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1、主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU第 3章 热管换热器1. 热管的工作原理热管的工作原理管壳 吸热芯 蒸气加热段 绝热段 散热段3.1 概述概述主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU2. 热管的发展历史热管的发展历史第一个阶段时间为 1836一 1942年热虹吸管 帕金斯管阶段，是一种两端封闭、其中充有少量水的管子。工作时管子一端插在高温烟气或火中，另一端插在水中，依靠水的沸腾和凝结传递热量。由于管内空气未抽除，所以传热性能较差。1863年得到
2、工业应用，用于法国的一台机车锅炉及其火箱过热器中； 1867年用于英国军队的移动式面包烤炉中。1892年 J Perkins的孙子 L P Perkins,指出： “排除管内空气可有效地改进其工作性能并对提高管子的传热极限提出了不少改进意见，建议可用这种改进的帕金斯管即两相闭式热虹吸管来回收烟气余热加热空气 ”。 1930年以后，在英国、前苏联、捷克及其它国家，热管在面包烤炉上得到了广泛的应用。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU第二个阶段时间为 60年代 -70年代1944年，美国俄亥俄通用发动机公司的高格勒 (E
3、S Gaugler)以不太引人注目的 “传热器件 ”的名称提出来的。首次提出了有吸液芯的标准热管，或称现代热管的原理首次提出可以将热量由上而下 (依靠吸液芯克服重力回流冷凝液 )进行相变传热。1963年美国格罗弗独立发明了高效导热装置，采用丝网式吸液芯，用不锈钢作外壳，钠作为工质正式提出以热管为名，并申请了美国专利。格罗弗因而被称为现代热管之父。在空间技术迅速发展的有利形势下这项发明在美国洛斯一一阿拉莫斯 (Los Alamos)实验室完成了从设想到实验的全过程，井进行了初步的理论分析，次年，在美国 应用物理 杂志上发表了他的论文及实验结果，引起了人们广泛的兴趣及重视。这种新型、高效的换热元件
4、 热管，由于其先进巧妙的构思和良好的换热性能能，在应用中具有强大的生命力，引起了科技界的极大兴趣及研究热情。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU1967年热管首次空间试验成功。美国首次用热管进行卫星的温度控制，即 GEOSB 卫星热管系统，共运行 145天，使用效果良好，在阿特拉斯火箭周围全部布满了热管，借助这些热管使火箭容器和美国 “天空实验室 轨道站的起居舱保持了均温，防止了字奋飞行器进人大气层时外壳被强烈加热。在此期间，重力热管的应用范围进一步扩大。前苏联首次在 200t h锅炉上安装重力热管空气预热器。捷克的斯
5、可达工厂从 1955年开始制造重力热管换热器，用作锅炉的空气预热器。除此之外，英国、日本、德国等国也开始了热管的研制工作。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU第三个阶段为 70年代以后在空间应用热管成功的基础人热管在地面上的应用也蓬勃地开展起来。最多的是用于工业余热回收及空调低温余热回收的热管换热器。这类换热器已系列化、商品化生产。热管应用已涉及到 94种行业，单管型热管换热器的余热回收量已达105kW级，单管长度长达 710m ，在大型电厂锅炉中用作前置式空气预热器。分离型热管换热器的余热回收量更大，较多用于冶金、化
6、工等行业。在此期间，美国在阿拉斯加州永久冻土带输油管道的重力热管保护系统是最大的一项应用热管的工程，使用了 11400根热管和 21m长的热管，在热管数和长度方面都是创纪录的。此外，一些特殊热管的研究工作也右了很大进展，如可变热导热管、旋转热管、微型热管及超长热管等。与世界各国的热管发展情况一样，我国于 1970年即开始对有吸液芯的热管进行研究， 1972年我国第一文钠热管研制成功， 1980年我国第一台槽道式吸液芯热管换热器投入运行。至 80年代初我国从事热管所究的科研单位及大专院校已遍及全国。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineerin
7、g NCEPU3. 热管的类型：热管的类型：按工作温度范围可分为：按工作温度范围可分为： （ 1） 低温热管：工作温度范围为低温热管：工作温度范围为 0 122K；工质可；工质可选为氢、氖、氮、氧及甲烷，其沸点低于选为氢、氖、氮、氧及甲烷，其沸点低于 122K（ 2） 中温热管：中温热管： 122 628K，工质可选为普通制，工质可选为普通制冷剂或液体，如氟利昂、甲醇、氨和水冷剂或液体，如氟利昂、甲醇、氨和水 （ 3） 高温热管：温度高于高温热管：温度高于 628K，工质可选为汞、钾，工质可选为汞、钾、钠、锂、银等液态金属；、钠、锂、银等液态金属； 按凝液回流方式：按凝液回流方式：（ 1） 普
8、通热管：冷凝液靠吸液芯的毛细力作用返普通热管：冷凝液靠吸液芯的毛细力作用返回蒸发端；回蒸发端； （ 2） 重力热管：靠重力返回蒸发端；重力热管：靠重力返回蒸发端； 主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU重力热管示意图主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU按热管回流凝结液的方式按热管回流凝结液的方式(1)借助毛细力回流凝结液的热管，称为标准热管，借助毛细力回流凝结液的热管，称为标准热管，简称热管。简称热管。(2)借助重力回流凝结波的热管，称为重力热管
9、，又借助重力回流凝结波的热管，称为重力热管，又可称为二相热虹吸管。可称为二相热虹吸管。(3)借助离心力回流凝结液的热管，称为旋转热管借助离心力回流凝结液的热管，称为旋转热管(4)借助静电体积力回流凝结液的热管，称为电流体借助静电体积力回流凝结液的热管，称为电流体动力热管。动力热管。(5)借助磁体积力回流凝结液的热管，称为磁流体动借助磁体积力回流凝结液的热管，称为磁流体动力热管。力热管。(6)借助渗透力回流凝结液的热管，称为渗透热管。借助渗透力回流凝结液的热管，称为渗透热管。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU三、按热管
10、的尺寸分三、按热管的尺寸分热管可分成长热管、一般热管和微型热管三种热管可分成长热管、一般热管和微型热管三种。(1)长热管为长热管为 l d 1的热管长热管运行具有的热管长热管运行具有独特之处，如传热特性及传热极限等。独特之处，如传热特性及传热极限等。(2)微型热管微型热管 内径非常小的热管内径非常小的热管 目前已有目前已有内径为内径为 l0一一 100m 的微型热管。在这种情况下，表的微型热管。在这种情况下，表面张力与使凝结液回沉的驱动力的相互影响，对保面张力与使凝结液回沉的驱动力的相互影响，对保证热管的正常工作就有特殊的意义。证热管的正常工作就有特殊的意义。(3)一般热管一般热管 尺寸介于二
11、者之间的热管为一尺寸介于二者之间的热管为一般热管。般热管。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU四、按热管的结构分四、按热管的结构分热管可分成单管型、回路型、平板型、挠性热管可分成单管型、回路型、平板型、挠性四种。四种。(1)单管型热管单管型热管 蒸发段、绝热段和凝结段均蒸发段、绝热段和凝结段均在同一根管内。在同一根管内。(2)回路型热管回路型热管 在冷热源间有一定的距离时在冷热源间有一定的距离时，热管的蒸发段与凝结段用较长的连接管连起来，热管的蒸发段与凝结段用较长的连接管连起来。常用于重力热管中，如组成换热器即分离型热
12、。常用于重力热管中，如组成换热器即分离型热管换热器。管换热器。(3)平板型热管平板型热管 吸液芯能把液态工质沿较大吸液芯能把液态工质沿较大的平面分布开，从而造成一个近于等温的平板消的平面分布开，从而造成一个近于等温的平板消除局部加热所产生的热点。也可用来制造一种极除局部加热所产生的热点。也可用来制造一种极有效的散热器有效的散热器(4)挠性热管挠性热管 挠性热管是在热管蒸发段和凝挠性热管是在热管蒸发段和凝结段之间加一段可弯曲的波纹管或塑料管。结段之间加一段可弯曲的波纹管或塑料管。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU五、特
13、殊热管五、特殊热管(1)可变热导热管可变热导热管 采用一定的方法使热管的采用一定的方法使热管的热导率随着热源或冷源的条件改变而改变，从而热导率随着热源或冷源的条件改变而改变，从而达到恒定热管某部分温度的目的可变热导热管达到恒定热管某部分温度的目的可变热导热管也称为可控热管。此种热管已日益广泛地被应用也称为可控热管。此种热管已日益广泛地被应用于温度控制技术中。于温度控制技术中。(2)等温炉、黑体炉中使用的均温热管等温炉、黑体炉中使用的均温热管 利用利用热管的等温性，可使整个炉体的温度差控制在热管的等温性，可使整个炉体的温度差控制在o.1 范围之内。范围之内。(3)多组分工质热管多组分工质热管 利
14、用各组分工质的不同利用各组分工质的不同性瓦拓宽热管的工作范围，改善热管的工作性能性瓦拓宽热管的工作范围，改善热管的工作性能。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU六、重力热管的类型六、重力热管的类型(1)闭式重力热管闭式重力热管 热管管壳为单管型且密闭称热管管壳为单管型且密闭称闭式重力热管。按工质工作状态不同又可分为单相闭闭式重力热管。按工质工作状态不同又可分为单相闭式重力热管与两相闭式重力热管。团绝大部分重力热式重力热管与两相闭式重力热管。团绝大部分重力热管均为两相闭式重力热管所以一般无特殊说明重力热管均为两相闭式重力
15、热管所以一般无特殊说明重力热管即指两相闭式重力热管。管即指两相闭式重力热管。(2)开式重力热管开式重力热管 由于重力场的特殊性，陈常由于重力场的特殊性，陈常规热管的封闭型式外，还可以有与外界相通、壳体不规热管的封闭型式外，还可以有与外界相通、壳体不封闭的开式重力热管。封闭的开式重力热管。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU4. 热管的形状热管的形状主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU5. 热管的性能和特点：热管的性能和特点：（ 1） 传热能力强：一根钢水热管的传热能力大致传热能力强：一根钢水热管的传热能力大致相当于同样尺寸紫铜棒导热能力的相当于同样尺寸紫铜棒导热能力的 1500倍；倍； （ 2） 等温性；等温性； （ 3）优良的热响应性：蒸汽的速度以近似于该温）优良的热响应性：蒸汽的速度以近似于该温度下的声速进行移动度下的声速进行移动（ 4） 热流密度可调
