翅片管热管系列讲座文档格式.docx

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这是最重要的一个原则，是首先要满足的一个因素。

从原则

上讲，任何一种工质，都有它自己可以工作的温度范围，其下限是工质的凝固点，上限是热力学临界点。

例如，对于水，其凝固点为0℃（1个大气压下），临界点为374.15℃。

但实际上，工质工作的合适温度范围要小得多。

主要考虑是：

在热管的工作温度范围内，热管的工质要具有合适的压力。

所谓合适的压力，主要是从管壳的强度来考虑的。

压力太高，则需要更厚的管壁，在工程上不但不经济，也是不安全的。

以水为例，在250℃下，管内压力为0.4mPa，即40大气压，一般认为是水工质应用的上限。

另一方面，管内蒸汽压力太低也不好，会使管内残留的不凝气体（由于抽空、清洗等工艺不严格产生的）所占空间的比例增大，致使凝结段端部有相当一段管子不能参加工作，使热管的传热性能变坏，例如，对于水为工质的热管，当在100℃工作时，管内蒸汽压力为1bar，假定不凝气体积聚在凝结段端部的长度为2cm；

若工作温度变为35℃，则管内压力为0.05bar,这时，根据理想气体的状态方程，可知管内不凝气体所占有的长度（体积）将增大至33cm，这对热管的工作将长生严重的影响。

综上所述，以水为工质的热管适用的工作温度为50℃~250℃。

反过来说，当热管工作温度在50℃~250℃之间时，选用水作为工质是合适的。

有的文献推荐选取水热管的温度范围为30℃~230℃。

就热管换热器的应用来说，其可能的温度范围是很宽广的，大约从

-30℃~-50℃到+1000℃~1200℃，其中，可分为三个温度区间：

低温：

温度从

-30℃~100℃，如空调、干燥设备用的热管换热器；

中温：

温度从100℃~350℃，

如烟道气余热回收用的热管换热器；

高温：

温度从350℃~1200℃如各种高温窑炉、工业炉的排烟的余热回收热管换热器。

对不同温度区间的热管所适合的工质如下表所示。

工质

一个大

气压下

的沸点

（凝固点）熔点

临界点

合适的工作温度范围

对应的压力范围

低温

热管

氨

-33℃

-78℃

132.3℃

-40℃

~+60℃

0.76

~29.8bar

丙酮

57℃

-98℃

235.5℃

20℃

~120℃

0.27

~6.70bar

甲醇

64℃

240.0℃

30℃

0.25

-30℃

~100℃

~130℃

~7.86bar

中温热管100℃~350℃

水

100℃

0℃

374.2℃

50℃

~250℃

0.12

~39.8bar

萘

24℃

497.0℃

200℃

~350℃

~5.55bar

钾

774℃

62℃

550℃

0.10

~850℃

~2.34bar

高温热管

钠

892℃

98℃

600℃

~1200℃

0.04

~9.59bar

350℃

由上表可知，在同一个温度范围内，可能有几种不同的选择工质的方案，这

就要根据物性原则和安全经济性原则进行分析比较，然后决定取舍。

（待续）

第十四讲热管工质和管材的选择

（2）

主讲人哈尔滨工业大学刘纪福教授对中温热管，水是最理想的工质，除了水以外，可选择的方案很少，目前推荐的另一工质是萘，萘将水的应用温度上限又提高了100℃，可以用到350℃，而且已积累了一定的应用经验。

应当着重指出，工质的适用范围是指热管的工作温度而言的，所谓热管的工作温度就是管内的蒸汽温度Tv。

管内蒸汽温度Tv总是低于热源温度T1，高于冷源温度T2，而且总是偏向热阻较小的一侧。

由热管加热段和冷却段的热平衡式可以很容易地确定管内蒸汽温度Tv：

Q=U1A1（T1-Tv）

（1）

Q=U2A2（Tv-T2）

（2）

式中：

Q——热管总传热量

A1、A2——加热段和冷却段的传热面积

U1、U2——加热段和冷却段的局部传热系数，

由上式可以求得：

T1+nT2

Tv=——————（3）

1+n

U2A2

此处，n=—————（4）

U1A1

由式（3）可知，当U2A2=U1A1时，即两边的热阻相等时，则n=1，

1

Tv=——（T1+T2），对于气——气型热管换热器，一般接近这种情况；

若U2A2>

>

U1A1，即冷却段的热阻远远小于加热段的热阻，则Tv→T2气——液型或气——汽型热管换热器接近这种情况。

但是，在设计的初始阶段，在选择工质是，一般还不知道两侧热阻的精确数值，即n的数值是不确定的。

为了方便设计，当用式（3）来估算管内蒸汽温度时，n的数值建议由下表选取。

气—气型热管换热器

当两侧流量和管长接近时

n=1

气—液型热管换热器

当液体为水时当液体为有机流体时

n=3~4

n=2~3

气—汽型热管换热器

当相变流体为水时当相变流体为有机物时

n=4~5

【例1】在500℃的烟道气中，欲放置一台热管换热器，用以提供80℃的热水，试选择合适的热管工质。

【解】由式（3），热管的工作温度为

T1+nT2500+4×

80

Tv=——————=——————=164℃

1+n1+4

此处，取n=4

根据表1，取水为热管工质是合适的。

1．相容性因素：

相容性因素是选择工质和管壳材料的最重要因素，所谓相容性，就是工质和管材在热管的工作温度范围内不起化学变化。

此外，相容性还包括所选的管壳材料与管外的换热介质不起化学变化。

化学不相容会产生几方面的问题，一是产生不凝气体（H2、N2、O2等）积聚在冷却段的端部，使热管参加换热的部分变短，久而久之，甚至会堵塞整个冷却段，热管将不能正常工作；

其次，由于不凝气的积累，实际的冷却段变短，将使

管内温度升高，压力也会相应升高，这对热管的安全性是不利的；

再者，由于工质和管材的化学反应，工质的成份也会发生变化，其物理性能也会随之发生变化，使热性能下降。

最后，化学反应造成的另一个严重后果是使管壳变薄，使热管强度和安全性大大下降。

确定工质与管材的相容性，除了借助于电化学的知识作初步的预测之外，主要依*寿命实验。

热管的寿命实验一般是这样进行的：

将要检测的热管试样一端插到热源当中；

热源可以是工厂的烟道气或电炉或热的油浴中，而热管的另一端则暴露于吸热源当中，吸热源可以是空气的受迫流动，或空气的自然对流，也可以放在一个冷水的夹套中。

在热管的某一工作温度下，定期地检测热管的轴向温度分布，由温度分布曲线来监视管内不凝气体的产生，因为不凝气的积聚会造成冷却段端部温度的明显下降，如图所示。

也可用抽气的办法来检验不凝气的组成，或在最后剖开试件进行肉眼检查并进行工质的化验。

不凝气的影响

目前，工质和管材的相容性实验已经做了很多，提出了不少寿命试验报告，寿命试验的时间从几个月到几年，提出了若干公认的工质和管材的最佳组合。

例如，实验证实，水和铜是一对最佳组合，甚至连续几年的寿命试验都没有发现热管性能的任何变化，这就是为什么水——铜热管被广泛采用的原因。

若干试验结果如下表所示。

推荐的管壳材料

不推荐的管壳材料

铝、不锈钢、镍、碳钢

铜

铜、二氧化碳

铜、不锈钢、二氧化硅

铝、不锈钢、镍碳钢、二氧化硅

不锈钢

不锈钢、镍、因康镍合金※

钛

不锈钢、因康镍合金

注：

①※因康镍合金（Ni80%，Cr14%，Fe6%）。

表中空白表示尚无实验资料。

对于中温热管来说，铜——水是最好的组合，但因为铜的成本比较高，强度又较低，在热管换热器中大量应用有一定困难，为了降低热管换热器的成本，用碳钢做管材的碳钢——水热管的研制受到了重视。

碳钢——水热管与铜——水热管比较有很多优点，诸如：

成本低、容易制造、材料到处可以得到，高的强度特性，此外，导热性能也较好。

因此，对于以节能为目的的应用特别具有吸引力。

但碳钢与水的不相容性，即不凝气体的产生是碳钢——水热管推广应用的主要障碍。

目前，国内外已对碳钢——水热管的相容性开展了广泛研究，提出了各种处理方案和介质配方，并相继取了可喜的进展。

目前，我国碳钢——热管的应用已十分广泛，并已成为在节能和余热回收领域中的应用主流。

3.物性因素

工质的选择除了上述温度因素和相容性因素之外，还要考虑其物性因素。

我们主要关心的是两个物理性质：

（1）汽化潜热：

它的物理意义是1kg的液体变成1kg的蒸汽所吸收的热量，（kJ/kg）;

汽化潜热大，意味着在传递相同热量的情况下，蒸发的液体就少，使管内蒸汽的流量减少，液膜变薄，有利于管内传热。

（2）蒸汽的密度值（kg/m3）,蒸汽密度值越小，说明管内蒸汽流速就越大，容易触及管内的携带极限和声速极限，对管内正常流动和传热是极为不利的。

例如，水蒸汽30℃下的密度仅为150℃下密度的1%，在传热量相同的情况下，管内蒸汽流速将提高100倍！

这也是水工质不能在低温下应用的原因之一。

4.安全和经济因素：

对于热管换热器来说，所需热管元件的数量是大批的，因此，在选择热管和管材时，安全性和经济性是特别重要的，易燃、易爆、有毒的工质应尽量不采用；

此外，还要求工质和管材容易购买，价格便宜，加工工艺简单，等等。