熱管式換熱器概述

熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱組件，熱管技術(shù)首先于1944年由美國(guó)人高格勒（R·S·Gaugler）所發(fā)現(xiàn)，并以“熱傳遞裝置”（Heat Transter Device）為名取得專利，當(dāng)時(shí)因未顯示出實(shí)用意義，而沒(méi)有受到應(yīng)有的重視。直到六十年代初期，由于宇航事業(yè)的發(fā)展，要求為宇航飛行器提供高效傳熱組件，促使美國(guó)洛斯——阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的格羅弗（G·M·Grover）于1964年再次發(fā)現(xiàn)這種傳熱裝置的原理，并命名為熱管（Heat Pipe），首先成功地應(yīng)用于宇航技術(shù)，之后引起了各國(guó)學(xué)者的極大興趣和重視。熱管技術(shù)于上世紀(jì)七八十年代進(jìn)入中國(guó)。

熱管通過(guò)在全封閉真空管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)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)。缺點(diǎn)是抗氧化、耐高溫性能較差。此缺點(diǎn)可以通過(guò)在前部安裝一套陶瓷換熱器來(lái)予以解決，陶瓷換熱器較好地解決了耐高溫、耐腐蝕的難題。

以熱管為傳熱元件的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小、有利于控制露點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機(jī)械等行業(yè)中，作為廢熱回收和工藝過(guò)程中熱能利用的節(jié)能設(shè)備，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

熱管內(nèi)蒸發(fā)段工質(zhì)受熱后將沸騰或蒸發(fā)，吸收外部熱源熱量，產(chǎn)生汽化潛熱，由液體變?yōu)檎羝a(chǎn)生的蒸汽在管內(nèi)一定壓差的作用下，流到冷凝段，蒸汽遇冷壁面及外部冷源，凝結(jié)成液體，同時(shí)放出汽化潛熱，并通過(guò)管壁傳給外部冷源，冷凝液靠重力(或吸液芯)作用下回流到蒸發(fā)段再次蒸發(fā)。如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部冷熱兩種介質(zhì)的熱量傳遞與交換。

1、熱管換熱器按形式分，有整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉(zhuǎn)式熱管換熱器和蝸殼熱管換熱器等。

（1）整體式熱管換熱器

整體式熱管換熱器是一種最常見的熱管換熱器，這種換熱器由一支支熱管元件組成，兩換熱流體分別位于換熱器的上、下部分。中間由管板分隔，熱管懸掛在管板上，該處可采用靜密封或焊接結(jié)構(gòu)，視設(shè)計(jì)需要而定。

采用活動(dòng)的靜密封結(jié)構(gòu)，方便熱管的維修、清洗；焊接結(jié)構(gòu)密封可靠，兩邊流體沒(méi)有泄漏的隱患。

整體式熱管換熱器一般用于氣體與氣體的熱交換。為克服氣體間換熱的換熱系數(shù)不高的問(wèn)題，熱管兩端的外壁傳熱面積利用翅片作適度擴(kuò)展，這樣處理，不僅強(qiáng)化了管外傳熱。也有效地減少了換熱器的體積和重量，節(jié)約了金屬耗材，可以得到一個(gè)高性價(jià)比的換熱器。

一些小型的氣一液式換熱器、氣一汽式熱管換熱器和余熱鍋爐等也往往制作成整體式。而對(duì)于換熱量大、結(jié)構(gòu)龐大、液體或蒸汽的壓力也較高的熱管換熱器。考慮到殼體和管板的強(qiáng)度問(wèn)題，往往不宜采用整體式。條件允許的情況下?？梢栽O(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)小的換熱器單元，然后把它們串聯(lián)、組合起來(lái)。

（2）分離式熱管換熱器

分離式熱管換熱器是換熱器中的一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，這種換熱器布置靈活，變化隨意。它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離熱量交換；可以實(shí)現(xiàn)一種流體和幾種流體同時(shí)換熱；可以完全隔絕兩種或多種換熱流體。分離式熱管的加熱段和冷凝段分別置于兩個(gè)獨(dú)立的換熱流體通道中，熱管內(nèi)部的工作液體在加熱段吸熱蒸發(fā)后通過(guò)蒸汽，上升管輸送熱量到冷凝段，放熱冷凝后通過(guò)冷凝液下降管回流到加熱段。

冷凝液回流依賴重力的作用。分離式熱管換熱器的加熱蒸發(fā)段與放熱冷凝段之間的距離取決于兩者間的高度差，同時(shí)也與蒸汽沿管路流動(dòng)的壓力損失有關(guān)。理論上，加熱蒸發(fā)段與放熱冷凝段的高度差越大，蒸汽上升管徑越大，兩者間的距離就可以越遠(yuǎn)，以確保熱管正常進(jìn)行工作循環(huán)。

蒸汽上升管和冷凝液下降管需要實(shí)施嚴(yán)格的絕熱保溫，以避免沿途不必要的熱量損失。

分離式熱管的每個(gè)傳熱單元的內(nèi)部容積比單支熱管要大得多。水為工質(zhì)的管內(nèi)液體介質(zhì)在工作時(shí)的溫度和蒸汽壓力較高，在管排以及上升管、下降管的焊接節(jié)點(diǎn)很多的情況下，強(qiáng)度問(wèn)題需要設(shè)計(jì)人員引起足夠的重視。在內(nèi)部空間容積和承壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，管束必須按照壓力容器的相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)。

在充分利用分離式熱管換熱器所具有的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，還要注意克服它的一些缺點(diǎn)。例如，現(xiàn)場(chǎng)制作連接管路比較復(fù)雜，工作液體的充裝、換熱管束真空度的形成都比較困難，連接管路沿途的保溫絕熱、熱脹冷縮等設(shè)計(jì)也不容忽視。

2、按功能分，熱管換熱器可分為：氣—?dú)馐?、?汽式、氣—液式、液—液式、液—?dú)馐健?

3、常見的還有熱管廢熱鍋爐(或稱為熱管蒸汽發(fā)生器)。

熱管廢熱鍋爐熱管廢熱鍋爐是一種實(shí)用性很強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可靠且熱效率較高的蒸汽發(fā)生設(shè)備。

熱管廢熱鍋爐的形式主要有兩種：整體式和分體式。

熱管換熱器的結(jié)構(gòu)有別于其他形式的換熱器。熱管換熱器具有一些顯著特點(diǎn)：傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，換熱流體阻力損失小，外形變化靈活，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

1、熱管換熱器可以通過(guò)換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運(yùn)行過(guò)程中單根熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱器用于易燃、易爆、腐蝕性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性。

2、熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動(dòng)，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的逆流換熱。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。

3、對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問(wèn)題。

4、熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來(lái)調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。

第一章 緒論 9

§1-1熱管的定義及分類 9

§1-2熱管的歷史 11

§1-3熱管的現(xiàn)狀 13

第二章 重力熱管原理 15

§2-1重力熱管的特性 16

§2-2重力熱管的充液量 19

§2-3重力熱管工質(zhì)及殼體材料的選擇 20

§2-4重力熱管內(nèi)部的傳熱過(guò)程 24

§2-5重力熱管的傳熱極限 26

第三章 重力熱管式換熱器原理 29

§3-1換熱器型式的確定 29

§3-2余熱回收量及熱平衡計(jì)算 33

§3-3熱管式換熱器的幾何參數(shù) 36

§3-4熱管式換熱器的熱工計(jì)算 46

§3-5熱管式換熱器的阻力計(jì)算 54

第四章 重力熱管式換熱器設(shè)計(jì) 57

§4-1設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù) 57

§4-2設(shè)計(jì)步驟 57

§4-3設(shè)計(jì)實(shí)例之一：2t/h鍋爐熱管式省煤器的設(shè)計(jì)計(jì)算 58

§4-4設(shè)計(jì)實(shí)例之二：2t/h鍋爐熱管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算 64

§4-5熱管式換熱器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 69

第五章 氣-液型重力熱管式換熱器 75

§5-1氣-水型熱管式換熱器 75

§5-2氣-開水型熱管式換熱器 88

§5-3組合裝置 93

§5-4氣-油型熱管式換熱器 98

第六章 氣-氣型重力熱管式換熱器 100

§6-1工業(yè)鍋爐用氣-氣型熱管式換熱器 100

§6-2工業(yè)鍋爐用氣-氣及氣-水組合型熱管式換熱器 105

§6-3電站鍋爐用氣-氣型熱管式換熱器 109

§6-4工業(yè)窯爐用氣-氣型熱管式換熱器 115

§6-5工業(yè)窯爐用氣-氣及氣-水組合型熱管式換熱器 119

§6-6熱風(fēng)爐用氣-氣型熱管式換熱器 120

第七章 氣-蒸汽型重力熱管式換熱器 123

§7-1回收煙氣余熱的熱管式余熱蒸汽鍋爐 123

§7-2回收輻射顯熱的熱管式余熱燕汽鍋爐 134

第八章 其它型式的熱管式換熱器 135

§8-1回轉(zhuǎn)型熱管式換熱器 135

§8-2開啟型熱管式換熱器 141

§8-3分離型熱管式換熱器 143

第九章 熱管式換熱器的性能測(cè)試 149

§9-1性能測(cè)試的必要性及-般步驟 149

§9-2測(cè)試內(nèi)容 150

§9-3設(shè)計(jì)的校核 153

§9-4測(cè)試中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 153

第十章 重力熱管及重力熱管式換熱器的標(biāo)準(zhǔn) 155

§10-1重力熱管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 155

§10-2重力熱管式換熱器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 156

§10-3重力式熱管浙江省標(biāo)堆（浙B/N62-87） 157

第十一章 熱管式換熱器的經(jīng)濟(jì)分析 168

§11-1概述 168

§l1-2經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的主要方法 169

§11-3現(xiàn)在價(jià)值計(jì)算的基本公式 173

§11-4實(shí)用計(jì)算 174 2100433B