热管原理(八年级物理热管原理)

今天跟大家分享一下热管原理(八年级物理热管原理),以下是这个问题的总结,希望对你有帮助,让我们看一看。热管原理(八年级物理热管原理)

热管:简单讲,以真空相变原理工作的一种极其高效的传热元件。

热管原理(八年级物理热管原理)热管原理(八年级物理热管原理)

热管的传热:

热管在实现其热量转移过程中,包含了六个相互关联的主要过程:(如上右图)

① 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液—汽分界面;

② 液体在蒸发段内的液—汽分界面上蒸发;

③ 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段到冷凝段;

④ 蒸汽在冷凝段内的汽—液分界面上凝结;

⑤ 热量从汽—液分界面通过吸液芯、 液体和管壁传给冷源;

⑥ 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段。

热管原理(八年级物理热管原理)

热管的工作特性:

对于普通热管,其液体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的,沿冷凝段冷凝率也是均匀的,则其质量流率、压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如右上图所示。

在蒸发段内,由于液体不断蒸发,使汽液分界面缩回到管芯里,即向毛细孔一侧下陷,使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。而在冷凝段,蒸汽逐渐凝结的结果使液汽分界面高出吸液芯,故分界面基本上呈平面形状,即界面的曲率半径为无穷大(见下左图上部及下右图)。曲率半径之差提供了使工质循环流动的毛细驱动力(循环压头),用以克服循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及动量变化所引起的循环阻力。

热管原理(八年级物理热管原理)

热管工作过程动画:

热管原理(八年级物理热管原理)

从图中可以看出:当工作温度低时,最易出现粘性极限及声速极限。而在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限。故热管的工作点必须选择在包络线的下方。

热管基本特性:

相变传热,热阻小→极高的导热性→换热效率高,节能效果显著。

汽液处于饱和状态→优良的等温性→温度展平。

蒸发段、冷凝段换热面积可变→热流密度的可变性→调节管壁温度(避免露点腐蚀)。

热流方向的可逆性。

单向导热→热二极管→(太阳能、地土永冻)。

热开关性能→控制热管工作温度范围。

加热量变化→热阻改变→控制温度 →可控热管(可变导热管)。

汇源分隔→环境适应性好。

两相闭式热虹吸管:重力热管、热虹吸管与有芯热管的区别在于冷凝液回流的机理不同;热虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流;

有芯热管是依靠毛细抽吸力使冷凝液回流;

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热管的相容性及寿命:

相容性指热管在预期的设计寿命内,管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化。影响热管寿命及工作的重要因素之一产生不凝性气体。

由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应,产生不凝性气体,在热管工作时,该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞,从而使有效冷凝面积减小,热阻增大,传热性能恶化。这种不相容的最典型例子就是碳钢-水热管,由于碳钢中的铁与水发生以下的化学反应:

Fe 2H2O====Fe(OH)2 H2↑

3Fe 4 H2O Fe3O4 4H2↑

Fe(OH)2 Fe3O4 H2O H2↑

所产生的不凝性氢气将使热管性能恶化,传热能力降低甚至失效。

只有长期相容性良好的热管,才能保证稳定的传热性能,长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢-水热管正是通过化学处理的方法,有效地解决了碳钢与水的化学反应问题,才使得碳钢-水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。

热管的工程应用:

热管换热器:由许多单根热管组成的换热器。

特点:结构简单,换热效率高;压力损失小;安全可靠;灵活调温。

类型与结构:按照热流体和冷流体的状态,热管换热器可分为:气—气式、气—汽式、气—液式、液—液式、液—气式。

按结构型式分:可分为整体式、分离式、回转式和组合式。

热管原理(八年级物理热管原理)

热管及热管换热器设计:

在进行热管设计前,首先应该确定以下因素:

① 热管管内工作液体的选择;

② 热管管内管内吸液芯结构形式;

③ 热管的工作温度,以及工作情况下热管内部工作液体的饱和蒸汽温度;

④ 热管管壳材料的选择。

一般说来,这与设计的目的有关。不同的应用场合,热管的设计要求截然不同。

热管的设计计算通常按以下几个步骤进行:

①管径设计:管径设计的一个基本原则就是管内的蒸汽速度不超过一定的极限值,这个极限值就是在蒸汽通道中最大马赫数不能超过0.2,这时蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动,轴向温度梯度很小,可以忽略不计。

②管壳设计:热管部工作时,一般处于负压状态(低温热管除外),外界压力一般为大气压力,故可以不考虑管壳失稳的问题,因而管壳的设计主要从强度考虑。管壳壁厚由强度计算所得壁厚加上腐蚀裕度得出,端盖则可以按照平板的设计较容易的设计。

③吸液芯设计:设计吸液芯的依据是毛细极限的计算。

④毛细极限的检验。

⑤验算:验算携带极限、沸腾极限,最后核算Re数,验算是否为层流流动。

热管换热器设计:

热管换热器的计算目前已经通过计算机程序化,其主要内容包括两部分:换热器的热力计算和热管的极限校核。设计者只要根据工程的设计条件,输入原始参数即可得到设计结果。然而,热管换热器与其他通用换热器不同,它对工程的实际情况比较敏感,即通用性不强。在许多情况下,计算机程序计算的结果并不完全合理,必须作合理的调整,因而全面了解热管换热器的基本设计知识及计算方法仍然非常必要 。

热管换热器的设计计算的主要任务在于求出总传热系数U,然后根据平均温差及热负荷求得总传热面积A,从而定出管子数量。在设计过程中,必须认真考虑一下几点(以气-气换热器为例):

1.选择适当的标准迎面风速:热管换热器设计应遵循一条重要原则,即把迎面风速(标况)限制在2-3m/s的范围内,风速过高将导致压力将过大和动力消耗增加,风速过低会导致关外膜传热系数降低,管子的传热能力的不到充分发挥。

2.选择适当的翅片管参数:根据设计条件,对不同类型的换热器体应选择合适的翅片管参数。对洁净气体可选择较密的翅片间距和较薄较高的翅片;对含尘夺得或有腐蚀性的气体则应选择间距较宽,翅片较厚较低的翅片管管的壁厚也应稍厚以抗腐蚀和磨损,下表为工业常用的规格参数,可供设计参考。

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