（轮机工程专业论文）重力式热管吸附床的结构设计及性能研究.pdf

中文摘要 摘要 近年来，经济的高速发展和能源短缺、环境恶化两者间产生的矛盾已成为全 世界共同关注的焦点。实施可持续发展战略，科学、清洁用能是解决这一矛盾的 有效方法。在制冷技术新一轮革新中，吸附式制冷因其环保、节能两大优点脱颖 而出。 本文模拟船舶运行环境的特点，设计了一套利用重力式热管传热的吸附制冷 岸基实验系统，通过计算以及相关实验，探讨吸附式制冷在船舶上进行推广的可 行性。通过对本课题的研究，得到如下几点结论： 1 研究吸附式制冷技术的理论研究进展和实际应用，重点介绍了该技术应用 于船舶的情况。利用船舶尾气将其蕴含的能量引入吸附式制冷技术中，计算了理 论产生的制冷量。 2 研究了主要几种吸附式工质对的适用条件和工作特性，针对实际工况选择 了以一定比例掺入膨胀石墨的氯化钙一氨气作为本文设计的岸基实验系统的制 冷工质对。 3 重力式热管具有较高的性价比，本文利用它进行吸附床内的传热，有效地 提高了传热性能，同时根据重力式热管的工作条件要求设计了旋转式吸附床。 4 根据工作温度和传热功率，选择了合适的热管工作液体并确定了尺寸。为 保证热管充分传热和工作安全，本文对热管的传热极限进行了验算。 5 为确定重力式热管工作时与水平面形成的夹角对传热性能的影响，本文设 计了一套实验方案，并最终确定了旋转式吸附床内使用的重力式热管的最佳倾角 为4 0 。 6 本文根据陆地实际情况，设计了模拟船舶环境特点的吸附式制冷岸基实验 系统，具体确定了吸附床的尺寸和沉浸式直立管式蒸发器和卧式壳管冷凝器及相 应的蒸发和冷凝面积，最终完成系统布置。 关键词：吸附式制冷；重力式热管；倾角 英文摘要 s t r u c t u r ed e s i g no fa d s o r p t i o nb e du s i n gg r a v i t yh e a tp i p ea n d p e r f o r m a n c es t u d y a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o n f l i c tb e t w e e nt h ed e v e l o p i n ge c o n o m i ca n de n e r g y s h o r t a g e ，e n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o nh a sb e e naf o c u so fp u b l i ca t t e n t i o n t h es o l u t i o n t ot h i sp r o b l e mi si m p l e m e n t i n gt h es t r a t e g yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a d s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o ns t a n d s o u tf o ri t sm e r i t so fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ni nan e w r o u n do fr e f r i g e r a t i o nr e f o r m a t i o n t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da na d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mu s i n g g r a v i t yh e a tp i p eo nc o n d i t i o nt h a ts i m u l a t e st h ev e s s e lp r a c t i c a le n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ta n dc a l c u l a t i o n ，r e s e a r c ho nf e a s i b i l i t yo f a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni ns h i p t h r o u g ht h es t u d yo nt h i ss u b j e c t ，t h ep a p e rr e a c h e s s o m ec o n c l u s i o n s ： 1 s t u d yo nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ，e s p e c i a l l yi n s h i p m a k eu s eo fe x h a u s tg a so fv e s s e l sa st h eh e a ts o u r c eo fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n a n dc a l c u l a t et h et h e o r e t i cr e f r i g e r a t i n go u t p u t 2 c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h em a i nf e a t u r e so fs o m ec o m m o nr e f r i g e r a n t sa n d s o r b e n t s ，s e l e c t i n gc a c l 2 - n h 3a st h ew o r k i n gp a i r s 3 d e s i g n i n gar e v o l v i n ga d s o r p t i o nb e du s i n gg r a v i t yh e a tp i p ef o ri t sh i l g hc o s t p e r f o r m a n c et oi m p r o v et h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e 4 s e l e c t i n ga p p r o p r i a t eh e a tp i p ew o r k i n gl i q u i da n df i x i n gt h ed i m e n s i o n o ft h e h e a tp i p e t oe n s u r et h es a f e t yr u n n i n ga n ds u f f i c i e n th e a tt r a n s f e r , t h i sp a p e rh a s c a l c u l a t e dt h eh e a tt r a n s f e rl i m i t a t i o no ft h eh e a tp i p e 5 t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da i le x p e r i m e n tt om a k es u r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eh e a tp i p ew o r k i n go b l i q u i t ya n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，a n df i n a l l yf i xt h eb e s t w o r k i n go b l i q u i t yi s4 0 。 英文摘要 6 b a s e do i lt h ee n v i r o n m e n to fl a n d ，t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dal a b o r a t o r i a l p l a t f o r mt o s i m u l a t ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fv e s s e l i t a l s oc a l c u l a t et h ea r e ao f e v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e r k e yw o r d s ：a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ；g r a v i t yh e a tp i p e ：o b l i q u i t y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 重力式垫笪亟瞪瘥数结掏遮让拯性能班究：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公 丌发表或未公丌发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：弛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：才i 具导师签名： 一y ，、 1 的热管( ，为管长，比为热管外径) 。长热管运行具有 独特之处，如传热特性及传热极限等。 ( 2 ) 微型热管：内径非常小的热管，目i j 已有内径d ：为1 0 1 0 0 t m 的微型热 管。在这种情况下，表面张力与使凝结液回流的驱动力的相互影响，对保证热管 的正常工作就有特殊意义。 ( 3 ) 一般热管：尺寸介于二者之i 日j 的热管为一般热管。 综上所述，在众多种类的热管中，特别值得指出的是依靠重力回流凝结液的 重力热管，它在除太空( 无重力场) 应用外的许多领域内，特别在热能工程中有 极广泛的应用。 2 3 重力式热管特性 2 3 1 重力式热管工作原理 在壳管内壁不放置毛细吸液芯，依靠重力回流凝结液的热管称重力式热管又 称两相闭式热虹吸管，其结构及工作原理如图所示。 1 2 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 幽22 重力热管l ：作原理 f i g2 2 t h e p r i n c i p l e o f g r a v i t y h e a t p i p e 重力热管的工作介质积蓄在热管的底部，蒸发段处十热管f 半部凝结段在 热管的上半部，绝热段在中间。工质在蒸发段吸取了热源供给的热量后燕发，蒸 气向t - 流动，通过绝热段后，在凝结段将汽化潜热交给冷源而凝结成液体，凝结 液由于重力的作用回流到下半部蒸发段完成一个工作循环。借助于工质连续不断 的循环，将下半部热源的热量源源不地传递到上半部的挎源。 练上所述，重力式热管与普通热管一样利用工质的蒸发和冷凝柬传递热量， 且不需要外加动力而工质白行循_ 吓。但与普通熟管所不同的是热管管内没有吸液 芯，冷凝液从冷凝段返回到燕发段不是靠吸液芯所产生的毛细力而是靠冷凝液 自身的重力，因此重力式热管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段 的下方，这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回蒸发段。重力式热管可以垂直放 嚣，也可以与水平面成一定的央角放嗣，与多孔物质的毛细力相比，用重力回流 凝结液工作更加可靠。 由于重力式热管内没有吸液芯这一重要特点，所以和普通热管相比较，不仅 结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠，因此在地面上 的各类传热设备中都可作为高效传热元件，现已成功地应用于电子设备冷却，余 热回收，太阳能开发，永久冻土层的稳定以及地热利用方面，其应用领域正与日 蒸 q 第2 章热管技术及其应h j 俱增，特别是在能源的丌发及合理利用方面具有广阔的自 景。 2 3 2 重力式热管的分类 重力式热管可分为三种形式。 ( 1 ) 闭式重力热管：热管管壳为密闭的单管型称为闭式重力热管。按照工质 的工作状态不同，可以分为两项闭式重力热管和单相闭式重力热管。两项闭式重 力热管应用极为广泛，因此一般闭式热管在无特殊说明的情况下均指两项闭式重 力热管。 ( 2 ) 开式重力热管：由于重力场的特殊性，除常规热管的封闭时外，还可以 有与外界相通、壳体不封闭的丌式重力热管。按工质状态分为单相与两项丌式重 力热管。单相丌式重力热管由于没有出现相变过程，所以传热性能较差；两项开 式重力热管，不需要特殊处理不凝性气体，从而降低了制造成本。但由于部分蒸 气从开口处逸出，改变了换热方式，所以其换热能力会略小于同样条件下的闭式 重力热管。 ( 3 ) 分离型热管：蒸发段与冷凝段被分开，设有专门的汽液导管连通两个工 作段，形成工质的闭合循坏回路，凝结液仍借助于重力回流。分离式热管可以看 成多根组合起来的重力式热管。 2 3 3 重力式热管内传热强化 以结构简单性能优良的重力式热管作为传热元件，已成功地用于工业余热回 收方面。为保持其高效传热的优良性能，采取强化传热措施降低重力式热管蒸发、 凝结两段的热阻就有着十分重要的意义。这也是节能和能源丌发利用中迫切需要 解决的技术课题之一，目前研究主要集中在以下几方面： ( 1 ) 设置丌孔抑泡管：泡底微层液膜的导热一蒸发是核沸腾传热的重要机理。 基于这一论点，在一定热流密度下，只要采取措施增大泡底微层液膜的面积和延 长微层的蒸发时间，便可强化沸腾传热。 ( 2 ) 设置溢流同心导管：溢流同心导管的第一个作用是使每元段的凝结液各 自及时独立排出，有效的减薄了凝结液膜的厚度，使凝结温差减小，凝结段热阻 被有效减小。第二个作用是变蒸气流与凝液流的逆向流动为各元段内的顺流，汽 1 4 重力式热管吸附床的结构没计及性能研究 一液同向流动产生的剪切力使液膜减薄，克服了可能出现的液阻极限。 ( 3 ) 加工槽道内壁面：把重力式热管管内壁加工成轴向槽道表面，能强化蒸 发和凝结段的传热，明显改善它的性能。 ( 4 ) 促进珠状凝结：由于蒸气珠状凝结时，换热强度一般比膜状凝结要高5 1 0 倍。但是珠状凝结不容易获得且较为不稳定。采用人工珠化方法使重力式热管凝 结段获得珠状凝结，将会大大减小凝结段热阻，改善它的传热性能。 2 4 热管在热能工程中的应用 热管自诞生以来，因其优越的传热性能和技术特性，在工程中的应用r 益普 及。宇宙航行及空间飞行时热管应用得最早、成效最优的一个领域：热管被成功 地利用来控制仪表舱的温度，使飞行器件温度均匀和使电子元件有效的散热，从 而保证它们的安全运行。 近年来，热管在地面的应用也得到了迅速地发展。首先，利用热管的良好导 热性运用在一些导热的高热流密度场合，例如电子器件的冷却、刀具冷却及铸膜 冷却等；其次，利用热管良好的等温性运用在一些对等温效果要求较高的场合，例 如均温炉、黑体炉等；再次，也是现阶段利用热管最主要的领域，即余热回收、 节能方面，例如工业窑炉、工业锅炉的烟气和船舶尾气的余热回收也取得了显著 效果。 其中值得一提的是利用重力式热管单向工作的特性，2 0 0 6 年我国将该技术【4 2 】 成功应用于青藏铁路冻土路基的加固取得了良好的效果 热管技术之所以能广泛应用于节能领域，是因为热管具有下述特点。 第一，热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行。 第二，热管管壁的温度可以调节。 第三，热管的冷热段结构和位置布置灵活。 第四，热管换热设备效率很高，节能效果显 第3 章重力式热管吸附床的结构设计 第3 章重力式热管吸附床的结构设计 3 1 吸附床结构设计 3 1 1 现有的吸附床结构型式 吸附床是吸附式制冷系统中的核心部件，吸附工质对吸附和解吸的两个重要 过程在这罩完成。为了能够最大限度地将热量和冷量传递给吸附工质对，产生良 好的制冷效果，吸附床的结构就显得愈加重要。 目前吸附床的结构型式主要有以下几种： ( 1 ) 壳管式吸附床：壳管式换热器整体为一圆柱体空间，在轴向方向上平行 布置了一系列管束，管束内部是流体流动的通道，管束外部与壳体、管板所形成 的空间用束放置吸附剂。管束外安有大量的翅片来扩展换热面积，使得流体带来 的热量和冷量能够紧密充分地传达到吸附剂。壳体常采用无缝钢管的材料以达到 承压的目的。虽然壳体和管板较厚，但是内部的翅片却十分薄，增加翅片数目的 同时略微增大的金属热容不会带来较大的影响，所以可以有效的缩短系统循环时 间。壳管换热器多用于系统压力较大的条件下。 ( 2 ) 板翅式吸附床：主要由金属板、薄型翅片组成的兴板式单元换热结构。 若干个这样的单元换热结构就组成了板式吸附床。该单元结构被金属板隔成两个 独立的空间，一侧是冷、热流体通道，另一侧则放置吸附剂。为了增大传热面积， 两侧空间内均布置了薄型翅片。流体通道内的翅片上丌有小孔，以达到扰乱流体 流动边界层和热边界层增强换热的目的；在放置吸附剂的另一侧，同时借助翅片 和板壁将吸附剂分隔成小单元，每个单元都有换热面包裹接触，同时在吸附剂单 元内留有传质通道，以便于制冷剂的流动。板翅式换热器的传热性能优异，系统 运行周期较短，但由于为增大换热面积而增加了较多的金属材料，使得总热容也 增大，降低了系统c o p 。 ( 3 ) 螺旋板式吸附床：螺旋板式换热器被分隔成两个独立的螺旋空间，两个 螺旋通道紧密相邻，相互包裹。两个螺旋形空间分别作为流通通道和吸附剂布置 空间。这种层层包夹的布置方式，使结构紧凑，减小传热温差；随着换热面积得 1 6 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 增加，体积却增长得较慢；而且加工方便，价格便宜。 ( 4 ) 热管式吸附床：针对吸附剂侧的增强换热的研究已取得了较好的整体换 热效果，而采用热管是针对流体侧增强传热的方法。热管式吸附床一般分为两部 分空间，热管贯穿于整个床体，固定热管的管板同时也起着分隔两室的作用。装 有吸附剂的一侧要求结构密封，能够承受一定的压力，在另一侧的空间里，流体 流经热管的一端，将冷、热量传递给热管，通过热管的高效传热，最终将能量传 递给吸附剂。热管在管板两侧均可以焊上翅片，以增大换热面积。 3 1 2 重力式热管吸附床的结构及工作过程 热管技术近年来受到科研工作者的重视，因此热管式吸附床也得到了较快的 发展，一些样机已研制成功，例如大连海事大学董景明等人研制了一种可拆卸的 热管式吸附床应用于渔船制冰，上海交通大学也利用活性炭甲醇，研制了渔船用 物理吸附式制冰机【4 3 1 。 热管式吸附床工作时有加热和冷却两个反复进行的相对过程，而这两个过程 的传热是依靠同一批热管的同一端来完成。根据热管的工作原理可知，要求在热 管的同一端进行加热和冷凝，只有内含吸液芯的双向传热热管能够完成。含有吸 液芯的热管是依靠毛细力来完成冷凝工作液体的回流，因此可以在同一端加热和 冷却，但是液体回流的方向如果与重力方向相反，则会影响工作的可靠性。而且 加工吸液芯工艺要求高，直接增加了制造成本，因此在一定程度上降低了热管式 吸附床的经济性。 由第二章介绍可知，重力式热管无吸液芯结构，制造简单、价格便宜，经济 性好，唯一的限制在于它工作的单向性，需要依靠重力回流凝结液，故冷凝段需 要位于蒸发段的上方。依此特性，本文利用了重力式热管设计了一种旋转式结构 的吸附床，如图3 1 所示，为使整体结构更清晰，图内未详细画出所有热管的布置， 仅以一根代表。 1 7 翦3 章重力式热管吸附床的绌构设计 蚴则乱2 8 7 嚣；3 9 j 鬻淼叠1 撬0 ；鬻怒l 羔嚣虽7 坶臁4) 丝网；) 传质通道；) 吸附床h ：i ) 支撑筋 刚31 重力式热管吸附j 求 f i g3 lg r a v i t y h lp i p e a c k o w p t l o n b e d 本文设计的吸附床是山两个1 7 0 4 的半圆台犁的吸附床合并而成，阿床对称分 抽，左右削隙各为1 0 。如图3 2 所示，沿吸附床咧台轴线方向留有圆柱形空州 空间内紧贴床内环壁处包有隔热材料，中心位置是根旋转轴，轴与隔热材料l i j 留有空隙，四周用加强筋支撑床体，一共醴置三处史撑筋结构，以保证i 殁附床旋 转时的稳定性。 支撑筋 绝热环 蜱点 。旋转轴 、问隙 一吸附床内环壁 翻32 吸附床支撑结构图 f i g3 2 b r a c i n g $ h l l c t u r e o f a d s o r p t i o nb e d 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 吸附床a 和吸附床b 内各均匀布置5 根重力式热管，热管与与中心轴线成一 定的夹角，并固定在包有绝热材料的隔板上。图3 3 是吸附床内热管布置图。 i r l 幽33 吸附床内热管布苴幽 f i g3 3 h e a t p l p e l a y o u t i n t h ea d s o r b e n tb e d 吸附床与旋转轴靠支撑筋紧密联接，随着轴的旋转而转动。绝热板右端上部 的冷却室连接着冷风进出气管，下部的加热室连接着热风进出口，两个进气管的 圆周方向的壳体上是一个可以转动的环带，作用是保证床体旋转时，两个进风口 的位置固定不变。绝热板的左边是放置吸附荆的两个吸附床，在出口处设有小于 吸附剂颗粒目数的丝网封口，防止吸附剂进入制冷系统。 工作时，吸附床a 内的热管上端接受冷风作为冷凝段，位于在蒸发段的上方， 可以使工质蒸气靠重力冷凝回流。将冷量传递给吸附剂进行吸附；同时下半部分 的吸矾床b 内的热管f 端接受热风作为蒸发段，位于冷凝段下方，液态工质吸热 蒸发至上部将热量传递给吸附剂进行脱附，a 、b 两床同时进行吸附、脱附。床体 从位置l 到位置2 的角度是迅速转过的，避免单个床体同时接受冷风和热m ；当 床体再从位置2 到位置1 的角度是缓慢转动的，时间为一个循环周期，目的是使 得每一根热管都能充分接触热源和冷源，床内的吸附脱附过程进行的更为完全， 如图3 4 所示。 第3 章匝力，热管吸附眯的结构殴计 嘲3 4 隔投位置变化 f i g3 4 b a f f l e p o s i t i o n c h a n g e 当吸附床a 克成吸附、吸附床b 完成脱附后。鼬着壳体的旋转，两床进风口 进行对换，舯旺附床a 此时接受热风脱附，而吸附珠b 丌始接受冷风，进行吸附。 两床周而复始的循环进行制冷。 313 重力式热管吸附床的特点 本文设计的重力式热管吸附床具有以下特点： ( i ) 圆台结构的吸f h 眯在本质上与一般的圆管式结构类似保留了传热效率 高、承压性能好等优点。 ( 2 ) 利用热管来传递热量，进一步降低了传热损失，而且缩短了传热时问， 使系统循环时间也相应缩短，在十h 同时i l j 内比不佳用热管的吸附床增大了制冷量。 ( 3 ) 吸附床内设有多个制玲剂的传质通道，有效地减小了传质阻力，提高传 质效率。 ( 4 ) 这种旋转结构的热管吸附床实质上是将两个工作进程相反的吸附床合二 为一，有效的减小了系统的体积。在保证制冷量的同时，克服了某些吸附床体积 过于庞大且笨重的缺点，是固体吸附式制冷走向实用化、商业化的一个有力的尝 试。 ( 5 ) 由于吸跗睐内布置了多根热管进行传热，这些换热流体通道使得床内温 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 度场分布较为均匀。无论吸附床的体积是向大型化或是小型化发展，只要设置相 应数量的热管，依旧可以保证高效的传热。此外为增强热管的传热还可以在热管 外焊接翅片，增大换热面积。同时重力式热管制造工艺简单，价格便宜，降低床 体的制造成本和初投资，提高经济性，合适在船舶上推广应用。 重力式热管吸附床的有效工作是建立在重力式热管正常工作的条件下的，而 重力式热管能够正常工作的条件是冷凝段位置蒸发段之上，只要热管与水平面成 一定的夹角，热管就能工作。重力式热管最佳的工作位置是垂直地面，随着与水 平面的夹角的减小热管的传热效率会不断降低。但是若用垂直的角度设计旋转式 的吸附床，将会产生巨大的转动惯量，不仅影响床体的稳定性，而且实现起来较 为困难。因此确定央角与传热效率的关系，是本文设计的吸附床有效工作的重要 技术支撑。故在第四章本文会着重探讨这一关系，通过实验的方法，确定一个合 适的角度，保证对热管的传热效率影响较小，使吸附床能够高效工作。 3 2 重力式热管工作液体的选择 热管是依靠工作液体的相变来传递热量的，因此工作液体的各种物理性质对 于热管的工作特性也就具有重要的影响。一般应考虑以下一些原则【删： ( 1 ) 工作液体具有高传热能力与高导热系数； ( 2 ) 工作液体在工作时有适中的饱和蒸气压； ( 3 ) 工作液体与壳体、吸液芯材料应能长期相容相容，化学组成稳定，不 发生分解； ( 4 ) 润湿性能好； ( 5 ) 其他性能( 包括经济性、毒性、环境污染等) 。 根据热管的工作温度范围不同，可以把热管分为低温、中温、和高温热管， 不同的温度范围内采用不同的工作液体。 低温热管的工作温度在4 , - , 2 0 0 k 范围内。氢、氦主要工作在2 0 3 0 k 范围内， 甲烷、乙烷、f 1 3 等主要工作在1 0 0 , - - 2 0 0 k 范围内。低温工质的特点是传输系数和 毛细升高系数都较小，多数是易燃易爆的，而且在常压下均为超临界状态，使用 时必须注意安全性。 2 l 第3 章重力式热管吸附床的结构设计 p 温热管的工作温度在2 0 0 - - 7 0 0 k 范 | j i 内。 ：3 5 0 5 0 0 k 之间，使川最广泛的 l 质是水，水有优越的导热性，取得方便，但只能t j 铜村长期相容。另外氨气的 常用范围是2 0 0 - 一2 5 0 k ，主要用于航天工业。丙酮和甲醇可在比氨气温度稍高的范 围内工作。在中温区的高温端，即5 0 0 7 0 0 k 范围内，合适的工质较少，主要有汞、 导热姆a 、和未列出的联苯及其它在研究中的有机物。出于这一温度区问对于热 能l q 收、太用能利用、化： 过程有很大意义，凼此科研人员仍在积极寻找更加合 适的工作液体。 高于7 0 0 k 的热管称为高温热管目前展高温度已达到3 0 0 0 k 。高温热管工质 均为液态金属，主要有铯、钾、钠、锂等，它们的特点是热阻小，传输系数高t 表面张力大，所以传热能力远远高于其它_ _ j _ = 质。但缺点是，高温工质在常态下多 为固体，热管店动过程比较复杂。 枷2 0 0 0 2 c o4 0 06 0 08 0 0i o o o t ， 幽35i 怍液体的熔点、沸点、临界点的温度范罔 f i g3 5 w o r k i n g l i q u i d m e l t i n g p o i n t ，b o i l i n gp o i m ，c r i t i c a lp o i n t t e m p e r a t u r e r a n g e 良好的热管工作时，工作液体必然处于汽液两相的状态，因此选择工作液体 的个原则是其熔点应低于热管的工作范围。在设计中，一般都有确定的冷源和 热源，通过一般的传热公式可以计算出热营的工作温度范围。圈3 5 列出了1 3 种 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 可作为热管工作液体的熔点、沸点、临界点的温度范围。 利用船舶尾气作为高温热源，排气温度在4 0 0 。c 左右，确定了热管的工作范围， 工作液体属于中温区的高温段，如上文所说，适合的工质较少。导热姆a 是由联 苯和二苯醚按一定比例配置而成，经王同章等人实验得出它的工作温度在3 0 0 - 3 5 0 ，其上限主要是使导热姆a 不发生分解【4 5 】。有机物的特点是蒸发潜热和表面张 力较小，高于一定温后会发生分解。汞可在5 0 0 9 0 0 k 内使用，并具有满意的热力 学性能，表面张力大，传热能力也大。汞具有良好的热稳定性，很低的饱和蒸气 压。3 0 0 * ( 2 情况下，汞的饱和蒸气压为0 0 4 4 m p a ，汽化潜热为3 0 1 k j k g ，而水在 3 0 0 情况下，饱和蒸气压力高达8 6 m p a ，几乎是汞的1 9 5 倍。由于汞在室温下是 液念，因此就使液体的充装与热管的启动较为容易。它的缺点是很难润湿管芯与 管壳的金属材料，有一定的毒性且价格较贵。鉴于工作温度的要求，且重力式热 管内不需要吸液芯，经过综合考虑，选择了汞作为吸附床内热管的工作液体。 3 3 重力热管的设计计算 要求设计一根重力热管，工作温度为6 7 3 15 k ，蒸发段长2 5 0 r a m ，冷凝段长 度为1 5 0 m m ，冷凝段位于蒸发段之上。最大轴向热流量为1 0 0 0 w 。 热管的设计计算通常按以下几个步骤进行： ( 1 ) 根据一定的蒸气速度确定热管直径； ( 2 ) 按照工作压力对热管进行机械强度校核； ( 3 ) 按照毛细极限对吸液芯进行计算。 汞在t 时的物理参数【4 6 】：v = 6 7 3 1 5 k 分子量：2 0 0 5 l ； 定压比热容定容比热容y ，= 1 6 7 ( 单原子分子) ； 蒸气密度p v = 7 5 7 2 k g m 3 ； 比汽化潜热h i s = 2 9 3 3 1 4k j k g ： 蒸气气体常数r ，= 4 1 4 5 4j ( k g k ) ； 液体导热系数，= 1 2 6w ( m k ) ； 第3 章重力式热管吸附床的结构设计 蒸气导热系数九= 0 0 0 5 8w ( m k ) ； 表面张力系数仃= o 3 7 7n m 。 3 3 1 确定热管的直径 蒸气在热管内流动时，当蒸气速度小于一个极限值，即马赫数0 2 时，可以被 认为是不可压缩流体。在这个原则下，视为不可压缩流体的蒸气的轴向温度梯度 较小，可以忽略不计。反之，当马赫数超过o 2 时，流动的蒸气将被视为可压缩流 体，温度变化将不可忽略。 已知单根热管设计的最大轴向热流量q 一，根据马赫数小于0 2 的要求，即可 由下式得出管径尺寸： 小l 喇2 0 xq 丽m a x 广 t ， d ，_ - r 一堡坐罂一1 2 ：3 6 4 4 1 0 。聊 r i 万反面函石万习赢茹丽蔽蓊丽j 叫内4 4 引u 聊 只要蒸气腔大于3 6 4 4 m m ，就不会出现声速极限，因此选用直径为3 2 m m 的 管材作为热管外壳。 3 3 2 确定热管的壁厚 管壳的设计主要考虑强度方面，按照国标进行相关计算。热管不工作时，除 低温热管外一般都处于负压状态，外界环境为大气压。 汞与不锈钢在一定的工艺条件下相容，因此选用3 4 7 奥氏体不锈钢，即 0 c r l 8 n i l l n b 。根据我国管材的规定( g b l 5 0 1 9 9 8 ) ，直径为3 2 m m 的标准管材的 壁厚为2 5 m m 。 由下式校核该管材所能承受的最大工作压力： b 】= 熬 2 ， 式中：d i 为管子内径，l 砌： s 为强度计算管壁厚度，m i l l ； 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 b 】为材料在工作温度下的许用应力，m p a 。 表3 1 许h j 应力的选取【4 7 1 t a b 3 1s e l e c t i o no f a l l o w a b l es t r e s s 材料许川应力( 取卜列各值中的最小值，讹) 1 ) 对奥氏体高合金钢制受压元件，当设计温度低于蠕变范隔，且允许有微量的永久变形时， 可适当提高许h j 应力至o 9 盯；b ；：) ，但是不超过仃。p 。2 ) 1 5 。此规定不适州丁法兰或其它 有微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。 表中：钢材标准抗拉强度下限值，m p a ； 吒b 。：) 钢材标准常温屈服点( 或o 2 屈服强度) ，m p a ； 仃；b ；2 ) 钢材在设计温度下的屈服点( 或o 2 屈服强度) ，m p a ； 盯二钢材在设计温度下经1 0 力小时断裂的持久强度的平均值，m p a ； 盯| ：钢材在设计温度下经1 0 万小时蠕变率为1 的蠕变极限，m p a 。 表3 2o c r l8 n i l1 n b 常温卜力学性能4 8 ) t a b 3 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f0 c r l8 n i l1 n ba tr o o mt e m p e r a t u r e 力学性能 ( 胞) 1 0 万小时持久强度1 0 万小时蠕变强度 9 8 1 2 73 6 3 3 8 21 3 7 1 8 6 表3 40 d 1 8 m 1 1 册在6 0 0 时的许用应力 t a b 3 4a l l o w a b l es t r e s so fo c r l8 m 1 1 汤a t6 0 0 第3 章重力式热管吸附床的结构设计 从上表中选取p 】的最小值7 5 带入式( 3 2 ) 计算得出壳体的最大允许压力值 为： 矽1 - 业：f 三型垩生：1 2 7 1 1 0 e m p a _n-一=一=一=_， ，_ x 旷。d ；+ s( o 0 3 2 2 0 0 0 2 5 + 0 0 0 2 5 一。 汞在4 0 0 。c 是的饱和压力为2 1 0 4 1 0 5 p a ，且汞蒸气不可能处于过热状态，所 以在工作时能够保证安全。 3 3 3 确定热管的端盖厚度 热管端盖可按平板盖公式设计 t a i 繇 ( 3 3 ) 式中：广一端盖厚度，m m ； d ，管子内径，r a m ； p 为设计压力，m p a ； p 】f 为材料在设计温度下的许用应力，m p a ； 矽为焊接系数。 焊接头系数矽应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。双 面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头： 1 0 0 无损检测= 1 0 0 ； 局部无损检测矽- - 0 8 5 。 单面焊对接接头( 沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的挚板) ： 1 0 0 无损检测矽= 0 9 ： 局部无损检测矽= 0 8 。 矽选择o 8 ，根据上述原则计算得出t 为2 5 3 m m 。 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 3 4 工作极限验算 确定重力式热管的极限功率，是热管充分传热和进行安全工作的重要保证。 重力式热管在不同程度上受到内部性能的限制。取决于工质的充液量；几何尺寸 包括内径、总长、蒸发段长度等；轴向及径向热流密度、倾角等，可能出现的性 能限制为：干涸极限、沸腾极限、液阻极限、声速极限等等。 由于重力式热管内部传热传质包括两相流和相变传热，机理十分复杂，进行 实验研究的相关条件要求很高，需要大功率的热源和冷源，并且极限工况危险系 数高，高沸点的工质难以控制，所以没有得出明确的结果，主要现象是热管达到 临界传输功率时，汽液两相稳定工作状态遭到破坏，成为限制最大传输功率的因 素。 文献 5 0 】认为携带极限是重力式热管产生传热限制的主要原因。携带极限的机 理是热管中蒸气和回流液体是直接接触反向流动的。根据汽相和液相的性质，蒸 气在高速是，汽液交界面的剪切应力会使液体自由表面上产生波浪。蒸气速度越 高，相互作用力越大，波动幅度也越大。最后，波峰峰顶形成脱离层，被央带进 反向蒸气流而到达冷凝段，故而无法起到热量传递的作用。当被携带的液体足够 多是，返回蒸发段的液体量不能满足蒸发段的需求，导致蒸发区干涸，这便是达 到了携带极限。 文献 5 l 】认为液阻极限是重力式热管出现传热极限的主要原因，作者通过对热 管达到最大传输功率时的临界转变过程的直接观察和拍摄的大量实验照片和高速 摄影的出，达到极限时，都是在蒸发段中部前后位置首先出现液体干涸而烧红的 现象。 综合考虑，对于小直径且蒸发段长度较小的重力式热管，干涸极限和沸腾极限 时最普遍的性能极限：对于充液量较多，蒸发长度与直径之比较大，径向热流密 度较小的重力式热管，其性能一般来说受液阻极限限制，在使用这种热管时，一 般作有关液阻极限的校核计算。 3 4 1 验算声速极限 液态高温金属热管，由于启动时蒸气密度较小，而速度很大，此时可压缩性 第3 章重力式热管吸附床的结构设计 和惯性力不能被忽略。l e v y 5 2 】于1 9 6 8 年首次提出声速声速极限封闭的关系式，得 到较为满意的结果。 由于热管腔内蒸气具有可压缩性，蒸气的的流动与拉伐尔喷管( 收缩一扩张 管) 中的气体流动类似。在一根圆柱形的热管内，蒸发段长度上蒸气量在不断地 增加，由于截面不变使得蒸气被不断加速，从而压力不断降低，这个过程相当于 拉伐尔喷管的收缩段。流速的最大值、压力的最小值出现在蒸发段的出口处。在 冷凝段中，蒸气流量沿轴向不断减小，压力逐渐回升，速度不断降低，这个过程 相当于拉伐尔喷管的扩张段。k e m m e 5 3 1 用一根钠热管的实验证实了上述流动特性。 根据一维蒸气流动理论导出声速极限的数学表达式。 假定：蒸气流动的性质遵循理想气体定律；惯性力的影响起主导作用； 摩擦效应忽略不计。根据理想气体定律： 上l ：上l ( 3 4 ) p o r op ，乃 可压缩流体一维稳定流动能量方程为： 历c r o = 砌c p 乃+ 警 变换得： 墨：1 + l 乃 2 c p t v 又由于邑啪q g 叱k 咄一帆历西 将上式带入( 3 6 ) 可得： 争1 + y v - 1m ；2 瓦 根据流体力学动量方程有： p o - p ，= 岛以 整理得： ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 丛：l + y ，m ； p v ( 3 8 ) 在热管内沿轴向通过单位面积得蒸气质量流量与轴向热流量之间存在如下关系： 妒苁矾k 由式( 3 4 ) 、式( 3 6 ) 、式( 3 8 ) 可得： 丛：! 丝 ( 3 1 0 ) 岛l + 一y v i - - | h ，2 由式( 3 9 ) 、式( 3 1 0 ) 可得： a ，p o h s g m ，厄丽( 1 + 凡，m 妒 q - 百葡_ l o 1 1 ) 当蒸发段出i = 1 处的蒸气速度达到声速即蒸发段出口处的马赫数m 。等于1 时， 热管达到声速极限。即可得出热管达到声速极限时轴向的最大热流量为： q 端 1 2 蚴 式中：, 0 0 = 7 5 7 2k g m ： h i g = 2 9 3 3 1 4x1 0 ：j k g 厂，= 1 6 7 ( 单原子分子) r ，= r o m = 8 31 4 2 0 0 51 = 4 1 4 5 4j ( k g k ) t o = 6 7 3 1 5k 4 = d 么= o 0 3 2 - 2 5 6 1 0 。聊2 q 。= 2 5 6 ，。一4 7 5 7 2 2 9 3 3 - 4 。3 ! ! 三兰j ；盖三 ；三；鲨 k = 5 3 - 。4 ， 第3 章重力式热管吸附床的结构设计 3 4 2 验算干涸极限 有两种情况可能会独立出现干涸现象：一种是对于给定的输入热量( 低热流密 度) 所充工作液体太少，当输入热量一旦增加，工质循环量增大，蒸发段底部即 行干烧，为降膜蒸发传热。这时，主要危机是当输入热量增大时，由于局部液膜 干涸而使管壁过热。 另一种是对于充液量较大的情况，当重力热管稳定工作时，蒸发段有液池和下 降液膜存在。在输入热量骤然增加时，液膜蒸发量激剧增加，而自冷凝段来的补 充总是滞后的，下降液膜蒸发量超过补充量，因此，在接近液池前被烧干，导致 局部壁温升高。 关于最大充液量许多研究者做了大量的实验研究：i m u r a 5 4 】得到的结果是最佳 充液率为1 5 l 3 ，而s h i r a i s h i 【5 5 】等人认为最佳充液率在o 2 5 0 3 3 ，f e l d m a n 5 6 】得 到的最佳充液量为热管总容积的1 8 2 0 。对于干涸极限的计算，目前尚无成熟 的推荐公式。 3 4 3 验算沸腾极限 沸腾极限容易出现在充液量较大而蒸发段径向热流密度较大的情况下。随着 蒸发段热流密度的增大蒸发段的沸腾进行得很剧烈，单个气泡彼此相连，合体， 在加热管壁上迅速形成一层气膜，把液体和壁面隔断。由于工质蒸气的导热能力 很差，致使重力式热管的传热能力急剧下降，输入热量不能顺利传输而使壳壁温 度突然升高，造成壳壁烧坏。能保持重力式热管蒸发段内沸腾过程j 下常进行的最 大径向热流密度即为沸腾极限。式( 3 1 3 ) 是计算沸腾极限的经验公式【5 7 1 ： 当满足条件1 o 月， g ( p t - p ，) 3 0 时 差彰0 4 + 0 0 1 2 r 乎1 2 g 眦】【，* l v仃 j 式中：临界热流密度g 。眠。= o 1 4 h 唐、厉k 仃1 9 1 一岛) 】l 厂； 舭= 树0 4 4 n 5 5 既 重力式热管吸附床的结构设计及性能研究 r 为热管内半径，r a m ； q 为工质质量与总容积之比； d 为热管内直径，m m ； l 为冷凝段长度，r a m ； 。为蒸发段长度，i t l m 。 当qs3 5