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热管工质和管材,选错一个,功亏一篑!

浏览次数:   更新时间:2018-12-25 09:47:00   发布人:user

众所周知,热管是由工质的相变来传递热量的。在热管内部, 工质频繁地改变着自己的相态,在传输热量的同时,连续不断地完成着质量的转移。因此,在设计热管时,首先遇到的问题是:如何选择热管的工质。



热管工质的选择,需要考虑的因素很多。根据热管换热器设计和应用的特点,工质的选择需要考虑下面四个重要的因素:

( l )温度因素:工质在热管的工质温度下应具有合适的压力;

( 2 )相容性因素:选用的工质和管材之间不起化学变化;

( 3 )物性因素:工质的物性要有利于管内的流动和传热;

( 4 )安全和经济性因素:工质无毒,容易取得,价格便宜。

 

下面分别讨论上述四个因素。

一、温度因素

    

 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℃(l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lbar ,假定不凝气休积聚在凝结段端部的长度为2cm;若工作温度变为 35 ℃ ,则管内压力为0.05bar,这时,根据理想气休的状态方程,可知管内不凝气体温度将升至33℃,这对热管的工作将产生严重的影响。

 

综上所述,以水为工质的热管适用的工作温度为50℃—250℃。反过来说,当热管工作温度在50℃一250℃之间时,选用水作为工质是合适的。但有的文献推荐选取水热管的温度范围为30℃一230℃。

 

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℃一 50℃ 到+l000℃一1200℃。


其中可分为三个温度区间:

低温:温度从-30℃一100℃ ,如空调、干燥设备用的热管换热器;

中温:温度从100℃—50℃,如烟道气余热回收用的热管换热器;

高温:温度从350℃—1200℃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。

 

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。

 

对于中温热管,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Tl,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:

 

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,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。

 

 

[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。

 

二、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:


1、产生不凝气体(H2、N2、O2 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;

2、由于不凝气的积累,实际的冷却段变短,将使管内温度升高,抓力也会相应升高,这对热管的安全性是不利的;

3、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。

4、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,主要依据寿命实验。


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休的产生,因为不凝气的积聚会造成冷却段端部温度的明显下降。

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。


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。

 

 

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一一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,我国碳钢——热管的应用己十分广泛,并已成为在节能和余热回收领域中的应用主流。

三、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:


( l )汽化潜热:它的物理意义是lkg的液体变成lkg的蒸汽所吸收的热量, (kJ/kg);汽化潜热大,意味着在传递相同热量的情况下,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/m^3) ,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。

 

四、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。


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