热管讲义

1第7章热管及热管换热器7.1概述7.1.1热管的发展与现状热管的正式命名是在1963年，但热管的前身－两相热虹吸管却已有100多年历史。*第一阶段1836～19421836年：帕金斯管——两相热虹吸管1944年：高格勒提出现代概念的热管工作原理——冷凝液借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力实现回流*第二阶段：20世纪60、70年代1963年：格罗弗发明世界上第一根热管——不锈钢为壳体、以钠为工作流体、采用丝网吸液芯的热管1965年：考特提出了比较完整的热管理论2第7章热管及热管换热器7.1概述1967年：热管进入太空并运行成功捷克、前苏联等国制造应用了热管空气预热器*第三阶段：20世纪70年代之后在地面应用蓬勃发展，各种热管换热器达到了系列化、商品化生产，用的较多在工业余热回收和空调低温预热回收*中国——1972年第一支钠热管试制成功3第7章热管及热管换热器7.1概述7.1.2热管的结构和工作原理1—壳体2—毛细吸液芯3—工作蒸气4—工作液体图热管工作原理示意图4第7章热管及热管换热器7.1概述(a)(b)(c)(d)(e)毛细吸液芯的典型结构示意图*毛细吸液芯—储存工作流体；产生毛细力；提供冷凝液回流的通道*工质的循环的四个阶段液体蒸发、蒸气流动、蒸气凝结和液体回流。5第7章热管及热管换热器7.1概述*热管的热量传递经历了七个环节①高温热源与热管蒸发段外壁之间的换热过程；②热管蒸发段固体壁面的导热过程；③热管蒸发段的沸腾换热过程；④热管蒸发段与冷凝段之间的蒸气流动换热过程；⑤热管冷凝段的凝结换热过程；⑥热管冷凝段固体壁面的导热过程；⑦热管冷凝段外壁与低温热源之间的换热过程。*热管工作动力—毛细压头克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降、冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降和重力场对流动产生的压力降cappvplpgp6第7章热管及热管换热器7.1概述*热管正常工作的必要条件热管内压力分布示意图（不考虑蒸汽和液体重力作用压力降时热管内压力分布）caplvgppppvplppvplp7第7章热管及热管换热器7.1概述7.1.3热管的分类1.按照热管的工作温度划分低温热管0℃常温热管0～250℃中温热管250～450℃高温热管450℃2.按照热管的工作液体回流方式划分有芯热管、重力热管、旋转热管、电流体动力热管磁流体动力热管、渗透热管3.按照热管的结构划分单管型热管、板型热管、回路型热管（分离型热管）挠性热管（中间用波纹管或塑料管连接）4.按照热管的壳体材料和使用的工质划分钢－水热管、炭钢－水热管、铜钢复合－水热管、铝－丙酮热管、炭钢－萘热管、不锈钢－萘热管等8第7章热管及热管换热器7.1概述5.按照热管的功能划分传热热管、热二极管、热开关、仿真热管、制冷热管另外，还有可变热导热管、混合工质热管可变热导热管：又称为可控热管，它通过热导率随高温热源和低温热源的变化而变化来达到控制温度的的目的。混合工质热管：充分利用了混合工质的优势互补性，大大拓宽了热管的工作范围，改善了热管的工作性能。9第7章热管及热管换热器7.1概述7.1.4热管的基本特性1.高导热性2.等温特性3.热流密度可变性4.传热方向的可逆性5.热二极管与热开关6.恒温特性10第7章热管及热管换热器7.2.热管理论7.2.热管理论1毛细力与热管循环动力(a)液面上升(b)液面下降毛细现象11第7章热管及热管换热器7.2.热管理论(a)θπ/2(b)θπ/2图7-5表面张力示意图当处于平衡状态时θ：接触角或浸润角v,ss,ll,vcos12第7章热管及热管换热器7.2.热管理论*毛细管中液体弯曲面两边的压力差毛细管中液体的弯曲面两边存在一定的压力差。当弯曲液面为球面时*毛细管中液面的上升原理如图7-6所示当毛细管刚插入液体时，由于弯曲液面两边压力差的存在，B点的压力pB=p0-△p，小于大气环境的压力p0。而毛细管外同样高度的C点处的压力等于大气环境压力，为了达到力平衡，毛细管中的液面开始上升直至B点的压力与C点相同为止。达到平衡后B点的压力满足Rp2BC0ppp13第7章热管及热管换热器7.2.热管理论B点的压力与C点相同而于是式中r为毛细管内径，r=Rcosθ，m*热管中的吸液芯形成了插入工作液体的毛细管，蒸发段弯曲液面的曲率半径比冷凝段的小。蒸发段和冷凝段的弯曲液面两边的压力差分别为0CBpppghRpghppghpp200ABgrgRhcos2214第7章热管及热管换热器7.2.热管理论2.热管循环推动力蒸发段弯曲液面两边的压力差为冷凝段弯曲液面两边的压力差为热管吸液芯毛细作用示意图eeeecos22rRpcccccos22rRp15第7章热管及热管换热器7.2.热管理论热管两端毛细头压差△pcap为这就是热管工作流体循环的推动力。当θe=0℃、θc=90℃△pcap有最大值常见吸液芯结构的有效毛细半径列于下表cceececapcoscos2rrpppccap2rp16第7章热管及热管换热器7.2.热管理论常见吸液芯结构的有效毛细半径吸液芯结构有效毛细半径rc变量说明圆柱形毛细孔rc=rr为毛细孔半径矩形沟槽rc=WW为沟槽宽度三角形沟槽W为沟槽宽度β为1/2顶角圆形沟槽rc=WW为沟槽宽度平行丝线芯rc=WW为线间距丝网芯(多层)W为网丝间距d为网丝直径填充球(烧结芯)rc=0.41rsrs为颗粒半径ccosWrc2Wdr17第7章热管及热管换热器7.2.热管理论7.2.2热管内工质流动的压力降1.吸液芯中工作液体流动的压力降不可压缩流体在稳定状态下流过圆形截面管道的压力降η－为流体的粘度，Pa·s；l－为管道长度，m；A－为圆管横截面积，m2；R－为圆管半径，m；ρ－为流体的密度，kg/m3；qm－为流体质量流量，kg/s。实际上热管不是简单的圆形管，因此热管内吸液芯多孔物质中液体流动的压力降计算公式m2；R为圆管半径，m；ρ为流体的密度，kg/m3；qm为流体质量流量，kg/s压力降修正计算公式式中：ro、ri分别为吸液芯的外径和内径，K为吸液芯的渗透率28mlqpARρll22oil()mlqprrK18第7章热管及热管换热器7.2.热管理论其中ro、ri分别为吸液芯的外径和内径，K为吸液芯的渗透率ε—为吸液芯的空隙率，等于吸液芯的空隙容积与总容积的比；rhl—为吸液芯的有效毛细水力半径；b—无因次常数；Rel、fl－分别为吸液芯中工作液体流动的雷诺数和阻力系数llhl2CAr2llfRebbrK2hl19第7章热管及热管换热器7.2.热管理论如果考虑重力影响，压力降的微分形式可表示为l2i2olll)()(sinKρrrxqφgρdxdpml2i2oeffll)(Kρεrrqlpm式中φ为热管轴线与水平方向的夹角。也可以用达西定律表示热管中液体的压力降leff为热管的有效长度，m，对均匀加热和冷却的热管，leff=le/2+la+lv/2，le、la、lv分别为蒸发段、绝热段和冷凝段的长度。20第7章热管及热管换热器7.2.热管理论2.热管内蒸气流动的压力降在蒸发段和冷凝段，蒸气除了轴向流动还存在径向流动，大大增加了流动的复杂性，一般来讲，热管内蒸气流动的压力降按蒸发段、绝热段和冷凝段分别考虑，即无绝热段的热管，在径向雷诺数Rer≤1时，热管中蒸气流动压力降为rv为蒸气腔半径，m；hfg为液体的气化潜热，kJ/kg。雷诺数Rer＞1时，蒸发、冷凝段压力降vcvavevppppfg4vvvv4hrlQp2fg4v2ve8hrQpv2fg4vv22vc2hrQp21第7章热管及热管换热器7.2.热管理论当存在绝热段时，绝热段内径向雷诺数Rer≈0，当轴向雷诺数Re＜1000时，其流动可视为层流，绝热段蒸气流动压力降可用前面提到的圆管层流公式计算。当轴向雷诺数Re＞1000且la＞50rv时，其流动为湍流，压力降为4/73vv2vv0655.0Rerdxdp22第7章热管及热管换热器7.2.热管理论7.2.3热管的热量传递热管传热的热阻图如图7-8所示，由七个部分组成图7-8热管热阻示意图23第7章热管及热管换热器7.2.热管理论1、高温热源与热管蒸发段外壁间的换热热阻2、热管蒸发段固体壁面的导热热阻3、热管蒸发段的沸腾换热热阻4、热管蒸发段与冷凝段之间的换热是借助于蒸气分子的质量传输而实现热量传输的。由于蒸气流动的压差很小，两段之间的温差就很小，可以近似认为该过程是等温的。所以，在该环节的换热热阻R4可以忽略不计。1eo11hAR)ln(21ioe2ddlR3ei31hAR24第7章热管及热管换热器7.2.热管理论5、热管冷凝段的冷凝换热热阻6、热管冷凝段固体壁面的导热热阻7、热管冷凝段外壁与低温热源间的换热热阻8、从热管管壁的轴向传热量可以忽略不计，即可以认为热阻R8为无穷大。表7-2热管各热阻的近似值(m2·K/W)5ci51hAR)ln(21ioc6ddlR7co71hAR热阻R1R2R3R4R5R6R7数量级101~10210-410-310-710-310-410-1～10-225第7章热管及热管换热器7.2.热管理论7.2.4热管的传热极限1.连续流动传热极限低于转变温度（蒸气流动从连续流动转变到稀薄或自由分子流动的温度称为转变温度）下工作的热管会遇到连续流动传热极限，热管将失去其等温性。2.冷冻启动传热极限当出现工质不能回流至蒸发段时（如高温热管常温下工质可能凝固），蒸发段将出现干涸现象，热管达到了冷冻启动传热极限。3.粘性传热极限蒸汽在热管中流动时，由于粘性力的作用，总会有压力降。当蒸气压力在热管冷凝段降低到零时，其传热量将达到一个极限。4.声速传热极限热管中蒸气流动的马赫数较高时，达到声速而限制了热量传递的现象。热管中出现声速传热极限，不能增加热流量的同时还可能产生了很大的轴向温度梯度变化，影响了热管的等温特性。26第7章热管及热管换热器7.2.热管理论AB——连续流动传热极限BC——冷冻启动传热极限CD——粘性传热极限DE——声速传热极限EF——携带传热极限FG——毛细传热极限GH——沸腾传热极限热管的传热极限示意图27第7章热管及热管换热器7.2.热管理论热管内蒸气流动的温度分布28第7章热管及热管换热器7.2.热管理论5.携带传热极限液体将被蒸气夹带反向流回冷凝段，削弱了热管的传热。6.毛细传热极限当热负荷达到一定程度，毛细力作用抽回的液体不足以满足蒸发所需的量时，导致蒸发段干涸。此时，蒸发段管壁温度会逐渐上升，严重时甚至出现烧坏热管的现象。这就是所谓的毛细传热极限。7.沸腾传热极限沸腾产生的气泡造成吸液芯毛细孔的堵塞，造成吸液芯局部干涸，传热能力下降。2/1hsvfgvmax,e2rσρhAQ29第7章热管及热管换热器7.3热管的设计7.3热管的设计7.3.1热管工作温度的确定热管传递的热流量为Q则Tv——为热管的工作温度，K7.3.2热管工作流体的选择原则：1、适当的饱和性质，适应的工作温度（介于工作流体的凝固点和临界点之间）；2、优良的热物理性质，满足传热和流动的要求；3、稳定的化学性质，与壳体、吸液芯等材料相容；4、还应考虑经济性、环保性、安全性等。cvevRTTRTTQ21)(21)(2121ecvRRQTTT30第7章热管及热管换热器7.3热管的设计表7-3一些常用热管工质的基础性质工质凝固点K标准沸点K临界温度K临界压力kPa氨气194.95239.82405.4011333R11162.72296.80471.154466R22114.0313.3369.24980乙烷101.0184.6305.34900R113238.15320.42487.33379丙酮178.