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重力式熱管換熱器設計理論基礎

       根據熱管換熱器的應用對象和使用目的,熱管換熱器的結構、形狀、選材等完全各異,這使熱管原件的設計具有靈活、多樣、難以劃一的特點,而且設計過程的許多環節尚有若干技術經濟比較的問題需待解決。為了使得熱管元件設計方法更利于掌握,熱管設計一般遵循以下步驟:
       1. 熱管工作溫度
       熱管的高效傳熱是通過其內部工質的不斷相變完成的。在設計熱管時,首要考慮的問題便是工質選擇。
       而在影響熱管工質選擇的各因素中,其工作溫度是首要考慮的。理論上,工質的工作溫度要使得工質能夠正常進行蒸發、冷凝,其下限是工質的凝固點,上限是熱力學臨界點。但實際上,受限于管殼材質強度的限制,工質工作時要具有合適的工作壓力,因此工質工作溫度不能太接近熱力學臨界點。與此同時,工作溫度亦不能過低,過低的工作溫度將導致較低的工作壓力,引起兩方面的問題:① 使聲速極限、攜帶極限等值過低,影響熱管的性能;② 導致管內不凝性氣體所占比例增大,降低凝結段有效工作長度,使得工作性能劣化。
       熱管的工作溫度指管內的蒸氣溫度TV ,其值介于熱源的溫度T1和冷源溫度T 2 之間,并偏向熱阻較小的一側。由熱管加熱段和冷卻段的熱平衡方程可以很容易地確定管內蒸氣溫度TV 。
Q=K1A1T1 T1 -TV (2.12)
Q=K2A2T2TV -T2 (2.13)
       式中 Q──熱管總傳熱量,kW ;
       A1、A2 ──加熱段和冷卻段的傳熱面積,m² ;
       K1、K 2 ──加熱段和冷卻段的傳熱系數,W/ (m² K)。
       由上式可以求得                                                  
           (2.12)
       此處                                              
             (2.12)
       由上式知,當K2A2=K1A1時,兩側熱阻相等,此時n=1。
       對于氣─氣型熱管換熱器,通常兩端熱阻相近,一般可近似取n=1;而對于氣─液或氣─汽式熱管換熱器,通常冷卻段的熱阻遠小于加熱段的熱阻,此時n>>1, TV →T2。在設計階段,在確定工質時,尚未明確兩側熱阻的精確值,n的取值也是未知的。為方便取定熱管工作溫度、合理選取工質,根據工程經驗,我們總結了n值的估算方法:
       ① 對于氣─氣式熱管換熱器,當兩側管長、流量相近時,取n=1;
       ② 對于氣─液式熱管換熱器,當液體為水時,取n=3~4;當液體為有機流體時,取n==2~3;
       ③ 對于氣─汽式熱管換熱器,當相變流體為水時,取n=4~5;當相變流體為有機流體時,取n=3~4。
       2.2.2 工質及管材選擇
       選擇工質及管材材質組合時,先應考慮熱管的工作溫度(上段已闡述),其次是材料組合必須具有良好的化學相容性、長久的穩定性,并且在對應的工作溫度下有優良的工作性能。
       ① 工質選擇:
       經過對熱管傳熱過程的分析,并結合實際工程經驗,總結出優良的工質應該具有如下品質:
       1)在要求的工作溫度范圍內產生相變,并具有合適的飽和壓力;
       2)化學性能穩定,并與殼體及吸液芯材料間具有良好的化學相容性;
       3)能良好潤濕殼體及吸液芯;
       4)具有理想的傳輸因數。
       在工作溫度下,滿足以上要求的工質,可從物性上為高效傳遞熱量提供保障。有必要指出:工作溫度在 50℃~250℃之間時,水是一種優良的工質──水是常溫熱管理想的工質,它廉價、易得,并擁有理想的飽和溫度、壓力的對應關系以及較大的傳輸因數。
由上可知,在低溫煙氣溫度范圍(≤200℃)內,水是可選的良好工質。
       ② 管材選擇:
       殼體的作用是為工質營造一個良好的真空環境,因此,殼體必須防漏、承壓,并且殼體的熱阻應足夠小,否則影響加熱段、冷卻段的熱量傳遞,優良的殼體材料應具有以下特性:
       1)低重量,高強度;
       2)良好的導熱性能;
       3)與工質之間的優良潤濕性;
       4)易加工,包括良好的可焊性、機械加工性及延展性;
       5)廉價、易得。
       ③ 工質和殼體材料組合的化學相容性:
       材料組合化學不相容,指相互之間發生化學、電化學反應,常使得熱管的性能嚴重劣化,主要有以下兩種原因:
       1)產生固體物質沉積于蒸發段內,引起堵塞,使熱管性能劣化;
       2)產生不凝結氣體,集聚于凝結段內形成氣塞,使熱管性能劣化。
       上文列舉了優良的工質和殼體材料應該具有的特性。雖然符合上述要求的材料很多,但在實際選擇時,必須考慮材料組合的,否則工質和殼體材料之間不能良好的兼容,將嚴重影響熱管的正常運行。
       例如:在低溫范圍內,水和碳鋼各自擁有優良性能,并且廉價易得,但是水和碳鋼的組合是化學不相容的。
       針對鋼─水的化學相容性,國內外進行了大量研究,在克服鋼─水不相容方面取得一定進展。目前,國內外提出的克服鋼─水不相容的常見措施主要有:
       a.金屬覆蓋層;
       b.蒸汽預鈍化處理;
       c.化學鈍化處理;
       d.定期排氣。
       2.2.3 殼體設計
       殼體設計指確定管殼外形以及相關的幾何參數。
       ① 外形根據使用場合和要求的不同,管殼的外形多種多樣,常見的有圓柱形、平板型、徑向形、L 形等等。
       其中,考慮到可加工性以及各種形式的應力特點,圓柱形是常采用的形式。對于氣體側的換熱,由于對流換熱系數較低,常常在熱管外側加上翅片,以增大換熱面積。
       ② 管長
       熱管長度存在低限制長度,而上限并無特殊的限制。
       ③ 管徑
       熱管的管徑決定管內工質的流通截面積,因此對熱管的傳熱量和傳熱極限有很大影響,尤其對攜帶極限和聲速極限。在熱管設計過程中,需要根據與工作溫度對應的傳熱極限值計算出相應的管徑值,作為熱管管徑的下限。
       ④ 管殼厚度
       管殼厚度選擇的限制條件主要是強度。根據許用強度值可確定管殼厚度的MIN值,不同形式的管殼對應不同的計算公式。
       2.2.4 充液量
       充液量是影響熱管的主要因素之一。充液量不能不足,也不能過量:不足將導致熱管傳熱性能不足,甚至燒毀;過量將使得凝結段堆積過量液體,使得凝結液膜增厚、有效凝結面積減小,導致傳熱性能劣化。
2020/08/14 08:22:48 184 次

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