第3章_高效間壁式熱交換器【《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》課件】

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何謂 緊湊型熱交換器？(compact heat exchanger) 應(yīng)用在一些關(guān)鍵或特殊部位、場(chǎng)合。 衡量緊湊程度的指標(biāo)是：m2/m3達(dá)到 700 m2/m3 稱為緊湊式換熱器。,3 高效間壁式熱交換器,由螺旋形傳熱板、隔板、頭蓋、連接管等基本部件組成。有可拆式和不可拆式兩大類。,3.1 螺旋板式熱交換器,3.1.1 基本構(gòu)造和工作原理,(a) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 (b) 實(shí)物圖圖3.1 螺旋板式熱交換器 (可拆式),定距柱,螺旋板,回轉(zhuǎn)支座,頭蓋,墊片,切向接管,圖3.2 螺旋板式熱交換器的三種型式,Ⅰ型 Ⅱ型 Ⅲ型圖3.3 流道的密封,表3.1 螺旋板式熱交換器的主要設(shè)計(jì)參數(shù),國(guó)標(biāo)GB/T28712.5—2012, 螺旋板式換熱器的型號(hào) 表示法與原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4751—2003相同,特點(diǎn) 1. 傳熱效率高，比管式高0.5~1倍。 緊湊性達(dá)到：100m2/m3 2. 逆流傳熱， 兩端溫差小。 3. 不易結(jié)垢，“自潔”作用，容易清洗。 5 成本低。 缺點(diǎn)：密封比較困難。,3.1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算,1) 換熱系數(shù)α 的計(jì)算 (1) 湍流時(shí)(Re6000) α=0.023 λ /de Re0.8Prm(1+3.54de /Dm)，W/(m2·℃) (3.1) (2) 層流時(shí)(Re1000) Nu=Pr0.25(μ/μw)0.17[0.0315Re0.8-6.65*10-7(lt /b)1.3](λ/de) (3.4) 當(dāng)Re30000時(shí)，式中(lt /b)的影響可忽略。 (4) 蒸汽冷凝時(shí)W/(m2·℃) (3.5),圖3.4 凝結(jié)換熱系數(shù)計(jì)算曲線,(5) 蒸汽冷凝冷卻時(shí)(3.6) (6) 沸騰傳熱時(shí) 核態(tài)沸騰時(shí)，沸騰換熱系數(shù)用下式計(jì)算,2) 傳熱系數(shù) K 的計(jì)算,(3.7),(3.8),3) 流體壓降的計(jì)算 螺旋板換熱器的總阻力可分為三部分：彎曲通道 的阻力，定距柱的影響及進(jìn)出口的局部阻力。(3.9) 對(duì)蒸汽，軸向流動(dòng)冷凝時(shí)，可用下式計(jì)算壓降：(3.10) 蒸汽螺旋向流動(dòng)冷凝時(shí)，壓降的計(jì)算式為(3. 11),圖3.5 不等通道螺旋體,4) 換熱面積及螺旋通道幾何尺寸的計(jì)算 (1) 螺旋體的繪制 (2) 螺旋板長(zhǎng)度計(jì)算 (3) 螺旋體的有效圈數(shù)ne (4) 螺旋體的最大外徑D,螺旋板式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算[例3.1],3.2 板式熱交換器,3.2.1 構(gòu)造和工作原理,傳熱板片是關(guān)鍵部件： ★使流體低速下發(fā)生強(qiáng)烈湍流，強(qiáng)化傳熱； ★提高板片剛度，能耐較高壓力。,圖3.8 我國(guó)板式熱交換器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的板片波紋形式,流體的單邊流和對(duì)角流,圖3.11 密封墊片,傳熱板片材料及適用介質(zhì),其他類型板式熱交換器的結(jié)構(gòu),圖3.12 板式蒸發(fā)器,圖3.13 板式冷凝器板片,圖3.14 流體在板間通道中三維流動(dòng),圖3.15 板式熱交換器中的三種流體換熱,密封材料及適用介質(zhì),目前世界上板式熱交換器所達(dá)到的主要 技術(shù)指標(biāo)如下 (可拆式)： 最大板片面積：4.67～0.475m2， 最大角孔尺寸：450 mm以上， 最大處理量： 5000 m3/h， 最高工作壓力： 2.8 MPa， 最高工作溫度： 橡膠墊片—150 ℃，壓縮石棉墊片—260 ℃，壓縮石棉橡膠墊片—360 ℃， 最佳傳熱系數(shù)： 7000 W/(m2·℃) (水水，無(wú)垢阻)， 緊湊性： 250～1000 m2/m3， 金屬消耗量： 16 kg/m2。,板式熱交換器的型號(hào)表示法 單板公稱換熱面積是指經(jīng)圓整后的單板計(jì)算換熱面積按國(guó)標(biāo) GB 16409—1996，板式熱交換器的型號(hào)按如下格式表示：,板式換熱器板片主要技術(shù)參數(shù),板式換熱器整機(jī)主要技術(shù)參數(shù),1、高效換熱 板片的波紋結(jié)構(gòu)，使流體在板間流動(dòng)時(shí)不斷改變流向和速度，形成劇烈湍流，在低流速下可獲得高的傳熱系數(shù)。 相同工況傳熱系數(shù)比管殼式高6~7倍。 2、結(jié)構(gòu)緊湊板片表面的波紋增加了有效換熱面積，緊湊性達(dá)到：300m2/m3，約為管殼式的2~5倍；體積為管殼式的1/5 ~ 1/10；重量是管殼式的1/5左右。 3、清洗、檢修方便板面光潔，湍流沖擊力強(qiáng)，結(jié)垢傾向小，一旦結(jié)垢，用化學(xué)或手工清洗也很方便。 4、操作靈活可增/減板片數(shù)或改變流程組合適應(yīng)新的換熱要求。 5、通用性與防腐從通常的水到有一定粘度的液體以及含小顆粒的懸浮液都可處理；鈦材可用于防腐。,4×1 4×1,1×4 1×4,1×4 2×2,流程×通道(甲)流程×通道(乙),（a）串聯(lián),（b）并聯(lián),（c）混聯(lián),3.2.2 流程組合及傳熱、壓降計(jì)算,圖3.17 板式熱交換器的1×4流程組合示意圖2×2,1×7 .1×3+1×4,傳熱計(jì)算 板式熱交換器的傳熱面積是扣除不參與 部分 (板片的角孔及密封墊片等) 后板片 的展開面積，即有效傳熱面積。 平均溫差 Δtm 按純逆流情況下對(duì)數(shù)平均 溫差 Δtlm, c，再乘以修正系數(shù) Ψ：Δtm = Ψ Δtlm, c 傳熱系數(shù) K 的計(jì)算：,圖3.18 板式熱交換器的溫差修正系數(shù) (LMTD法),圖3.19 溫差修正系數(shù) (NTU法),表3.2 板式熱交換器中的污垢熱阻值 m2·℃/W,對(duì)流換熱系數(shù) 一、無(wú)相變情況下，一般板片兩側(cè)為傳熱相似(3.19)流體被加熱時(shí)：m=0.4流體被冷卻時(shí)：m=0.3C、n隨板片、流體和流動(dòng)類型不同而不同：C=0.15~0.4; n=0.65~0.85; m=0.3~0.45;Z=0.05~0.2 (黏度修正項(xiàng)的指數(shù))。,二、有相變時(shí)，相變換熱系數(shù)計(jì)算很復(fù)雜 凝結(jié)換熱：重力控制區(qū)(凝液膜雷諾數(shù)Relf 臨界雷諾數(shù))：(3.23) 沸騰換熱 (3.24)式中 αl 可按式 (3.19) 計(jì)算。,壓力損失計(jì)算 國(guó)產(chǎn)板式熱交換器用于無(wú)相變換熱時(shí)的壓力 降計(jì)算通常以歐拉數(shù)Eu與雷諾數(shù)Re之間準(zhǔn)則 關(guān)系式給出：Eu=b Red (3.27) 式中系數(shù)b和指數(shù)d 隨板式換熱器具體結(jié)構(gòu)而定。 由Eu=Δp/ρw2，可求多程時(shí)壓降為：Δp=mEuρw2=mbRedρw2 (3.28) m為流程數(shù)；w為工質(zhì)在流道中的流速，m/s。,當(dāng)量直徑de 附錄B,Ne=F/Fp Nt=Ne+2 ←計(jì)算值 Nt=m1 n1+m2 n2+1←實(shí)際值,3.2.3 板式熱交換器的熱力計(jì)算程序設(shè)計(jì),板式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算[例3.2],3.3 板殼式熱交換器,結(jié)構(gòu)：板殼式熱交換器由板管束和殼體兩部分組成。將全焊式板管束組裝在壓力容器 (殼體) 內(nèi)，是介于管殼式和板式熱交換器之間的一種換熱器。 性能：既具有板式熱交換器傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊及重量輕的優(yōu)點(diǎn)，又具有管殼式熱交換器耐高溫高壓、密封性能好及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了耐溫、抗壓與結(jié)構(gòu)緊湊、高效傳熱之間的矛盾。 特點(diǎn)：傳熱系數(shù)達(dá)到管殼式的2～3倍；流阻較小，一般壓降不超過(guò)0.5bar；同樣換熱條件下結(jié)構(gòu)緊湊，體積僅為管殼式的30%左右。,圖3.24 板 殼 式 熱 交 換 器 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 圖,b) 板管結(jié)構(gòu),c) 板管束端面,a) 整體結(jié)構(gòu),表3.3 換熱器參數(shù)對(duì)比,圖3.26 大型焊接板殼式熱交換器,圖3.27 板片及其流道,a) 板片組,b) 反應(yīng)產(chǎn)物流道板,c) 混合進(jìn)料流道板,3.3.2 幾種典型的板殼式熱交換器 1）Packinox公司板殼式換熱器,圖3.28 LBQ大型板殼式熱交換器結(jié)構(gòu),2） 國(guó) 產(chǎn)LBQ 大 型 板 殼 式 熱 交 換 器,圖3.29 徑向流動(dòng)板殼式熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,3）徑向流動(dòng)板殼式熱交換器,b) 波紋板片 1—中間焊縫平面；2—波紋；3—四周縫焊邊； 4—孔縫焊邊；5—導(dǎo)通孔) 圖3.30 新型板殼式熱交換器,a) 基本結(jié)構(gòu) 1—板外流道進(jìn)出口；2—板內(nèi)流道進(jìn)出口； 3—板外流道；4—板內(nèi)流道；5—?dú)んw；6—導(dǎo)通孔,4） 新 型 板 殼 式 熱交換 器,板殼式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算[例3.3],3.4 板翅式熱交換器 3.4.1 構(gòu)造和工作原理,板翅式熱交換器的結(jié)構(gòu)與流動(dòng)形式,翅片,隔板,封條,由隔板、翅片和封條組成單元體。多個(gè)單元體根據(jù)流動(dòng) 方式的布置疊置起來(lái)，釬焊成一體組成板翅式熱交換器 的板束或芯體。 翅片又稱二次表面，翅片傳熱面積約為總傳熱面積的67~88%；有翅片比沒(méi)有翅片體積減少18%。 緊湊度一般為1500~2500m2/m3，最高可達(dá)4370m2/m3。,圖3.32 不同流型的板束通道,1平板；2翅片；3封條；4分配段；5導(dǎo)流片；6封頭；7板束；8封頭；9封頭 圖3.33 板翅式熱交換器,發(fā)動(dòng)機(jī)用板翅式熱交換器,航空用板翅式熱交換器,類似圓管，擴(kuò)大傳熱面積,形成湍流，破壞邊界層 K 比平直形高30%,開孔率5~10%，K 比平直形高,促進(jìn)湍流， 波幅愈大，K 越高,圖3.44 板翅基本單元結(jié)構(gòu)尺寸圖 H─翅片高；δ─翅片厚；s─翅片間距 (x+δ)；Le ─單元有效長(zhǎng)； B─單元有效寬；x─內(nèi)距 (s–δ)；y─內(nèi)高 (H–δ)； 一次傳熱面：F1=F·x /(x+y) ; 二次傳熱面：F2=F·y /(x+y)總傳熱面：F=2(x+y) ·B·Le·n/s,當(dāng)量直徑：de=4A/U=2xy/(x+y) 單元通道流通面積：Ai =xy·B/s n層板束通道流通面積：A=nAi =nxy·B/s,3.4.2 板翅式熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算,圖3.45 翅片及其表面溫度分布示意圖,通過(guò)隔板表面的傳熱 Q1Q1 = α F1 ( tw - tf ) 沿翅片的傳熱 Q2Q2 = α F2 ( tm - tf )由： tw tm Q2 = αF2 ηf (tw –tf ),,隔板表面溫度,,翅片表面平均溫度,翅片效率,,一次傳熱面積 隔板表面面積,,二次傳熱面積 翅片表面面積,Q1 = αF1 (tw – tf ) Q2 = αF2 ηf (tw – tf ) Q = Q1 +Q2 = αF1 (tw – tf ) + αF2 ηf (tw – tf )= α (F1 +F2 ηf )(tw – tf ) = αF η0 (tw – tf ) η0 —翅片壁面總效率：把二次傳熱面和一次傳熱面同等看待，認(rèn)為都處于一次傳熱面的傳熱溫差 (tw –tf )下時(shí)，對(duì)總傳熱面所應(yīng)打的折扣。 F η0 = F1 +F2 ηf = Fe → 有效傳熱面積 η0 = (F1 +F2 ηf )/F =1–F2 /F (1–ηf ) η0 = 1– y/(x+y)(1–ηf ),←F2=F·y /(x+y),圖3.49 翅片壁面總效率和翅片幾何參數(shù)及換熱系數(shù)的關(guān)系,翅片壁面總效率 η0 大于翅片效率 ηf。 ηf 越高， η0也越大。,當(dāng)流體A的一個(gè)通道與流體B的兩個(gè)通道間隔排列，即ABBABBABB…排列時(shí)，翅片表面總效率的計(jì)算式與冷、熱流體通道一一間隔時(shí)就有所不同。 當(dāng)忽略 MmH sinh(mH) 和 MmH[cosh(mH)–1]，且H=b時(shí)，以上三式成為：η1′=1/cosh(mb) (3.62)η1 = ?(1+1/cosh(mb)) (3.63)η2 = tanh(mb)/(mb) (3.64),傳熱量和傳熱系數(shù)計(jì)算Qc = αc Fc ηoc (tw – tfc) (3.65)Qh = αh Fh ηoh (tfh – tw) (3.66) 穩(wěn)定傳熱情況下，Qc=Qh=Q，并忽略翅片及隔板熱阻，將式 (3.65) 與式 (3.66) 相加可得(3.67) 流體溫度通常是沿流程變化的，可以將式(3.67)中兩流體溫差取為對(duì)數(shù)平均溫差Δtlm，得Q = Kc Fc Δtlm (3.68),或 Q = Kh Fh Δtlm (3.69)式中Kc、Kh —分別為以冷、熱通道總傳熱面積為基準(zhǔn)時(shí)的傳熱系數(shù)。(3.70)(3.71),4) 換熱系數(shù)的計(jì)算 (1) 無(wú)相變時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)(3.73) (2) 有相變時(shí)的換熱系數(shù) ① 冷凝換熱 當(dāng)液膜為層流時(shí)，凝結(jié)換熱系數(shù)為(3.81) 當(dāng)液膜為紊流時(shí)(3.82) ② 沸騰換熱(3.83),圖3.51 板翅式熱交換器芯子中的進(jìn)口壓降和出口壓升,5) 壓力損失計(jì)算 板翅式熱交換器壓降分成入口端、 出口端和中心部分三個(gè)部分。 (1) 熱交換器芯子入口的阻力(3.84) (2) 熱交換器芯子出口的阻力(3.85) (3) 熱交換器芯子中阻力(3.86) 總的壓力降Δp即為三者之和：Δp=Δp1 – Δp2 + Δp3 (3.87),3.4.3 板翅式熱交換器單元尺寸的決定和設(shè)計(jì)步驟[例3.4],3.5.1 構(gòu)造和工作原理 換熱管為帶翅片的翅片管。 翅片材料可采用碳鋼、不銹鋼、鋁或銅材等。 翅片管特別適用于換熱系數(shù)較低的流體。常常用這種換熱器來(lái)加熱或冷卻低壓空氣。 結(jié)構(gòu)不很緊湊，金屬消耗量大，制造成本較高。,3.5 翅片管式熱交換器,空調(diào)器中的翅片管組,圖3.55 空氣冷卻器的基本結(jié)構(gòu),臥式空冷器,c) 波紋,a) 開槽,b) 輪輻,圖3.58 幾種紊流式翅片管,a) 縱翅 b) 橫翅 圖3.57 管外表面的縱翅和橫翅管,3.5.2 翅片管的類型和選擇,圖3.59 幾種機(jī)械連接的翅片管,翅片管的截面,縱向翅片管,橫向翅片管,螺旋槽紋管,縮放管,表3.5 常用的5種翅片管的性能評(píng)定,注：1 — 最佳；5 — 最差,圖3.60 翅片管的傳熱性能比較,圖3.61 翅片高度的選擇,翅片管幾何尺寸 1. 基管外徑和管壁厚； 2. 翅片高度和翅片厚度； 3. 翅片距； 4. 翅化比：翅化表面積/光管外表面 (單位長(zhǎng))高翅片23.4；低翅片17.1 5. 管長(zhǎng)：3、4.5、6、9 m。,表3.6 三種翅化比的傳熱系數(shù)參考值,表3.7 國(guó)產(chǎn)空冷器翅片管的特性參數(shù),圖3.62 翅片管排列型式及其管距,Fb′ —翅片根部無(wú)翅片部分表面積 Ff′ —翅片管上翅片的表面積 Ff —翅片管總外表面積， Ff =Fb′ +Ff′ Fo —翅片光管外表面積 β —翅化比，β=(Fb′ +Ff′)/Fo = Ff /Fo ηf —翅片效率 η —翅片壁面總效率：η =(Fb′ + ηf Ff′)/Ff,Q = Ko Fo Δtm = Kf Ff Δtm Ff 、Fo —翅片管外表面積、翅片光管外表面積 1. 單層翅片管時(shí)以光管外表面積 Fo 為基準(zhǔn)時(shí),以翅片管外表面積 Ff 為基準(zhǔn)時(shí),2. 復(fù)合翅片管時(shí)以光管外表面積 Fo 為基準(zhǔn)時(shí),以翅片管外表面積 Ff 為基準(zhǔn)時(shí),3.5.3 翅片管熱交換器的傳熱計(jì)算,表3.8 國(guó)產(chǎn)繞片式翅片管接觸(間隙)熱阻 (以基管外表面積為基準(zhǔn)),對(duì)于已定型的翅片管式熱交換器，可用 簡(jiǎn)單的關(guān)系式來(lái)計(jì)算其傳熱系數(shù)： 以熱水為熱媒的空氣加熱器Kf =c(vρ)m wn (3.93) 以蒸汽為熱媒的空氣加熱器Kf =c(vρ)m (3.94) 式中系數(shù)c及指數(shù)m，n均由實(shí)驗(yàn)確定。w—管內(nèi)水流速，m/s；vρ—通過(guò)熱交換器管窄截面上質(zhì)量流速，kg/(m2·s),3. 濕工況 伴有結(jié)露的空氣被冷卻過(guò)程，即減濕冷卻的運(yùn)行工況稱為濕工況。 ξ 為析濕系數(shù)，考慮伴有濕空氣中水蒸氣的凝結(jié)而使傳熱增強(qiáng)的因素。(3.95) 對(duì)一些定型的表冷器產(chǎn)品，常由實(shí)驗(yàn)確定傳熱系數(shù)的計(jì)算式：(3.96),換熱系數(shù)和壓力損失的計(jì)算 1) 空氣橫向流過(guò)圓管外環(huán)形翅片管束 對(duì)于低翅片管束，df /db=1.2~1.6，db=13.5~16 mm對(duì)于高翅片管束，df /db=1.7~2.4，db=12~41mm式中：df、db—分別為翅片外徑和翅根直徑，m；Y、H、δf—分別為翅片的間距、高度和厚度，m；cp、μ、λ—按流體平均溫度取值；Gmax—最小流通截面處質(zhì)量流速，kg/(m2·h) 將高低翅片管參數(shù)代入，并以光管外表面積為基準(zhǔn)，得簡(jiǎn)化式：低翅片管: αo = 412 vNF0.718 Φ高翅片管: αo = 454 vNF0.718 Φ 式中：αo—以基管外表面積為基準(zhǔn)的空氣側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；vNF—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下迎風(fēng)面風(fēng)速，m/s；Φ—校正系數(shù)，鼓風(fēng)式時(shí)，Φ=1.0，引風(fēng)式時(shí)，Φ值見表3.9,表3.9 Φ 值,計(jì)算空氣壓降Δp = 0.66 n vNF1.725/ρ2.725， N/m2 (3.101),2) 空氣橫向流過(guò)圓管外橫向矩形翅片管束 翅側(cè)換熱系數(shù)可按下式計(jì)算：式中: db —翅片根部圓直徑，m； nf —每單位長(zhǎng)度上翅片數(shù)； Fb′ —單位管長(zhǎng)以翅根直徑為基準(zhǔn)無(wú)翅片部分表面積，m2/m； Ff′ —單位長(zhǎng)度上翅片的表面積，m2/m，圖上所示兩根管共有一個(gè)翅片情況，每根管取其一半； Gmax —最小流通截面處質(zhì)量速度，kg/(m2·s)。,壓降按下式計(jì)算：N/m2 式中摩擦系數(shù)：,螺紋管 螺紋增加換熱面積，還增 強(qiáng)紊流和提高換熱系數(shù)。,波紋管,內(nèi)螺紋管,波紋狀內(nèi)螺紋管,內(nèi)翅片管,翅,鋁芯,外螺紋管束 (Ff /Fi =3~4.5) 1）外螺紋管外對(duì)流換熱時(shí),de=兩翅中心線間翅片管總投影面積翅中心距表3.10 殼方管束排列校正系數(shù)Φ1,注：st —管心距，m；df —螺紋管外徑，m。,圖3.67 外螺紋管束的 js 及 fs,管外壓力損失可按下式計(jì)算：N/m2 (3.105a),2）外螺紋管外冷凝時(shí),式中：λ1、μ1、ρ1—分別為凝液導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；動(dòng)力黏度，kg/(m·s)及密度，kg/m3；Fo—光管外表面面積，m2；Γ—冷凝負(fù)荷，Γ=M /(l N)，kg/(m·s)；M—冷凝量，kg/s；L—管長(zhǎng)，m；N—傳熱管總根數(shù)；,(3.106a),3.5.4 空冷器的設(shè)計(jì)[例3.5],3.6 熱管熱交換器,三流體分離式熱管熱交換器結(jié)構(gòu),熱管一般由三部分組成：管殼（封閉的金屬管）、毛細(xì)多 孔材料（管芯）和蒸汽腔以及工作介質(zhì)（工作液）。 工作原理： 蒸發(fā)段受熱使毛細(xì)材料中的工作液蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝段， 蒸汽凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力流回蒸發(fā)段。 使熱量由熱管一端 傳至另一端。 由于汽化潛熱大， 極小溫差下就能 傳遞大量熱量。 傳熱狀況： 蒸發(fā)段；絕熱段； 冷凝段。,圖3.76 熱管工作原理簡(jiǎn)圖 1 管殼；2 管芯；3 蒸汽腔；4 液體,3.6.1 熱管的組成與工作特性,熱管的管殼是受壓部件，要求由高導(dǎo)熱率、耐壓、耐熱應(yīng)力的材料制造。管殼無(wú)腐蝕，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生氣體。管芯是一種毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內(nèi)壁，襯里也可由多孔陶瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成。工作液要有較高的汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點(diǎn)，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。應(yīng)有較大的表面張力和潤(rùn)濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)能對(duì)工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細(xì)力。,熱管工作過(guò)程 當(dāng)熱管一端受熱，工作液蒸發(fā)，蒸汽在微小壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量從一端傳到另一端！,依毛細(xì)抽吸力返回到加熱段(蒸發(fā)段)，常稱為吸液芯熱管,圖3.78 兩相閉式熱虹吸管 圖3.79 旋轉(zhuǎn)熱管,圖3.80 徑向熱管工作原理簡(jiǎn)圖,各種類型熱管換熱器對(duì)比,a) 熱管啟動(dòng)前的液汽交界面,b) 熱管工作時(shí)的液汽交界面,c) 吸液芯內(nèi)液汽界面參數(shù),圖3.81 熱管內(nèi)質(zhì)量流、壓力和溫度分布,圖3.82 熱管液汽分界面的形狀,熱管工作特性 對(duì)普通熱管，液體和蒸汽循環(huán)的主要?jiǎng)恿κ敲?xì)材料和液體結(jié)合所產(chǎn)生的毛細(xì)力。毛細(xì)力需要克服液體的流動(dòng)壓降和蒸汽的壓降，而液體的體積力在壓力平衡中或?yàn)榱?，或?yàn)橥苿?dòng)力，或?yàn)樽枇Α?Δp = 2σ1 /R (3.112)Δp = pv – p1 = 2σ1 cosθ /r (3.113) 設(shè)加熱段和冷卻段的毛細(xì)頭分別為 Δp′e 和 Δp′c，則熱管兩端毛細(xì)壓差為 Δpc=Δp′e –Δp′c =Δpv +Δpl =2σ1(cosθe /r–cosθc /r) (3.114) 當(dāng)cosθe=1、cosθc=0，即加熱段(蒸發(fā)段)處于半球狀凹面、冷卻段(冷凝段)處于平面時(shí)，毛細(xì)壓差達(dá)最大值：Δpc, max = 2σ1 /r (3.115) 熱管不處于水平時(shí)，還應(yīng)考慮重力對(duì)液體流動(dòng)的影響。設(shè)由此引起的壓力損失相應(yīng)為Δpv、Δp1和Δpg，則Δpc ≥ Δpv +Δp1 +Δpg (3.116),★熱管的傳熱能力會(huì)受到一種或幾種因素的限制，如毛細(xì)力、聲速、粘性、攜帶、沸騰等，因而構(gòu)成熱管的傳熱極限 （或稱工作極限）。 ★這些傳熱極限與熱管尺寸、形狀、工作介質(zhì)、吸液芯結(jié)構(gòu)、工作溫度等有關(guān)，限制熱管傳熱量的級(jí)限類型是由該熱管在某種溫度下各傳熱極限的最小值所決定的。這些極限主要有：,熱管的傳熱極限,黏性極限 在蒸汽溫度低時(shí)，工作流體的蒸汽在熱管內(nèi)的流動(dòng)更受黏性力支配，當(dāng)因黏滯阻力的作用使推動(dòng)蒸汽流動(dòng)的蒸汽壓力下降至零時(shí)，熱管的傳熱能力達(dá)到了極限，稱之為黏性極限。 聲速極限 熱管中的蒸汽流動(dòng)類似于拉伐爾噴管中的氣體流動(dòng)。當(dāng)蒸發(fā)段溫度一定，降低冷凝段溫度可使蒸汽流速加大，傳熱量因而加大。但當(dāng)蒸發(fā)段出口汽速達(dá)到聲速時(shí)，進(jìn)一步降低冷凝段溫度也不能再使蒸發(fā)段出口處汽速超過(guò)聲速，因而傳熱量也不再增加，這時(shí)熱管的工作達(dá)到了聲速的極限。,攜帶極限 熱管中蒸汽與液體的流動(dòng)方向相反，交界面上二者相互作用，阻止對(duì)方流動(dòng)。液體表面由于受逆向蒸汽流的作用產(chǎn)生波動(dòng)，當(dāng)蒸汽速度高到能把液面上的液體剪切成細(xì)滴并帶到冷凝段時(shí)，液體被大量攜帶走，使應(yīng)當(dāng)返回蒸發(fā)段的液體不足甚至中斷，造成蒸發(fā)段干涸，使熱管停止工作，達(dá)到熱管的攜帶傳熱極限。 毛細(xì)極限 又稱吸液極限，當(dāng)汽、液循環(huán)壓降與所能提供的最大毛細(xì)壓頭達(dá)到平衡時(shí)，傳熱量達(dá)到最大值。如再加大蒸發(fā)量和冷凝量，會(huì)因毛細(xì)壓頭不足使抽回的液體量不能滿足蒸發(fā)需要量，將發(fā)生蒸發(fā)段吸液芯的干涸和過(guò)熱。導(dǎo)致殼壁溫度劇烈升高，甚至“燒毀”。,冷凝極限 指通過(guò)冷凝段汽—液交界面所能傳遞的最大熱量。熱管最大傳熱能力可能受到冷凝段冷卻能力的限制，不凝性氣體的存在降低了冷凝段的冷卻效率。 沸騰極限 當(dāng)蒸發(fā)段徑向熱流密度很大時(shí)，會(huì)使管芯內(nèi)工作液體沸騰。如熱流密度達(dá)到臨界值，由于所發(fā)生的大量汽泡堵塞毛孔，減弱或破壞了毛細(xì)抽吸作用，致使凝結(jié)液回流量不能滿足蒸發(fā)要求。,連續(xù)流動(dòng)極限 對(duì)小型熱管，如微型熱管，以及工作溫度很低的熱管，熱管內(nèi)的蒸氣流動(dòng)可能處于自由分子狀態(tài)或稀薄、真空狀態(tài)。這時(shí)，由于不能獲得連續(xù)的蒸氣流，傳熱能力將受到限制。 冷凍啟動(dòng)極限 對(duì)高溫?zé)岜茫覝叵挛盒局?，工質(zhì)通常為固態(tài)（冷凍狀態(tài)），啟動(dòng)運(yùn)行后，冷凝的蒸汽可能在冷凍的吸液芯表面凍結(jié)，不能回流至蒸發(fā)段。而另方面，因?yàn)檩S向熱傳導(dǎo)，吸液芯工質(zhì)可能液化回流至蒸發(fā)段。如總的液體回流量小于蒸發(fā)量，這會(huì)使飽和液體區(qū)的液體量減少，甚至可能使蒸發(fā)段干涸，因而達(dá)到冷凍啟動(dòng)極限。,工作溫度低時(shí)，最易出現(xiàn)粘性極限及聲速極限。 而高溫下則應(yīng)防止毛細(xì)極限及沸騰極限。對(duì)于高溫?zé)峁?，注意冷凍啟?dòng)極限；對(duì)于小型熱管和微型熱管，則注意連續(xù)流動(dòng)極限 。熱管的工作點(diǎn)必須選擇在包絡(luò)線的下方。,熱管的傳熱極限,3.6.2 熱管熱交換器的傳熱計(jì)算,典型吸液芯熱管傳熱可分解為以下傳熱環(huán)節(jié) 1. 環(huán)境熱源與熱管加熱段外壁間的換熱— R1 2. 熱管加熱段管壁的導(dǎo)熱—R2 3. 熱管蒸發(fā)段吸液芯液體組合層的傳熱—R3 4. 蒸發(fā)段液汽界面的相變換熱—R4 5. 從蒸發(fā)段到凝結(jié)段蒸汽流動(dòng)傳熱—R5 6. 凝結(jié)段汽液界面蒸汽的相變換熱—R6 7. 凝結(jié)段吸液芯液體組合層的傳熱—R7 8. 凝結(jié)段管壁的導(dǎo)熱—R8 9. 冷卻段外壁與環(huán)境冷源間的換熱—R9 10. 從加熱段至冷卻段管壁的軸向?qū)帷猂10 11. 通過(guò)吸液芯的軸向?qū)帷猂11,圖3.84 熱管熱阻線路圖,3.6.3 熱管熱交換器的流動(dòng)阻力計(jì)算 指熱管外流體流過(guò)熱管管束時(shí)的流動(dòng)阻力。 1) 流體橫掠光滑管束Δp = 0.334 Cf n Gmax2 /(2ρ)， N/m2 (3.145) 2) 流體橫掠錯(cuò)排翅片管束流體橫掠錯(cuò)排圓芯管—環(huán)形翅片管束Δp = fs n Gmax2 /(2ρ) ， N/m2 (3.146)流體橫掠錯(cuò)排圓芯管—矩形翅片管束可用本書式 (3.103)。,3.6.4 熱管熱交換器的熱管工作安全性校驗(yàn) 為保證熱管工作安全可靠，應(yīng)作以下工作安全性校驗(yàn)： 1) 熱管工作溫度核算。包括平均工作溫度tv ，可能達(dá)到的最高和最低工作溫度tv, max、tv, min。tv =tm1 Rc /Rt + tm2 Re /Rt ℃ (3.152)tv,max =t1′ – Qs, f Re ℃ (3.153a)tv,min =t1″ – Qs, l Re ℃ (3.153b) 2) 單管熱負(fù)荷計(jì)算。對(duì)吸液芯熱管，毛細(xì)極限是主要的性能限制：Qs, max Qc, max (毛細(xì)極限時(shí))熱虹吸管 (重力熱管)：Qs, maxQe, max (攜帶極限時(shí))Qs, max= Δtmax/Rt (3.154),垂直兩相閉式熱虹吸管：W (3.155) 對(duì)斜置的兩相閉式熱虹吸管：W (3.156) 3) 壁溫計(jì)算tp,min = t1″ – Qs, l R1 (3.157),3.6.5 熱管熱交換器的熱力設(shè)計(jì)[例3.6],3.7 蒸發(fā)冷卻(冷凝)器,圖3.85 蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,蒸發(fā)冷卻(冷凝)器在工作原理上是一種同時(shí)具有冷水塔(直接接觸式)和管殼式熱交換器性能的熱交換器。當(dāng)管內(nèi)被冷卻的工藝流體不發(fā)生相變時(shí)，稱它為蒸發(fā)冷卻器；當(dāng)發(fā)生相變(冷凝)時(shí)，稱為蒸發(fā)冷凝器。,3.7.1 蒸發(fā)冷卻 (冷凝) 器的結(jié)構(gòu),圖3.86 蒸發(fā)冷卻器截面上流體溫度分布,圖3.87 沿流程的溫度分布,3.7.2 蒸發(fā)冷卻(冷凝)器中的傳熱,取蒸發(fā)冷卻器的微元高度段dx來(lái)討論，管內(nèi)流體失去的熱量為：Mt ct dtt = -Ko (tt – tw)dx (3.158a) 噴淋水的溫度變化是因從管內(nèi)流體傳入的熱量與向空氣傳出的熱量之差所致：Mwcwdtw = -KM(i*– i)dx+Ko(tt–tw)dx (3.159a) 空氣得到的熱量為Ma di = -KM (i* – i)dx (3.160a) 傳熱系數(shù) (以管外表面積為基準(zhǔn))J/(m2·s·℃) (3.161),3.7.3 蒸發(fā)冷卻器傳熱面積的計(jì)算[例3.7],3.8 微型熱交換器 3.8.1 分類與基本構(gòu)造 2003年4月第一屆微通道和微小型通道國(guó)際會(huì)議限定微通道的特征尺度在10μm~3mm范圍內(nèi)。 熱能與動(dòng)力工程領(lǐng)域，通常將水力當(dāng)量直徑1mm~10 μm內(nèi)的熱交換器稱為微型熱交換器或微通道熱交換器。 微型熱交換器的通道有深槽(深度與寬度比大于1)、扁槽(深度與寬度比小于1)、圓形、三角形、梯形、雙梯形及多孔等，但以深槽和扁槽居多。,圖3.88 微型熱交換器的多種通道形狀,圖3.89 微通道熱交換器結(jié)構(gòu) 圖3.90 多程多通道微型熱交換器(板A、B疊裝),圖3.91 流體在樹枝狀通道中的流動(dòng) 圖3.92 微型多通道蒸發(fā)器,3.8.2 傳熱與阻力特性 1) 微型熱交換器研究和應(yīng)用：微型熱交換器具有很高的緊湊度(可達(dá)10000 m2/m3以上)和傳熱率(可達(dá)幾百W/cm2)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，某錯(cuò)流式微型熱交換器，通道深200 μm、寬40 μm、長(zhǎng)9000 μm的，緊湊度達(dá)15294 m2/m3，總傳熱系數(shù)為24.7 kW/(m2.K)，單位體積傳熱量為5446 MW/m3。 2) 微通道中的單相流：對(duì)于液體單相流，當(dāng)通道水力當(dāng)量直徑減小到某一值(約381 μm)時(shí)，常規(guī)的理論公式已不適用于微通道的摩阻及努塞爾數(shù)的計(jì)算，微通道換熱已具有微尺度效應(yīng)(表面效應(yīng))。對(duì)氣體單相流，當(dāng)努森數(shù)Kn 0.001時(shí)，其傳熱和壓降規(guī)律與常規(guī)通道相同。對(duì)單相流，還要考慮壁面粗糙度(對(duì)微型通道，相對(duì)粗糙度很大)、進(jìn)口段及通道壁的非均勻熱條件的影響，軸向?qū)岬取?3) 微通道中的流動(dòng)沸騰：兩相流傳熱，要比單相流復(fù)雜得多。微通道中兩相流動(dòng)的不穩(wěn)定性，使流型隨時(shí)間不斷變化。而且，由于氣泡迅速膨脹成氣塊，會(huì)推動(dòng)液體前后運(yùn)動(dòng)，并造成流體的逆向流動(dòng)。這些現(xiàn)象會(huì)引起臨界熱負(fù)載的出現(xiàn)。微通道的流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)也可用現(xiàn)有的常規(guī)通道時(shí)的沸騰換熱關(guān)聯(lián)式來(lái)預(yù)測(cè)。 4) 微通道中的凝結(jié)：微通道中的凝結(jié)換熱顯著地高于常規(guī)通道，實(shí)驗(yàn)觀察到，微通道內(nèi)凝結(jié)換熱除在常規(guī)尺度流道內(nèi)可能有的環(huán)狀流，波狀流等流型外，還有珠狀流，噴射流等流型。由于實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的困難，目前關(guān)于微通道中的凝結(jié)換熱規(guī)律尚無(wú)明確的論斷。 不論是凝結(jié)或沸騰的兩相流動(dòng)換熱，受流道尺寸、流體性質(zhì)等因素影響很大，需要進(jìn)一步深入研究。,3.8.3 制造工藝與應(yīng)用前景 微型熱交換器的材料有聚甲基丙烯酸甲酯、鎳、硅、銅、鋁、陶瓷等。制造工藝因通道尺寸范圍不同而異，選擇上還要考慮被加工材料的性質(zhì)。制造工藝可分為兩大類： ＊傳統(tǒng)微加工工藝，如，磨削和鋸削、電火花加工、超聲波和水力切割、光刻、電成形等； ＊現(xiàn)代加工工藝，如，激光加工、聚集離子束、濕化學(xué)蝕刻、干等離子蝕刻、紫外光刻、晶片鏈接等，對(duì)于毫米到幾百微米尺寸的通道，可用普通的制造工藝。在幾微米到0.1 μm以下范圍內(nèi)的通道，可用屬于半導(dǎo)體制造工藝類的濕化學(xué)蝕刻及干等離子蝕刻等。,目前應(yīng)用研究中，主要關(guān)注的是幾微米到幾百微米的微通道，它們的制造工藝可從傳統(tǒng)工藝、現(xiàn)代的半導(dǎo)體制造工藝或其他現(xiàn)代的工藝中優(yōu)選。 微型熱交換器的微通道結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從二維到三維的發(fā)展，對(duì)三維通道的加工工藝有：光刻電鍍(LIGA)，準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工，雙光子聚合(TPP)加工。不過(guò)，三維復(fù)雜微成形在技術(shù)上仍未得到很好的解決，正在積極開發(fā)新型的更有效的微加工和微成形技術(shù)。 對(duì)于微型熱交換器的整體封裝，因不同的使用溫度對(duì)材料的要求不同，故封裝工藝也有很大差別。目前，對(duì)于采用多層槽道板疊裝布置的結(jié)構(gòu)，一般用擴(kuò)散焊進(jìn)行密封。,微型熱交換器在設(shè)計(jì)、制造、裝配、密封技術(shù)和參數(shù)測(cè)量等方面還存在很多難點(diǎn)，在運(yùn)行上存在阻力大、對(duì)流體的清潔度要求高等問(wèn)題，但由于它結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，尤其在一些特殊要求的場(chǎng)合具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)它的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速。它已在微電子、航空航天、醫(yī)療、化學(xué)生物工程、材料科學(xué)、高溫超導(dǎo)體的冷卻、薄膜沉積中的熱控制、強(qiáng)激光鏡的冷卻及渦輪機(jī)葉片的冷卻等多方面得到了應(yīng)用。,