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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 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3.13.1 概述概述主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU2 2. .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。
2、1863年得到工业应用，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JPerkins的孙子LPPerkins,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
3、勒(ESGaugler) 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
4、热元件热管，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200th锅炉上安装重力热管空气预热器。捷
5、克的斯可达 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
6、 多用于冶金、化工等行业。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
7、Engineering NCEPU3 3. .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 1）低温热管：工作温度范围为低温热管：工作温度范围为0 0122K122K；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 122K（2 2）中温热管：中温热管： 122122628K628K，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 3）高温热管：温度高于高温热管：温度高于628K628K，工质可选为汞、钾，工质可选为汞、钾 、钠、锂、银等液态金属；、
8、钠、锂、银等液态金属； 按凝液回流方式：按凝液回流方式：（1 1）普通热管：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 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)(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
9、为标准热管， 简称热管。简称热管。 (2)(2)借助重力回流凝结波的热管，称为重力热管，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)(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)(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)(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)(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
10、。主讲：魏高升主讲：魏高升School of Energy and Power Engineering NCEPU三、按热管的尺寸分三、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)(1)长热管为长热管为l ld 1d 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)(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l0l0一一100m100m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
11、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)(3)一般热管一般热管 尺寸介于二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)(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)(2)回路型热管回路
12、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。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)(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)(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
13、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、特殊热管五、特殊热管(1)(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。
14、(2)(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.1o.1范围之内。范围之内。(3)(3)多组分工质热管多组分工质热管 利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)(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
15、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)(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
16、 Energy and Power Engineering NCEPU4 4. .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 5. .热管的性能和特点：热管的性能和特点：（1 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15001500倍；倍； （2 2）等温性；等温性； （3 3）优良的热
