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熱管的傳熱原理及其應(yīng)用特點(diǎn) |
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在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的有效的傳熱元件之一，它可將大量的熱量通過(guò)其很小截面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無(wú)需外加動(dòng)力。國(guó)際上對(duì)熱管技術(shù)的研究和應(yīng)用是在20世紀(jì)60年代開(kāi)始的。我國(guó)在這方面的研究起始于上世紀(jì)70年代,我國(guó)的熱管研究和開(kāi)發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)能和能源的合理利用，相繼開(kāi)發(fā)了熱管氣—?dú)鈸Q熱器、熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器等各類熱管產(chǎn)品。由于碳鋼—水重力熱管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、制造方便、易于推廣，使得此類熱管得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷拓寬。目前，熱管及熱管換熱器已廣泛應(yīng)用于石油、化工、動(dòng)力、冶金、建材、輕工等領(lǐng)域的高效傳熱設(shè)備，以及電子裝置芯片冷卻、筆記本電腦CPU冷卻及電路控制板等的冷卻。
目前，除微型熱管已批量化、大規(guī)模生產(chǎn)外，工業(yè)中余熱回收用的熱管換熱器由于各種設(shè)備規(guī)模、大小、使用情況的不同，幾乎每臺(tái)設(shè)備都根據(jù)設(shè)備的工藝條件、現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)、制造。
一、熱管工作原理
熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過(guò)在全封閉真空管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。由熱管組成的熱管換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小、有利于控制露歉蝕等優(yōu)點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機(jī)械等行業(yè)中，作為廢熱回收和工藝過(guò)程中熱能利用的節(jié)能設(shè)備，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
典型的重力熱管，在密閉的管內(nèi)先抽成真空，在此狀態(tài)下充入適量工質(zhì)，在熱塹南露思尤齲工質(zhì)吸收熱量汽化為蒸汽，在微小的壓差下,上升到熱管上端，并向外界放出熱量，凝結(jié)為液體。冷凝液在重力的作用下，沿?zé)峁軆?nèi)壁返回到受熱段，并再次受熱汽化，如此循環(huán)往復(fù)，連續(xù)不斷的將熱量由一端傳向另一端。由于是相變傳熱，因此熱管內(nèi)熱阻很小，
熱管的傳熱原理及其應(yīng)用特點(diǎn)
熱管的高導(dǎo)熱能力與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量，所以能以較小的溫差獲得較大的傳熱率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有單向?qū)岬奶攸c(diǎn)，特別是由于熱管的特有機(jī)理，使冷熱流體間的熱交換均在管外進(jìn)行，這就可以方便地進(jìn)行強(qiáng)化傳熱。此外，由于熱管內(nèi)部一般抽成真空，工質(zhì)極易沸騰與蒸發(fā)，熱管啟動(dòng)非常迅速。
熱這種傳熱元件，可以單根使用，也可以組合使用，根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)的條件，配以相應(yīng)的流通結(jié)構(gòu)組合成各種形式換熱器，熱管換熱器具有傳熱效率高、阻力損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠和維護(hù)費(fèi)用少等多種優(yōu)點(diǎn)，它在空間技術(shù)、電子、冶金、動(dòng)力、石油、化工等各種行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用.
二、熱管換熱器的類型與基本結(jié)構(gòu)
熱管換熱器屬于熱流體與冷流體互不接觸的表面式換熱器。熱管換熱器顯著的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器。換熱流體通過(guò)換熱器的壓力損失比其他換熱器小，因而動(dòng)力消耗也小。由于冷、熱流體是通過(guò)熱管換熱器不同部位換熱的，而熱管元件相互又是獨(dú)立的，因此即使有某根熱管失效、穿孔也不會(huì)對(duì)冷、熱流體間的隔離與換熱有多少影響。此外，熱管換熱器可以方便地調(diào)整冷熱側(cè)換熱面積比，從而可有效地避免腐性氣體的露點(diǎn)腐蝕。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來(lái)越受到人們的重視，其用途亦日趨廣泛。
按照熱流體和冷流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為氣—?dú)馐健?汽式、氣—液式、液—液式、液—?dú)馐健臒峁軗Q熱器結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，熱管換熱器又分為整體式、分離式和組合式：
1、整體式熱管換熱器
該換熱器是由許多單根熱管組成。熱管數(shù)量的多少取決于換熱量的大小。為了提高氣體的換熱系數(shù)，往往采取在管外加翅片的方法，這樣可使所需要的熱管數(shù)目大大減少。整體式熱管換熱器主要分為氣—?dú)馐健狻健狻菏健?
（1）、熱管式氣—?dú)鈸Q熱器主要由殼體、熱管元件及冷、熱流體進(jìn)出接口組成。殼體是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)件，一側(cè)為熱流體通道，另一側(cè)為冷流體通道，中間由管板分隔。殼體的上、下孔板與蓋板間以及設(shè)備的兩側(cè)均設(shè)有保溫層。上、下蓋板是可拆卸結(jié)構(gòu)，便于檢修和更換熱管。
（2）I管式氣—汽換熱器（熱管蒸汽發(fā)生器）系統(tǒng)
該系統(tǒng)由兩部分組成：熱管蒸汽發(fā)生器，汽水分離裝置（汽包）。其中熱管蒸汽發(fā)生器是一種新型的蒸汽發(fā)生裝置，它以具有良好導(dǎo)熱性能的熱管作為傳熱元件。熱管受熱段采用高頻焊接翅片來(lái)強(qiáng)化傳熱，因而整套I置傳熱效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，熱流體流動(dòng)阻力小，并且由于熱管的存在使得水的受熱及汽化均在煙道之外完成，而且汽水分離也在汽包中完成，這就不同于一般的煙道式余熱鍋爐。同時(shí)水套管與汽包之間用導(dǎo)管連接，管道可以任意調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，現(xiàn)場(chǎng)布置靈活，全套設(shè)備無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，運(yùn)行可I，操作維修方便。
（1）工作原理
分離式熱管也是利用工質(zhì)的汽化-凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，只是將受熱部分與放熱部分分離開(kāi)來(lái)，用蒸汽上升管與冷凝液下降管相聯(lián)接，可應(yīng)用于冷、熱流體相距較遠(yuǎn)或冷、熱流體絕對(duì)不允許混合的場(chǎng)合。
（2）設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)
由通過(guò)熱流體的換熱器、冷流體的換熱器及蒸汽上升管、冷凝液下降管組合而成。換熱器主要由殼體和管束組成。殼體是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)件，它分別是熱流體和冷流體的流通通道，殼體的上頂下底、兩側(cè)均設(shè)有內(nèi)保溫層。為了便于檢修和觀察積灰情況，及時(shí)清除積灰，接口處設(shè)人孔，設(shè)備頂蓋也可打開(kāi)，用于檢修和更換管束。每臺(tái)殼體內(nèi)均裝有若干片彼此獨(dú)立的管束。受熱段和放熱段相對(duì)應(yīng)的各片管束通過(guò)蒸汽上升管和冷凝液下降管連接，構(gòu)成各自獨(dú)立的封閉系統(tǒng)。 | |
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