传热学热管1PPT课件

.,传热学第七章第七节,热管,.,一、热管的发现,热管是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力，在散热器制造行业占有重要的地位。,.,二、应用前景,热管传热利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外。采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式，同样可以得到满意的散热效果，使得困扰风冷散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解决，开辟了散热行业的新天地。,.,三、热管的基本工作原理,工作原理：物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3（101-104)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端，放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的。,.,热管图示,.,四、组成与工作过程,组成及材质要求一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管材料:应满足使用的温度要求，并且要耐压，有好的导热性能和化学稳定性。一般采用铜、铝、碳素钢、不锈钢、钢姆复合管等。在特殊情况下，也可以采用非金属材料，如玻璃、陶瓷等。热管的工质选择，主要取决于热管的工作温度范围，工质物理性质与工质、管壳以及管芯之间的化学相容性。其其体要求是。汽化潜热高、导热系数高、粘度低、表面张力大、适当的沸点等。在热管中蒸汽或液体的流动，都需要一定的压差来克服其流动阻力，这些压差必须由管芯和液体所产生的毛细压头来加以平衡,.,四、组成与工作过程,工作过程过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面；(2)液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发；(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结；(5)热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。,.,五、热管的基本特性,1很高的导热性-汽、液相变传热，热阻很小2优良的等温性-蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小3热流密度可变性-热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，4热流方向可逆性-一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段5热二极管与热开关性能-热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。6恒温特性(可控热管)-普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。7环境的适应性-热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场,.,六、热管的分类,(1)按照热管管内工作温度区分热管可分为：低温热管(2730)、常温热管(0250)、中温热管250450)、高温热管(450-1000)等。(2)按照工作液体回流动力区分热管可分为：有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等。(3)按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习惯的划分方法)可分为：铜水热管、碳钢水热管、铜钢复合水热管、铝丙酮热管、碳钢萘热管、不锈钢钠热管等。(4)按结构形式区分可分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。(5)按热管的功用划分可分为：传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等,.,六、热管的分类,6、按照热管的内部组成结构：热熔渣结构,.,六、热管的分类,按照热管的内部组成结构：热熔渣结构工艺复杂、成本高、传热效果最佳。,.,六、热管的分类,按照热管的内部组成结构：沟槽结构,.,六、热管的分类,按照热管的内部组成结构：沟槽结构制作更易更高，工质回流效果最好，散热效果次于前,.,六、热管的分类,按照热管的内部组成结构：多重金属网孔结构,.,六、热管的分类,按照热管的内部组成结构：多重金属网孔结构结构简单、制作简单、成本低，散热效果差于前两者,.,七、热管的相容性及寿命,热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三方面，即：(1)产生不凝性气体(2)工作液体物性恶化(3)管壳材料的腐蚀、溶解,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,钢-水热管中存在着化学反应和电化学反应，这是一种不可避免的金属腐蚀过程，只能抑制或延缓，而不可能消除，因此，钢-水热管相容性问题所采用的对策也只能是延寿，而不能根治。常见问题有三类：1化学腐蚀2积灰3露点腐蚀1、化学腐蚀化学Fe+H2O=FeO+H22Fe+3H2O=Fe2O3+3H23Fe+4H2O=Fe3O4+4H2电化学H+2e=H2Fe-2e=Fe2+Fe2+OH-=Fe（OH）23Fe（OH）2=Fe3O4+2H2O+H2（在高温和有水存在的状态下）,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,解决方案知道了水对碳钢的腐蚀机理，能帮助我们找到相应的解决办法，尽可能的延长热管的使用寿命，目前主要的方法有：（1）碳钢管材的高温蒸汽表面钝化（2）碳钢管材的化学液钝化（3）工质内添加缓蚀剂（4）排放法和渗透法（5）氧化除氢法针对化学钝化膜不稳定、排放法和渗透法不易操作、高温蒸汽钝化所需场地设备及投资较大，最好的热管延寿方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,积灰积灰按温度分可划分为高温区积灰、过渡区积灰和低温区积灰，热管换热设备的积灰主要是低温区积灰。低温区积灰一般都为疏松式积灰，主要是发生在下游温度较低的换热设备上。积灰形成的机理较复杂，一般认为疏松式积灰是由分子引力和静电引力的作用而形成的。疏松式积灰在以下两方面条件下均可形成低温粘结性积灰。其一，燃料燃烧不充分而形成高粘度聚合物，此种聚合物极容易吸附于管壁上，不容易脱落而形成粘结性积灰。其二，当灰垢吸收烟气中的SO3和水蒸汽后转化成硫酸盐，形成粘结性积灰。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,解决方案（一）（1）根据流体含尘的状况，合理选择换热设备及其传热元件的结构和形式，以达到不积灰或少积灰的目的。（2）改变换热设备内流体的流速，以减少或清除积灰。（3）采用化学清灰剂清灰。（4）吹扫和用机械方法清除管子表面积灰。以上几种方法中最有效的是（1）和（2）两种，（3）和（4）两种方法是在积灰生成以后再去清除，有滞后性。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,采取的对策（二）气相换热的热管换热器，管外都采用加肋强化传热，翅片形式多选用穿片或螺旋型缠绕片，这些翅片的结果紧凑，肋化比高，效果明显，但缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体即使翅片间距取到1220mm，在某些情况下也会出现严重积灰，因此对于高含尘流体目前趋向于选择以下两种结构：（1）轴对称单列纵向直肋翅片轴对称单列纵向直肋翅片结构简单，制作方便，相对肋化比低，不易积灰。如果将翅片做成不等高，即降低背后翅片高度，可进一步减少积灰。目前此种结构的热管换热器投入工业应用的已见报道，效果不错。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,（2）钉头管钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于粘结性积灰部位，如燃油加热炉的对流室中，为了减少热管换热器的积灰堵塞，已有将钉头管制成的热管空气预热器用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉中，投入使用多年，一直无积灰堵塞现象。以上两种结构的共同点就是简单、易制做，但肋化比较低。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,解决方案（三）合理选择换热设备内流体速度及结构形式换热设备内流体的速度是一个重要的设计参数，它影响换热设备的的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前热管换热设备的设计多采用等质量流速法，这种方法的严重不足之处就是随着设备内温度的下降，近出口处的密度、动力粘度、导热系数有明显变化，从而引起出口处流体的速度大幅下降。其结果是换热系数和自清灰能力的下降将带来的负面影响，造成换热设备后排的积灰。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,解决该问题可采用变截面设计法，以等体积流速法代替等质量流速法。对于某一参数一定的换热设备，质量流量是一个常数，如要维持体积流速不变，只有改变换热面积来抵消密度的变化，随着烟气温度的降低，密度将增大，要维持流速一定，换热设备的流通面积将减小，所以以等体积流速设计的换热设备的截面为一等边梯形。变截面换热设备能保证其进出口具有相同的自清灰能力，一般认为换热设备内实际流体流速达到8m/s便可起到自清灰的作用，设计时可取812m/s，对于可能引起严重磨损的部位流体流速可取68m/s，以免引起管子快速磨损而损坏穿孔。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,热管的露点腐蚀：当热管换热器在低温烟气中使用，换热器热管常常会遇到低温露点腐蚀问题。有时即使在正常的排烟温度下，在烟气出口侧（在没有前置预热器的情况下）最后几排热管也存在低温露点腐蚀。根据传热学我们可知道，烟气侧壁温主要与冷、热流体的温度、传热系数及换热面积有关，它与热流体的温度、换热系数、面积及冷流体的温度从正比，而与冷流体的传热系数和面积成反比。当冷、热侧传热系数和换热面积基本一定的情况下，在冷流温度较低时，烟气侧壁温就有可能在露点温度以下，而发生露点腐蚀。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,解决方案：（1）合理的控制排烟温度根据烟气的露点温度合理确定排烟温度，一般而言，排烟温度应高于露点温度2030。另外，在冬、夏季节环境温度相差较大的情况下，应控制不同的排烟温度，在冬季排烟温度应适当提高。（2）增设前置预热器，提高空气入预热器的温度，可有效的防止露点腐蚀。（3）对空气风道进行傍路设计，当烟气温度较低或环境温度较低时，可将部分换热后空气混合到冷空气中，以提高空气的入口温度。（4）进行调壁温防低温腐蚀设计。通过调节冷热端的结构参数，提高热管换热器的最低壁温，防止低温腐蚀。,.,八、相容性问题的解决-以钢-水热管为例,防低温腐蚀设计结构参数中，冷热端长度的变化对壁温的变化最敏感，但热端的长度不能增加太多，这样出口烟气的温度升高，单支热管传热能力下降，空气侧流动阻力增大，目前应用得最多的是调整翅片的高度和间距。在结构参数调整中，一般建议冷热侧同时改变某一参数，这样壁温变化较快，且单排热管的传热量基本不变，不用增加管排即可保证原有的传热性能。在壁温与露点温度相差不大时，优先选择翅片高度或间距作为调温参数；当壁温与露点温度相差较大时，应选择冷端长度作为调温参数或同时调节多个参数。采用这种办法逐排改变壁温低于烟气露点的最后几排热管结构，就可有效的防止低温腐蚀。,.,九、热管制造,热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。(一)管壳热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。,.,九、热管制造,(二)端盖热管的端盖具有多种结构形式，它与热管连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳。配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分，不必再填焊条，焊口光滑平整、质量容易保证。旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。,.,九、热管制造,(三)吸液芯结构吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作，下面对一些典型的结构作出简赂的介绍。一个性能优良的管芯应具有：(1)足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径(2)较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率(3)良好的传热特性，即有小的径向热阻(4)良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。,.,九、热管制造,管芯的构造型式大致可分为以下几类：(1)紧贴管壁的单层及多层网芯此类管芯多层网的网层之间应尽量紧贴，网与管壁之间亦应贴合良好，网层数有l至4层或更多，各层网的目数可相同或不同若网层多，则液体流通截面大，阻力小，但径向热阻大；用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加。如在近壁因数层用粗孔网，表面一层用细孔网，这样可由表面细孔网提供较大的毛细抽吸压力，通道内的粗孔网使流动阻力较小，但并不能改善径向热阻大的缺点。网芯式结构的管芯可得到较高的毛细力和较高的毛细提升高度，但因渗透率较低，液体回流阻力较大，热管的轴向传热能力受到限制。此外其径向热阻较大，工艺重复性差又不能适应管道弯曲的情况，故在细长热管中逐渐由其它管芯取代。,.,九、热管制造,管芯的构造型式大致可分为以下几类：(1)紧贴管壁的单层及多层网芯此类管芯多层网的网层之间应尽量紧贴，网与管壁之间亦应贴合良好，网层数有l至4层或更多，各层网的目数可相同或不同若网层多，则液体流通截面大，阻力小，但径向热阻大；用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加。如在近壁因数层用粗孔网，表面一层用细孔网，这样可由表面细孔网提供较大的毛细抽吸压力，通道内的粗孔网使流动阻力较小，但并不能改善径向热阻大的缺点。网芯式结构的管芯可得到较高的毛细力和较高的毛细提升高度，但因渗透率较低，液体回流阻力较大，热管的轴向传热能力受到限制。此外其径向热阻较大，工艺重复性差又不能适应管道弯曲的情况，故在细长热管中逐渐由其它管芯取代。,.,九、热管制造,管芯的构造型式大致可分为以下几类：(2)烧结粉末管芯由一定目数的金属粉末烧结在管内壁面而形成与管壁一体的烧结粉末管芯，也有用金属丝网烧结在管内壁面上的管芯。此种管芯有较高的毛细抽吸力，并较大地改善了径向热阻，克服了网芯工艺重复性差的缺点，但因其渗透率较差，故轴向传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的小。,.,九、热管制造,(3)轴向槽道式管芯在管壳内壁开轴向细槽以提供毛细压头及液体回流通道，槽的截面形状可为矩形，梯形，圆形及变截面槽道，槽道式管芯虽然毛细压头较小，但液体流动阻力甚小，因此可达到较高的轴向传热能力，径向热阻较小，工艺重复性良好，可获得精确的几何参数，因而可较正确地计算毛细限，此种管子弯曲后性能基本不变，但由于其抗重力工作能力极差，不适于倾斜(热端在上)工作，对于空间的零重力条件则是非常适用的，因此广泛用于空间飞行器。,.,九、热管制造,(4)组合管芯一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力