本科畢業論文（設計）論文（設計）題目：xxxxrpm分離式熱管冷卻系統的設計學 院： 化學與化工學院 專 業：過程裝備與控制工程 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 年 月 日貴州大學本科畢業論文（設計）誠信責任書本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業論文（設計），是在導師的指導下獨立進行研究所完成。畢業論文（設計）中凡引用他人已經發表或未發表的成果、數據、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設計）作者簽名： 日 期： 貴州大學本科畢業論文（設計） 第IV頁目錄摘要IIIAbstractIV第一章緒論11.1熱管的國內外現狀和發展趨勢11.2熱管的結構和工作原理21.3熱管特性分析31.4關于熱管冷卻系統4第二章 熱管的選擇及軸承產熱計算52.1 熱管工質的選擇52.2 工質物性數據的選擇和計算62.3 估算熱管的工作溫度82.4 推動力的計算82.5 軸承產熱的計算82.6 熱管工作平均溫度的計算102.7 管殼材料的選擇及強度計算102.8 熱阻和傳熱面積的計算132.8.1 熱阻的計算132.8.2 傳熱面積的計算152.9 傳熱管數目的計算172.10 單根熱管的傳熱能力17第三章 熱管的設計183.1 聲速極限條件下的蒸汽腔直徑183.2 吸液芯的選擇及設計193.2.1 吸液芯的選擇193.2.2 實際蒸汽腔直徑223.2.3 驗算毛細極限和計算傳遞的最大功率223.2.4 核算雷諾數233.3 熱管傳熱極限的計算233.3.1 攜帶傳熱極限的計算253.3.2 聲速傳熱極限的校核253.3.3 沸騰傳熱極限的計算263.3.4 干涸傳熱極限的校核263.4 熱管充裝量的計算273.5 冷凝翅片的選擇和計算28第四章 真空室結構設計294.1 真空室壁厚的計算294.2 封頭設計324.2.1 假設名義厚度324.2.2 值的計算324.2.3 計算許用壓力324.2.4封頭與筒體連接法蘭的選擇334.2.5 密封結構334.3 真空口法蘭的選取334.4 人、手孔的設計344.5 開孔補強354.6液壓試驗35第五章 附件的選取375.1 溫度儀表的選擇375.2 壓力儀表選擇385.3 支座設計39總結43參考文獻44致謝45xxxxrpm分離式熱管冷卻系統的設計摘要真空室中高速旋轉的主軸軸承會產生大量的熱量，若不將熱量及時導走，將直接影響到系統的正常工作。本設計通過向高速旋轉主軸真空系統引入熱管，利用熱管的高效導熱性，將軸承產生的大量熱量及時導走，使系統維持在正常的溫度范圍。研究表明：利用高效的熱管導熱技術，能迅速帶走主軸電機和主軸軸承上的熱量，能有效控制溫升，最大限度的減少由于高速主軸產生的熱量引起的系統故障，同時也將大大提高軸和軸承的使用壽命。關鍵詞：真空系統 高速軸承 熱管 The design of 20,000 rpm separate heat pipe cooling systemAbstractWhen the high speed shafts rotate at a high speed in vacuum chamber, bearings will produce a great quantity of heat, if they can not be removed in time, that can directly influence the move of the bearing system, In this paper, we introduce heat pipes into the vacuum chamber and take advantage of the high thermal conductivity to remove a great quantity of heat in time which are produced when the high speed shafts rotate at a high speed, and make this system maintain at a normal temperature range.Research shows that we apply efficient heat pipe heat conduction technology to remove the heat that produced by spindle motor and main shaft bearings and can control temperature rising efficiently, also we can decrease system failure that caused by heat at the maximum extend and can largely enhance the service life of the shafts and the bearings.Key words: vacuum system high-speed bearing heat pipe 貴州大學本科畢業論文（設計） 第47頁第一章 緒 論1.1熱管的國內外現狀和發展趨勢自1973年首次國際熱管會議在Stuttgart召開以來至今已召開了十次會議，而我國自1983年首屆國內熱管會議在哈爾濱召開以來已舉行了六次全國熱管會議。廣泛和深入的學術交流與研討活動使熱管技術無論在理論、實踐、研究、制造、應用等方面均取得了新的突破和進展1，熱管這項新技術不僅顯示了很強的生命力，而且開拓了傳熱傳質學研究的新領域。目前熱管的研究重點已由理論研究轉移到應用技術研究，熱管的應用重點2 也由航天工業轉移到了普通工業，并不斷擴展到民用產品。我國于1970年開始對有吸液芯的熱管進行研究，1972年我國第一支鈉熱管研制成功，至80年代初我國從事熱管研究的科研單位及大專院校已遍及全國3。我國的熱管技術開發研究一開始就有明確的目標即為工業化服務,因此重點在于開發碳鋼水熱管換熱器。經過20多年的努力，我國的熱管技術工業化應用已處于國際先進水平4。目前，一個國家級熱管技術研究推廣中心已在南京化工大學成立,這對于未來我國熱管技術的研究開發將發揮重大作用。國外分離式熱管的研制開始20世紀80年代。這種熱管可實現遠距離傳熱，避免大直徑煙風道遷移；可實現一種流體與多種流體間的換熱；具有良好的密封性能；方便順逆流混合布置；大幅調整蒸發段與冷凝段的面積比還可使冷熱流體完全隔開；適用于換熱裝置大型化等優點。因此，很快引起了我國科技工作者的重視，并進行了廣泛的基礎理論和工程應用研究。分離式熱管中研究和應用最廣泛的是重力型分離式熱管（以下簡稱分離式熱管）。其中：中科院工程熱物理研究所和上海711研究所進行了分離式熱虹吸管組換熱特性的研究；上海海運學院進行了分離式熱管換熱器的模型實驗研究；東北工學院進行了分離式熱管元件充液量理論分析和實驗研究；重慶大學進行了分離式熱管的流動和傳熱研究；南京化工大學進行了分離式熱管的凝結換熱和傳熱極限5的研究；西安交通大學進行了分離式熱管蒸發段的試驗研究的充液量分析；華東船舶工業學院進行了大型分離式熱管換熱器的模型實驗研究；哈爾濱工業大學進行了熱管供熱系統與熱水供暖系統的技術經濟性比較研究，均取得了一定的成果。這些成果對分離式熱管及分離式熱管換熱器在工程實踐中的應用提供了良好的基礎。國外許多科研機構和科技工作者都先后對熱管冷卻技術進行了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。早在1978年Brost 等報道了西德成功研制出用于大功率半導體元件冷卻的熱管散熱器，它的重量僅為傳統散熱器的五分之一6； 二十世紀八十年代Peterson等研制了一種類似柔性熱管的用于電子器件或多芯片模塊的熱管裝置，并在以后的研究報告中給出了有關的分析和實驗，并提出了不凝結氣體的形成、軸向冷凝的阻塞以及由于小蒸發面積而產生的沸騰極限等一些問題7，它不僅引起了人們的廣泛注意和興趣，還促進了熱管技術在該領域的深入研究和應用。1.2熱管的結構和工作原理熱管的典型結構如圖1-1所示，熱管由熱管殼體、工作介質、毛細吸液芯三部分組成。它以一種封閉的管子或簡體作為殼體，形狀可以是各種各樣的，其內表面鑲套著多孔毛細吸液芯，待殼體抽成真空后充入適量的工作介質（液體），密封殼體即成熱管。圖1-1 熱管的結構及工作原理1管殼；2管芯；3蒸汽腔；4工作液體熱管殼體是一個能承受壓力的、完全密封的容器，它的幾何形狀沒有特殊的要求，一般情況下為圓管形。熱管在工作時殼體往往需承受一定的壓力，但熱管在制作時預先要建立很高的真空，一般為10210-2Pa。所以熱管殼體任何道焊縫都要經得起高真空檢漏及一定壓力的嚴格考驗。熱管殼體一般用鋁、銅、碳鋼、不銹鋼、合金鋼等金屬材料制成。工作介質在熱管工作時起載熱、輸熱的作用，依靠其相變過程來完成熱管的工作循環。殼體內的工質汽液兩相共存，液態工質在多孔的吸液芯內汽態工質則充滿熱管的內部空腔。由于制作熱管時的真空很高，所以除非是溫度比工作液凝固點還低，熱管內汽液兩相共存的工作介質通常是飽和的。熱管能在-2002000的溫度范圍內工作。工作溫度超過500的高溫熱管采用銀、鋰、鈉、汞、鉀、銫等金屬作工質；工作溫度為100500的中溫熱管采用水、導熱姆、萘作工質；工作溫度低于100的低溫熱管采用氨、乙醇、氟里昂作工質。在50250的溫度范圍內，水是最理想的工質，在250450的溫度范圍內，萘是理想的工質。毛細吸液芯緊貼于殼體內壁。它沿徑向分配液態工質，使其在吸液芯中均勻而穩定地保持一層薄薄的液膜，并產生毛細抽吸力，通過通道使凝結液沿軸向回流。毛細吸液芯是凝結液回流的動力和可靠通道。由金屬網、泡沫材料、毛氈、纖維或燒結金屬等多孔材料制成，也有只在管殼內部開溝槽、裝干道管8。1.3熱管特性分析熱管作為目前人類已知最高效的傳熱元件之一，熱管是通過將工質密封在高真空腔體中，依靠工質的相變進行傳熱，其工作是連續的，能將大量熱量通過很小的截面積遠距離傳輸而且無需外加動力，由于沒有失效的運行部件，所以熱管運行非常可靠。熱管的工作原理如圖1-1所示。液體工質在蒸發段，受到熱量的加熱而被蒸發。在真空的腔體中，蒸發的蒸汽經過絕熱段迅速流向冷凝段，蒸發段的熱量，也隨之被帶到了冷凝段。在冷凝段，蒸汽碰到管外冷卻流體，進行冷熱交換，釋放出蒸發段的熱量蒸汽由于失去了熱能，便著附在冷凝段吸液芯中的形成凝結液，凝結液在吸液芯毛細力的作用下，返回到蒸發段再吸熱。蒸發熱管3 個工作段中，蒸發段與凝結段是必不可少的，而絕熱段根據設計的要求可有可無，在實際應用的熱管結構中，通常都是沒有絕熱段的。 熱管作為一種高效的傳熱元件，有著區別于其它傳熱元器件的特性。在這里提出將熱管的技術用于高速主軸冷卻，主要因為熱管的以下幾點特性為實現主軸冷卻控制提供了可行性：（1）高效的導熱性。熱管內部主要靠工作液體汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數量級的熱量。因此有人把熱管稱之為熱的“超導體”。（2）熱響應性速度快。只要是蒸發段的溫度稍微高于其冷凝段的溫度，熱管就會快速響應，調節蒸發段溫度與冷凝段溫度之間的溫度差。（3）結構形狀的多樣性。熱管的基本結構可以根據熱源和冷源的條件需要，變化出多種形狀，而且加熱和冷卻的位置可以任意選取，使其適應性大大增強，也擴大了其應用的領域。（4）管內溫度分布非常均勻。熱管表面溫度是由真空中的蒸汽溫度控制的，而熱管內部的各部分熱阻很小，受溫度變化不大，當加熱量變化時，熱管蒸發段和冷凝段的溫度也會發生均勻變化。這種等溫性與熱管的形狀和尺寸關系不大。（5）導熱密度可以隨著需要的變化而變化。既可以用較小的蒸發段輸入熱量，用較大的冷凝段輸出熱量，也可以用較大的蒸發段輸入熱量，而以較小的冷凝段輸出熱量。1.4關于熱管冷卻系統高速主軸在高速旋轉時，和軸承產生大量的熱量，如不及時導走，將會影響系統的正常運行。在高速主軸的冷卻系統設計上，通過改用高效的導熱元器件，來控制電主軸的溫升，減小電主軸的熱膨脹，對于提高電主軸的使用性能是至關重要的。在本設計中，電機帶動軸和軸承轉動時，產生的熱量通過菊形盤和法蘭傳到真空室外，迅速通過熱管內部的蒸汽帶到冷凝段，而在冷凝端遇上冷空氣，就會迅速帶走熱量，保證電主軸的恒溫狀態。第二章 熱管的選擇及軸承產熱計算2.1 熱管工質的選擇良好的工質應具有如下的性質：傳熱能力高；在工作時有適中的飽和蒸汽壓；與管芯、管殼材料能長期相容，本身化學組成穩定，不發生分解；導熱系數高，潤濕性能好。工質的選擇取決于使用要求。采用不同的工質，熱管可以在極其廣泛的溫度范圍內工作。根據溫度范圍可將熱管分為低溫、中溫和高溫熱管。低溫熱管是指工作溫度在4200K范圍內的熱管。用氦做工質，可以在4K下工作。氫和氖可以在2030K范圍內使用。溫度再高一些，則可用的工質有氮和氧。在100200K范圍內常用的工質有甲烷、乙烷、F13等。低溫工質的特點是傳輸系數均很小，毛細升高系數也很小。它們與一般的工程材料均能相容，但用氫作工質時需注意材料的氫脆（腐蝕）問題。很多低溫工質是易燃易爆的，而且這些工質在常溫下貯存時均為超臨界狀態，壓力很高，因此需注意使用的安全性。中溫熱管是指工作在200700K范圍內的熱管。這是迄今使用最為廣泛的一類熱管。在此溫度范圍內，水的熱性能最好，能在350500K溫度下使用，缺點是與鋁，鋼等常用工程材料不相容，只能與銅長期相容而且其凝固點高，因此限制了它的使用。但近年來通過大量的研究，在鋼-水相容性方面取得了進展；鋼/水熱管已在余熱回收方面廣泛應用。在航天器溫度控制和空調系統所要求助200350K范圍內，最佳的工質是氨氣，其熱性能僅次于水。而且能與鋁、鋼等工程材料長期相容，凝固點也低，因此在衛星、飛船上得到了廣泛的使用。丙酮和甲醇可以在300400K范圍內使用，其蒸汽壓比氨低，與氨相比，可在較高溫度時使用。特別是甲醇，其熱性能僅次于氨，有良好的控制靈敏度，因而在氣體控制熱管中很有用。此外F11、F21、F113等氟利昂也可在這一溫區內使用。在中溫區的高溫端，即500K700K范圍內，合適的工質較少。已經進行研究的工質有汞和一些有機物，如導熱姆、聯苯等。但這些有機物的共同特點是蒸發潛熱及表面張力較小，高于一定溫度可能發生分解。鑒于這一溫區對于熱能回收、太陽能利用、化工過程有很大的意義，因此尋找該溫區的熱管工質仍是一個重要的課題9。根據設計所給熱管工作溫度在-4060這個區間，這一區間可選的工質有氨、甲醇和氟利昂。綜合工質選用原則和表2.1中的數據，選用甲醇作為工質較為合適。表2.1 幾種常見工質的適用范圍工質0.1MPa（常壓）下沸點（）熔點（凝點）（）臨界點（）合適的工作 范圍（）對應的壓力范圍（）氨33-78132.3-40600.0762.98氟利昂-1124-35 -201200.0161.32丙酮57-98235.5201200.0270.67甲醇64-98240301300.0250.786水1000374.2502500.0123.98導熱姆257124972003500.0250.555汞361-393005500.0441.503鉀774625508500.0100.234鈉8929860012000.0040.9592.2 工質物性數據的選擇和計算查化工工藝設計手冊：101.3時，甲醇的沸點為64.7。飽和溫度。取管內熱流體（甲醇）溫度。管外空氣冷流體溫度不變，取。甲醇定性溫度為：。空氣的定性溫度為：。甲醇在36.5時的物性數據10： 甲醇在48時的物理性質：空氣在25時的物理性質：表2.2 物理性質表物性甲醇（48）空氣（25）密度 792.81.185 比熱 2.5961.013導熱系數 0.2010.02634普蘭特準數8.3410.702粘度 2.3 估算熱管的工作溫度 已知：，則熱管工作的平均溫度為： 2.4 推動力的計算 2.5 軸承產熱的計算軸承的摩擦損失在軸承內部幾乎全部變為熱量，因而致使軸承溫度升高，軸承的發熱量可以用以下公式進行計算11： 式中： 軸承摩擦發熱量，； 摩擦力矩，； 軸承轉速， ；摩擦力矩的估算公式為： 式中： M 摩擦力矩，； 軸承摩擦系數，的取值見表2-34，本設計取； 當量動載荷，； 軸承的公稱內徑，；由查軸承標準，選用極限轉速為22000的軸承，其型號為61905。基本參數為：內徑，外徑，寬度，基本額定動載荷，基本額定靜載荷，疲勞負荷極限。軸承的預期計算壽命取為10年，軸承壽命計算公式12：，對于深溝球軸承，式中取3。代入數據： 則： 表2.3各類軸承的摩擦系數軸承類型摩擦系數深溝球軸承0.00100.0015角接觸球軸承0.00120.0020調心球軸承0.00080.0012滾針軸承0.00250.0035圓錐滾子軸承0.00170.0025調心滾子軸承0.00200.0025推力球軸承0.00100.0015推力滾子軸承0.00200.00302.6 熱管工作平均溫度的計算 因為，則熱管工作的平均溫度： 。 2.7 管殼材料的選擇及強度計算管殼的作用是將工質與外界環境隔離，因此對它的基本要求就是密封不漏，并能承受內、外壓差。管殼還是熱量傳入與傳出熱管的必經之路，因此要求它的熱阻小。它還必須與工質相容。在具體應用時，還應滿足一定的形狀尺寸要求。一般情況下，熱管殼體均為金屬材料制成，但在特殊情況下，如要求熱管具有電絕緣性能時，也有用非金屬材料（如陶瓷）作熱管殼體的。選擇管殼材料應考慮如下幾個方面13：（1）相容性及穩定性不僅與工質要相容，還應與外界環境介質相容。在工業應用中，特別是化工裝置中的換熱器或是煙氣廢熱回收換熱器中，熱管可能直接與腐蝕性介質或氣體接觸，這樣為了保證熱管能長期安全可靠地運行，與外部介質的相容性也需在選擇管材時加以考慮。（2）高的導熱系數在采用金屬材料殼體情況下，主要熱阻在管芯上，這個要求很容易滿足，但在溫差要求極小的等溫熱管（如黑體）或管殼采用電絕緣林料的情況下，應盡量選擇導熱系數高的材料。（3）工藝性好首先要求材料有良好的焊接氣密性，例如用鋁合金作管殼時，應選用焊接氣密性好的純鋁或鋁鎂合金（防銹鋁），一般不采用常用的結構材料鋁-銅合金，如LY12，因它的焊接氣密性較差。在結構鋼中，推薦采用易焊接的低碳鋼10、15等。對槽道熱管，一般是用擠壓性能良好的鋁鎂合金LF21、LF2、紫銅等材料。（4）高強度，重量輕 這個要求對空間應用是極為重要的，因此在航天器上使用的中、低溫熱管大都采用鋁合金做管殼。（5)材料致密，滲透率要小。（6)對工質有良好的浸潤性。（7)價廉。綜合管殼材料的選用原則和表2-4，本設計選用鋼號為Q235（GB 912）的碳素鋼為管材14 。根據我國管材標準GB151，可先選用壁厚2.5，管外徑32的碳鋼熱管。校核所能承受的最大工作壓力。碳鋼的應力：315335，取。根據材料許用應力公式有： 因為，其中，碳鋼抗拉強度安全系數：。材料許用應力：熱管最大容許工作壓力的計算： 式中：熱管壁厚，；熱管外徑，。查文獻3可得甲醇在36.5時的飽和壓力，所以。故選用壁厚為0.0025的碳鋼作為熱管材料是安全的。表2.4 常用管殼材料和工質的相容性工質鋁銅碳鋼鎳不銹鋼鈦氮甲烷氨甲醇丙酮苯水聯苯醚鉀鈉汞表2-4中， “”表示管殼材料與工質能相容；“”表示管殼材料和工質不相容。 2.8 熱阻和傳熱面積的計算2.8.1 熱阻的計算由熱管和熱管換換熱器式3.5.1，本設計按照常規圓筒壁導熱公式計算：式中：蒸發段導熱熱阻，；冷凝段導熱熱阻，；熱管外徑，；熱管內徑，；管壁導熱系數，；熱管蒸發段長度，；熱管冷凝段長度，。 設和分別為充滿液體的吸液芯在蒸發段和冷凝段的傳熱熱阻，若不考慮吸液芯中所發生的對流傳熱的影響，則和仍可看成是通過圓筒壁的導熱熱阻，不過在考慮的時候應采用有效的導熱系數。因此：式中： 冷凝段吸液芯有效導熱系數，；設和為別為蒸發段和冷凝段汽液交界面的傳熱熱阻，有：式中： 氣體常數； 蒸發段氣液交界面處的蒸汽溫度，； 與相平衡的蒸汽壓力，； 式中：各符號的下標代表冷凝段，其余意義與上式相同。設是蒸汽流動傳熱熱阻，設蒸發段的蒸汽壓力為，冷凝段的蒸汽壓力為，有： 實際上，由于氣液交界面處的溫降以及蒸發段和冷凝段蒸汽流動的溫降都很小，因而其熱阻也可以忽略不計，故在設計計算中，、和常常忽略不計，所以此處僅考慮、和，總熱阻為各個熱阻之和。式中提到的吸液芯導熱系數和，由熱管與熱管換熱器，對于芯子液體串聯，查熱管與熱管換熱器表4-1可知： 式中： 充滿液體吸液芯的有效導熱系數，； 液態工質的導熱系數，；吸液芯材料的導熱系數，；液體的容積份額（液體的體積與液體和吸液芯總體積之比），適用范圍為。故對于蒸發段，取0.8計算，蒸發段吸液芯有效導熱系數：對于冷凝段，取0.25計算，冷凝段吸液芯有效導熱系數： 熱管采用的是Q235型號碳素結構鋼，查得，。 2.8.2 傳熱面積的計算設為蒸發段管壁外表溫度，為冷卻段管壁外表空氣溫度，由熱管和熱管換熱器，有： 式中： 熱管蒸發段管壁溫度，； 熱管冷凝段管壁溫度，。將數據代入： 則熱量損失效率：考慮到由軸承產生的熱量在菊形盤、導熱板和柔性線纜上傳導時也存在熱量損失，特別是筒體將散失掉相當一部分的熱量，設計取，則熱管熱負荷： 由前計算可知：，設熱管蒸發段的傳熱面積為，蒸發段的對流傳熱系數為。值可由經驗公式15計算：式中： 蒸發段的傳熱系數，； 熱流體的流速，； 單位體積熱流體流過蒸發段的換熱量，。 所以：2.9 傳熱管數目的計算蒸發段長度，冷凝段長度。那么所需熱管的數目：根取8根。2.10 單根熱管的傳熱能力 每根熱管的傳熱能力= 表2.5階段數據總結總熱量熱管總數（根）單根熱管傳熱量總傳熱面積 6.601 8 0.825 0.3375熱管外徑蒸發段長度冷凝段長度 傳熱系數 320.50.51703第三章 熱管的設計3.1 聲速極限條件下的蒸汽腔直徑由熱管技術理論可知，管徑設計的一個基本原則是管內的蒸汽速度不超過一定的極限值，這個極限值就是在蒸汽通道總的最大馬赫數不超過0.2。在這樣的條件下，蒸汽流動可以被認為是不可壓縮的流體流動，這樣軸向溫度梯度很小，并可忽略不計，否則，在高馬赫數下蒸汽流動的可壓縮行將不可忽略。一般說來，一根熱管所要傳遞的最大軸向熱流量是已知的，如果又限定它的馬赫數等于0.2，由熱管技術理論式2-104得：故：式中：蒸汽腔直徑，；單根熱管傳遞的最大熱流量，；蒸汽的熱流密度，；汽化潛熱，；是蒸汽比熱容比，單原子蒸汽等于5/3，雙原子蒸汽為7/5，多原子蒸汽為4/3；蒸汽的氣體常數，等于通用氣體常數除以蒸汽的分子量，即 （），則；蒸汽的溫度，。代入數據： 即只要蒸汽腔直徑大于3.74，就不會出現聲速極限。故選用壁厚2.5，管外徑32（內徑為）的熱管滿足要求。3.2 吸液芯的選擇及設計3.2.1 吸液芯的選擇考慮到制造方便，決定選用絲網結構，并選用銅質絲網。熱管仰（傾）角為。（1）由熱管技術理論式3-19知，液芯所需克服的液柱靜壓頭為： （2）選取絲網目數根據經驗，所選絲網的毛細壓力要大于液柱靜壓頭，熱管才能穩定地工作，即： 因此 根據表2-1知，多層絲網可取，為絲網間距，相當于網眼寬度，一般情況下，網眼寬度等于絲徑，由此可得： 因而可求得網目數為： 因為相當于英制304目，取標準350目，350目換算成公制為： 因此選用350目的多層銅絲網吸液芯可達到上述要求。表3.1 幾種吸液芯結構的有效毛細半徑1619吸液芯結構有效毛細半徑說明圓柱形毛細孔溝槽毛細孔半徑矩形溝槽溝槽寬度三角形溝槽溝槽寬度頂角圓形溝槽溝槽寬度平行絲線芯線間距絲網芯（多層）絲網間距網絲直徑燒結金屬氈氈絲直徑孔隙率填充球（燒結芯）顆粒半徑 孔隙率：式中：為單位網格的纖維長度。對于矩形斷面的纖維，為其厚度，對于圓形斷面的纖維，為其直徑。（3）最大毛細壓力 對350目絲網，仍假定其絲間距與其絲直徑相等，則： 絲網產生的最大毛細壓力為： （4）滲透率 由熱管技術理論表2-3可查得卷繞絲網滲透率為： ，而 代入數值后，有： （5）由熱管技術理論式3-21，得吸液芯截面積： （6）吸液芯層數 已知絲徑，每層絲網厚為，故層數： 為使熱管有較大的富余能力，取層，故實際網厚： 3.2.2 實際蒸汽腔直徑 即：可近似取3.2.3 驗算毛細極限和計算傳遞的最大功率 吸液芯實際厚度下的毛細極限為： 假設甲醇蒸汽在熱管中的流動為層流流動，則蒸汽摩擦系數： 液體摩擦系數： 將上述數值代入熱管技術理論式3-20得： 可見設計的吸液芯滿足要求。3.2.4 核算雷諾數 由熱管技術理論式2-103得： 可見按層流流動計算是正確的。3.3 熱管傳熱極限的計算 熱管的傳熱能力雖然很大，但是也不可能無限地加大熱負荷。實際上，熱管的工作能力總是受到若干因素控制的。如果我們以熱管的工作溫度為分析依據，熱管的工作特性如圖3-1所示： 圖3-1 熱管的傳熱極限圖中12是代表粘性極限，它意味著熱管中蒸汽流動的粘滯阻力限制了熱管的最大傳熱能力；23代表聲速極限，即由于熱管內蒸汽流速在某一點達到了當地聲速而限制了熱管的傳熱能力；34代表攜帶極限，這是由于熱管內部蒸汽流速過高，將逆向回流的冷凝液體部分地從汽-液交界面上“撕落”下來，攜帶往熱管的冷凝段，從而破壞了熱管的正常工作并達到的傳熱極限；45代表熱管的毛細極限，所謂毛細極限是指熱管在工作條件下，內部的汽、液循環流動所產生的壓力降和重力場對管內流體的影響，由此而帶來的壓力損失恰好與熱管內吸液芯所能產生的最大毛細壓頭相平衡，此時所達到的熱管傳熱極限稱為毛細極限；56代表沸騰極限，它是熱管加熱段吸液芯中的液體受熱沸騰所產生的氣泡阻礙了正常液體的回流，或由于徑向熱流密度過大，從而形成膜態沸騰，使得壁面干涸所產生的傳熱極限。盡管熱管具有極好的傳熱性能，但也受到一定限制，即工質流動過程的限制。達到某些極限后，工質不能連續流動，例如介質冷凝后的回流量不能滿足蒸發段的蒸發量時，就會造成循環障礙，即使溫差加大，熱流壁也增加甚微，甚至不會增加。當工作介質的循環中斷，蒸發段液體耗盡時就形成干涸點，熱管發生干涸后，如果熱源溫度向上浮動，管殼溫度會急劇上升并可能燒毀;如果熱源溫度穩定而不過高，熱管達到干涸點后，就簡單地停止工作而失效，這時的失效熱管只能像一支普通的金屬管(棒)一樣導熱，其傳遞的熱量大大低于正常仁作的熱管。Busse對熱管內部傳熱極限的描述，有助于人們對傳熱極限概念的進一步理解。它以熱管橫截面上軸向平均熱流密度為縱坐標，熱管兩端的溫差為為橫坐標，概念性地對熱管傳熱極限作了分類。如圖3-2所示，當熱管兩端溫差為零時，沒有熱量傳送，熱管內具有均勻的溫度。如熱管的一端冷卻到，而熱管的另一端仍保持不變，則熱流隨著的增大而快速增加，圖中0-1段的斜率很大，說明熱管有很大的熱導率，它可能比相同尺寸的銅棒大上幾個數量級。當熱流到達1點時，熱導率突然下降為零。各種熱管在不同的工作狀態下，可能出現和限制其傳熱能力的極限不盡相同。在上述的熱管傳熱極限中，毛細極限、聲速極限、攜帶極限和沸騰極限是熱管運行中最普遍遇到的。 圖3-2 熱管傳熱極限的示意圖3.3.1 攜帶傳熱極限的計算 由熱管與熱管換熱器中公式338可以知道： 式中為加工表面厚度，取。 為臨界深度，等于。 為與蒸汽速度圖形有關的系數，對于層流可以取。 汽化潛熱，取。由此可以得到： 由于，攜帶極限大于每根管的傳熱能力，因此攜帶極限是符合的。3.3.2 聲速傳熱極限的校核由熱管與熱管換熱器中公式325可以知道： 式中：是蒸汽比熱容比，單原子蒸汽等于5/3，雙原子蒸汽為7/5，多原子蒸汽為4/3。是蒸汽的氣體常數，等于通用氣體常數除以蒸汽的分子量。 （）汽化潛熱，1170 。 可見，所以聲速傳熱極限合適。3.3.3 沸騰傳熱極限的計算由熱管與熱管換熱器中公式396可以知道： 式中：氣泡生成的臨界半徑，；的取值在 之間，對于一般熱管，作為保守計算，可以取；汽化潛熱，1180；蒸發端導熱系數，在36.5下取； 因為，所以沸騰極限合適。3.3.4 干涸傳熱極限的校核由熱管中公式310可以知道： 式中：汽化潛熱，1180； 重力加速度，。 由于，所以干涸傳熱極限是合適的。從以上的計算可以知道熱管工作安全，所以設計的熱管是合理的。3.4 熱管充裝量的計算熱管工質的最小充裝量的計算：由熱管中公式311可以得： 因為熱管的充裝量必須要大于這個最小充裝量，由熱管設計應用可以知道一般熱管的充裝量在，本設計取為來計算充裝量：由得： 顯然大于最小充裝量，所以熱管是安全的，本次設計的充裝量合理。3.5 冷凝翅片的選擇和計算通常熱管外徑為時，翅片高度選（一般為熱管外徑的一半），厚度選在為宜，應保證翅片效率在0.8以上為好。翅片間距對干凈氣流取；積灰嚴重時取，并配裝吹灰裝置。綜上所述，熱管參數如下：翅片節距：每米熱管長的翅片數：每米長翅片熱管翅片表面積：每米長翅片熱管翅片之間光管面積：每米長翅片熱管光管外表面積：肋化系數： 表3.2 散熱翅片尺寸熱管內徑/mm熱管外徑 /mm翅片內徑/mm翅片高度/mm翅片厚度/mm翅片間距/mm肋化系數 27325012.5148.538第四章 真空室結構設計4.1 真空室壁厚的計算根據工作要求，當主軸轉速為20000時，取真空室內徑20。真空室承受的外壓為，工作溫度為室溫。根據機械工程材料知道，是應用最廣，用量最大的低合金強度結構鋼。其綜合性能較好，廣泛用在石油化工設備、船舶、橋梁等大型鋼。介于它的這些優點，本設計筒體的材料采用。根據GB150-98規定介紹外壓圓筒圖算法步驟如下：（1）假設名義厚度假設名義厚度。令，為材料厚度負偏差，腐蝕裕量。根據GB6654壓力容器用鋼板和GB3531低溫壓力容器低合金鋼板規定壓力容器用鋼板的厚度負偏差不大于0.25。當使用標準鋼板（20R、16MnR、16MnDR）等時，腐蝕速度大小，還要考慮是單向腐蝕還是雙向腐蝕等因素。本設計根據前人設計經驗取，則：（2）由，查化工機械手冊圖4-3-3求值。若的值大于50，則用查取。若的值小于0.05，則用查圖4.1可得值。 圖 4.1 外壓或軸向受外壓圓筒幾何參數計算圖（用于所有材料）在工程中根據的大小，將外壓圓筒劃分為厚圓筒與薄圓筒，薄圓筒的計算只考慮失穩問題，而圓筒則要考慮失穩問題，而圓筒則要考慮失穩和強度失效，關于兩者的劃分界線GB150按=20劃分，當小于20時為厚圓筒，大于20為薄圓筒，本設計的=96.47，所以為薄圓筒設計，只要進行穩定性校核即可。對于已經知道的D和的圓筒，又可以按某臨界長度區分為長圓筒和短圓筒，這個臨界長度用公式表示，當圓筒的計算長度大于臨界長度時為長圓筒，當小于臨界長度時為短圓筒。本設計的臨界長度為：m，所以設計的圓筒為段圓筒。根據，查表得周向應變值為：=0.000095。對于薄壁圓筒，由過程設備設計式4-26和式4-27有： 由圖4-1查出系數，可知值落在設計溫度下材料的左方，即是圖4-2中標記，則用公式：來計算許用外壓力 。16MnR在25時的，從而有： 圖4.2 圖算法求解過程因為，且較接近，所以假設的名義厚度合理，取假設值10mm為筒體厚度。查化工機械手冊表4-1-3有： 表4.1 標準筒體的參數公稱直徑 壁厚度 800 104.2 封頭設計4.2.1 假設名義厚度假設，令，按筒體的設計步驟取為，則。4.2.2 值的計算 由鋼制壓力容器公式6-5則有： 查鋼制壓力容器圖6-5有：。4.2.3 計算許用壓力查鋼制壓力容器圖6-5有， 封頭工作外壓力為：，可以知道，所以封頭厚度足夠，封頭安全。以內徑為公稱直徑的標準橢圓封頭參數查化工機械手冊表4-1-4則有：表4.2 標準封頭的參數公稱直徑 曲面高度直邊高度厚 度內表面積容 積質量800 200 40 10 0.792 0.0871 91.34.2.4封頭與筒體連接法蘭的選擇查化工設備機械基礎，容器封頭和筒體的連接選用甲型平焊法蘭，由筒體內徑可知，查化工設備機械基礎 表10-4，選用， 標準號為的甲型平焊法蘭，質量為77，配用螺柱GB5780-86，螺母GB41-86，規格為。表4.3 封頭和筒體連接法蘭參數 8009308905436 234.2.5 密封結構 查真空室設計手冊，當直徑小于DN200的真空室密封，一般采用平面密封、斜楔密封、圓錐面密封、刀口密封、臺階密封和惠勒（Wheeler）密封等標準密封形式，但具有形狀復雜、加工精度要求高等缺點，直徑大于DN800的真空室密封難以達到。為克服上述缺點，該真空室采用60“V”型槽密封結構。4.3 真空口法蘭的選取選用板式平焊法蘭。查化工設備機械基礎中表10-19得，標準號為：HG20593， 配用螺栓GB5780-86，螺母GB41-86。選用標準法蘭與附件參數如表4.5所示：表4.5 真空接口法蘭表公稱直徑管子法蘭螺孔中心圓直徑螺孔直徑螺栓DbL重量kg數量直徑長度1014751250110.364M1244.4 人、手孔的設計作為壓力容器的出入口或檢查口的人、手孔，結構型式很多，根據JB255579，碳素鋼、低合金鋼的人孔和手孔的類型和規格范圍。在設計人孔、手孔時一般按下列方式開設人孔、手孔的裝設與選用原則：1、在化工容器中為了便于檢查和清洗，一般是在化工容器中設計人孔或者是手孔。（1） 設備內徑在,一般不考慮開設人孔,可開設12個手孔(成年人的手長一般為650700mm)。（2） 設備內徑在以上，應該開設人孔。 （3） 設備內徑大于時，頂蓋與筒體上最少開設一個人孔。 2、能夠開設人、手孔的場合，應盡可能不采用可拆卸大蓋。3、直徑較小，壓力較高的室內設備，一般可選用人孔。4、設備運行中，需要經常打開人、手孔蓋時，應該開設人孔。5、對于受壓設備，人孔蓋較重，一般均采用吊蓋式或回轉蓋式。6、人手孔的裝設位置，應便于檢查、清理、取出內件和進出設備。7、當封頭上開孔很多時，手孔可以考慮放在人孔上。本設計筒體內徑為，所以不用開設人孔。 4.5 開孔補強由于接管的外徑為均小于89，所以不需要開孔補強。4.6液壓試驗設計溫度為，25，由鋼制壓力容器國家標準可知，耐壓實驗壓力為： 式中：設計壓力，； 試驗溫度下殼體材料的許用應力，；實驗壓力，； 設計溫度下殼體材料的許用應力，；查得厚度為10的16MnR在25下的許用應力為520，設計壓力為0.2，代入數據：實驗前的應力校核： 式中：實驗壓力下圓筒的應力，；有效厚度，；圓筒內徑，。試驗壓力下圓筒的應力為：在進行液壓實驗時，要求滿足以下條件：。圓筒材料在實驗溫度下的屈服極限：從