燃气换热必备：带肋片的重力式热管

图18-32（a）为用水作工质的热管示意图。它的外形为一圆柱体，内部为一空心圆筒，圆筒内壁上紧贴一层起毛细管作用的多层金属丝网。圆筒内抽到一定的真空1.33×10﹣3Pa后，再充入适量的蒸馏水，然后再将管端的充液口封死。用于燃气对空气传热的热管，为了强化传热，在管外壁焊有肋片。热管传递热量的原理是：高温燃气对热管的蒸发段加热，工质在蒸发段内壁及吸液蕊上沸腾形成蒸气迅速上升，遇冷凝段的冷壁面凝结放热，把热量传递给冷空气。凝结液通过热管内壁具有毛细管功能的吸液蕊被泵回到蒸发段再继续吸热蒸发。热管能有效地将高温燃气的热能传递给冷空气，采用吸液蕊的热管可以任意放置，冷凝液都可以由吸液蕊的毛细管作用泵回到蒸发段。若热管内没有吸液蕊，冷凝液只能借重力流回蒸发段。因此重力式热管的蒸发段必须在热管的下端，热管尽可能垂直放置。热管按使用的温度可分为用金属钠作工质的高温管；用水银作工质的中温管；用水或R22等低沸点物质作为工质的低温管。

图18-32 热管示意图

从热流体通过热管向冷流体的传热过程中有6个分热阻。各分热阻名称及其计算公式如下

1.热流体与蒸发段肋壁的热阻

式中，αe为热流体对蒸发段换热系数；Ac，o为蒸发段外侧面积；ηt，e为蒸发段肋壁效率。

2.蒸发段管壁导热热阻

式中，d0、di为热管外径和内径；λ为热管导热系数；Le为热管蒸发段长度。

3.蒸发段管内壁对工质的热阻

有吸液蕊

无吸液蕊

式中，d W为吸液蕊内径；λWc为蒸发段内吸液蕊的有效导热系数；αe，i为蒸发段内壁对工质的沸腾换热系数；Ac，i为蒸发段内壁面积。

4.冷凝段管内壁对工质的热阻

有吸液蕊

无吸液蕊

式中，λW，c为冷凝段内吸液蕊的有效导热系数；Lc为冷凝段内壁长度；αc，i为冷凝段内壁工质的凝结换热系数；Ax，i为冷凝段内壁面积。

5.冷凝段管壁导热热阻

6.冷流体与冷凝段肋壁的热阻

式中，αc为冷流体对冷凝段外侧换热系数；Ac，o为冷凝段外侧面积；ηt，c为冷凝段肋壁效率。

每根肋管的传热量为

对于热流体为烟气、冷流体为空气的气-气传热过程，r1与r6为主要热阻。导热热阻r2与r5通常可略去不计。图18-32（b）为热管传热过程的热阻网络图。

图18-33所示为一根可弯曲的水热管，其加热段置于汽车的排气管内加热，冷却段放在汽油机的吸气管内。冬天当汽油机起动后，排气的废热可经热管迅速传递给被吸入气缸的冷空气，使汽车快速起动。

图18-34所示为半导体功率管，其管芯部分在通电时发热，作为热管的加热段，加热生成的蒸汽经吸液芯和肋片内壁冷却凝结为液体，然后又被吸液芯吸回管芯处重新加热生成蒸汽。这样一个特制的热管可保证管芯得到良好的冷却。

热管的基本概念早在1942年由加纳尔在美国取得专利。但直至1964年才制出实用的热管，1968年才将热管应用于人造卫星上。由于热管具有热流密度大、所需温差小、结构简单、工作可靠和没有任何运动部件等优点，因此它作为传热、温度控制的有效器件已成功地应用于空间技术、电子、动力、化工和原子能等工程技术领域。

图18-33 可任意弯曲的水热管

1.加热段；2-金属软管；3-绝热段；4.吸液蕊芯；5-螺旋弹簧；6-冷却段

图18-34 应用热管原理冷却半导体功率管

1-半导体管芯；2-吸液芯；3-肋片

复习思考题

1.何谓临界热绝缘直径？何谓热绝缘的经济厚度？(www.xing528.com)

2.圆管外包上保温材料，有时反而使热流量增加；平壁外包保温材料会有这种现象吗？为什么？

3.热管的传热过程中哪几项热阻较大？热管内空气没有抽净为何严重影响传热？

4.加肋片可以增强传热，于是有人将热管上加肋片构成图18-32所示的传热过程，并用水蒸气加热水，使它沸腾。试评述加肋的效果。

5.间壁式热交换器按其结构形式可分为哪几种？

6.比较管式换热器与板式换热器的优缺点。

7.写出换热器计算的几个基本公式。

8.画出当W1＞W2、W1＜W2、W1为及W2为时，冷、热流体的温度随换热面积A的变化曲线。

9.为什么逆流式热交换器比顺流式热交换器的传热更有效？

10.推导逆流时的对数平均温差公式。

11.在换热器计算中，为什么一般要用对数平均传热温差，而不用算术平均温差？什么情况下可近似用算术平均温差来计算？

12.换热器中，一种流体由过热蒸气冷却为过冷液，另一种流体无相变，试绘出两种流体温度的沿程变化。此时换热器的平均传热温差如何计算？

13.设计壳管式换热器时，在下列情况下哪种流体应在管内流动：（1）一种流体清洁，一种流体不清洁；（2）一种流体的温度高，一种流体的温度低；（3）一种流体的粘度大，一种流体的粘度小；（4）一种流体的流量大，一种流体的流量小。

14.何谓传热有效度ε？

15.传热单元数NTU的物理意义？

16.阐述用平均温差法对换热器作设计计算的步骤。

17.阐述用ε-NTU法对换热器作校核计算的步骤。

18.比较平均温差法及ε-NTU法的优缺点。

习题

1.某一水平蒸汽管，其内、外径分别为104mm和114mm，外面包以2cm厚的石棉热绝缘层，管内热流体为1.002MPa的饱和水蒸气，管外空气温度为20℃，试求每米管长的热损失。已知管内α1＝416W/（m2·K），管外α2＝12.5W/（m2·K）。

2.一导热系数为40W/（m·℃）的钢板，两侧流体分别为水和空气，水侧换热系数为255 W/（m2·℃），空气侧换热系数为12W/（m2·℃）。为增加二流体间的传热量，在钢板上敷设厚δ＝2mm、高h＝25mm的钢肋片，二肋片的中心面相距10mm。求以下情况下加肋后传热量提高的百分率：（1）加在空气侧；（2）加在水侧；（3）加在两侧。

3.一根铝导线外径为2mm，处于15℃的空气流中。导线表面温度为72℃，壁面对环境的总换热系数为9.6W/（m2·K）。如果在此导线外包以1.2mm厚的λ1＝0.14W/（m·K）的橡胶，问在同样的电流下（即ql不变），导线的表面温度是多少？假定此时橡胶表面对环境的总换热系数为7.4W/（m2·K）。最后将包以橡胶的导线的计算结果与裸导线加以比较说明。

4.试从基本的能量平衡出发，导出利用蒸汽凝结来加热冷流体的换热器效率的表达式。假设热流体（凝结蒸汽）在整个过程中温度保持不变。

5.在某滑油冷却器中，滑油从t′1＝50℃被冷却到t″1＝40℃，而冷却水则从t′2＝30℃被加热到t″2＝35℃。如果冷却器被设计成顺流式或逆流式，试分别确定其对数平均温差。

6.上题如改成滑油在管外自上而下的混合流动，冷却水在管中横流，互成叉流，求其对数平均温差。

7.一管壳式汽轮机油冷却器，30号汽轮机油在管外侧的折流板间以qm＝34.28t/h流过，要求从t′1＝56.9℃冷却到t″1＝45℃，油侧α＝450W/（m2·K），30号汽轮机油在运行温度下的ρ1＝879kg/m3，c1＝1.95kJ/（kg·K）。冷却水在双流程的钢管中以qm2＝47.7t/h从流过，其进口温度为t′2＝33℃，水侧α2＝5850（W/cm2·K），管子外径d2＝15mm，壁厚δ＝1mm。求所需的换热面积。

8.某壳管式R22冷凝器，由低（肋片不高）螺旋肋冷凝管组成。冷凝器内共有冷凝管数n＝50根，每根管子内表面积A′1＝0.05m2，其肋化系数β＝2，肋壁总效率为0.94。由于管壁很薄，略去导热热阻。冷却海水在管内流动，已由准则公式算出α水＝3000W/（m2·k），R22凝结换热系数α凝＝2000W/（m2·K）。R22在冷凝器内的压力为1.6MPa，入口温度为饱和温度，即42℃。海水入口温度为26℃，出口温度30℃，求每小时可凝结多少千克的R22（R22在1MPa时的比潜热r＝130.6kJ/kg，冷凝器出口为饱和R22液体，冷热流体为叉流）？

9.在一逆流套管式换热器中，采用将油[cp＝2.1kJ/（kg·℃）]从138℃冷却到93℃的方法把流量为2.5kg/s的水从25℃加热到65℃。现希望引出流量为0.62kg/s、温度为50℃的水，所以要用两个换热器来代替这单一的换热器。单一换热器的总传热系数为450W/（m2 ·℃），对每个小换热器皆可取此值作为它们的总传热系数。除非油在两个换热器间漏掉，否则总的油量将流过两个小换热器。假设水串联流过两个小换热器，并在它们之间将水引出。若令两个小换热器具有相同的面积，试计算它们的面积及油的流量。