第三章2 热管换热器(热管换热器)
热管换热器计算
热管换热器计算(2009-02-20 22:50:45)转载标签：热管换热器计算德天热管亚洲热管网热管换热器计算可用热平衡方程式进行计算，对于常温下使用的通风系统中的热管换热器的换热后温度，回收的冷热量也可用下列公式计算，由于公式采用的是显热计算，但实际热回收过程也发生潜热回收，因此计算值较实测值偏小，其发生的潜热回收可作为余量或保险系数考虑。
本文选自【亚洲热管网】热管换热器的计算：1. 热管换热器的效率定义η=t1-t2/t1- t3 (1-1)式t1、t2——新风的进、出口温度（℃）t3——排风的入口温度（℃）2.热管换热器的设计计算一般已知热管换热器的新风和排风的入口温度t1和t3，取新风量L x 与排风量L P相等。
即L x = L P，新风和排风的出口温度按下列公式计算：t2=t1－η(t1－t3) (1-2)t4=t3＋η(t1－t3) (1-3)t4——排风出口温度（℃）回收的热量Q (kW), 负值时为冷量：Q(kW)= L xρX C x（t2-t1）/3600 (1-4)式中L x——新风量（m3/h ）ρx——新风的密度（kg/m3）（一般取1.2 kg/m3）C x——新风的比热容，一般可取1.01kJ/ (kg ·℃)。
3.选用热管换热器时，应注意：1）换热器既可以垂直也可以水平安装，可以几个并联，也可以几个串联；当水平安装时，低温侧上倾5℃~7℃。
2）表面风速宜采用1.5 m/s~3.5m/s。
3）当出风温度低于露点温度或热气流的含湿量较大时，应设计冷凝水排除装置。
4）冷却端为湿工况时，加热端的效率η值应增加，即回收的热量增加。
但仍可按上述公式计算（增加的热量作为安全因素）。
需要确定冷却端（热气流）的终参数时，可按下式确定处理后的焓值，并按处理后的相对湿度为90%左右考虑。
h2=h1－ 36Q/ L×ρ (1-5)式中h1, h2——热气流处理前、后的焓值（kJ/kg）;Q ——按冷气流计算出的回收热量（W）;L ——热气流的风量（m3/h ）；ρ——热气流的密度（kg/m3）。
热管与热管换热器设计基础
热管是一种利用液体的湿润性和蒸发冷却原理进行热传导的装置，具有高效、均匀、可控的热传导能力。
热管换热器则是利用热管进行热传导和热交换的换热设备。
以下是热管和热管换热器设计的基础知识：1.热管的工作原理：热管由内外壳体、工作流体和蒸汽管组成。
当热管的工作端加热时，内部的工作流体沸腾产生蒸汽，蒸汽通过蒸汽管传输到另一端，然后在冷却区域重新凝结为液态，液体通过液管回流到工作端。
这样，热量通过蒸汽和液体的相变传导实现了从热源到热汇的传递。
2.热管特性：热管具有高导热性、无需外部能源驱动、传热均匀、尺寸小巧等特点。
它可以将热源与热汇之间的温度差降低到很小的范围，实现高效的热传导。
3.热管换热器设计要点：●热管选择：根据具体应用需求选择合适的热管，考虑工作温度范围、导热性能、流体类型等因素。
●散热需求：确定需要传热的功率和温度差，以便选择合适的热管尺寸和数量。
●热管布局：考虑热源和热汇的位置关系，设计合适的热管布局，使热量能够有效传导到需要的位置。
●换热介质：选择合适的换热介质（如空气、水、液体等），确定流体的流速和换热方式（对流、辐射等）。
●结构设计：考虑热管的结构材料、密封性、耐腐蚀性等因素，确保热管换热器的稳定性和可靠性。
4.热管换热器的应用：热管换热器广泛应用于电子设备散热、航天器热控、工业生产过程中的热回收等领域。
它在提高换热效率、降低设备体积和重量方面具有重要的作用。
总而言之，热管和热管换热器的设计基础包括热管工作原理、热传导特性、热管选择、散热需求、热管布局、换热介质选择以及结构设计等方面。
这些基础知识是设计高效热管换热器的关键。
热管换热器节能减排技术
热管换热器节能减排技术
热管换热器节能减排技术主要利用热管的高效传热特性来实现能源的节约和减少排放。
热管是一种利用工质相变来强化换热的装置，其传热效率远高于一般换热器。
热管换热器由箱体、热管束、中间隔板组成，箱体分为两侧，一侧流体为烟气，一侧流体为空气，通过热管将热量从烟气侧传递到空气侧，从而提高空气温度，达到预热空气的目的。
在工业应用中，热管换热器可用于锅炉的烟气余热回收，将排出的烟气中的热量回收并用于预热空气或水，从而提高锅炉效率，节约能源。
此外，热管换热器还可用于集中供暖系统中，保证布袋除尘器的运行安全，提高供暖效率。
热管换热器节能减排技术的优点包括传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、利于控制露点腐蚀等。
这些优点使得热管换热器在节能减排领域具有广泛的应用前景。
总之，热管换热器节能减排技术是一种高效、环保的能源利用技术，可广泛应用于工业、建筑等领域，为实现节能减排和可持续发展做出贡献。
热管换热器的结构形式
热管换热器的结构形式（三）热管换热器的结构形式以热管为传热单元的热管换热器是一种新型高效换热器，其结构如图片4-50、图片4-51所示，它是由壳体、热管和隔板组成的。
热管作为主要的传热元件，是一种具有高导热性能的传热装置。
它是一种真空容器，其基本组成部件为壳体、吸液芯和工作液。
将壳体抽真空后充入适量的工作液，密闭壳体便构成一只热管。
当热源对其一端供热时，工作液自热源吸收热量而蒸发汽化，携带潜热的蒸汽在压差作用下，高速传输至壳体的另一端，向冷源放出潜热而凝结，冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。
如此反复循环，热量乃不断从热端传至冷端。
【图片4-50】热管换热器。
【图片4-51】热管示意图。
热管按冷凝液循环方式分为吸液芯热管、重力热管和离心热管三种。
吸液芯热管的冷凝液依靠毛细管的作用回到热端，这种热管可以在失重情况下工作；重力热管的冷凝液是依靠重力流回热端，它的传热具有单向性，一般为垂直放置离心热管是靠离心力使冷凝液回到热端，通常用于旋转部件的冷却。
热管按工作液的工作温度分为深冷热管、低温热管、中温热管和高温热管四种。
深冷热管在200K以下工作，工作液有氮、氢、氖、氧、甲烷、乙烷等；低温热管在200~550K 范围内工作，工作液有氟里昂、氨、丙酮、乙醇、水等；中温热管在550~750K范围内工作，工作液有导热姆A、水银、铯、水及钾─钠混合液等；高温热管在750K 以上工作，工作液有液态金属钾、钠、锂、银等。
热管的传热特点是热管中的热量传递通过沸腾汽化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行，由于沸腾和冷凝的对流传热强度都很大，而蒸汽流动阻力损失又较小，因此热管两端温度差可以很小，即能在很小的温差下传递很大的热流量。
因此，它特别适用于低温差传热及某些等温性要求较高的场合。
热管换热器具有结构简单、使用寿命长、工作可靠、应用范围广等优点，可用于气─气、气─液和液─液之间的换热过程。
热管换热器的设计计算
热管中从冷凝段回流到蒸发段的液体的一部 分 ,由于蒸汽流的流动将被携带到冷凝段 ,因而造成 蒸发段干枯 ,引起蒸发段过热 ,这一极限称为热管的 携带限 。 对重力式无吸液芯热管 , 携带极限的管径可用 下式计算 :
dc =
1. 78 Q ent
- 1/ 4 - 1/ 4 π γ(ρ ) + ρV L - 2
L经 = L1 = L2 K2 K1
饱和温度 , K; T1 、 T2 — — — 分别为热流体和冷流体的温度 , K。 安全长度比主要用于验证计算确定的长度比是 否安全 。 1. 3 工质的选择 工质的选择要满足与热管材质相容性和热物理
( 4)
2001 年第 3 期 王 磊 : 热管换热器的设计计算
1. 5 翅片效率与翅化比 1. 5. 1 翅片效率
G
单位 kg/ m2 ・ s
流动方向上的管排数
8 2. 4～2. 7
热管在气体侧传热时热阻较大 , 常采取加翅片 的方法来强化传热 。加翅片后 ,随翅片高度的增加 , 其温度与热管壁温有一个梯度 。当以热管光管面积 计算给热系数时 ,即存在一个翅片传热效率问题 ,即 η=
( 见 2. 3 中定义) ,W/ m2 ・ K;
M1 、 M2 — — — 分别为热流体和冷流体的质量流
单管传输功率 (kW)
<1 <3 <7
管径 d o ( 外径) (mm)
16～25 25～32 32～60
量 ,kg/ h 。 在计算时 , 需先确定 L 经 , 再根据传热原理求 K1 、 K2 。为此 , 可先估计 K1 、 K2 值 , 估算出 L 经 , 再进 行精确的传热计算 。 K1 与 K2 值可按表 2 估计 。
热管换热器设计计算及设计说明
热管换热器设计计算及设计说明设计说明书目录1.引言2.设计目标3.设计计算3.1传热需求计算3.2材料选择3.3热管尺寸计算3.4换热面积计算4.设计结果4.1热管尺寸4.2换热面积5.结论1.引言2.设计目标本设计的目标是设计一个能够满足热量传递需求的热管换热器。
具体设计目标如下：-传热效率高，热量损失小；-体积小，重量轻，便于安装和维护；-耐腐蚀，使用寿命长。
3.设计计算3.1传热需求计算根据所需传热功率和热传导方程，可以计算出所需的换热面积。
传热功率的计算公式如下：Q=U*A*ΔT其中，Q为传热功率，U为传热系数，A为换热面积，ΔT为温度差。
根据具体的应用条件和需求，可以确定传热系数和温度差。
3.2材料选择根据工作温度和压力，选择合适的材料用于热管换热器的制造。
常见的材料有不锈钢、铜、铝等。
需要考虑的因素包括材料的导热性能、耐腐蚀性能和成本等。
3.3热管尺寸计算热管的尺寸设计主要包括直径、长度和分段数等。
热管的直径与流体的流量有关，需要根据实际流量计算得出。
热管的长度与传热效果有关，需要根据传热需求和热管材料的导热性能计算得出。
分段数的选择主要考虑热管结构的复杂度和制造成本。
3.4换热面积计算根据传热功率和传热系数，可以计算出所需的换热面积。
换热面积的计算公式如下：A=Q/(U*ΔT)其中，A为换热面积，Q为传热功率，U为传热系数，ΔT为温度差。
根据具体的应用条件和需求，可以确定传热系数和温度差。
4.设计结果4.1热管尺寸根据具体的传热需求和热管材料的导热性能，计算得出热管的直径为XX mm，长度为XX mm，分段数为XX。
4.2换热面积根据传热功率和传热系数，计算得出所需的换热面积为XXm²。
5.结论本设计通过计算得出了一台满足特定条件下的热管换热器的尺寸和换热面积。
这个设计可以满足传热需求，并具有高传热效率、小体积和耐腐蚀等特点。
第三章2 热管换热器(热管换热器).
2015
换热器
原理与设计
Principle and design of heat exchanger
Principle and design of heat exchanger
2015
3.5 热管换热器
热管换热器是一种新型、高效、节能换热器，广泛使用于航天航空业，并逐步 用于加热炉对流室烟气余热回收中。它是由数根热管组成的。热管外部装有翅片以 提高传热效果。热管管束中间装有隔板，冷、热流体分别在隔板的两侧流动，通过 热管进行热量传递。
2015
③ 旋转热管：工作液体的回流依靠离心力的分力作用
④ 重力辅助热管：同时受到毛细力和重力作用使凝液回流。当具有吸液芯的热管处于 冷凝段在加热段上方位臵时，热管就将按重力辅助热管方式运行
Principle and design of heat exchanger
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3.5.3 热管的工作特性 热管为什么能工作？ 因为吸液芯的泵送作用
Principle and design of heat exchanger
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热管的传热过程
六个传热步骤：
1）热量从热源通过壳壁和充满液体工质的吸液芯传递到液汽分界面上 2）液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发 3）蒸汽通过蒸汽腔输送到冷凝段 4）蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上冷凝
5）热量从冷凝段内的汽-液分界面通过吸液芯和壳壁传给外热汇（即冷源）
Principle and design of heat exchanger
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管芯的结构 1）紧贴管壁的单层及多层网芯，图3.66（a） 2）烧结粉末管芯，图3.66（b），它是由一定目数
热管换热器工作原理及特点-概述说明以及解释
热管换热器工作原理及特点-概述说明以及解释1.引言1.1 概述热管换热器是一种高效换热设备，利用热管作为传热介质，通过在换热器内部的传热管路中进行传热工作，实现热量的传递和换热。
热管换热器具有结构简单、能耗低、换热效率高等特点，在工程领域得到了广泛的应用。
本文将重点介绍热管换热器的工作原理、特点以及在工程应用中的优势，希望通过深入的研究和分析，能为读者提供更加全面和深入的了解，为今后热管换热器在工程实践中的应用提供借鉴和参考。
1.2 文章结构本文将首先介绍热管换热器的工作原理，包括其基本工作原理和传热过程，以帮助读者深入了解热管换热器的工作机制。
接着，我们将探讨热管换热器的特点，包括其高效换热、结构简单等优势，以便读者对热管换热器在工程中的应用有更全面的认识。
最后，我们将重点讨论热管换热器在工程应用中的优势，以展示其在实际工程中的重要性和价值。
通过对热管换热器的原理、特点和应用优势进行全面介绍，本文旨在帮助读者深入理解和应用热管换热器技术。
1.3 目的：本文旨在深入介绍热管换热器的工作原理及特点，探讨其在工程应用中的优势。
通过对热管换热器的全面解析，旨在帮助读者全面了解该换热器的优点和适用领域，为工程实践提供参考和指导。
同时，通过对热管换热器未来发展前景的展望，进一步探讨该技术在换热领域的潜力和发展方向。
希望本文能为读者提供一份全面且深入的研究参考，促进热管换热器技术的不断创新与发展。
2.正文2.1 热管换热器的工作原理热管换热器是一种利用热管换热原理实现热量转移的换热设备。
其工作原理是通过热管内介质的相变过程来实现热量的传递。
热管换热器主要包括蒸发段和冷凝段两部分。
在蒸发段，工作介质（如液态水）受热后蒸发成为蒸汽，蒸汽通过热管的热传递作用被传输到冷凝段。
在冷凝段，蒸汽失去热量后冷凝成为液态介质，释放出的热量再次通过热管传递到冷却介质。
通过这样的过程，热管换热器实现了热量的高效传递，并具有一定的节能效果。
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换热器
原理与设计
Principle and design of heat exchanger
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3.5 热管换热器
热管换热器是一种新型、高效、节能换热器，广泛使用于航天航空业，并逐步 用于加热炉对流室烟气余热回收中。它是由数根热管组成的。热管外部装有翅片以 提高传热效果。热管管束中间装有隔板，冷、热流体分别在隔板的两侧流动，通过 热管进行热量传递。
（1）工质循环流动的推动力
蒸发段内，液体在液汽分界面上的逐渐蒸发使得分界面缩回到吸液芯里 （如图），产生弯月形气液分界面（弯月面）；
冷凝段内，蒸汽在液汽分界面上的逐渐冷凝使得分界面高于吸液芯，
且分界面基本上呈平面形状，曲率半径为无限大； 蒸发和冷凝段的曲率半径之差－－工质（液体和蒸汽）循环流动的毛 细驱动力（循环动力）。
平放臵，Pg =0。液芯内液体的流动阻力可按Darcy给出的公式（达西公式） 估算：
mL Pl KA
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（2）工质的压力分布情况
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传热极限可用传热量和工作温度（即管内蒸汽平均温度）为直角坐标的两轴来定性地 表示。热管的工作点必须选择在包络线1－2－3－4－5－6－7－8的下方。这些极限曲
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3）工作液 对工作液的要求： 要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的 稳定性 应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生 必须的毛细力 不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛 细结构 工作液的选用 热管内的工作液体随热管内部的工作温度而定 低温（﹤100℃）：乙醇、丙酮、氟利昂、液氨、液氢等，在常温条件下的工作液体 一般为水 中温（100～500℃）：热管内部工作温度高于280℃时，由于水的饱和蒸汽压力较高， 故应考虑具有低饱和蒸汽压的工作液体如联苯、萘、汞等 高温（﹥500℃）：当管内工作温度超过600℃以上时，可选用钾、钠或钾钠合金等液 态金属作为工作液体 工作液在外壳封闭前装入热管，其数量应使毛细结构足够饱和并稍有过量，若液 体不足则有可能成为热管破坏的原因之一（如蒸发段干涸）
cos e cos c Pe Pc 2 r r c e
热管两端毛细头压差ΔPcap：
Pcap
其中，冷凝段， rc=∞，液汽相间无压差；蒸发段， r 最小处，循环驱动力 最大－－最大毛细压差，
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4）热管的型式
ห้องสมุดไป่ตู้
① 吸液芯热管：冷凝的工作液体依靠毛细多孔材料（吸液芯）的毛细抽吸力返回到
加热段（蒸发段）
② 两相热虹吸管：工作液体的回流依靠其本身的重力作用
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热管的传热过程
六个传热步骤：
1）热量从热源通过壳壁和充满液体工质的吸液芯传递到液汽分界面上 2）液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发 3）蒸汽通过蒸汽腔输送到冷凝段 4）蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上冷凝
5）热量从冷凝段内的汽-液分界面通过吸液芯和壳壁传给外热汇（即冷源）
蒸发段
冷凝段
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吸液芯内的凹形液汽界面的形成属于毛细现象，根据力学
平衡原理，此时，蒸汽压力大于液体压力，液汽界面两侧存在 着压差Δp－－毛细头； 对应于毛细孔曲率半径为r的任何弯月面的相间静压差为： Δp=pg-pl=2σcosθ/r
热管的结构简图
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1 管壳
1）作用：将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接受和放出热量，并承受管内 外压力不等时所产生的压力差 2）要求：由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造，材料的选择必须首先考虑到与 所要使用的工质的相容性，即要求热管在长期运行中管壳无腐蚀，工质与管壳不发 生化学反应，不产生气体。 3）材料：以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属铌、钽或玻璃、陶瓷等。 2 管芯 管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里 形式紧贴内壁以减小接触热阻，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。 性能良好的管芯应具有： 足够大的毛细抽吸压头 较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率 良好的传热特性，即有较小的径向热阻
6）冷凝液借助吸液芯的毛细作用从冷凝段返回蒸发段重新工作。
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3.5.2 热管的结构
轴向分为三个区域：蒸发段（或称热源段、热端）、蒸发输送段（或称绝热段）、 冷凝段（或称热汇段、冷端） 径向分为三个部分：密闭的管壳、毛细结构（或称吸液芯）、蒸汽通道（或称蒸汽腔）
5) 携带极限 当热管中的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液
芯表面液体撕裂将其带入蒸汽流。这种现象减少了冷凝回流液，限制了传热能力； 6) 毛细极限 热管中工作介质的循环靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头 维持，由于毛细结构为循环提供的毛细头是有限的，这将使热管的最大传热量受到 限制，这种限制通常称作毛细极限或流体动力极限； 7) 冷凝极限 热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存 在将降低冷凝段的冷却效率； 8) 沸腾极限 如果径向热流或管壁温度变得非常高，吸液芯中工质的沸腾可能阻碍 工作液体的循环而导致沸腾极限。
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③ 旋转热管：工作液体的回流依靠离心力的分力作用
④ 重力辅助热管：同时受到毛细力和重力作用使凝液回流。当具有吸液芯的热管处于 冷凝段在加热段上方位臵时，热管就将按重力辅助热管方式运行
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3.5.3 热管的工作特性 热管为什么能工作？ 因为吸液芯的泵送作用
a. 蒸汽流动
蒸发段：蒸汽通过蒸汽腔向冷凝段移动，与多孔壁注入或吸出
的管内流动相似，层流或紊流；蒸发段沿蒸汽流向不断有蒸汽补充
加入，是一个加速过程，压力能部分转化为动能；
冷凝段：相反，即蒸汽的减速过程，使部分动能回收，使气流 整个蒸汽流动过程，动量变化所引起的压力变化是相抵的，则
方向上压力有所回升。
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3.5.4 热管的工作极限
热管的传热量会受到一定的限制。这种限制完全受流动过程的控制，达到这一极 限值时传热量无法再增加，称为“极限”。某些极限达到后，蒸汽的流速不再增加， 除非改变工作温度。而对于另一些极限，当其达到后工作流体的循环中断，热管蒸发 段局部烧干并出现过热。图2.8所示为热管的传热极限曲线。 1) 连续流动极限 对小热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管管内的蒸 汽流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态。在这种情况下，由于不能获得连续 的蒸汽流，传热能力将受到限制； 2) 冷冻启动极限 在从冷冻状态启动过程中，蒸发端来的蒸汽可能在绝热段或冷凝段 再次冷冻，这将耗尽蒸发端来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作 3）粘性极限 当蒸汽的压力由于粘性力的作用在热管冷凝段的末端降为零，如液态金
pg、pl分别为 汽、液相压力， r—毛细孔半径
σ为液汽分界面上的表面张力。 θ—液面接触角
推动力续
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蒸发段有毛细头ΔPe
2 cos e P e re
冷凝段有毛细头ΔPc
2 cos c Pc rc
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3.5.1 工作原理和传热过程
热管工作原理简图 其工作原理为 :当热管的两端分别被加热 (与热流体接触)和冷却(与冷流体接触)时， 被加热的一端 (称为蒸发段)管中的液体吸热蒸发成为蒸气，蒸气沿管中心通道流向 另一端(称为冷凝段)并在此冷凝放出热量，由于多孔管芯毛细作用，冷凝下来的液 体又会自动地沿管芯流回蒸发段。如此循环往复，通过工作介质的蒸发、冷凝，将 热量由热流体传递至冷流体。热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、操作简单、 使用寿命长等优点。
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即在cosθe=1(θe=0°)，cosθc=0(θc=90°)时，ΔPcap：有最大值为：
Pcap,max
2 re
ΔPcap：是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷 凝段的阻力降ΔPν、冷凝液体从冷凝段回流到蒸发段的压力降ΔPl和重力对 液体流动引起的压力降ΔPg（ΔPg可以是正值，负值，或零）。因此
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管芯的结构 1）紧贴管壁的单层及多层网芯，图3.66（a） 2）烧结粉末管芯，图3.66（b），它是由一定目数