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    1. 熱管工質和管材,選錯一個,功虧一簣!

      發布時間:2018-12-16 18:40    

      眾所周知,熱管是由工質的相變來傳遞熱量的。在熱管內部, 工質頻繁地改變著自己的相態,在傳輸熱量的同時,連續不斷地完成著質量的轉移。因此,在設計熱管時,首先遇到的問題是:如何選擇熱管的工質。

      熱管工質的選擇,需要考慮的因素很多。根據熱管換熱器設計和應用的特點,工質的選擇需要考慮下面四個重要的因素:

      ( l )溫度因素:工質在熱管的工質溫度下應具有合適的壓力;

      ( 2 )相容性因素:選用的工質和管材之間不起化學變化;

      ( 3 )物性因素:工質的物性要有利于管內的流動和傳熱;

      ( 4 )安全和經濟性因素:工質無毒,容易取得,價格便宜。

      下面分別討論上述四個因素。

      一、溫度因素

      ?這是最重要的一個原則,是首先要滿足的一個因素。

      從原則上講,任何一種工質,都有它自己可以工作的溫度范圍,其下限是工質的凝固點,上限是熱力學臨界點。例如,對于水,其凝固點為0℃(l個大氣壓下),臨界點為 374.15℃ 。

      但實際上,工質工作的合適溫度范圍要小得多。主要考慮是:在熱管的工作溫度范圍內,熱管的工質要具有合適的壓力。所謂合適的壓力,主要是從管殼的強度來考慮的。壓力太高,則需要更厚的管壁,在工程上不但不經濟,也是不安全的。以水為例,在 250℃下管內壓力為0.4mpa ,即40大氣壓,一般認為是水工質應用的上限。

      另一方面,管內蒸汽壓力太低也不好,會使管內殘留的不凝氣體(由于抽空、清洗等工藝不嚴格產生的)所占空間的比例增大,致使凝結段端部有相當一段管子不能參加工作,使熱管的傳熱性能變壞。

      例如,對于水為工質的熱管,當在 100 ℃ 工作時,管內蒸汽壓力為lbar ,假定不凝氣休積聚在凝結段端部的長度為2cm;若工作溫度變為 35 ℃ ,則管內壓力為0.05bar,這時,根據理想氣休的狀態方程,可知管內不凝氣體溫度將升至33℃,這對熱管的工作將產生嚴重的影響。

      綜上所述,以水為工質的熱管適用的工作溫度為50℃—250℃。反過來說,當熱管工作溫度在50℃一250℃之間時,選用水作為工質是合適的。但有的文獻推薦選取水熱管的溫度范圍為30℃一230℃。

      就熱管換熱器的應用來說,其可能的溫度范圍是很寬廣的,大約從-30℃一 50℃ 到+l000℃一1200℃。

      其中可分為三個溫度區間:

      低溫:溫度從-30℃一100℃ ,如空調、干燥設備用的熱管換熱器;

      中溫:溫度從100℃—50℃,如煙道氣余熱回收用的熱管換熱器;

      高溫:溫度從350℃—1200℃如各種高溫窯爐、工業爐的排煙的余熱回收熱管換熱器。

      對不同溫度區間的熱管所適合的工質如下表所示。

      由上表可知,在同一個溫度范圍內,可能有幾種不同的選擇工質的方案,這就要根據物性原則和安全經濟性原則進行分析比較,然后決定取舍。

      對于中溫熱管,水是最理想的工質,除了水以外,可選擇的方案很少,目前推薦的另一工質是萘,萘將水的應用溫度上限又提高了100℃,可以用到 350℃,而且已積累了一定的應用經驗。

      應當著重指出,工質的適用范圍是指熱管的工作溫度而言的,所謂熱管的工作溫度就是管內的蒸汽溫度Tv。管內蒸汽溫度Tv總是低于熱源溫度T

      l

      ,高于冷源溫度T

      2

      ,而且總是偏向熱阻較小的一側.由熱管加熱段和冷卻段的熱平衡式可以很容易地確定管內蒸汽溫度Tv:

      氣——液型或氣——汽型熱管換熱器接近這種情況。但是在設計的初始階段,一般還不知道兩側熱阻的精確數值,即n的數值是不確定的。為了方便設計,當用式( 3 )來估算管內蒸汽溫度時,n的數值建議由下表選取。

      [例 1 ]在500℃的煙道氣中,欲放置一臺熱管換熱器,用以提供80℃的熱水,試選擇合適的熱管工質。

      二、相容性因素

      相容性因素是選擇工質和管殼材料的最重要因素,所謂相容性,就是工質和管材在熱管的工作溫度范圍內不起化學變化。此外,相容性還包括所選的管殼材料與管外的換熱介質不起化學變化。

      化學不相容會產生幾方面的問題:

      1、產生不凝氣體(H2、N2、O2 等)積聚在冷卻段的端部,使熱管參加換熱的部分變短,久而久之,甚至會堵塞整個冷卻段,熱管將不能正常工作;

      2、由于不凝氣的積累,實際的冷卻段變短,將使管內溫度升高,抓力也會相應升高,這對熱管的安全性是不利的;

      3、由于工質和管材的化學反應,工質的成份也會發生變化,其物理性能也會隨之發生變化,使熱性能下降。

      4、化學反應造成的另一個嚴重后果是使管殼變薄,使熱管強度和安全性大大下降。

      確定工質與管材的相容性,除了借助于電化學的知識作初步的預測之外,主要依據壽命實驗。

      熱管的壽命實驗一般是這樣進行的:

      將要檢測的熱管試樣一端插到熱源當中:熱源可以是工廠的煙道氣或電爐或熱的油浴中,而熱管的另一端則暴露于吸熱源當中,吸熱源可以是空氣的受迫流動,或空氣的自然對流,也可以放在一個冷水的夾套中。

      在熱管的某一工作溫度下,定期地檢測熱管的軸向溫度分布,由溫度分布曲線來監視管內不凝氣休的產生,因為不凝氣的積聚會造成冷卻段端部溫度的明顯下降。

      也可用抽氣的辦法來檢驗不凝氣的組成,或在最后剖開試件進行肉眼檢查并進行工質的化驗。

      目前,工質和管材的相容性實驗已經做了很多,提出了不少壽命試驗報告,壽命試驗的時間從幾個月到幾年,提出了若干公認的工質和管材的最佳組合。例如實驗證實,水和銅是一對最佳組合,甚至連續幾年的壽命試驗都沒有發現熱管性能的任何變化,這就是為什么水——銅熱管被廣泛采用的原因。若干試驗結果如下表所示。

      對于中溫熱管來說,銅——水是最好的組合,但因為銅的成本比較高,強度又較低,在熱管換熱器中大量應用有一定困難,為了降低熱管換熱器的成本,用碳鋼做管材的碳鋼一一水熱管的研制受到了重視。

      碳鋼——水熱管與銅——水熱管比較有很多優點,諸如:成本低、容易制造、材料到處可以得到,高的強度特性,此外,導熱性能也較好。因此,對于以節能為目的的應用特別具有吸引力。但碳鋼與水的不相容性,即不凝氣體的產生是碳鋼——水熱管推廣應用的主要障礙。

      目前,我國碳鋼——熱管的應用己十分廣泛,并已成為在節能和余熱回收領域中的應用主流。

      三、物性因素

      ?工質的選擇除了上述溫度因素和相容性因素之外,還要考慮其物性因素。我們主要關心的是兩個物理性質:

      ( l )汽化潛熱:它的物理意義是lkg的液體變成lkg的蒸汽所吸收的熱量, (kJ/kg);汽化潛熱大,意味著在傳遞相同熱量的情況下,蒸發的液體就少,使管內蒸汽的流量減少,液膜變薄,有利于管內傳熱。

      ( 2 )蒸汽的密度值(kg/m3) ,蒸汽密度值越小,說明管內蒸汽流速就越大,容易觸及管內的攜帶極限和聲速極限,對管內正常流動和傳熱是極為不利的。例如,水蒸汽30℃下的密度僅為150℃下密度的1% ,在傳熱量相同的情況下,管內蒸汽流速將提高 100 倍!這也是水工質不能在低溫下應用的原因之一。

      四、安全和經濟因素

      對于熱管換熱器來說,所需熱管元件的數量是大批的,因此,在選擇熱管和管材時,安全性和經濟性是特別重要的,易燃、易爆、有毒的工質應盡量不采用;此外,還要求工質和管材容易購買,價格便宜,加工工藝簡單等。

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