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熱管的傳熱原理及其應用特點 |
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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其很小截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。國際上對熱管技術的研究和應用是在20世紀60年代開始的。我國在這方面的研究起始于上世紀70年代,我國的熱管研究和開發重點轉向節能和能源的合理利用，相繼開發了熱管氣—氣換熱器、熱管余熱鍋爐、高溫熱管蒸汽發生器等各類熱管產品。由于碳鋼—水重力熱管的結構簡單、價格低廉、制造方便、易于推廣，使得此類熱管得到了廣泛的應用。
隨著科學技術的不斷提高，熱管研究和應用的領域也在不斷拓寬。目前，熱管及熱管換熱器已廣泛應用于石油、化工、動力、冶金、建材、輕工等領域的高效傳熱設備，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、大規模生產外，工業中余熱回收用的熱管換熱器由于各種設備規模、大小、使用情況的不同，幾乎每臺設備都根據設備的工藝條件、現場情況設計、制造。
一、熱管工作原理
熱管是一種具有高導熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管殼內工質的蒸發與凝結來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優點。由熱管組成的熱管換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小、有利于控制露歉蝕等優點。目前已廣泛應用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機械等行業中，作為廢熱回收和工藝過程中熱能利用的節能設備，取得了顯著的經濟效益。
典型的重力熱管，在密閉的管內先抽成真空，在此狀態下充入適量工質，在熱塹南露思尤齲工質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，凝結為液體。冷凝液在重力的作用下，沿熱管內壁返回到受熱段，并再次受熱汽化，如此循環往復，連續不斷的將熱量由一端傳向另一端。由于是相變傳熱，因此熱管內熱阻很小，
熱管的傳熱原理及其應用特點
熱管的高導熱能力與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數量級的熱量，所以能以較小的溫差獲得較大的傳熱率，且結構簡單，具有單向導熱的特點，特別是由于熱管的特有機理，使冷熱流體間的熱交換均在管外進行，這就可以方便地進行強化傳熱。此外，由于熱管內部一般抽成真空，工質極易沸騰與蒸發，熱管啟動非常迅速。
熱這種傳熱元件，可以單根使用，也可以組合使用，根據用戶現場的條件，配以相應的流通結構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、結構緊湊、工作可靠和維護費用少等多種優點，它在空間技術、電子、冶金、動力、石油、化工等各種行業都得到了廣泛的應用.
二、熱管換熱器的類型與基本結構
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是：結構簡單，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。換熱流體通過換熱器的壓力損失比其他換熱器小，因而動力消耗也小。由于冷、熱流體是通過熱管換熱器不同部位換熱的，而熱管元件相互又是獨立的，因此即使有某根熱管失效、穿孔也不會對冷、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整冷熱側換熱面積比，從而可有效地避免腐性氣體的露點腐蝕。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人們的重視，其用途亦日趨廣泛。
按照熱流體和冷流體的狀態，熱管換熱器可分為氣—氣式、氣-汽式、氣—液式、液—液式、液—氣式。從熱管換熱器結構形式來看，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。熱管數量的多少取決于換熱量的大小。為了提高氣體的換熱系數，往往采取在管外加翅片的方法，這樣可使所需要的熱管數目大大減少。整體式熱管換熱器主要分為氣—氣式、氣—汽式、氣—液式。
（1）、熱管式氣—氣換熱器主要由殼體、熱管元件及冷、熱流體進出接口組成。殼體是一個鋼結構件，一側為熱流體通道，另一側為冷流體通道，中間由管板分隔。殼體的上、下孔板與蓋板間以及設備的兩側均設有保溫層。上、下蓋板是可拆卸結構，便于檢修和更換熱管。
（2）I管式氣—汽換熱器（熱管蒸汽發生器）系統
該系統由兩部分組成：熱管蒸汽發生器，汽水分離裝置（汽包）。其中熱管蒸汽發生器是一種新型的蒸汽發生裝置，它以具有良好導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強化傳熱，因而整套I置傳熱效率高，設備結構緊湊，熱流體流動阻力小，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。同時水套管與汽包之間用導管連接，管道可以任意調節長度，現場布置靈活，全套設備無轉動部件，運行可I，操作維修方便。
（1）工作原理
分離式熱管也是利用工質的汽化-凝結來傳遞熱量，只是將受熱部分與放熱部分分離開來，用蒸汽上升管與冷凝液下降管相聯接，可應用于冷、熱流體相距較遠或冷、熱流體絕對不允許混合的場合。
（2）設備的基本結構
由通過熱流體的換熱器、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。殼體是一個鋼結構件，它分別是熱流體和冷流體的流通通道，殼體的上頂下底、兩側均設有內保溫層。為了便于檢修和觀察積灰情況，及時清除積灰，接口處設人孔，設備頂蓋也可打開，用于檢修和更換管束。每臺殼體內均裝有若干片彼此獨立的管束。受熱段和放熱段相對應的各片管束通過蒸汽上升管和冷凝液下降管連接，構成各自獨立的封閉系統。 | |
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