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设计（论文）专用纸热管换热器的设计摘要：热管是高效的传热元件,它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由热管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之为热管换热器。由于其结构简单、可操控性强、换热效率高、动力消耗小等优点，热管换热器越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热设备。目前，它被广泛应用于动力、化工、冶金、电力、计算机等领域。本文就热管换热器的发展现状、趋势、应用及设计做了一个简要的论述，着重探讨了热管换热器的设计。在讨论热管换热器的设计过程中，主要针对其热力计算、设备结构计算、元件参数的选择做了一个合理构建，并结合实际情况设计出了空气预热热管式换热器基本模型。关键词：热管；热管换热器；结构参数；设计计算Abstract：Heatpipeisahighlyefficientheattransfercomponents,itisafastheattospreadfromonepointtoanotherpointofthedevice,consistingoftheheatpipecomponents,theuseoftheprincipleofheatpipeheatexchangerforthermalexchangecalledtheheatpipeheatexchanger.Becauseofitssimplestructure,strongcontrol,heatexchanger,highefficiency,powerconsumption,etc,andheatpipeheatexchangermoreandmoreattention,isaverygoodprospectheattransferequipment.Atpresent,itiswidelyusedinpower,chemical,metallurgy,electricpower,computersandotherfields.Inthispaper,thedevelopmentofheatpipeheatexchangerstatus,trends,applicationsanddesignhadabriefdiscussion,focusedonthedesignofheatpipeheatexchanger.Heatpipeheatexchangerinthediscussionofthedesignprocess,mainlyforthethermalcalculation,equipment,structuralcalculations,componentselectionofparametersmadeareasonableconstructionanddesigncombinedwiththeactualsituationoftheairheatpipeheatexchangerpreheatingthebasicmodel.Keywords:Heatpipe;Heatpipeheatexchanger;Structuralparameters;Designcalculation2/44设计（论文）专用纸第一章前言换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器,换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器的热性能不仅与自身的几何形状和材料有关，而且还取决于进行热交换，热状态介质的热力学性质。节能换热器过程中能量损失包括两个方面：首先，功率促进流体流动的消耗量到达有些速度；其次，温度热传递不可逆的损失[1]。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。目前，换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中被广泛使用。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器也相继问世。1．1热管热管是高效的传热元件,它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由于它具有超常的热传导能力，而且几乎没有热损耗，因此它被称作传热超导体，其导热系数为铜的数千倍。热管传热技术于六十年代初期由美国的科学家发明，它是利用封闭工作腔内工质的相变循环进行热量传输，因而具有传输热量大及传输效率高等特点。随着热管制造成本的降低，尤其是九十年代前后随着水碳钢热管相容性问题的解决，热管凭借其巨大的传热能力，被广泛应用于石油、化工、食品、造纸、冶金等领域的余热回收系统中。1.1.1热管工作原理(如图1-1、1-2所示)其大致原理为[2]:热管外部有一个形成真空的密闭管壳,真空度为1.3×10-4—1.3×10-1pa，沿管子内壁有毛细结构材料，管子内补充有一定量的工作液体。管内的工作液体在热管的一端吸收热量后蒸发汽化，在微小的压强差下流向热管的另一端，向外部释放热量，于是又冷凝成液体，借助毛细结构材料抽力返回，再次吸热、汽化、传输、放热、冷凝过程，从而实现热量从热管一端到另一端的传递。3/44设计（论文）专用纸图1-1热管工作原理图1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液图1-2热管工作演示图1.1.2热管的基本特性[3](1)很高的导热性。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的传热能力导热能力。(2)优良的等温性。热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。4/44设计（论文）专用纸(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，即可改变热管的管内蒸汽压力和温度，这样即可以改变热流密度。(4)热流方向的可逆性。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)恒温特性。普通热管的各部分热阻基本上不随着热量的变化而变化，但可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。(6)热二极管与热开关性能。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。(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冷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)。1.1.3热管技术的应用及进展热管是一种高效的传热元件，热管技术研究的重心已经从理论研究转移到应用研究，热管的应用已经由航天转向地面，由工业转向民用。当前，热管在太阳能利用、笔记本电脑CPU的冷却以及大功率晶体管的冷却、化工、冶金、动力等领域的应用都取得了良好效果[4]，热管在这些领域的应用，将进一步促进新型热管技术的开发和应用。特别指出的是,热管技术在太阳能方面的应用市场前景尤为广阔。目前太阳能热管发电装置、太阳能热管热水器等产品已经得到了较为广泛的应用。最近几年来，热管技术以其独特的性能，在各方面发展都十分迅速。热管研究和应用的领域也在不断拓宽，特别是微型热管技术的出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板的冷却、核电工程中的应用得到了极大的发展[5]。毋庸置疑，21世纪热管技术必将朝着更高效、更普及、微型化、大规模化的方向发展。1.2热管换热器由热管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之为热管换热器。一般情况下，它有一个矩形的外壳，在矩形外壳中布满了带翅片的热管，热管的布置可以是错列呈三角形的排列，也可以是顺列呈正方形排列。在矩形壳体内部的中央有一块隔板把壳体分成两个部分，形成热流体与冷流体5/44设计（论文）专用纸的通道。当热冷流体同时在各自的通道中流过时，热管就将热流体的热量传给了冷流体，实现了两种流体的热量交换。热管换热器是由美国发明的，最初被用于航天技术和核反应堆，以解决向阳面和背阴面受热不均匀。它是一种新型的换热器，于70年代初才开始应用于工业中作为节能设备。虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。热管换热器的最大特点是：结构简单、换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器，换热流体通过换热器时的压力损失也比其他换热器小，因而动力消耗也小。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热设备。20世纪90年代被用于民用空调，由于其优越的导热性，受到越来越广泛的重视，目前在计算机、雷达等高科技领域被广泛应用。1.2.1热管换热器的基本特性[6]（1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。热管换热器用于易然、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。（2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。（3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。（4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。1.2.2热管换热器分类(1)按形式分:整体式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器等。（2）按功能分：气-气式换热器、气-液式换热器、气-汽式换热器等。根据具体工况设计的热管换热器结构及外形形式多样，图1-3、图1-4分别为应用最为广泛的气-气热管换热器外形示意图和气-液热管换热器外形示意图。6/44设计（论文）专用纸图1-3气-气热管换热器图1-4气-液热管换热器图1-3：热管气-气换热器是单管组合式热管换热器中的一种气-气热管换热器，也是目前应用最为广泛的一种余热回收设备,它利用锅炉、加热炉等排烟余热预热炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，还可以减轻对环境的污染。图1-5：是热管气-气换热器用于回收锅炉烟气余热，得到的热空气用于锅炉助燃的流程示意图。7/44设计（论文）专用纸图1-5热管气-气换热器流程示意图热管气-气换热器综合起来有如下一些特点[7-8]：①传热性能高。由于热管气-气换热器的加热段和冷凝段都有带翅片，大大扩展了换热表面，因此，其传热系数比普通光管气-气换热器的要大好多倍。②对数平均温差大。由于热管气-气换热器可以方便地做到冷流体与热流体的纯逆向流动，这样在相同的进、出口温度条件下，就可以产生最大的对数平均温差。③传热量大。由于热管气-气换热器的传热系数和对数平均温差大，因此，传热量就大。④体积小、重量轻、结构紧凑。由于热管气-气换热器所传输的热量大，因此在传输同样的热量情况下，热管气-气换热器就显得体积小、重量轻、结构非常紧凑，因而金属的消耗量小，占地面积也就大大减少。热管气-气换热器这一独特的优点就使其在余热回收等应用领域开辟了广阔的天地。⑤便于拆装、检查和更换。热管气-气换热器是由许多根独立的换热元件-热管按着一定的排列方式组成的。因此更换部分热管不会影响热管气-气换热器整体的正常工作。⑥热管气-气换热器具有很大的灵活性。可以根据不同的热负荷和气体的流量将几个热管气-气换热器串联或并联起来使用。1.2.3热管式换热器与其它类型换热器比较[9]8/44设计（论文）专用纸表1-1各种换热器比较备注：表中括弧中的数字表示品质因数，最好为5，最差为0；总计因数越高，其综合性能越优良.类型评定项