换热器原理与设计Principle and design of heat exchanger 热管换热器热管换热器是一种新型、高效、节能换热器,广泛使用于航天航空业,并逐步用于加热炉对流室烟气余热回收中。它是由数根热管组成的。热管外部装有翅片以提高传热效果。热管管束中间装有隔板,冷、热流体分别在隔板的两侧流动,通过热管进行热量传递。其工作原理为:当热管的两端分别被加热(与热流体接触)和冷却(与冷流体接触)时,被加热的一端(称为蒸发段)管中的液体吸热蒸发成为蒸气,蒸气沿管中心通道流向另一端(称为冷凝段)并在此冷凝放出热量,由于多孔管芯毛细作用,冷凝下来的液体又会自动地沿管芯流回蒸发段。如此循环往复,通过工作介质的蒸发、冷凝,将热量由热流体传递至冷流体。热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、操作简单、使用寿命长等优点。 工作原理和传热过程热管工作原理简图热管的传热过程六个传热步骤:1)热量从热源通过壳壁和充满液体工质的吸液芯传递到液汽分界面上2)液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发3)蒸汽通过蒸汽腔输送到冷凝段4)蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上冷凝5)热量从冷凝段内的汽-液分界面通过吸液芯和壳壁传给外热汇(即冷源)6)冷凝液借助吸液芯的毛细作用从冷凝段返回蒸发段重新工作。 热管的结构热管的结构简图轴向分为三个区域:蒸发段(或称热源段、热端)、蒸发输送段(或称绝热段)、 冷凝段(或称热汇段、冷端)径向分为三个部分:密闭的管壳、毛细结构(或称吸液芯)、蒸汽通道(或称蒸汽腔)1 管壳1)作用:将热管的工作部分封闭起来,在热端和冷端接受和放出热量,并承受管内外压力不等时所产生的压力差2)要求:由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造,材料的选择必须首先考虑到与所要使用的工质的相容性,即要求热管在长期运行中管壳无腐蚀,工质与管壳不发生化学反应,不产生气体。3)材料:以不锈钢、铜、铝、镍等较多,也可用贵重金属铌、钽或玻璃、陶瓷等。2 管芯管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构,通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减小接触热阻,衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。性能良好的管芯应具有: 足够大的毛细抽吸压头 较小的液体流动阻力,即有较高的渗透率 良好的传热特性,即有较小的径向热阻管芯的结构1)紧贴管壁的单层及多层网芯,(a)2)烧结粉末管芯,(b),它是由一定目数的金属粉末或金属丝网烧结在管内壁面而成3)轴向槽道式管芯,(c),它是在管壳内壁开轴向细槽,以提供毛细压头及液体回流通道,槽的截面形状可有矩形、梯形等多种4)组合管芯。一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率,组合管芯既能兼顾毛细力和渗透率,从而获得高的轴向传热能力,而且大多数管芯的径向热阻甚小。它基本上把管芯分成两部分,一部分起毛细抽吸作用,一部分起液体回流通道作用。此类管芯有多种,(d)为一种槽道覆盖网式。它是在轴向槽道管芯表面覆盖一层细孔网,槽道成为低阻力的液体回流通道,细孔网则提供高的毛细抽吸压头,因此可提高传热能力。但因网与槽不易贴合紧,其径向热阻较大。3)工作液对工作液的要求: 要有较高的汽化潜热、导热系数,合适的饱和压力及沸点,较低的粘度及良好的 稳定性 应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力,使毛细结构能对工作液作用并产生 必须的毛细力 不能对毛细结构和管壁产生溶解作用,否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛 细结构工作液的选用 热管内的工作液体随热管内部的工作温度而定低温(﹤100℃):乙醇、***、***利昂、液氨、液氢等,在常温条件下的工作液体 一般为水中温(100~500℃):热管内部工作温度高于280℃时,由于水的饱和蒸汽压力较高, 故应考虑具有低饱和蒸汽压的工作液体如联苯、萘、***等高温(﹥500℃):当管内工作温度超过600℃以上时,可选用钾、钠或钾钠合金等液 态金属作为工作液体 工作液在外壳封闭前装入热管,其数量应使毛细结构足够饱和并稍有过量,若液体不足则有可能成为热管破坏的原因之一(如蒸发段干涸)4)热管的型式①吸液芯热管:冷凝的工作液体依靠毛细多孔材料(吸液芯)的毛细抽吸力返回到加热段(蒸发段)②两相热虹吸管:工作液体的回流依靠其本身的重力作用③旋转热管:工作液体的回流依靠离心力的分力作用④重力辅助热管:同时受到毛细力和重力作用使凝液回流。当具有吸液芯的热管处于冷凝段在加热段上方位置时,热管就将按重力辅助热管方式运行

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