热管热交换器传热计算优化方案

1）传热计算的基本方程

热管热交换器的传热计算基本方程式仍为传热方程式，传热计算中所采用的传热面积F可以是光管外表面积或热管加热段管外总面积或加热段光管外表面积，因而，就有相应的传热系数。常用的以加热段光管外表面积为基准者居多。

平均温差Δtm，应根据冷热流体的流向以及它们各自是否有横向的混合，通过计算或从第1章中所列有关图线查得。

传热量Q应取为热流体放热量Qh与冷流体吸热量Qc之算术平均值，即

2）热管元件各传热环节热阻

典型的吸液芯热管的传热过程可分解为以下各种传热环节，并构成了总的热阻。

（1）环境热源与热管加热段外壁间的换热，热阻为R1，热阻R1之值随换热条件不同而异，因而应分清对流换热、辐射换热还是复合换热，是受迫对流还是自然对流，热管外壁是光管还是带肋，热管外壁与热源的固体壁面有无直接接触等有关问题，采用相应的计算公式。

①对流换热时

如热源与外壁间换热为受迫对流或自然对流换热，则

此时，如果热管外壁带肋，则

以上两式中 α1——热源与加热段外壁间对流换热系数，W/（m2·℃）；

Fte，o——加热段（即蒸发段）总外表面积，m2；

do，e——加热段光管外直径，m；

βe——加热段肋化比；

ηo，e——加热段肋壁的总效率。

②辐射换热时

如果热管的加热（或冷却）段处于真空条件下的高温（或低温）壳体内，则热管与壳体间的换热为单一的辐射换热。它们的辐射换热量为：

辐射热阻为

式中 Ts、Tp——分别为热源及热管加热段外壁温度，K；

当Tp为冷却段外壁温度时，上两式中Ts与Tp应互换位置；

εs，p——相当发射率

Fs，Fp——分别为热源壳体及热管加热段（或冷却段）换热面积，m2；

εs，εp——分别为热源壳体内壁及热管加热段（或冷却段）外壁黑度。

③复合换热时

热管外壁与外界的换热常常可能是两种或两种以上传热方式同时存在的复合换热，则可按传热学中基本方法求取。

（2）热管加热段管壁的导热，热阻为R2

一般可按圆筒壁导热热阻式计算，即

式中 λp，e——加热段管壁导热系数，W/（m·℃）；

di，e，do，e——分别为加热段管壁内、外径，mm。

（3）热管蒸发段吸液芯-液体组合层的传热，热阻为R3

蒸发段吸液芯-液体组合层的传热较为复杂。对于在低热流密度下的水及有机液体，以及液态金属工质，可认为依靠导热方式来传递。此时，热阻R3为

式中 δw，e——蒸发段管壁厚，mm；

δe——蒸发段管芯层厚，mm；

λeff——吸液芯-液体组合层的当量导热系数，W/（m·℃）。因为这是通过固体的吸液芯和液体工质的复杂导热过程，其值随吸液芯的型式不同而异。请参考文献[15]。

（4）蒸发段液-汽界面的相变换热，热阻为R4

式中 ps，e——与Ts，e相平衡的蒸汽饱和压力，Pa；

Ts，e——蒸发段液-汽界面处蒸汽温度，K；

r——工质的汽化潜热，J/kg；

R——工质的气体常数，J/（kg·K）

dv——蒸汽腔直径，m。

（5）从蒸发段到凝结段蒸汽流动传热，热阻为R5

由于蒸发段和凝结段之间存在汽相压差Δpv=（ps，e-ps，c），根据饱和蒸汽压力与温度间对应关系，因而两段间存在相应的温度差ΔTv，从而可导得蒸汽流动热阻为(www.xing528.com)

式中 Tv——热管的平均工作温度，可按式（3.152）计算，K；

pv——与Tv相应的蒸汽饱和压力，Pa；

Q——传热量，W。

（6）凝结段汽-液界面蒸汽的相变换热，热阻为R6

式中 Ts，c——凝结段汽-液界面处蒸汽温度，K；

ps，c——与Ts，c相平衡的蒸汽饱和压力，Pa。

（7）凝结段吸液芯-液体组合层的传热，热阻为R7

与R3的情况相似，在认为依靠导热来传热时，R7为

式中 δw，c——凝结段管壁厚，mm；

δc——凝结段管芯层厚，mm；

do，c——凝结段管壁的外径，mm。

（8）凝结段管壁的导热，热阻为R8

类似于R2，它的计算式为

式中 λp，c——凝结段管壁导热系数，W/（m·℃）；

di，c、do，c——分别为凝结段管壁的内、外径，mm。

（9）冷却段外壁与环境冷源间的换热，热阻为R9

R9的计算与R1相同。在对流换热且带肋时，R9为

式中 α2——冷源与冷却段（冷凝段）外壁间对流换热系数，W/（m2·℃）；

do，c——冷却段光管外直径，m；

βc——冷却段肋化比；

ηo，c——冷却段肋壁总效率。

辐射换热时，可按式（3.132）计算，只要把其中有关参数改为在冷却段条件下即可。

（10）从加热段至冷却段管壁的轴向导热，热阻为R10

因加热段和冷却段管壁间存在温差，必有部分热量沿绝热段管壁传递。若绝热段绝热良好，此沿管壁的轴向导热可按一维导热计算。

式中 λ——管壁材料导热系数，W/（m·℃）

对于薄壁长型热管，这一热阻较大，轴向导热量很小，故可忽略。

（11）通过吸液芯的轴向导热，热阻为R11

由于吸液芯的轴向热流通道比管壁更小，热阻更大，故导热量也可忽略。

图3.84 热管热阻线路图

将以上各项热阻描绘成一条传热的电路时，则如图3.84所示，是一条串并联线路。由于R10及R11为轴向导热热阻，故为并联。这两部分的导热量一般很小，故忽略这两部分导热量时，热管的传热总热阻为

3）对流换热系数的计算

流体横掠管束时的平均对流换热系数，将与热管元件的外部形状、管束排列方式及管间距等密切相关。

当流体横掠光滑管束时，可从传热学书中所列相关准则方程式选用。

当流体横掠翅片管束时，对于横掠圆芯管外环形翅片管束，读者可使用本书中式（3.97）、（3.98）；对于横掠圆芯管外矩形翅片管束，可用本书中式（3.102）。

4）传热系数的计算

由于采用的基准面积不同，所得传热系数值差异很大。常以加热段光管外表面积Fo，e为基准的传热系数Ko，e较多，可按下式计算：

式中相当于R1，m2·℃/W，其中，εe为蒸发段换热面的清洁度，用以考虑因表面结垢而造成的热阻增加，对于灰分不多的烟气，取εe=0.8～0.9；含灰量大的烟气，εe=0.5～0.65。

因为实际测量中，常常是测量换热系数αe、αc，而不是单独地去测定R3及R4或R6及R7。

其中εc为凝结段换热面的清洁度。

由于蒸汽流动的传热热阻R5与其他各项热阻相比，一般相当小，故在式（3.144）中未包含此项热阻。