换热管传送热量工作极限的限制有哪些

 换热管所传送的热量是很大的，但是，每一只换热管所能传送的热量也不能无限制地增大，这要受到热管的几个工作极限的限制。本章主要讨论换热管的几个工作极限。

1. 换热管的工作极限

  换热管的研究工作主要是研究换热量与温度的关系。在正常情况下，蒸发段与冷凝段之间的温度差不超过10℃，对于高温换热管也不应超过20℃，如果试验时的温差超过10℃，则表示换热管工作不正常，而大部分是因为制造质量不佳所引起的。在换热管启动到正常工作之间有一个过渡过程。这个过渡过程的特点是冷凝段温度渐渐增高，一直达到稳定，但是热管启动到正常工作的过渡时间一般只需1min左右。

 换热管在正常工作时，其传送热量Q和温度有关，一般温度越高热管传送热量越大。

 最大的热流是指无论加热段能够加进多大热量，冷却段就能输送出多少热量，这时热管内部从蒸发段传送到冷凝段的热量到了最大限度，故又称临界热量。换热管传送的最大热量是根据实验确定的，即

  Q=M₁·C_p1·△t

式中Q -- 从冷凝段测出的热管传送的热量，kW；

      M -- 冷流体的质量流量，kg/h；

      Cp₁ ---冷流体的比定压热容，kJ/（kg-℃C）；

      △t--冷流体的温升，℃。

  由于热管工作是靠流体力学平衡的，所以，凡是对于流体流动有限制的因素，也都成为热管工作限制的因素。这些限制归纳起来有如下一些。

  ①. 黏性限--受黏性力限制。

  ②. 音速限-有些高温热管启动时，蒸气速度可能达到音速。在这种情况下必须考虑压缩性的影响。音速条件是热管达到最大可能的传热能力的一个限制。

  ③. 携带限-热管热负荷升高时，蒸气流速加大，蒸气与回流液膜的摩擦也增大，这时，可能产生液态工质被蒸气流所携带的现象。这种现象妨碍了凝结液的正常回流，因而造成了一个传热极限。

  ④. 毛细限（吸液限）-毛细压差不足，不能克服管内流动阻力，造成了蒸发段烧干而受到限制。

  ⑤. 沸腾限-热管温度升高时，因产生沸腾造成热管工作停止或熔损破坏而受到的限制。

  所有这些传热极限与热管工作温度的关系，如图3-1所示。

  下面依次说明各性能界限的极限。

2. 黏性限

 黏性限是黏性蒸气流的界限。黏性限出现在温度较低的范围内。由于管内凝结液的流动阻力较大，使凝结液返回到蒸发段的数量减少，因而蒸发段蒸气量也减少，即换热管的传热量减少或者说受到了黏性限制。

 对于黏性蒸气流领域（层流）传热量的黏性限可以采用下式进行计算，即最大传热量表达式为

3. 音速限

 因为蒸气有压缩性，所以，在加热段如果增加输入的热量超过一定值时，蒸气流在加热段的出口处达到音速，便出现蒸气流量的阻塞现象。由此现象产生的传热量的界限称为音速限。

由热平衡式、理想气体的状态方程以及声速的表达式：

 4. 携带限

  吸液芯中从冷凝段回流到蒸发段的液体的一部分，由于蒸气流的流动，将液体携带到冷凝段，因而造成蒸发段吸液芯干枯，引起蒸发段过热，这也是一种限制。

  对于重力式无芯热管（热虹吸管），田长霖根据已有的逆流气液流动系统的液阻经验关系式推荐由下式计算热管的携带极限：

对于槽道吸液芯热管，在计算携带极限时通常的液阻关系必须考虑到毛细结构的影响，并作修正，田长霖推荐的计算式为：

  由计算可见，Q_ent值较低，对于大功率的热虹吸管，携带极限很可能成为热管传热的一个重要的极限。为了提高携带极限的数值，有效的办法之一是加大管径，使A,增大。另外，如采用纵向槽道吸液芯，则可使Q_ent值大大提高。例如，当槽道宽度取0.4mm时，对于上面例题给定的条件，由式（3-6)计算的Qent=27.6kW,比无芯结构时提高了7.4倍。

5. 毛细限（吸液限）

 随着输入热量的增加，由于吸液芯干燥而过热产生的热流量界限，称为毛细限或吸液限。

 输入热量的增大，加大了加热段的蒸气压力，结果使液体进入吸液芯内，使吸液芯的一部分暴露在蒸气中。因而，这部分吸液心过热干燥出现干枯现象。

 对于重力辅助的纵向槽道热管，可将每－槽道看作一个单独的毛细结构。另外，假定下述条件：

①. 忽略蒸气流的压力损失；

②. 加热段在下，冷却段在上。

最后，得到毛细限传热量的计算式为:

6. 沸腾限

  在达到毛细限后，再增大输入热量，在加热段的吸液芯内就会发生沸腾。当沸腾出现后，如进一步加入热量，则在热管内壁上局部被蒸气覆盖着的那些地方会随着温度急剧上升发生热管的熔损，甚至会使热管停止工作。

 利用公式（3-9)计算沸腾限热流量可得图3-1中曲线6-6段。同样，利用上面得到的各极限计算公式，可以得到图3-1中的相应的其他曲线。

7. 换热管内的压力分布

为使蒸气在换热管内从蒸发段流向冷凝段，需要有沿蒸气流路的蒸气压力梯度。同样，凝结液从冷凝段返流到蒸发段，也需要有沿液体流路的压力梯度。因此，下面将讨论关于换热管内的压力分布及其压力平衡式。

在热管工作时，其部的蒸气及液体轴向压力分布如图3-2所示。在蒸发段，蒸气空间的蒸气压力和吸液芯中的液体压力间的压为差ApE为