3. 31熱管工作溫度的計(jì)算和工質(zhì)的選擇
熱管是依靠工質(zhì)的相變來傳遞熱量的。在熱管內(nèi)部，工質(zhì)不斷地改變著相態(tài),在傳輸 熱量的同時(shí)，依靠相態(tài)的變化進(jìn)行著質(zhì)量的轉(zhuǎn)移。因此,在設(shè)計(jì)熱管時(shí)，首先遇到的問題 是如何選擇熱管的工質(zhì)。
熱管工質(zhì)的選擇,需要考慮的因素很多，不少文獻(xiàn)做了詳細(xì)的論述⑻。根據(jù)熱管應(yīng) 用的特點(diǎn)，工質(zhì)的選擇需要考慮的重要因素為：
(1) 溫度因素:工質(zhì)在熱管的工作溫度下應(yīng)具有合適的壓力。
(2) 相容性因素:選用的工質(zhì)和管材之間不起化學(xué)變化。
(3) 物性因素:工質(zhì)的物性要有利于傳熱和在管內(nèi)的流動(dòng)。
(4) 安全和經(jīng)濟(jì)性因素:工質(zhì)無毒，容易取得，價(jià)格便宜。
下面分別討論上述諸因素。
1-溫度因素
溫度因素是最重要的因素，也是首先要滿足的一個(gè)因素。任何一種工質(zhì)，都有發(fā)生相 變的溫度范圍，其下限是工質(zhì)的凝固點(diǎn)，上限是熱力學(xué)臨界點(diǎn)。例如，對(duì)于水，其凝固點(diǎn)為 0℃(1個(gè)大氣壓下)，臨界點(diǎn)為374. 15℃。但實(shí)際上，工質(zhì)工作的合適溫度范圍要小得 多。主要考慮熱管的工作溫度范圍內(nèi)，熱管的工質(zhì)要具有合適的壓力。
所謂合適的壓力，主要從管殼的強(qiáng)度考慮。壓力太高，則需要較厚的管壁，在工程上 不但不經(jīng)濟(jì)，也不安全。以水為例，在250℃下，管內(nèi)壓力約4 MPa,即40 bar, 一般認(rèn)為是
水工質(zhì)應(yīng)用的上限。另一方面，管內(nèi)蒸汽壓力太低也不好，會(huì)使管內(nèi)殘留的不凝氣體(由 于抽空、清洗等工藝不嚴(yán)格產(chǎn)生的)所占空間的比例增大，致使凝結(jié)段端部有相當(dāng)長(zhǎng)的一 段管子不能參加工作，使熱管的傳熱性能變壞，例如，對(duì)于水為工質(zhì)的熱管，當(dāng)在100℃工 作時(shí),管內(nèi)蒸汽壓力為0. 1 MPa,假定不凝氣體積聚在凝結(jié)段端部的長(zhǎng)度為2 cm；若工作 溫度變?yōu)?strong>35℃，則管內(nèi)壓力為0.005 MPa,為高度真空，這時(shí)，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程, 可知管內(nèi)不凝氣體所占有的長(zhǎng)度(體積)將增大至33 cm,這對(duì)熱管的工作將產(chǎn)生嚴(yán)重的 影響。
綜上所述，以水為工質(zhì)的熱管適用的工作溫度為50~250 ℃。反過來說，當(dāng)熱管工作 溫度在50 -250℃之間時(shí),選用水作為工質(zhì)是合適的。
就熱管換熱器的應(yīng)用來說，其可能的溫度范圍很寬，大約從-30 - -50℃到+ 1 000- 1 200 ℃其中，可分為三個(gè)溫度區(qū)間：
(1) 低溫區(qū):溫度為-30 ~ 100℃ ,如空調(diào)、干燥設(shè)備應(yīng)用的熱管換熱器；
(2) 中溫區(qū):溫度為100 -350℃，如煙道氣余熱回收應(yīng)用的熱管換熱器；
(3) 高溫區(qū):溫度為350 ~1 200℃如各種高溫窯爐、工業(yè)爐的余熱回收熱管換熱器。
選擇合適的熱管工質(zhì)。
解 由式(3. 3.3)和表3.3.2,熱管的工作溫度為
此處，取n = 4,根據(jù)表3. 3. 1 ,取水為熱管工質(zhì)是合適的。
2.物性因素
選擇熱管工質(zhì)的第二個(gè)因素是物性因素，即工質(zhì)應(yīng)具有良好的熱物理性能。這些要 求為:汽化潛熱大，導(dǎo)熱系數(shù)高，液相和汽相的黏度低，表面張力大，此外，熱穩(wěn)定性好，在 工作溫度下不分解，在靠毛細(xì)力工作的熱管中，工質(zhì)與管壁及芯結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕性能良好。上 述這些要求，往往不能同時(shí)滿足，需要對(duì)不同工質(zhì)的物性進(jìn)行綜合比較后確定。其中，對(duì) 兩個(gè)重要物性的影響說明如下：
(1) 汽化潛熱:汽化潛熱大，意味著在傳遞相同熱量的情況下，液體的蒸發(fā)量少，使管 內(nèi)蒸汽的流量減少，流動(dòng)阻力降低,凝結(jié)液膜變薄，有利于管內(nèi)傳熱。
(2) 蒸汽的密度(kg/m3)o蒸汽密度值越小，在同樣蒸發(fā)量的情況下，管內(nèi)蒸汽流速 就越大，容易觸及管內(nèi)的傳熱極限，對(duì)管內(nèi)的正常流動(dòng)和傳熱是極為不利的。例如，水蒸 氣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(nèi)蒸汽流速將提
高100倍！這也是水工質(zhì)不能在低溫下應(yīng)用的原因之一。
3.安全和經(jīng)濟(jì)因素
熱管換熱器所需要的熱管元件較多，因此，在選擇熱管工質(zhì)時(shí)，安全性和經(jīng)濟(jì)性特別 重要。易燃、易爆、有毒的工質(zhì)應(yīng)盡量不采用；此外，還要求工質(zhì)和管材容易購(gòu)買，價(jià)格便 宜，加工工藝簡(jiǎn)單等。
綜上所述,選擇工質(zhì)的溫度因素是最重要的和首先要考慮的，在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行物 性參數(shù)的比較，同時(shí)也要考慮安全和經(jīng)濟(jì)性。
的應(yīng)用溫度上限提高了 100℃，可以用到350℃,而且已積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
，管內(nèi)蒸汽溫度
；總是低于熱源溫度
，高于冷源溫度T2, 而且總是偏向熱阻較小的一側(cè)。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(nèi)蒸汽溫度
為加熱段和冷卻段的傳熱面積;
為加熱段和冷卻段 的局部傳熱系數(shù)。
時(shí)，則
,對(duì)于氣-氣型熱管換熱器，一般接近這種情況； 若
,，則 
,氣-液型或氣-汽型熱管換熱器接近這種情況，這時(shí)，管內(nèi)工作 溫度接近換熱系數(shù)高的液體側(cè)溫度或相變側(cè)溫度。
