分离式热管冷却系统的设计文献综述设计书.doc

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：xxxxrpm分离式热管冷却系统的设计学 院： 化学与化工学院 专 业：过程装备与控制工程 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 年 月 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文（设计） 第IV页目录摘要IIIAbstractIV第一章绪论11.1热管的国内外现状和发展趋势11.2热管的结构和工作原理21.3热管特性分析31.4关于热管冷却系统4第二章 热管的选择及轴承产热计算52.1 热管工质的选择52.2 工质物性数据的选择和计算62.3 估算热管的工作温度82.4 推动力的计算82.5 轴承产热的计算82.6 热管工作平均温度的计算102.7 管壳材料的选择及强度计算102.8 热阻和传热面积的计算132.8.1 热阻的计算132.8.2 传热面积的计算152.9 传热管数目的计算172.10 单根热管的传热能力17第三章 热管的设计183.1 声速极限条件下的蒸汽腔直径183.2 吸液芯的选择及设计193.2.1 吸液芯的选择193.2.2 实际蒸汽腔直径223.2.3 验算毛细极限和计算传递的最大功率223.2.4 核算雷诺数233.3 热管传热极限的计算233.3.1 携带传热极限的计算253.3.2 声速传热极限的校核253.3.3 沸腾传热极限的计算263.3.4 干涸传热极限的校核263.4 热管充装量的计算273.5 冷凝翅片的选择和计算28第四章 真空室结构设计294.1 真空室壁厚的计算294.2 封头设计324.2.1 假设名义厚度324.2.2 值的计算324.2.3 计算许用压力324.2.4封头与筒体连接法兰的选择334.2.5 密封结构334.3 真空口法兰的选取334.4 人、手孔的设计344.5 开孔补强354.6液压试验35第五章 附件的选取375.1 温度仪表的选择375.2 压力仪表选择385.3 支座设计39总结43参考文献44致谢45xxxxrpm分离式热管冷却系统的设计摘要真空室中高速旋转的主轴轴承会产生大量的热量，若不将热量及时导走，将直接影响到系统的正常工作。本设计通过向高速旋转主轴真空系统引入热管，利用热管的高效导热性，将轴承产生的大量热量及时导走，使系统维持在正常的温度范围。研究表明：利用高效的热管导热技术，能迅速带走主轴电机和主轴轴承上的热量，能有效控制温升，最大限度的减少由于高速主轴产生的热量引起的系统故障，同时也将大大提高轴和轴承的使用寿命。关键词：真空系统 高速轴承 热管 The design of 20,000 rpm separate heat pipe cooling systemAbstractWhen the high speed shafts rotate at a high speed in vacuum chamber, bearings will produce a great quantity of heat, if they can not be removed in time, that can directly influence the move of the bearing system, In this paper, we introduce heat pipes into the vacuum chamber and take advantage of the high thermal conductivity to remove a great quantity of heat in time which are produced when the high speed shafts rotate at a high speed, and make this system maintain at a normal temperature range.Research shows that we apply efficient heat pipe heat conduction technology to remove the heat that produced by spindle motor and main shaft bearings and can control temperature rising efficiently, also we can decrease system failure that caused by heat at the maximum extend and can largely enhance the service life of the shafts and the bearings.Key words: vacuum system high-speed bearing heat pipe 贵州大学本科毕业论文（设计） 第47页第一章 绪 论1.1热管的国内外现状和发展趋势自1973年首次国际热管会议在Stuttgart召开以来至今已召开了十次会议，而我国自1983年首届国内热管会议在哈尔滨召开以来已举行了六次全国热管会议。广泛和深入的学术交流与研讨活动使热管技术无论在理论、实践、研究、制造、应用等方面均取得了新的突破和进展1，热管这项新技术不仅显示了很强的生命力，而且开拓了传热传质学研究的新领域。目前热管的研究重点已由理论研究转移到应用技术研究，热管的应用重点2 也由航天工业转移到了普通工业，并不断扩展到民用产品。我国于1970年开始对有吸液芯的热管进行研究，1972年我国第一支钠热管研制成功，至80年代初我国从事热管研究的科研单位及大专院校已遍及全国3。我国的热管技术开发研究一开始就有明确的目标即为工业化服务,因此重点在于开发碳钢水热管换热器。经过20多年的努力，我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平4。目前，一个国家级热管技术研究推广中心已在南京化工大学成立,这对于未来我国热管技术的研究开发将发挥重大作用。国外分离式热管的研制开始20世纪80年代。这种热管可实现远距离传热，避免大直径烟风道迁移；可实现一种流体与多种流体间的换热；具有良好的密封性能；方便顺逆流混合布置；大幅调整蒸发段与冷凝段的面积比还可使冷热流体完全隔开；适用于换热装置大型化等优点。因此，很快引起了我国科技工作者的重视，并进行了广泛的基础理论和工程应用研究。分离式热管中研究和应用最广泛的是重力型分离式热管（以下简称分离式热管）。其中：中科院工程热物理研究所和上海711研究所进行了分离式热虹吸管组换热特性的研究；上海海运学院进行了分离式热管换热器的模型实验研究；东北工学院进行了分离式热管元件充液量理论分析和实验研究；重庆大学进行了分离式热管的流动和传热研究；南京化工大学进行了分离式热管的凝结换热和传热极限5的研究；西安交通大学进行了分离式热管蒸发段的试验研究的充液量分析；华东船舶工业学院进行了大型分离式热管换热器的模型实验研究；哈尔滨工业大学进行了热管供热系统与热水供暖系统的技术经济性比较研究，均取得了一定的成果。这些成果对分离式热管及分离式热管换热器在工程实践中的应用提供了良好的基础。国外许多科研机构和科技工作者都先后对热管冷却技术进行了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。早在1978年Brost 等报道了西德成功研制出用于大功率半导体元件冷却的热管散热器，它的重量仅为传统散热器的五分之一6； 二十世纪八十年代Peterson等研制了一种类似柔性热管的用于电子器件或多芯片模块的热管装置，并在以后的研究报告中给出了有关的分析和实验，并提出了不凝结气体的形成、轴向冷凝的阻塞以及由于小蒸发面积而产生的沸腾极限等一些问题7，它不仅引起了人们的广泛注意和兴趣，还促进了热管技术在该领域的深入研究和应用。1.2热管的结构和工作原理热管的典型结构如图1-1所示，热管由热管壳体、工作介质、毛细吸液芯三部分组成。它以一种封闭的管子或简体作为壳体，形状可以是各种各样的，其内表面镶套着多孔毛细吸液芯，待壳体抽成真空后充入适量的工作介质（液体），密封壳体即成热管。图1-1 热管的结构及工作原理1管壳；2管芯；3蒸汽腔；4工作液体热管壳体是一个能承受压力的、完全密封的容器，它的几何形状没有特殊的要求，一般情况下为圆管形。热管在工作时壳体往往需承受一定的压力，但热管在制作时预先要建立很高的真空，一般为10210-2Pa。所以热管壳体任何道焊缝都要经得起高真空检漏及一定压力的严格考验。热管壳体一般用铝、铜、碳钢、不锈钢、合金钢等金属材料制成。工作介质在热管工作时起载热、输热的作用，依靠其相变过程来完成热管的工作循环。壳体内的工质汽液两相共存，液态工质在多孔的吸液芯内汽态工质则充满热管的内部空腔。由于制作热管时的真空很高，所以除非是温度比工作液凝固点还低，热管内汽液两相共存的工作介质通常是饱和的。热管能在-2002000的温度范围内工作。工作温度超过500的高温热管采用银、锂、钠、汞、钾、铯等金属作工质；工作温度为100500的中温热管采用水、导热姆、萘作工质；工作温度低于100的低温热管采用氨、乙醇、氟里昂作工质。在50250的温度范围内，水是最理想的工质，在250450的温度范围内，萘是理想的工质。毛细吸液芯紧贴于壳体内壁。它沿径向分配液态工质，使其在吸液芯中均匀而稳定地保持一层薄薄的液膜，并产生毛细抽吸力，通过通道使凝结液沿轴向回流。毛细吸液芯是凝结液回流的动力和可靠通道。由金属网、泡沫材料、毛毡、纤维或烧结金属等多孔材料制成，也有只在管壳内部开沟槽、装干道管8。1.3热管特性分析热管作为目前人类已知最高效的传热元件之一，热管是通过将工质密封在高真空腔体中，依靠工质的相变进行传热，其工作是连续的，能将大量热量通过很小的截面积远距离传输而且无需外加动力，由于没有失效的运行部件，所以热管运行非常可靠。热管的工作原理如图1-1所示。液体工质在蒸发段，受到热量的加热而被蒸发。在真空的腔体中，蒸发的蒸汽经过绝热段迅速流向冷凝段，蒸发段的热量，也随之被带到了冷凝段。在冷凝段，蒸汽碰到管外冷却流体，进行冷热交换，释放出蒸发段的热量蒸汽由于失去了热能，便着附在冷凝段吸液芯中的形成凝结液，凝结液在吸液芯毛细力的作用下，返回到蒸发段再吸热。蒸发热管3 个工作段中，蒸发段与凝结段是必不可少的，而绝热段根据设计的要求可有可无，在实际应用的热管结构中，通常都是没有绝热段的。 热管作为一种高效的传热元件，有着区别于其它传热元器件的特性。在这里提出将热管的技术用于高速主轴冷却，主要因为热管的以下几点特性为实现主轴冷却控制提供了可行性：（1）高效的导热性。热管内部主要靠工作液体汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。因此有人把热管称之为热的“超导体”。（2）热响应性速度快。只要是蒸发段的温度稍微高于其冷凝段的温度，热管就会快速响应，调节蒸发段温度与冷凝段温度之间的温度差。（3）结构形状的多样性。热管的基本结构可以根据热源和冷源的条件需要，变化出多种形状，而且加热和冷却的位置可以任意选取，使其适应性大大增强，也扩大了其应用的领域。（4）管内温度分布非常均匀。热管表面温度是由真空中的蒸汽温度控制的，而热管内部的各部分热阻很小，受温度变化不大，当加热量变化时，热管蒸发段和冷凝段的温度也会发生均匀变化。这种等温性与热管的形状和尺寸关系不大。（5）导热密度可以随着需要的变化而变化。既可以用较小的蒸发段输入热量，用较大的冷凝段输出热量，也可以用较大的蒸发段输入热量，而以较小的冷凝段输出热量。1.4关于热管冷却系统高速主轴在高速旋转时，和轴承产生大量的热量，如不及时导走，将会影响系统的正常运行。在高速主轴的冷却系统设计上，通过改用高效的导热元器件，来控制电主轴的温升，减小电主轴的热膨胀，对于提高电主轴的使用性能是至关重要的。在本设计中，电机带动轴和轴承转动时，产生的热量通过菊形盘和法兰传到真空室外，迅速通过热管内部的蒸汽带到冷凝段，而在冷凝端遇上冷空气，就会迅速带走热量，保证电主轴的恒温状态。第二章 热管的选择及轴承产热计算2.1 热管工质的选择良好的工质应具有如下的性质：传热能力高；在工作时有适中的饱和蒸汽压；与管芯、管壳材料能长期相容，本身化学组成稳定，不发生分解；导热系数高，润湿性能好。工质的选择取决于使用要求。采用不同的工质，热管可以在极其广泛的温度范围内工作。根据温度范围可将热管分为低温、中温和高温热管。低温热管是指工作温度在4200K范围内的热管。用氦做工质，可以在4K下工作。氢和氖可以在2030K范围内使用。温度再高一些，则可用的工质有氮和氧。在100200K范围内常用的工质有甲烷、乙烷、F13等。低温工质的特点是传输系数均很小，毛细升高系数也很小。它们与一般的工程材料均能相容，但用氢作工质时需注意材料的氢脆（腐蚀）问题。很多低温工质是易燃易爆的，而且这些工质在常温下贮存时均为超临界状态，压力很高，因此需注意使用的安全性。中温热管是指工作在200700K范围内的热管。这是迄今使用最为广泛的一类热管。在此温度范围内，水的热性能最好，能在350500K温度下使用，缺点是与铝，钢等常用工程材料不相容，只能与铜长期相容而且其凝固点高，因此限制了它的使用。但近年来通过大量的研究，在钢-水相容性方面取得了进展；钢/水热管已在余热回收方面广泛应用。在航天器温度控制和空调系统所要求助200350K范围内，最佳的工质是氨气，其热性能仅次于水。而且能与铝、钢等工程材料长期相容，凝固点也低，因此在卫星、飞船上得到了广泛的使用。丙酮和甲醇可以在300400K范围内使用，其蒸汽压比氨低，与氨相比，可在较高温度时使用。特别是甲醇，其热性能仅次于氨，有良好的控制灵敏度，因而在气体控制热管中很有用。此外F11、F21、F113等氟利昂也可在这一温区内使用。在中温区的高温端，即500K700K范围内，合适的工质较少。已经进行研究的工质有汞和一些有机物，如导热姆、联苯等。但这些有机物的共同特点是蒸发潜热及表面张力较小，高于一定温度可能发生分解。鉴于这一温区对于热能回收、太阳能利用、化工过程有很大的意义，因此寻找该温区的热管工质仍是一个重要的课题9。根据设计所给热管工作温度在-4060这个区间，这一区间可选的工质有氨、甲醇和氟利昂。综合工质选用原则和表2.1中的数据，选用甲醇作为工质较为合适。表2.1 几种常见工质的适用范围工质0.1MPa（常压）下沸点（）熔点（凝点）（）临界点（）合适的工作 范围（）对应的压力范围（）氨33-78132.3-40600.0762.98氟利昂-1124-35 -201200.0161.32丙酮57-98235.5201200.0270.67甲醇64-98240301300.0250.786水1000374.2502500.0123.98导热姆257124972003500.0250.555汞361-393005500.0441.503钾774625508500.0100.234钠8929860012000.0040.9592.2 工质物性数据的选择和计算查化工工艺设计手册：101.3时，甲醇的沸点为64.7。饱和温度。取管内热流体（甲醇）温度。管外空气冷流体温度不变，取。甲醇定性温度为：。空气的定性温度为：。甲醇在36.5时的物性数据10： 甲醇在48时的物理性质：空气在25时的物理性质：表2.2 物理性质表物性甲醇（48）空气（25）密度 792.81.185 比热 2.5961.013导热系数 0.2010.02634普兰特准数8.3410.702粘度 2.3 估算热管的工作温度 已知：，则热管工作的平均温度为： 2.4 推动力的计算 2.5 轴承产热的计算轴承的摩擦损失在轴承内部几乎全部变为热量，因而致使轴承温度升高，轴承的发热量可以用以下公式进行计算11： 式中： 轴承摩擦发热量，； 摩擦力矩，； 轴承转速， ；摩擦力矩的估算公式为： 式中： M 摩擦力矩，； 轴承摩擦系数，的取值见表2-34，本设计取； 当量动载荷，； 轴承的公称内径，；由查轴承标准，选用极限转速为22000的轴承，其型号为61905。基本参数为：内径，外径，宽度，基本额定动载荷，基本额定静载荷，疲劳负荷极限。轴承的预期计算寿命取为10年，轴承寿命计算公式12：，对于深沟球轴承，式中取3。代入数据： 则： 表2.3各类轴承的摩擦系数轴承类型摩擦系数深沟球轴承0.00100.0015角接触球轴承0.00120.0020调心球轴承0.00080.0012滚针轴承0.00250.0035圆锥滚子轴承0.00170.0025调心滚子轴承0.00200.0025推力球轴承0.00100.0015推力滚子轴承0.00200.00302.6 热管工作平均温度的计算 因为，则热管工作的平均温度： 。 2.7 管壳材料的选择及强度计算管壳的作用是将工质与外界环境隔离，因此对它的基本要求就是密封不漏，并能承受内、外压差。管壳还是热量传入与传出热管的必经之路，因此要求它的热阻小。它还必须与工质相容。在具体应用时，还应满足一定的形状尺寸要求。一般情况下，热管壳体均为金属材料制成，但在特殊情况下，如要求热管具有电绝缘性能时，也有用非金属材料（如陶瓷）作热管壳体的。选择管壳材料应考虑如下几个方面13：（1）相容性及稳定性不仅与工质要相容，还应与外界环境介质相容。在工业应用中，特别是化工装置中的换热器或是烟气废热回收换热器中，热管可能直接与腐蚀性介质或气体接触，这样为了保证热管能长期安全可靠地运行，与外部介质的相容性也需在选择管材时加以考虑。（2）高的导热系数在采用金属材料壳体情况下，主要热阻在管芯上，这个要求很容易满足，但在温差要求极小的等温热管（如黑体）或管壳采用电绝缘林料的情况下，应尽量选择导热系数高的材料。（3）工艺性好首先要求材料有良好的焊接气密性，例如用铝合金作管壳时，应选用焊接气密性好的纯铝或铝镁合金（防锈铝），一般不采用常用的结构材料铝-铜合金，如LY12，因它的焊接气密性较差。在结构钢中，推荐采用易焊接的低碳钢10、15等。对槽道热管，一般是用挤压性能良好的铝镁合金LF21、LF2、紫铜等材料。（4）高强度，重量轻 这个要求对空间应用是极为重要的，因此在航天器上使用的中、低温热管大都采用铝合金做管壳。（5)材料致密，渗透率要小。（6)对工质有良好的浸润性。（7)价廉。综合管壳材料的选用原则和表2-4，本设计选用钢号为Q235（GB 912）的碳素钢为管材14 。根据我国管材标准GB151，可先选用壁厚2.5，管外径32的碳钢热管。校核所能承受的最大工作压力。碳钢的应力：315335，取。根据材料许用应力公式有： 因为，其中，碳钢抗拉强度安全系数：。材料许用应力：热管最大容许工作压力的计算： 式中：热管壁厚，；热管外径，。查文献3可得甲醇在36.5时的饱和压力，所以。故选用壁厚为0.0025的碳钢作为热管材料是安全的。表2.4 常用管壳材料和工质的相容性工质铝铜碳钢镍不锈钢钛氮甲烷氨甲醇丙酮苯水联苯醚钾钠汞表2-4中， “”表示管壳材料与工质能相容；“”表示管壳材料和工质不相容。 2.8 热阻和传热面积的计算2.8.1 热阻的计算由热管和热管换换热器式3.5.1，本设计按照常规圆筒壁导热公式计算：式中：蒸发段导热热阻，；冷凝段导热热阻，；热管外径，；热管内径，；管壁导热系数，；热管蒸发段长度，；热管冷凝段长度，。 设和分别为充满液体的吸液芯在蒸发段和冷凝段的传热热阻，若不考虑吸液芯中所发生的对流传热的影响，则和仍可看成是通过圆筒壁的导热热阻，不过在考虑的时候应采用有效的导热系数。因此：式中： 冷凝段吸液芯有效导热系数，；设和为别为蒸发段和冷凝段汽液交界面的传热热阻，有：式中： 气体常数； 蒸发段气液交界面处的蒸汽温度，； 与相平衡的蒸汽压力，； 式中：各符号的下标代表冷凝段，其余意义与上式相同。设是蒸汽流动传热热阻，设蒸发段的蒸汽压力为，冷凝段的蒸汽压力为，有： 实际上，由于气液交界面处的温降以及蒸发段和冷凝段蒸汽流动的温降都很小，因而其热阻也可以忽略不计，故在设计计算中，、和常常忽略不计，所以此处仅考虑、和，总热阻为各个热阻之和。式中提到的吸液芯导热系数和，由热管与热管换热器，对于芯子液体串联，查热管与热管换热器表4-1可知： 式中： 充满液体吸液芯的有效导热系数，； 液态工质的导热系数，；吸液芯材料的导热系数，；液体的容积份额（液体的体积与液体和吸液芯总体积之比），适用范围为。故对于蒸发段，取0.8计算，蒸发段吸液芯有效导热系数：对于冷凝段，取0.25计算，冷凝段吸液芯有效导热系数： 热管采用的是Q235型号碳素结构钢，查得，。 2.8.2 传热面积的计算设为蒸发段管壁外表温度，为冷却段管壁外表空气温度，由热管和热管换热器，有： 式中： 热管蒸发段管壁温度，； 热管冷凝段管壁温度，。将数据代入： 则热量损失效率：考虑到由轴承产生的热量在菊形盘、导热板和柔性线缆上传导时也存在热量损失，特别是筒体将散失掉相当一部分的热量，设计取，则热管热负荷： 由前计算可知：，设热管蒸发段的传热面积为，蒸发段的对流传热系数为。值可由经验公式15计算：式中： 蒸发段的传热系数，； 热流体的流速，； 单位体积热流体流过蒸发段的换热量，。 所以：2.9 传热管数目的计算蒸发段长度，冷凝段长度。那么所需热管的数目：根取8根。2.10 单根热管的传热能力 每根热管的传热能力= 表2.5阶段数据总结总热量热管总数（根）单根热管传热量总传热面积 6.601 8 0.825 0.3375热管外径蒸发段长度冷凝段长度 传热系数 320.50.51703第三章 热管的设计3.1 声速极限条件下的蒸汽腔直径由热管技术理论可知，管径设计的一个基本原则是管内的蒸汽速度不超过一定的极限值，这个极限值就是在蒸汽通道总的最大马赫数不超过0.2。在这样的条件下，蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动，这样轴向温度梯度很小，并可忽略不计，否则，在高马赫数下蒸汽流动的可压缩行将不可忽略。一般说来，一根热管所要传递的最大轴向热流量是已知的，如果又限定它的马赫数等于0.2，由热管技术理论式2-104得：故：式中：蒸汽腔直径，；单根热管传递的最大热流量，；蒸汽的热流密度，；汽化潜热，；是蒸汽比热容比，单原子蒸汽等于5/3，双原子蒸汽为7/5，多原子蒸汽为4/3；蒸汽的气体常数，等于通用气体常数除以蒸汽的分子量，即 （），则；蒸汽的温度，。代入数据： 即只要蒸汽腔直径大于3.74，就不会出现声速极限。故选用壁厚2.5，管外径32（内径为）的热管满足要求。3.2 吸液芯的选择及设计3.2.1 吸液芯的选择考虑到制造方便，决定选用丝网结构，并选用铜质丝网。热管仰（倾）角为。（1）由热管技术理论式3-19知，液芯所需克服的液柱静压头为： （2）选取丝网目数根据经验，所选丝网的毛细压力要大于液柱静压头，热管才能稳定地工作，即： 因此 根据表2-1知，多层丝网可取，为丝网间距，相当于网眼宽度，一般情况下，网眼宽度等于丝径，由此可得： 因而可求得网目数为： 因为相当于英制304目，取标准350目，350目换算成公制为： 因此选用350目的多层铜丝网吸液芯可达到上述要求。表3.1 几种吸液芯结构的有效毛细半径1619吸液芯结构有效毛细半径说明圆柱形毛细孔沟槽毛细孔半径矩形沟槽沟槽宽度三角形沟槽沟槽宽度顶角圆形沟槽沟槽宽度平行丝线芯线间距丝网芯（多层）丝网间距网丝直径烧结金属毡毡丝直径孔隙率填充球（烧结芯）颗粒半径 孔隙率：式中：为单位网格的纤维长度。对于矩形断面的纤维，为其厚度，对于圆形断面的纤维，为其直径。（3）最大毛细压力 对350目丝网，仍假定其丝间距与其丝直径相等，则： 丝网产生的最大毛细压力为： （4）渗透率 由热管技术理论表2-3可查得卷绕丝网渗透率为： ，而 代入数值后，有： （5）由热管技术理论式3-21，得吸液芯截面积： （6）吸液芯层数 已知丝径，每层丝网厚为，故层数： 为使热管有较大的富余能力，取层，故实际网厚： 3.2.2 实际蒸汽腔直径 即：可近似取3.2.3 验算毛细极限和计算传递的最大功率 吸液芯实际厚度下的毛细极限为： 假设甲醇蒸汽在热管中的流动为层流流动，则蒸汽摩擦系数： 液体摩擦系数： 将上述数值代入热管技术理论式3-20得： 可见设计的吸液芯满足要求。3.2.4 核算雷诺数 由热管技术理论式2-103得： 可见按层流流动计算是正确的。3.3 热管传热极限的计算 热管的传热能力虽然很大，但是也不可能无限地加大热负荷。实际上，热管的工作能力总是受到若干因素控制的。如果我们以热管的工作温度为分析依据，热管的工作特性如图3-1所示： 图3-1 热管的传热极限图中12是代表粘性极限，它意味着热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管的最大传热能力；23代表声速极限，即由于热管内蒸汽流速在某一点达到了当地声速而限制了热管的传热能力；34代表携带极限，这是由于热管内部蒸汽流速过高，将逆向回流的冷凝液体部分地从汽-液交界面上“撕落”下来，携带往热管的冷凝段，从而破坏了热管的正常工作并达到的传热极限；45代表热管的毛细极限，所谓毛细极限是指热管在工作条件下，内部的汽、液循环流动所产生的压力降和重力场对管内流体的影响，由此而带来的压力损失恰好与热管内吸液芯所能产生的最大毛细压头相平衡，此时所达到的热管传热极限称为毛细极限；56代表沸腾极限，它是热管加热段吸液芯中的液体受热沸腾所产生的气泡阻碍了正常液体的回流，或由于径向热流密度过大，从而形成膜态沸腾，使得壁面干涸所产生的传热极限。尽管热管具有极好的传热性能，但也受到一定限制，即工质流动过程的限制。达到某些极限后，工质不能连续流动，例如介质冷凝后的回流量不能满足蒸发段的蒸发量时，就会造成循环障碍，即使温差加大，热流壁也增加甚微，甚至不会增加。当工作介质的循环中断，蒸发段液体耗尽时就形成干涸点，热管发生干涸后，如果热源温度向上浮动，管壳温度会急剧上升并可能烧毁;如果热源温度稳定而不过高，热管达到干涸点后，就简单地停止工作而失效，这时的失效热管只能像一支普通的金属管(棒)一样导热，其传递的热量大大低于正常仁作的热管。Busse对热管内部传热极限的描述，有助于人们对传热极限概念的进一步理解。它以热管横截面上轴向平均热流密度为纵坐标，热管两端的温差为为横坐标，概念性地对热管传热极限作了分类。如图3-2所示，当热管两端温差为零时，没有热量传送，热管内具有均匀的温度。如热管的一端冷却到，而热管的另一端仍保持不变，则热流随着的增大而快速增加，图中0-1段的斜率很大，说明热管有很大的热导率，它可能比相同尺寸的铜棒大上几个数量级。当热流到达1点时，热导率突然下降为零。各种热管在不同的工作状态下，可能出现和限制其传热能力的极限不尽相同。在上述的热管传热极限中，毛细极限、声速极限、携带极限和沸腾极限是热管运行中最普遍遇到的。 图3-2 热管传热极限的示意图3.3.1 携带传热极限的计算 由热管与热管换热器中公式338可以知道： 式中为加工表面厚度，取。 为临界深度，等于。 为与蒸汽速度图形有关的系数，对于层流可以取。 汽化潜热，取。由此可以得到： 由于，携带极限大于每根管的传热能力，因此携带极限是符合的。3.3.2 声速传热极限的校核由热管与热管换热器中公式325可以知道： 式中：是蒸汽比热容比，单原子蒸汽等于5/3，双原子蒸汽为7/5，多原子蒸汽为4/3。是蒸汽的气体常数，等于通用气体常数除以蒸汽的分子量。 （）汽化潜热，1170 。 可见，所以声速传热极限合适。3.3.3 沸腾传热极限的计算由热管与热管换热器中公式396可以知道： 式中：气泡生成的临界半径，；的取值在 之间，对于一般热管，作为保守计算，可以取；汽化潜热，1180；蒸发端导热系数，在36.5下取； 因为，所以沸腾极限合适。3.3.4 干涸传热极限的校核由热管中公式310可以知道： 式中：汽化潜热，1180； 重力加速度，。 由于，所以干涸传热极限是合适的。从以上的计算可以知道热管工作安全，所以设计的热管是合理的。3.4 热管充装量的计算热管工质的最小充装量的计算：由热管中公式311可以得： 因为热管的充装量必须要大于这个最小充装量，由热管设计应用可以知道一般热管的充装量在，本设计取为来计算充装量：由得： 显然大于最小充装量，所以热管是安全的，本次设计的充装量合理。3.5 冷凝翅片的选择和计算通常热管外径为时，翅片高度选（一般为热管外径的一半），厚度选在为宜，应保证翅片效率在0.8以上为好。翅片间距对干净气流取；积灰严重时取，并配装吹灰装置。综上所述，热管参数如下：翅片节距：每米热管长的翅片数：每米长翅片热管翅片表面积：每米长翅片热管翅片之间光管面积：每米长翅片热管光管外表面积：肋化系数： 表3.2 散热翅片尺寸热管内径/mm热管外径 /mm翅片内径/mm翅片高度/mm翅片厚度/mm翅片间距/mm肋化系数 27325012.5148.538第四章 真空室结构设计4.1 真空室壁厚的计算根据工作要求，当主轴转速为20000时，取真空室内径20。真空室承受的外压为，工作温度为室温。根据机械工程材料知道，是应用最广，用量最大的低合金强度结构钢。其综合性能较好，广泛用在石油化工设备、船舶、桥梁等大型钢。介于它的这些优点，本设计筒体的材料采用。根据GB150-98规定介绍外压圆筒图算法步骤如下：（1）假设名义厚度假设名义厚度。令，为材料厚度负偏差，腐蚀裕量。根据GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器低合金钢板规定压力容器用钢板的厚度负偏差不大于0.25。当使用标准钢板（20R、16MnR、16MnDR）等时，腐蚀速度大小，还要考虑是单向腐蚀还是双向腐蚀等因素。本设计根据前人设计经验取，则：（2）由，查化工机械手册图4-3-3求值。若的值大于50，则用查取。若的值小于0.05，则用查图4.1可得值。 图 4.1 外压或轴向受外压圆筒几何参数计算图（用于所有材料）在工程中根据的大小，将外压圆筒划分为厚圆筒与薄圆筒，薄圆筒的计算只考虑失稳问题，而圆筒则要考虑失稳问题，而圆筒则要考虑失稳和强度失效，关于两者的划分界线GB150按=20划分，当小于20时为厚圆筒，大于20为薄圆筒，本设计的=96.47，所以为薄圆筒设计，只要进行稳定性校核即可。对于已经知道的D和的圆筒，又可以按某临界长度区分为长圆筒和短圆筒，这个临界长度用公式表示，当圆筒的计算长度大于临界长度时为长圆筒，当小于临界长度时为短圆筒。本设计的临界长度为：m，所以设计的圆筒为段圆筒。根据，查表得周向应变值为：=0.000095。对于薄壁圆筒，由过程设备设计式4-26和式4-27有： 由图4-1查出系数，可知值落在设计温度下材料的左方，即是图4-2中标记，则用公式：来计算许用外压力 。16MnR在25时的，从而有： 图4.2 图算法求解过程因为，且较接近，所以假设的名义厚度合理，取假设值10mm为筒体厚度。查化工机械手册表4-1-3有： 表4.1 标准筒体的参数公称直径 壁厚度 800 104.2 封头设计4.2.1 假设名义厚度假设，令，按筒体的设计步骤取为，则。4.2.2 值的计算 由钢制压力容器公式6-5则有： 查钢制压力容器图6-5有：。4.2.3 计算许用压力查钢制压力容器图6-5有， 封头工作外压力为：，可以知道，所以封头厚度足够，封头安全。以内径为公称直径的标准椭圆封头参数查化工机械手册表4-1-4则有：表4.2 标准封头的参数公称直径 曲面高度直边高度厚 度内表面积容 积质量800 200 40 10 0.792 0.0871 91.34.2.4封头与筒体连接法兰的选择查化工设备机械基础，容器封头和筒体的连接选用甲型平焊法兰，由筒体内径可知，查化工设备机械基础 表10-4，选用， 标准号为的甲型平焊法兰，质量为77，配用螺柱GB5780-86，螺母GB41-86，规格为。表4.3 封头和筒体连接法兰参数 8009308905436 234.2.5 密封结构 查真空室设计手册，当直径小于DN200的真空室密封，一般采用平面密封、斜楔密封、圆锥面密封、刀口密封、台阶密封和惠勒（Wheeler）密封等标准密封形式，但具有形状复杂、加工精度要求高等缺点，直径大于DN800的真空室密封难以达到。为克服上述缺点，该真空室采用60“V”型槽密封结构。4.3 真空口法兰的选取选用板式平焊法兰。查化工设备机械基础中表10-19得，标准号为：HG20593， 配用螺栓GB5780-86，螺母GB41-86。选用标准法兰与附件参数如表4.5所示：表4.5 真空接口法兰表公称直径管子法兰螺孔中心圆直径螺孔直径螺栓DbL重量kg数量直径长度1014751250110.364M1244.4 人、手孔的设计作为压力容器的出入口或检查口的人、手孔，结构型式很多，根据JB255579，碳素钢、低合金钢的人孔和手孔的类型和规格范围。在设计人孔、手孔时一般按下列方式开设人孔、手孔的装设与选用原则：1、在化工容器中为了便于检查和清洗，一般是在化工容器中设计人孔或者是手孔。（1） 设备内径在,一般不考虑开设人孔,可开设12个手孔(成年人的手长一般为650700mm)。（2） 设备内径在以上，应该开设人孔。 （3） 设备内径大于时，顶盖与筒体上最少开设一个人孔。 2、能够开设人、手孔的场合，应尽可能不采用可拆卸大盖。3、直径较小，压力较高的室内设备，一般可选用人孔。4、设备运行中，需要经常打开人、手孔盖时，应该开设人孔。5、对于受压设备，人孔盖较重，一般均采用吊盖式或回转盖式。6、人手孔的装设位置，应便于检查、清理、取出内件和进出设备。7、当封头上开孔很多时，手孔可以考虑放在人孔上。本设计筒体内径为，所以不用开设人孔。 4.5 开孔补强由于接管的外径为均小于89，所以不需要开孔补强。4.6液压试验设计温度为，25，由钢制压力容器国家标准可知，耐压实验压力为： 式中：设计压力，； 试验温度下壳体材料的许用应力，；实验压力，； 设计温度下壳体材料的许用应力，；查得厚度为10的16MnR在25下的许用应力为520，设计压力为0.2，代入数据：实验前的应力校核： 式中：实验压力下圆筒的应力，；有效厚度，；圆筒内径，。试验压力下圆筒的应力为：在进行液压实验时，要求满足以下条件：。圆筒材料在实验温度下的屈服极限：从