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1、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

2、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 3 5，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 50250。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

3、围为 30230。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+10001200，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 100350，如烟道气余热回收用的热管换热器；高温：温度从 3501200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-33-78132.3 -40 +600.7629.8bar丙酮57-98235.5 201200.276.70bar

4、甲醇64240.0 300.25-301001307.86bar中温热管 100 350水1000374.2 502500.1239.8bar萘24497.0 2003505.55bar钾774625500.108502.34bar高温热管钠8929860012000.049.59bar350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

5、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= U1 A1 （T 1 - Tv） （1）Q= U2 A2 （Tv - T 2） （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：T 1 + nT 2Tv = （3）1

6、+nU2 A2此处， n = （4）U1 A1由式（ 3）可知，当 U2 A2 = U1 A 1时，即两边的热阻相等时，则 n=1，1Tv = （T1 + T 2），对于气气型热管换热器，一般接近这种情况；若 U2 A2 U1 A 1，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

7、=34n=23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=45【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T 1 + nT 2 500+4 80Tv = = =164 1+n 1+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、O

8、2 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

9、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

10、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：因康镍合金（ Ni 80%，Cr 14%， Fe 6%）。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

11、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

12、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。