品，它正在逐步取代傳統(tǒng)的管殼式換熱器。熱管氣- 氣換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種氣- 氣換熱器。我國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。大量的工業(yè)鍋爐和各種窯爐、加熱爐所排放的高溫?zé)煔?，用熱管? 氣換熱器進(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。據(jù)有關(guān)報道稱，我國三分之二的能源被鍋爐吞噬，而我國工業(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。如果我國鍋爐的熱效率能夠

3、提高10%，節(jié)約的能耗則相當(dāng)于三峽水庫一年的發(fā)電量，做好工業(yè)鍋爐及窯爐的節(jié)能工作對節(jié)約能源具有十分重要的意義26 。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。1.1 熱管及其應(yīng)用熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)

4、構(gòu)緊湊、流體壓降小等優(yōu)點(diǎn)。由于其特殊的傳熱特性可控制管壁溫度，避免露點(diǎn)腐蝕。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、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程中的熱能，已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益7 。 重力熱管因其簡單的結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)的成本得到了廣泛的應(yīng)用，其工作原理是：熱管受熱側(cè)吸收廢氣熱量，并將熱量傳給管工質(zhì)（ 液態(tài) ） ，工質(zhì)吸熱后以蒸發(fā)與沸騰的形式轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，蒸汽在壓差作用下上升至放熱?cè)，同時凝結(jié)成液體放出汽化潛熱，熱量傳給放熱側(cè)的冷流體，冷凝液體依靠重力回流到受熱側(cè)。由于熱管部抽成真空，所以工質(zhì)極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動迅速。熱管在冷、熱兩側(cè)均可裝設(shè)翅片，以強(qiáng)化傳熱。1.1.

5、1 熱管的工作原理熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量，通過部相變傳熱過程，把熱量輸送到冷卻段，從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。完成這一轉(zhuǎn)移有6 個同時發(fā)生而又相互關(guān)聯(lián)的主要過程, 如圖 1.1 。這 6 個過程是：（1）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；（2）液體在蒸發(fā)段的液-汽分界面上蒸發(fā)；（3）蒸汽腔的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷 凝段；（4）蒸汽在冷凝段的汽-液分界面上凝結(jié)；（5）熱量從汽-液分界面通過吸 液芯、液體和管壁傳給冷源；（6）在吸液芯由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。為進(jìn)一步了解熱管的傳熱機(jī)理，將以上6個過程詳述如下：從熱源到蒸發(fā)段液一汽分界面的傳熱過程基本

6、上是熱傳導(dǎo)過程。對于水或 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，熱能差不多主要靠多孔吸液芯材料進(jìn)行傳導(dǎo)。 但是，如果工作液體是具有高導(dǎo)熱系數(shù)的液態(tài)金屬，此時熱量既通過吸液芯材 料進(jìn)行熱傳導(dǎo)，同是也通過吸液芯毛細(xì)孔的液態(tài)金屬進(jìn)行傳導(dǎo)。在多孔吸液芯 的情況下，對流傳熱是很小的，因?yàn)橐a(chǎn)生有實(shí)際意義的對流流動，毛細(xì)孔顯 得太小了。通過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。這個溫降可以從攝氏幾度到幾十度。熱量傳遞到液一汽分界面附近以后，液

7、體就可能蒸發(fā)，與液體蒸發(fā)的同時， 由于從表面離開的液體質(zhì)量使液一汽交界面縮回到吸液芯里面，形成一個凹形 的彎月面（如圖1.2）,這個彎月面的形狀對熱管工作性能有決定性影響。單個毛 細(xì)孔上簡單的力學(xué)平衡現(xiàn)象表明，對于球形分界面，蒸汽壓力與液體壓力之差 是等于表面力除以彎月面半徑之商的兩倍。這個壓差是液體流動和蒸汽流動的 基本推動力。它主要起到循環(huán)時作用于液體的重力和粘滯力相抗衡的作用。在 蒸發(fā)段，如果熱量進(jìn)一步增高，則彎月面還要進(jìn)一步縮入到吸液芯里面，最后 它可能妨礙毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的液體流動，并破壞熱管的正常工作。圖1.2熱管的汽一液交界面當(dāng)蒸發(fā)段里的液體一旦因吸收了汽化潛熱并蒸發(fā)時，蒸汽就開始通過

8、熱管 的蒸汽腔向冷卻段流動。此流動是由蒸汽腔兩端的小壓差引起的。蒸發(fā)段蒸汽 的溫度比冷卻段的飽和溫度稍高一些，從而形成了兩端的溫度差。蒸發(fā)段與冷 卻段之間這個溫差常?？勺鳛闊峁芄ぷ鞒晒εc否的一個判據(jù)。如果此溫差小于 0.5 C或1C,則熱管常常被稱為在“熱管工況”下工作，即等溫工作。在蒸汽向冷卻段流動的同時，在蒸發(fā)段的沿途上不斷加進(jìn)補(bǔ)充的質(zhì)量（蒸 汽），因此在整個蒸發(fā)段，軸向的質(zhì)量流量和速度是不斷增加的，在熱管的冷卻 段則出現(xiàn)相反的情況。熱管的蒸汽流動可以是層流，也可是湍流，這取決于熱管的實(shí)際工作情況。當(dāng)蒸汽流過蒸發(fā)段和絕熱段時，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)），

9、一旦到達(dá)冷卻段，蒸汽就開始在液體吸液芯表面上凝結(jié)，減速流動使部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而使得在流體運(yùn)動的方向上壓力有所回升。應(yīng)該指出：蒸汽腔的驅(qū)動壓力要比蒸發(fā)段與冷卻段液體的飽和蒸汽壓差銷為小一些。這是因?yàn)橐S持一個邊界蒸發(fā)的過程，蒸發(fā)段液體的蒸汽壓力必須超過該處與之相對應(yīng)的蒸汽壓力。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該處與之對應(yīng)的液體的蒸汽壓力。當(dāng)蒸汽凝結(jié)時，液體就浸透冷卻段的吸液芯毛細(xì)孔，彎月面具有很大的曲率半徑，可以認(rèn)為是無窮大。在熱管只要有過量的工質(zhì)，就一定集中在冷凝表面上，因而實(shí)際上冷凝段的汽液分界面是一個平面，蒸汽凝結(jié)釋放出的潛熱通過吸液芯、液體層和管壁把熱量傳給管

10、外冷源。如果有過量液體存在，則從分界面到管壁外面的溫降將比蒸發(fā)段相應(yīng)的溫降大，因而，冷卻段的熱阻在熱管設(shè)計(jì)中是應(yīng)當(dāng)考慮的重要熱阻之一。1.1.2 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通用發(fā)動機(jī)公司的Gaugler 于 1944 年提出的。他當(dāng)時的想法是：液體在某一位置上吸熱蒸發(fā)，而后在它的下方某一位置放熱冷凝，不附加任何動力而使冷凝的液體再回到上方原位置繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，達(dá)到熱量從一個地點(diǎn)傳動到另一個地點(diǎn)的目的。Gaugler 所提出的第一個專利是一個冷凍裝置，由于時代條件的限制， Gaugler 的發(fā)明在當(dāng)時未能得到應(yīng)用。1962 年特雷費(fèi)森

11、向美國通用電氣公司提出報告，倡議在宇宙飛船上采用一種類似 Gaugler 的傳熱設(shè)備。但因這種倡議并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，亦未能付諸實(shí)施。1963 年 Los-Alamos 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。他采用一根不銹鋼管作殼體，鈉為工作介質(zhì)，并發(fā)表了管裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了有限的理論分析，同時提出了以銀和鋰作為熱管的工作介質(zhì)的觀點(diǎn)。1964 年 Grover 等人首次公開了他們的試驗(yàn)結(jié)果。此后英國原子能實(shí)驗(yàn)室開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。工作的興趣主要是熱管在核熱離子二極管轉(zhuǎn)換器方面的應(yīng)用

12、。與此同時，在意大利的歐洲原子能聯(lián)合核研究中心也開展了積極的熱管研究工作。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16001800。1964 年至1966 年期間，美國無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、鉍等作為管的工作液體的多種熱管，操作溫度達(dá)到1650。1967 年至1968 年，美國應(yīng)用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應(yīng)用圍涉及到空調(diào)、電子器件、核電機(jī)的冷卻等方面。并初次出現(xiàn)了柔性熱管和平板式的異形熱管。Los-Alamos 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。1967 年一根不銹鋼- 水熱管首次在空間運(yùn)轉(zhuǎn)成功。19

13、65 年 Cotter首次較完整地闡述了熱管理論，他描述了熱管中發(fā)生的各個過程的基本方程，并提出了計(jì)算熱管工作毛細(xì)限的數(shù)學(xué)模型，從而奠定了熱管理論的基礎(chǔ)。Katzoff 于 1966 年首先發(fā)明有干道的熱管。干道的作用是為后冷凝段回流到蒸發(fā)段的液體提供一個壓力降較小的通道。后來莫里茨核普魯客提出了一個新的名詞，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。1969 年，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。在日本的文章中描述了帶翅片熱管管束的空氣加熱器。在能源日趨緊的情況下，它可

14、以用來回收工業(yè)排氣中的熱能。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。格雷提出轉(zhuǎn)動熱管，此種熱管沒有吸液芯，依靠轉(zhuǎn)動中的離心力使液體從冷凝段回流到蒸發(fā)段，這些發(fā)明都是熱管技術(shù)的重大進(jìn)展。熱管自 1964 年問世以來，獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫液態(tài)金屬熱管已廣泛地被用于動力工程的核反應(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。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；在動力工程中用于透平葉輪、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)以及變壓器的冷卻；在能量工程方面用于廢氣熱能回收、太陽能和地?zé)崮艿睦?/p>

15、用；在機(jī)械工程方面用于高速切削工具（車刀、鉆頭）的冷卻。低溫?zé)峁茉谕ㄐ怕?lián)絡(luò)中冷卻紅外線傳感器、參量放大器；在醫(yī)學(xué)方面可用作低溫手術(shù)刀，進(jìn)行眼睛和腫瘤的手術(shù)。隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用圍還在擴(kuò)大。幾個典型的應(yīng)用如下：美國阿拉斯加輸油管線工程采用熱管作輸油管線的支撐。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。后來，決定在管架支撐中裝設(shè)簡單的重力熱管，從而解決這個困難。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”。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1020m,上部

16、散熱端裝有鋁翅片，埋入土 壤中的深度為 912m,在熱管兩端溫差小于 1C的情況下，保證每根熱管可輸 送300W的熱流。其熱管的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)30年，滿足整個管線工程的要求。在 1290km 長的管線上，總共使用了112,000 多根熱管。熱管應(yīng)用于一個化學(xué)反應(yīng)釜，反應(yīng)釜的攪拌軸就是一根熱管。當(dāng)反應(yīng)釜中的反應(yīng)溫度達(dá)不到熱管啟動溫度時，熱管不工作，一旦溫度上升到熱管工作溫度時，熱管便通過釜的吸熱片把熱量傳到釜外，通過散熱片散入空間，從而使得釜反應(yīng)溫度保持恒定。熱管在太陽能方面的應(yīng)用。目前太陽能熱管發(fā)電裝置、太陽能熱管熱水器等產(chǎn)品已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱管技術(shù)正愈來愈廣泛地 滲

17、入到各個工業(yè)領(lǐng)域中，發(fā)揮出愈來愈重要的作用。我國熱管研究開始于1970 年左右。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。1981 年國第一臺試驗(yàn)性熱管換熱器運(yùn)行成功，各地相繼出現(xiàn)了各種不同類型的、不同溫度圍的氣- 氣熱管換熱器和氣- 液熱管換熱器，在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良好的作用，并積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)。20 世紀(jì) 80 年代初，國一些科研院所、高校及制造廠相繼開展了熱管氣- 氣換熱器的試驗(yàn)研究。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)峁艿难兄?、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設(shè)計(jì)方法等問題，其

18、研究成果陸續(xù)在石化、冶金、電力等行業(yè)推廣應(yīng)用。目前國已有數(shù)千臺熱管氣- 氣換熱器先后投入使用，取得了較好的使用效果。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。因此，急需對這些問題進(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812 。1.1.3熱管換熱器的性能特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢由熱管管束和外殼等組成的換熱器稱為熱管換熱器。一般情況下，它有一個矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯列呈 三角形的排列，也可以是順列呈正方形排列。在矩形殼體部的中央有一塊隔板 把殼體分成兩個部分，形

19、成熱流體與冷流體的通道。當(dāng)熱冷流體同時在各自的 通道中流過時，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱量 交換。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，圖1.3、圖1.4分別為應(yīng)用最為廣泛的氣-氣熱管換熱器外形示意圖和氣-液熱管換熱器外形示意圖?？藘?yōu)冷流體入口相囂茸h 7 二二二二二二二二二一姿芟h 二二二二=二二二 t 8二二二二,二二二二一L 二 .二 二 一 二二二?,二二二Cm玉二三三歸"三WWW"三v三芟再>芟熊丑翥11荽一 一 三Kg-1 AK一*二二*1二二二二二二51二二：二上二1<:二二1二二二二二二二 彳：二二二k我流得0

20、圖1.3氣-氣熱管換熱器冷泡體入口克體逢她后的冷液觸口3-聲上inr二三：；III酷參WW隔機(jī)熱氣體入口V圖1.4氣-液熱管換熱器熱管式換熱器是一種新型的換熱器，于70年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時間不長，但發(fā)展速度很快。熱管換 熱器的最大特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管 換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時的壓力損失 也比其他換熱器小，因而動力消耗也小。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來越受到 人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。我國于1970年開始的熱管研制工作，首先是為航天技術(shù)發(fā)展的需要而進(jìn)行的。1976

21、年12月7日，在衛(wèi)星上首次應(yīng)用熱管取得了成功。我國氣象衛(wèi)星也應(yīng) 用了熱管，并獲得了預(yù)期效果。我國在熱管換熱器方面的研制工作起步較早。工業(yè)大學(xué)于1973年就開始了這方面研制工作，并和煉油廠共同完成了國第一臺熱管換熱器。以后幾年，熱管換熱器相繼在紡織、石油、化工等行業(yè)用于余熱 回收及干燥工藝上。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)用圍和有效、合理地使用熱管 換熱器等方面起了推動作用。熱管氣-氣換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的熱管換熱器。隨著能源短缺問題的日趨嚴(yán)峻，節(jié)能意識越來越深入人心，熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用前景更加廣闊。熱管氣-氣換熱器是目前應(yīng)用

22、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)熱爐的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對環(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。圖1.5 (a)是熱管氣-氣換熱器用于回收鍋爐煙氣余熱，得到的熱空氣用于鍋爐 助燃的流程示意圖，圖 1.5 (b)是熱管氣-氣換熱器用于回收窯爐煙氣余熱來加 熱空氣，得到的熱空氣作為烘房熱源的流程示意圖。圖1.5熱管氣-氣換熱器流程示意圖( a)煙囪圖1.5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- 氣換熱器的應(yīng)用簡化并加速了燃料

23、的烘干工程，減少了低值燃料和濕燃料的著火困難，并且擴(kuò)大了這些燃料經(jīng)濟(jì)燃燒的可能。熱管空氣預(yù)器熱同樣還可以提高鍋爐整體的蒸汽生產(chǎn)量。熱管氣 - 氣換熱器能夠把排出的煙氣加以高度冷卻。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2040）、空氣與煙氣成逆流換熱的結(jié)果。傳統(tǒng)的氣- 氣換熱器的缺點(diǎn)是過于笨重，愈提高煙氣冷卻程度或者空氣的加熱溫度，氣- 氣換熱器就愈加笨重。氣- 氣換熱器所排出的煙氣的溫度也受到限制，既決定于技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，也決定于必須避免在氣-氣換熱器的金屬表面上結(jié)成水滴，因?yàn)樗螘鸾饘俦诘母g，灰分也會粘在濕金屬壁上使之加速積垢。燃料中含硫愈多，在金屬壁上結(jié)成的水滴就會愈

24、危險。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 。采用熱管氣- 氣換熱器能夠把排出煙氣時帶走的熱量損失減少到能夠容許的程度。 每當(dāng)使排出的煙氣溫度降低20， 鍋爐整體的效率可提高約1%。 此外，熱管氣 - 氣換熱器能使?fàn)t膛中前部煙道中的煙氣溫度有某些提高。在這些地方，煙氣與水或蒸汽的溫度差將會增加，因而經(jīng)過受熱面?zhèn)鬟^的熱量也就增加了。輻射傳遞的熱量增加得尤為顯著。由于水 - 碳鋼熱管的研制成功，使得氣- 氣熱管換熱器的制造成本大幅降低，從而促進(jìn)了熱管氣- 氣換熱器的工業(yè)化應(yīng)用。熱管氣- 氣換熱器綜合起來有如下一些特點(diǎn)1417：傳熱性能高。由于熱管氣-氣換熱器的

25、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；對數(shù)平均溫差大。由于熱管氣- 氣換熱器可以方便地做到冷流體與熱流體的純逆向流動，這樣在相同的進(jìn)、出口溫度條件下，就可以產(chǎn)生最大的對數(shù)平均溫差；傳熱量大。由于熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差大，因此，傳熱量就大；體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。由于熱管氣-氣換熱器所傳輸?shù)臒崃看?，因此在傳輸同樣的熱量情況下，熱管氣- 氣換熱器就顯得體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)非常緊湊，因而金屬的消耗量小，占地面積也就大大減少。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)域開辟了廣闊的天地；便于拆裝、檢查和更換。熱

26、管氣-氣換熱器是由許多根獨(dú)立的換熱元件-熱管按著一定的排列方式組成的。因此更換部分熱管不會影響熱管氣- 氣換熱器整體的正常工作；熱管氣- 氣換熱器具有很大的靈活性，可以根據(jù)不同的熱負(fù)荷和氣體的流量將幾個熱管氣- 氣換熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來使用；明顯地提高了金屬壁溫，減輕了低溫腐蝕；有效地防止了漏風(fēng)，降低了引風(fēng)機(jī)的耗電量；增強(qiáng)了換熱能力，余熱回收率高，提高了鍋爐熱效率；明顯地減輕了受熱面積灰，不會出現(xiàn)堵煙現(xiàn)象而影響鍋爐正常運(yùn)行；（11）流阻小，降低了換熱器運(yùn)行時的動力消耗。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)簡單、緊湊、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低和流動阻力

27、小等方面。熱管氣 - 氣換熱器的技術(shù)優(yōu)勢就在于利用了熱管部工質(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。1.2 熱管氣- 氣換熱器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題自七十年代以來，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(yùn)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(yùn)行費(fèi)用。在設(shè)計(jì)熱管時所依據(jù)的

28、都是經(jīng)驗(yàn), 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(jì)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(jì)方法有關(guān)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段難以通過進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)計(jì)算來避免積灰。（ 3）露點(diǎn)腐蝕雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點(diǎn)腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

29、手段的限制，設(shè)計(jì)計(jì)算采用試算驗(yàn)證的方式進(jìn)行，難以做到各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化組合，從而造成熱管氣- 氣換熱器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏離，導(dǎo)致露點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致熱管失效。第二章熱管氣 - 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(jì)計(jì)算。2.1 熱管的材料及工作溫度根據(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(jì)計(jì)算以前，首先應(yīng)考慮怎樣確

30、定上述這些因素。一般地說，這與設(shè)計(jì)的目的有關(guān)。因?yàn)闊峁艿挠猛鞠喈?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(jì)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

31、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)考慮以下一些原則即28:工質(zhì)應(yīng)適應(yīng)熱管的工作溫度區(qū)在指定的設(shè)計(jì)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圍可以通過一般的傳熱公式計(jì)算出來。熱管的工作溫 度一般是指工作時熱管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(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。在某一溫度圍有 幾種工作液體可被選用，這就要依次考慮各種

32、因素，并加以對比，作出選擇。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?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?；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。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。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(shí)際運(yùn)行時間甚至有超過10年的。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Ni表示，是一個有因次數(shù)，

33、單位是W/m2N1° ehfg(2.1 )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。2.2 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(yàn)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

34、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(xiàng)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流通面積的大小，從而影 響著熱管的幾項(xiàng)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，

35、 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(jì)算的一個基本原則是管蒸汽速度不超過一定的極限值。這個極限值 是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過0.2。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(jì)。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CLx是已知的。如果又限定它的馬赫數(shù)等于 0.2 ,則有八QmaxA（22）0.2 vhfgj vRvTv（2.2）dv1/220Qmaxvhfg . vRvTv(2.3)dv24(2.4)式中：Av是蒸汽流道的面積，dv為蒸汽腔直徑，CLx為最大軸向熱流

36、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(jì)計(jì)算后只對工質(zhì)的工作溫度進(jìn)行校核。2.3 熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法熱管氣-氣換熱器設(shè)計(jì)計(jì)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A(yù)T及熱負(fù)荷Q求得總傳熱面積 A,從而定出管子根數(shù) No設(shè)計(jì)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(yùn)行參數(shù)，包括流量，進(jìn)出口溫度等29-30 o熱管氣-氣換熱器的兩種基本計(jì)算方法是平均溫差法和傳熱單元數(shù)法，它們都能完成

37、預(yù)熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算是設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)計(jì)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(jì)算；而校核計(jì)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(jì)算。熱管氣-氣換熱器傳熱計(jì)算的熱平衡方程為：Q= mcp h（Thi Th2） mcp 飆 幾）（2.5 ）其傳熱方程為Q UA Tm( 2.6 )式中，AT m是由冷熱流體的

38、進(jìn)出口溫度確定的。以上三個方程中共有八個獨(dú)立 變量，它們是 UA (mcp)h、(mcp)c、八小、Tci、“、Q。因此，熱管氣-氣換熱 器的換熱計(jì)算應(yīng)該是給出其中的五個變量來求得其余三個變量的計(jì)算過程。對 于 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 ， 典 型 的 情 況 是 給 出 需 設(shè) 計(jì) 熱 管 氣 -氣 換 熱 器 的 熱 容 流 率 (mcp) h、 (mcp) c， 冷、熱流體進(jìn)出口溫度中的三個已知量，如Th1、 Th2、 Tc1， 計(jì)算另一個溫度2、換熱量Q以及傳熱性能量 UA 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。對于校核計(jì)算，典型的情況是給出已有熱管氣- 氣

39、換熱器的熱容流率( mcp) h、(mc>)c、傳熱性能量 UA以及冷熱流體的進(jìn)口溫度 1、Tci,計(jì)算換熱量 Q和冷熱 流體的出口溫度 2、Tc2,最后達(dá)到校核換熱器性能的目的。2.3.1 熱管氣 -氣換熱器換熱計(jì)算的平均溫差法1. 平均溫差法進(jìn)行熱管氣- 氣換熱器設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)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A(yù) Tm；( 3)初步布置換熱管，根據(jù)無因次準(zhǔn)則方程計(jì)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

40、動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計(jì)不合理，則應(yīng)改變 設(shè)計(jì)方案重新計(jì)算。2. 平均溫差法用于校核計(jì)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(jì)算出對數(shù)平均溫差A(yù) T m；( 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ATm由傳熱方程求出換熱量 Q(假設(shè)出口溫度下的計(jì)算值）；（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；（6）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，一般相對誤差應(yīng)控在1%。

41、2.3.2 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)NTU和NTU各按下式定義計(jì)算：NTUhThidUATh2 ThTc mcp h(2.7)NTUc cTcidTcUATc2 ThTcmCP c c(2.8 )式中Thi和Th2分別為熱流體的進(jìn)出口溫度；Tci和Tc2分別為冷流體的進(jìn)出口溫度；dTh和dTc分別為微元傳熱面兩側(cè)的熱流體與冷流體溫度；U為平均傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；（mcp） h和（mcp） c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(jì)熱管氣-氣換熱器時，換熱要

42、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(jì)算換熱過程，還須引入傳熱效率的概念。熱管氣 -氣換 熱器傳熱效率是指兩流體的實(shí)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為無限大時的傳熱量，此時Tc2= Thi或Th2= Tci）的比值。熱流體和冷流體的傳熱效率分別為:(2.9)對一定型式的熱管氣-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。對于逆流操作的熱管氣-氣換熱器為：1 exp NTU h R1 11 R1exp NTUh R1 11 exp NTU c R2 1

43、1 R2 exo NTU c R2 1(2.10 )其中:R1mcP hmecR2mcP emep h(2.11 )利用NTU與“的關(guān)系式和熱量衡算式，可較方便地進(jìn)行傳熱計(jì)算，特別是 對已有熱管氣-氣換熱器傳熱性能進(jìn)行核算，可避免試算或減少試算的次數(shù)。1. e -NTU法進(jìn)行熱管氣-氣換熱器校核計(jì)算的主要步驟為：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(jì)算熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù) U；計(jì)算熱管氣-氣換熱器的傳熱單元數(shù)NTU和熱容流率的比值Xmin/Xmax；按照熱管氣-氣換熱器中流體流動類型，根據(jù)e-NTU的計(jì)算公式計(jì)算預(yù)熱器的效能值 e；根據(jù)冷熱流體的進(jìn)口溫度及最小熱容流

44、率，按照公式求出換熱量Q；利用熱管氣-氣換熱器熱平衡方程確定冷熱流體的出口溫度2、Te2；以計(jì)算出的出口溫度重新計(jì)算傳熱系數(shù)，并重復(fù)進(jìn)行計(jì)算步驟（2）至（5）。2. e -NTU法用于熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，其主要步驟是：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(jì)算出預(yù)熱器效能e；根據(jù)所選用的流動類型以及&和Xmin/Xmax的數(shù)值，計(jì)算傳熱單元數(shù)NTU；初步確定換熱面的布置，并計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)U的數(shù)值；再由NTU的定義式確定換熱面積A=Xmin NTU/U,同時核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動阻力；如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計(jì)不合理，則應(yīng)改變

45、設(shè)計(jì)方案重新計(jì)算。2.4 總換熱系數(shù)的求解理論及方法如圖1.3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?方向不斷被冷卻，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(jì) 算方法相似。如圖2.1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代表管介質(zhì)蒸汽溫度；對于換熱管，在加熱段和冷卻段的管蒸汽溫度基本相等，冷流體溫度為Tc。用rw表示管壁熱阻，用 ry表示污垢熱阻，其中 6 y為污垢層厚度，入y為污垢

46、層導(dǎo)熱系數(shù)，可得加熱段和冷卻段 的傳熱系數(shù)。圖2.1熱管的溫度分布示意圖對于加熱段，有1U7AhU0,h(% hhAf,h)hrwAhAw,hhryAhUi'(2.12 )對于冷卻段，有1UcAcUi,cA,ccAcrw 丁Aw,cAcAy,cAUo,c(Ao,ccAf,c)(2.13 )式中的A和A分別為加熱段和冷卻段的管外總表面積,Ao, h、Ao,分別為加熱段和冷卻段翅片間光管表面積；Aw和Af,c分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；Uh和uc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Q UhAh (Th Tv)(2.14 )冷卻段的傳熱方程

47、為Q UcAc(Tv Tc)(2.15 )將式（2.14 ）和（2.15 ）整理后可得ThTvUhAh(2.16 )TvUcAc(2.17 )兩式相加消去Tv后，可得Th 1 UhXTc 1UcAc(2.18 )的，故：因而對應(yīng)于將(2.12 )-氣換熱器，一般總是以加熱段管外側(cè)的總表面積Ah(AoAf)A的熱管氣-氣換熱器總傳熱系數(shù)U為和(2.13 )AU0,h(A0, h1 A uHp A,cAh為計(jì)算基準(zhǔn)(2.19 )1Ah AhUhAhUcAc式代入上式可得:hAf,h)AhUi,cA,ch Arw 一 Aw,hc Arw-Aw,c111Uh UcAhAc(2.20 )ryAy,hUi

48、,hAf ,hUHP A,hcryAh(2.21 )Ay,cUo,c(acAf,c)式（2.21 ）中并未考慮吸液芯導(dǎo)熱和管蒸汽流動的影響。在考慮吸液芯的 情況下，蒸發(fā)段的管傳熱系數(shù)應(yīng)包括吸液芯的導(dǎo)熱和表面蒸發(fā)兩項(xiàng)，同樣在冷 凝段也應(yīng)包括表面冷凝和吸液芯導(dǎo)熱兩項(xiàng)。在不計(jì)吸液芯和蒸汽流動所造成的 熱阻的情況下。式（2.21 ）就具有如下的形式：U Uo,h(Ao,hhAf,h)hAhAhAhrwrAW,hAy,hUi,hA,hAhUi,cA,cAhAw,ccryAhAh(2.22 )Ay,cUo,c(A0,ccAf,c)式中的uH；為以管面積為基準(zhǔn)的熱管部蒸發(fā)傳熱系數(shù)，uHp為以管面積為基準(zhǔn)的熱

49、管部冷凝傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，簡略計(jì)算時可令Uhp =U HP =5.8 kW/ （m2 .K）,再令UhU0.h(AohAf)UcAh(2.23 )Uo.c(A0cAf)Ac(2.24 )其中的U、uc分別為加熱段和冷卻段管外的有效給熱系數(shù)。最后式（2.22)可寫為1UhcryAhAw,cAhAzhAh1Ahiry T-Ay,hUhpAi,hUHHPAhUcAcAhAi,c(2.25 )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），若冷流體是干凈的空氣，則上式可簡化成為11 c h A hAh11Ah1(2.26 )2rwryh-c

50、J UhAw,hy Ay.h UHhp U' A,h Uc式（2.26 ）常被用來計(jì)算熱管氣-氣換熱器的總傳熱系數(shù)在解決了熱管氣-氣換熱器的總傳熱系數(shù)U之后，就可寫出熱管氣-氣換熱器的總傳熱方程式為Q UAh Tm(2.27)式中的Q為熱管氣-氣換熱器總傳熱量，U為熱管氣-氣換熱器的總傳熱系數(shù)，Ah為熱管氣-氣換熱器加熱段管外總面積，ATm為熱管氣-氣換熱器的對數(shù)平均溫差。一般情況下，Q可以從冷、熱流體的熱平衡方程式中求出。從式(2.26 )求出U,分別代入式(2.27 ),可求出Ah；若已知熱管加熱段單位長度的總表面 積Ah,就可得所需熱管的總長度，從而求得熱管的根數(shù)。2.4.1 換

51、熱準(zhǔn)則方程及冷熱側(cè)對流換熱系數(shù)對于橫向掠過光管或光管管束的給熱系數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)方程式為31Nu cRe0.6 pr13(2.28)對叉排管束c=0.33 ,對順排管束c=0.26 ; Nu數(shù)、Pr數(shù)及Re數(shù)定義如下：U 0d0f cpff Wmaxd0Nu ,Pr , Re ,(2.29)fff式中的do為光管外徑，Wmax為流體橫向掠過管束的最大流速，入f為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為流體的定壓比熱， p f為流體的密度，仙f為流體的動力粘度。顯然 流體橫向流過光管管束和橫向流過翅片管束的流動情況存在著很大的差異，因 而對帶翅片的熱管氣-氣換熱器管外側(cè)給熱系數(shù)應(yīng)以流體橫向流過翅片管束的 給熱系數(shù)U來代

52、替Uo更為合理。求U的準(zhǔn)則方程一般具有如下形式：(2.30 )式中的C1和C2為常數(shù)，其大小和肋片的幾何形狀有關(guān)，Briggs和Young綜合給出下列實(shí)驗(yàn)方程為32:0.6811/30.2000.1134Nuf 0.134ReP(s"lf)(Sf / f)(2.31)式中的Sf/l f為翅片間距與翅片高度之比,Sf/ 6 f為翅片間距與翅片厚度之比Sf和6 f, l f如圖2.2所示,由式（2.31 ）可得圖2.2翅片幾何參數(shù)示意圖式中A _ 0.681U f 0.134Red。1/30.2000.1134Pr(Sf/lf ) (Sf /森)(2.32 )其中Gax為流體最大質(zhì)量流速

53、,RefGmaxd0(2.33 )呼為流體動力粘度。maxfVfNFA(2.34 )式中的P f為標(biāo)況下流體的密度，Vf為標(biāo)況下流體的體積流量 ，NFA為管束的最小流通面積。NFA(ST d0)2(l f Sf nf )LN n(2.35 )式中St為與氣流垂直方向的管間距（中心距） ，nf為單位管長的翅片數(shù)；L為熱 管長度，Nn為迎氣流方向的管子數(shù)。式（2.35 ）的適用圍為： 0.125 < （ Sf/l f） < 0.610 ； 45 < （ Sf/ 6 f） <80。與工業(yè)上實(shí)際使用的熱管氣-氣換熱器對比，以（2.32）式計(jì)算的Uf偏大。化工學(xué)院試驗(yàn)所得的公式為1N f0.1370Re0.6338 Pr1/3(2.36 )上式適用圍：熱氣流溫度240380 c ; Ref=600014000;以 Uf 表達(dá)的 U 計(jì)算式為:cw1U7AhhwcryAhAw,hAhhAhry AAy,hAh1Ah1AhU HPAi,hU HPAi,h(2.37 )Ay,cU