高磊-热管换热器的设计

AbstractPAGE26毕业设计论文姓名：学号：学院：专业：热能动力工程题目：热管换热器的设计指导教师：讲师2014年6月摘要PAGE25目录摘要热管式高效的传热元件，它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由热管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之热管换热器。由于其结构简单、可操控性强、换热效率高、动力消耗小等优点，热管换热器越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的的换热设备。目前，它被广泛应用于动力、化工、冶金、电力、计算机等领域。本文就热管换热器的发展现状，趋势，应用及设计做了一个简要的论述，着重探讨了热管换热器的设计。在讨论热管换热器的设计过程中，主要针对其热力计算，设备结构计算，元件参数的选择做了一个合理构建，并结合实际情况设计出了空气预热管式换热器基本模型。关键词：热管；热管换热器；结构参数；设计计算东北电力大学本科毕业论文摘要AbstractHeatpipeisahighlyefficientheattransfercomponents,itisafastheattospreadfromonepointtoanotherpointofthedevice,consistingoftheheatpipecomponents,theuseoftheprincipleofheatpipeheatexchangerforthermalexchangecalledtheheatpipeheatexchanger.Becauseofitssimplestructure,strongcontrol,heatexchanger,highefficiency,powerconsumption,etc,andheatpipeheatexchangermoreandmoreattention,isverygoodprospectheattransferequipment.Atpresent,itiswidelyusedinpower,chemical,metallurgy,electricpower,computersandotherfields.Inthispaper,thedevelopmentofheatpipeheatexchangerstatus,trends,applicationsanddesignhadabriefdiscussion,focusedonthedesignofheatpipeheatexchanger.Heatpipeheatexchangerinthediscussionofthedesignprocess,mainlyforthethermalcalculation,equipment,structuralcalculations,componentselectionofparametersmadeareasonableconstructionanddesigncombinedwiththeactualsituationoftheairheatpipeheatexchangerpreheatingthebasicmodel.Keywords:Heatpipe;Heatpipeheatexchanger;Structuralparameters;Designcalculation目录目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景及意义 11.1.1热管工作原理 11.1.2热管的基本特性 21.1.3热管技术的应用及进展 21.2热管换热器 31.2.1热管换热器的基本特性 31.2.2热管换热器分类 41.2.3热管式换热器与其它类型换热器比较 81.2.4热管换热器技术展望 81.3换热器应用前景及研究进展 91.3.1我国换热器市场规模 91.3.2国际市场换热器发展情况 101.3.3我国换热器研究进展及存在的问题 10第2章确定设计方案 122.1选择换热器类型 122.2热管的设计 122.3热管换热器的设计计算方法 13第3章热管换热器设计准备 14第4章热管设计 154.1热管工作温度的选择 154.2热管传热极限的影响 16第5章设备的结构设计 185.1材料的选择 185.2筒体的设计温度、压力选择 185.3椭圆形封头的设计 185.4容器法兰的选择 185.5管板的设计计算 185.5.1管板的厚度计算 185.5.2管板管孔直径的确定 195.5.3管板与壳体的连接 195.5.4管板与管子的连接 19第6章附件的选取 216.1液面计的选择 216.3压力仪表的选取 216.4流量测量仪表 21结论 22致谢 23参考文献 24附录 26第1章绪论第1章绪论1.1课题背景及意义换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器,换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器的热性能不仅与自身的几何形状和材料有关，而且还取决于进行热交换，热状态介质的热力学性质。节能换热器过程中能量损失包括两个方面：首先，功率促进流体流动的消耗量到达有些速度；其次，温度热传递不可逆的损失。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低,吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。目前，换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中被广泛使用。随着我国工业的不断发展,对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器也相继问世。热管是高效的传热元件,它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由于它具有超常的热传导能力，而且几乎没有热损耗，因此它被称作传热超导体，其导热系数为铜的数千倍。热管传热技术于六十年代初期由美国的科学家发明，它是利用封闭工作腔内工质的相变循环进行热量传输，因而具有传输热量大及传输效率高等特点。随着热管制造成本的降低，尤其是九十年代前后随着水碳钢热管相容性问题的解决，热管凭借其巨大的传热能力，被广泛应用于石油、化工、食品、造纸、冶金等领域的余热回收系统中。图1-1热管工作原理图1.1.1热管工作原理图1-1热管工作原理图其大致原理为:热管外部有一个形成真空的密闭管壳,真空度为1.3×10—1.3×10pa，沿管子内壁有毛细结构材料，管子内补充有一定量的工作液体。管内的工作液体在热管的一端吸收热量后蒸发汽化，在微小的压强差下流向热管的另一端，向外部释放热量，于是又冷凝成液体，借助毛细结构材料抽力返回，再次吸热、汽化、传输、放热、冷凝过程，从而实现热量从热管一端到另一端的传递。1.1.2热管的基本特性(1)很高的导热性。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的传热能力导热能力。(2)优良的等温性。热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。(3)热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即可改变热管的管内蒸汽压力和温度，这样即可以改变热流密度。(4)热流方向的可逆性。一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。(5)恒温特性。普通热管的各部分热阻基本上不随着热量的变化而变化，但可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。(6)热二极管与热开关性能。热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。(7)环境的适应性。热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。1.1.3热管技术的应用及进展热管是一种高效的传热元件，热管技术研究的重心已经从理论研究转移到应用研究，热管的应用已经由航天转向地面，由工业转向民用。当前，热管在太阳能利用、笔记本电脑CPU的冷却以及大功率晶体管的冷却、化工、冶金、动力等领域的应用都取得了良好效果，热管在这些领域的应用，将进一步促进新型热管技术的开发和应用。特别指出的是,热管技术在太阳能方面的应用市场前景尤为广阔。目前太阳能热管发电装置、太阳能热管热水器等产品已经得到了较为广泛的应用。最近几年来，热管技术以其独特的性能，在各方面发展都十分迅速。热管研究和应用的领域也在不断拓宽，特别是微型热管技术的出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板的冷却、核电工程中的应用得到了极大的发展。毋庸置疑，21世纪热管技术必将朝着更高效、更普及、微型化、大规模化的方向发展。1.2热管换热器由热管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之为热管换热器。一般情况下，它有一个矩形的外壳，在矩形外壳中布满了带翅片的热管，热管的布置可以是错列呈三角形的排列，也可以是顺列呈正方形排列。在矩形壳体内部的中央有一块隔板把壳体分成两个部分，形成热流体与冷流体的通道。当热冷流体同时在各自的通道中流过时，热管就将热流体的热量传给了冷流体，实现了两种流体的热量交换。热管换热器是由美国发明的，最初被用于航天技术和核反应堆，以解决向阳面和背阴面受热不均匀。它是一种新型的换热器，于70年代初才开始应用于工业中作为节能设备。虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。热管换热器的最大特点是：结构简单、换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器，换热流体通过换热器时的压力损失也比其他换热器小，因而动力消耗也小。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热设备。20世纪90年代被用于民用空调，由于其优越的导热性，受到越来越广泛的重视，目前在计算机、雷达等高科技领域被广泛应用。1.2.1热管换热器的基本特性（1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。热管换热器用于易然、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。（2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。（3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。（4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。热管是借助于工质液体的汽、液相变来传递热量，热阻小，导热能力强。因为这种相变传热方式相变潜热大，所以它的传热能力一般比以显热方式的传热能力大几个数量级，有人把热管这种良好的导热性称之为“超导热性”。如1k水在常压下的汽化潜热量2257．1kJ／kg几乎相当于5．4kg水从0℃加热到100当导热环节成为强化传热的关键时．利捌热管会收到良好的效果。如航天技术中的温度控制，电子器件及铸模的冷却，导出化学反应器中的反应热。在热管的工作循环中工作液体的蒸发和蒸汽的凝结过程分别在蒸发段与凝结段进行，如忽略蒸汽流动所需要的微小压差，则热管内部应处于一个相平衡状态，而工质的相变过程具有极严格的饱和压力和饱和温度间的依变关系，所以理论上热管两端的温度是相等的。由于必须有微小的压差推动蒸汽由蒸发段向凝结段流动，不可避免地使蒸发段与凝结段间存在一定温差，但是根据Clausuis-Clapeyron方程，对应于微小压差的温差很小。即与其他传热方式相比它，热管能在低温差下传递热量，是十分理想的等温元件。利用热管的等温性能，可以制成各种形式的热管均温炉、黑体炉，也可以用于铸模的均热。这样通过改变蒸发段与凝结段的外表面积，可以将集中的热流分散，作为优良的散热器来冷却其他方法难以冷却的高热流密度部件，如用于电子计算机元件、变压器、内燃机等的冷却散热；还可以把分散的热流集中使用，如用于高功率密度的热离子换能器、温差电池、太阳能集热器。有吸液芯的热管能仅靠毛细力工作，热管水平放置或失重，则受热段成为蒸发段，另一端则为冷凝段，热管内的传热方向可以逆转。可以将热管传热方向可以逆转的特点用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可以用于先放热后吸热的化学反应器及空调余热利用装置。利用热管工质凝固点温度值．把热管制成传热系统中的温度开关。只有热源能使热管工作温度高于工质凝固点时，热管才投入运行，当热管工作温度低于工质凝固点时，热管自动停止工作。热阻可控热管的恒温特性；在热管内充入一定量的不凝气体，热管工作时，不凝气体压至冷凝端形成无效区，这一不凝气体无效区的大小随加热量的增加而变小，而保持热管工作温度基本不变。可控热管已经成功地应用丁空间飞行器和化学反应器的温度控制。热管可以适用于各种介质、各种类型的热源，热管的形状町以随喾热源的条件而变化，可以在低温差下向较远传热。1.2.2热管换热器分类(1)按形式分:整体式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器等。（2）按功能分：气-气式换热器、气-液式换热器、气-汽式换热器等。根据具体工况设计的热管换热器结构及外形形式多样，图1-3、图1-4分别为应用最为广泛的气-气热管换热器外形示意图和气-液热管换热器外形示意图。图1-3气-气热管换热器图1-4气-液热管换热器图1-3：热管气-气换热器是单管组合式热管换热器中的一种气-气热管换热器，也是目前应用最为广泛的一种余热回收设备,它利用锅炉、加热炉等排烟余热预热炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，还可以减轻对环境的污染。图1-5：是热管气-气换热器用于回收锅炉烟气余热，得到的热空气用于锅炉助燃的流程示意图图1-5热管气-气换热器流程示意图热管气-气换热器综合起来有如下一些特点：①传热性能高。由于热管气-气换热器的加热段和冷凝段都有带翅片，大大扩展了换热表面，因此，其传热系数比普通光管气-气换热器的要大好多倍。②对数平均温差大。由于热管气-气换热器可以方便地做到冷流体与热流体的纯逆向流动，这样在相同的进、出口温度条件下，就可以产生最大的对数平均温差。③传热量大。由于热管气-气换热器的传热系数和对数平均温差大，因此，传热量就大。④体积小、重量轻、结构紧凑。由于热管气-气换热器所传输的热量大，因此在传输同样的热量情况下，热管气-气换热器就显得体积小、重量轻、结构非常紧凑，因而金属的消耗量小，占地面积也就大大减少。热管气-气换热器这一独特的优点就使其在余热回收等应用领域开辟了广阔的天地。⑤便于拆装、检查和更换。热管气-气换热器是由许多根独立的换热元件-热管按着一定的排列方式组成的。因此更换部分热管不会影响热管气-气换热器整体的正常工作。⑥热管气-气换热器具有很大的灵活性。可以根据不同的热负荷和气体的流量将几个热管气-气换热器串联或并联起来使用。热管换热器的优点；热管换热器的兴起与发展和世界能源形势密切相关。能源是国民经济的重要物质基础，随着工业的迅速发展，能源需求的矛盾日益尖锐，因此世界各国大力发展节能技术，余热利用引起了越来越多的关注。我国能源消费居世界第三位，但燃料利用率不到30％，能源短缺制约着国民经济的发展。根据我国“能源要以开发和节约并重，近期内把节能放在优先地位”的方针，余热的回收及利用在节能工作中占有重要的地位。我国的余热资源丰富，大量的工业余热没有得到充分的利用，冶金炉和工业窑炉的排烟温度多在200～1300℃之间，排烟热损失占供热量的30～50％。工业锅炉的排烟温度在200～250℃左右，每年损失的燃料折合标准煤达2000万吨左右。在电力工业中，不少电站锅炉排烟温度可高达160--180℃在回收余热时，由于烟气的温度水平较低，换热器冷、热流体的对数平均温差较小，所以需要较大的换热面积，金属消耗量大，设备投资施工费用大。而且由于烟气在换热器内流程长，流动阻力较大，引风机，耗电增大。此外，在低温余热回收中常常出现低温腐蚀。所以，在80年代前一般认为回收250℃一，冷热流体两侧的换热面可以自由布置，热管换热器传热性能好。在热管换热器中，冷、热流体都在热管的外表面流动，冷、热流两侧的换热面可以自由布置，可以在热管的一侧或两侧布置肋片强化传热，与常规换热器相比，热管换热器具有较高的传热系数。常规管板式和蛇形管式换热器只能布置成交叉流的形式，热管换热器的冷、热流体可以布置成纯逆流形式，具有较高的对数平均温差。所以热管换热器传热性能好，重量轻，体积小。更适用于温度、流量、流体性质相差悬殊的两种流体间的传热。最具代表性是气．气热管换热器，这种换热器的两种流体都是气体。由于可以在蒸发段和冷凝段热管外表面同时加翅片，使肋化比达到8～10，克服了气体换热系数小的缺点，从而大大强化了整个气．气换热过程，在同样的空间里可以布置比管式换热器大2～3倍的换热面。其中的热管空气预热器，解决了低温受热面的腐蚀、回转式空气预热器的漏风问题，在热能工程中得到了成功的应用二、流动阻力损失小由于热管换热器传热性能好，换热面小，所以流体流过的热管排数少，流动阻力损失相应减小。回收余热时送、引风机的功率增加不多有利于已有设备的节能改造。三、抗低温腐蚀性能好回收烟气余热是有一定限制的，即排烟温度不能过低。当排烟温度过低，换热器金属壁面温度低于烟气露点时，换热设备会发生低温酸腐蚀。低温腐蚀是在低温余热回收中必然出现的问题。根据传热学得到烟气侧壁温。四、二次间壁换热特性；常规间壁换热器只要有一处损坏，冷、热两种换热流体就会相通而发生泄露，必须停车检修。热管换热器是二次间壁换热，即使单根热管破坏，冷、热两种换热流体也不可能相混，无须停车检修，保证了现代化、连续大生产实现安全、可靠及长周期运行，对于易燃、易爆、有毒、有害流体的加热或余热回收有特殊的意义。在高炉设备的风口、渣口、反应设备的中间换热、催化裂化的连续取热、重要生产中的余热回收等过程中．必将代替传统换热设备而取得显著的经济效益。五、挠性热管和分离式热管换热器可以在热源、热汇分隔较远的情况下进行高效传热，分隔的距离可以从几米到上百米。六、热管换热器运行时表面近于等温，用它来保持恒温环境是很理想的。七、热管换热器结构简单、无运动部件，不需要外加动力，安装布置方便，维修工作量小。综上所述．热管换热器是一种理想的用于余热回收的换热设备，可以成功地解决常规换热器存在的传热性能差、磨损、腐蚀、堵灰及泄露等难题，提高了系统的可靠性和经济效益，有着十分广阔的发展前景。1.2.3热管式换热器与其它类型换热器比较表1-1各种换热器比较备注：表中括弧中的数字表示品质因数，最好为5，最差为0；总计因数越高，其综合性能越优良.1.2.4热管换热器技术展望近年来，热管换热器热加工工艺模拟不断向广度、深度拓展，其技术发展趋势是：(1)宏观-中观-微观已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸，轮廓的宏观尺度模拟(mm-m级)进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟(毫米量级)及微观尺度模拟(微米量级)阶段。(2)单-分散-耦合集成模拟功能已由单一的物理场模拟普遍进入到多种物理场相互耦合集成的阶段，以真实模拟复杂的热加工过程。(3)共性、通用-专用、特性由于普通铸造、冲压、锻造工艺模拟的日益成熟及商业软件的出现，热管换热器研究工作的重点和前沿已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。主要方向一是解决特种热加工工艺(如压铸、金属型铸造、楔横轧等)模拟及工艺优化问题；二是解决加工件的缺陷(混晶、回弹、热裂、冷裂、变形等)消除问题。(4)重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究主要有：热管换热器热加工基础理论、缺陷形成机理及判据、新的数理模型、新的算法、前后处理等基础性研究及物理模拟与精确测试技术等。(5)重视集成技术，使热管换热器工艺模拟成为先进制造系统的重要组成部分包括：在并行环境下，与产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成，与零件加工制造系统集成，与零件的安全可靠性能实现集成。1.3换热器应用前景及研究进展1.3.1我国换热器市场规模图1-6我国换热器产业市场规模图图1-6我国换热器产业市场规模图基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。预计到2010年年底，我国换热器的市场需求将达到500亿元。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模在150亿元；电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右；船舶工业换热器市场规模在40亿元以上；机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。预计2010年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10～15%左右的速度增长。到2015年，我国换热器产业规模将突破880亿元；到2020年我国换热器产业规模有望达到1500亿元。1.3.2国际市场换热器发展情况图1-7国际换热器分布图国际换热器产业的总市场规模在500亿美元左右。其中，欧盟和美国这两大市场的规模约占200亿美元左右，占据全球换热器市场近40%的份额。而世界换器市场新的增长点主要集中于中国、俄罗斯、巴西、印度以及快速发展的东南亚市场，其中，“金砖四国”约占全球换热器市场近30%的份额。图1-8国际换热器分布图1.3.3我国换热器研究进展及存在的问题我国换热器产业虽然起步较晚，但经过10多年的发展，也取得了较大进展。尤其最近几年来，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。如兰石换热设备公司板式换热器成功进入国内核电建设项目常规岛和核岛领域，并陆续将板式换热器用于大乙烯项目、钛白粉生产线等领域。四平巨元瀚洋板式换热器公司也成功进入大亚湾二期岭澳核电站的常规岛和核岛领域。当然,与国外换热器先进制造工艺相比,我国换热器制造技术还相当落后,有待进一步改进。主要表现在:（1）相关科研人员对基础理论和基础技术的研究不够重视，例如从基础物性(尤其是热物性)的研究、传热与流动的研究(钎焊板式换热器冷凝与蒸发，缠绕管式换热器和板翅式换热器多股介质的传热与流动),U型管在不同热处理状态的应力腐蚀试验、无缝管对接接头在绕管状态下的应变时效、加氢换热器管箱端部螺纹的应力分析和应力测定等方面都有许多工作要做。（2）某些制造工艺尚需突破，例如螺旋板式换热器碳钢定距柱的接触焊、板式换热器(含板壳式换热器)的激光焊工艺、细管液压胀管新途径等。（3）另外在换热器制造上，我国目前还以仿制为主，虽然在整体制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片压制方面与发达国家还有一定的差距。第2章确定设计方案第2章确定设计方案9-第2章确定设计方案2.1选择换热器类型根据题意，本设计中宜选用热管式换热器。由于热管换热器与其他换热器比较：具有热平均温差大，传热性能高；布置灵活、结构紧凑，可以改变热管根数任意组合，增大换热面积，故可用较少的热管保证热量的传递；工作安全可靠，即使其中一根发生故障，也不影响整个换热器的工作；检修方便、维修量少、操控性强等优点。因此热管换热器被广泛应用于余热的回收，尤其在工业生产中，各种热力设备的排烟、排气、排水、排渣等，凡是有余热可回收的地方都可以应用。2.2热管的设计热管的设计主要包括:管壳的设计、工作介质选择、吸滤芯材料选择、中间密封结构设计及相关的设计计算等（热管的主要参数见表2-1）。其中热管直径、热管长度、翅片的结构参数(翅片间距、翅片高度、翅片厚度)决定翅片效率和翅化比,对热管换热器的传热及流阻性能影响较大,并涉及换热器的紧凑性、投资和运行费用在设计热管时所依据的都是经验,当烟气的流量、温度一定时,如何确定热管的直径、翅片高度、翅片厚度、翅片间距、热管管间距、热管长度等结构尺寸并没有准确的依据。这也影响了热管气--气换热器的应用。2.3热管换热器的设计计算方法热管换热器设计计算的主要任务在于求取总传热系数U，然后根据平均温差ΔT及热负荷Q求得总传热面积A，从而定出管子根数n。设计中必须考虑的问题有：（1）合适的迎风面风速，风速过高会导致压力降过大和动力消耗增加，风速过低会导致管外膜传热系数降低，管子的传热能力得不到充分的发挥。一般而言，标准状况下的迎面流体风速在2～3m/s,工作状态下的流体风速在一般限制在6～10m/s。（2）热管的管径，厚度，以及翅片的间距，高度，厚度等参数以及腐蚀性会影响流体的流动。（3）冷流体及热流体运行参数，包括流量，进出口温度等。热管换热器常用的的两种基本计算方法是平均温差法和传热单元数法，它们都能完成预热器的设计计算和校核计算。设计计算是设计一个新的换热器，要求确定换热器所需的换热面积；而校核计算是是对已有的气-气换热器进行校核，以确定换热器的流体出口温度和换热量。通常由于设计计算时冷热流体的进出口温度差比较容易得到，对数平均温度能够方便求出，故常常采用平均温差法进行计算；而校核计算时由于热管换热器冷热流体的热容流率和传热性能是已知的，热管换热器的效能易于确定，故采用传热单元数法进行计算。第3章热管换热器设计准备第3章热管换热器设计准备第3章热管换热器设计准备换热管的尺寸和形状对传热有很大影响，管径越小，单位体积设备的传热面积就越大，这意味着设备越紧凑，体积则越小，对流传热系数较高。但制造麻烦，且小管易结垢，不易机械清洗。因此对清洁的流体小管子为宜，对粘度大或易结垢的液体管径则可取大些。热管、热管长度、热管间距和直径、翅片结构对换热器压降影响很大。热管直径的选择应在中等直径范围，增加管长和减少管间距将有助于提高传热系数。翅片间距的选择应尽可能确保在流体边界的两个以上相邻翅片表面流动层厚度的一个较小取值范围。翅片厚度，翅片高度和间距也会影响热管的压降。翅片厚度的选择应该尽可能取较小的值，翅片高度的最优值，应采取有关的热管外径的一半。热管直径大小对换热面积，压力损失，压力强度，紧凑型设备有直接影响。热管直径的选择应该为被锁定的线性框架中等直径，较大直径不总是很好，为了设计出更加优化的热管换热器，我们应该全面考虑作出的选择。目前我国热管式换热器设计中，大多采用的无缝碳钢管规格多为19mm×2mm和25mm×2.5mm两种。换热器一般用光管，这样结构简单，制造容易，但对流传热系数较低。换热管的排列形式主要有以下四种。图3-1换热管的排列式等边三角形排列用的最为普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列的管子数最多，便于管板的划线和钻孔。但管间不易清洗，适用于不结垢或可用化学方法清洗污垢以及允许压强较高的工况。TEMA标准规定，当壳程需要机械清洗时，不得采用三角形形式。第4章热管设计第3章热管换热器设计准备第4章热管设计本设计采用的是无吸液芯重力热管，由前可知：热管蒸发段L1=1.0m，冷凝段L2=1.0m，外径do=0.025m，内径d1=0.020m。其制造流程如下图5-1所示：图4-1热管制造流程图4.1热管工作温度的选择热管工作温度是指热管在正常工作状态下蒸汽腔中蒸汽的温度。作为传热元件的热管能在-200-2000℃4.2热管工质的选择热管是靠壳体内工作流体（工质）的相变和流动过程中质量的转移传送热量的。工质的各种理化性能必然对热管的工作特性有着重要的影响。工质的选择除考虑工作温度的适应范围外，还应考虑下面几个问题：⑴工质与热管材质间的相容性及工质的热稳定性。工质与材质间一旦发生不相容将导致热管的性能变坏或失效。因此，要求工质在工作温度范围内必须具有良好的热稳定性，即不变质、不发生化学反应和分解反应，不产生不凝结气体和沉淀物等。⑵工质的热物理性质。包括：①汽化潜热高；②导热系数大；③粘度低；④表面张力系数大；⑤润湿能力高；⑥沸点适当。⑶安全及经济性。对于以传热为主的热管，尽量不采用易燃、易爆和有毒的工质，否则一旦管壳烧坏或发生泄露将会造成严重后果。热管的成本也是考虑的重要因素，尽管热管中所用工质数量较少，但由它所确定的管壳及管芯材料对热管的成本影响很大。根据以上的选择原则，本设计采用水作为热管的工质。因为水的热物理性能、安全性等都很好，且价廉易得，其工作温度范围：30-200℃法是通过在工质水中加入一定剂量的钝化剂来减缓可凝性气体的产生，其主要机理是：钝化剂本身作为强氧化剂使金属表面钝化形成一层致密的氧化物薄膜，从而减轻金属与水的反应。这就大大提高了碳钢-水热管的寿命，保证了其功效的正常发挥。4.3热管传热极限的影响热管的传热能力虽然很大，但也不可能无限地加大热负荷,事实上有许多因素制约着热管的工作能力。换言之，热管的传热存在着一系列的传热极限，限制热管传热能力的因素主要有:管内蒸汽流通截面的大小、毛细力、声速、流体黏度、蒸汽压力及冷凝等，这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的类型是由该热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决定的。若以热管的工作温度为分析依据，则可得到如图5-2所示的热管最大传热极限示意图。图4-2热管的传热极限由图可知，热管的传热受到一些因素的限制，即它具有一定的传热极限，超出这些极限的限制，热管就会散失传热的能力。因此，在热管的设计过程中应把各个因素都考虑进去，才能使热管发挥其最大功效。在本设计中，由于采用无吸液芯重力热管，故对热管传热影响较大的极限是声速极限和携带极限。第5章设备的结构设计第5章设备的结构设计第5章设备的结构设计5.1材料的选择压力容器用材的主要选择依据：⑴容器的使用条件，如温度、压力、介质、操作条件和结构特点；⑵材料的力学性能；⑶材料的耐腐蚀性能，包括选材，防腐蚀结构、防腐蚀衬里、腐蚀裕量、条件控制等；⑷材料的加工性能，如可焊性、冷热加工成型性等；⑸材料的价格及来源；⑹同一工程设计中用材应尽量统一。在本设计中:材料为Q235-B(GB3274)碳钢;使用温度范围:0-350℃;设计压力为:≤1.6MPa;壳体钢板厚度:≤20mm5.2筒体的设计温度、压力选择设计温度系指容器在工作过程中在相应的设计压力下壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。本设计的设计温度为150℃，使用温度范围为20℃-5.3椭圆形封头的设计上下封头均选择标准椭圆形封头(见图6-1),根据JB/T4746-2002标准,封头为DN1000×8，曲面高度h1=250mm,直边高度h2=40mm.材料选用20R钢.5.4容器法兰的选择根据JB/T4703-2000标准,采用DN1000，PN1.6MPa的榫槽密封面长颈对焊法兰。容器制造时，所取壁厚远大于所需壁厚，因此容器强度足够满足强度要求，再加上接管孔直径比较小，容器工作压力较低，所以不需要开孔补强。5.5管板的设计计算5.5.1管板的厚度计算管板最小厚度的规定：⑴用于石油及要求严格的工艺过程的换热器，在胀接管子的区域，任何管板的总厚度减去腐蚀裕量后不应小于管子的外径。且包括腐蚀裕量在内的管板总厚度不能小于19.1mm；⑵用于工业及一般中等程度的工艺过程的换热器，在胀接管子的区域内，任何管板的总厚度减去腐蚀裕量后，对于外径为25.4mm和更小外径的管子不得小于管子外径的3/4。对于外径31.8mm的管子，不得小于22.2mm对于外径38.1mm的管子，不得小于25.4mm。对于外径50.8mm的管子,不得小于31.8mm；⑶用于化工过程的换热器，除符合上面⑵以外，还应在不包括腐蚀裕量在内的管板总厚度，不得小于19.1mm。5.5.2管板管孔直径的确定管子外径为25mm时，管孔直径为25.4mm,允许偏差为：0--+1.2mm.5.5.3管板与壳体的连接管板与壳体的连接依照换热器的结构形式分为可拆连接及不可拆连接，由于水与碳钢管的不相容性,热管需定期清洗，所以本设计采用可拆式的连接方式。根据两端管板的外侧面连接形式又可分为管板兼法兰和不兼作法兰，本设计采用延长部分兼作法兰的管板，如图6-4所示。5.5.4管板与管子的连接管子与管板的连接形式有强度胀接、强度焊接与胀焊接混合结构。无论采用何种连接形式，都必须满足以下两个条件：⑴连接处保证介质无泄露的充分气密性；⑵承受介质压力的充分结合力。本设计采用如图6-5所示的连接方式：⑴套筒起固定作用，稳定性好；⑵热管与套筒是螺纹连接，且采用可拆式连接方式，这样方便热管的换取；⑶热管与管板采用填料密封，密封性能好。图5-1热管换热器设计模型图图5-2热管换热器设计模型图第6章附件的选取第6章附件的选取6.1液面计的选择化工生产中常用的液面计，按结构形式一般可分为玻璃管液面计、玻璃板液面计、浮标液面计、浮子液面计、磁性浮子液面计、防霜液面计。最常用的形式是玻璃管液面计和玻璃板液面计，前者用在常、低压设备，后者用在中压和高压设备。本设计选用的是视镜式玻璃板液面计。6.2温度仪表的选择任何一个化工过程，无论是对收益、产量和质量还是节能、生产安全等方面考虑。都要求对温度进行测量，温度测量仪表按测量方式可分为接触式与非接触式两类。工业上一般都采用接触式测量。温度测量仪表的选用原则：⑴单个温度测量仪表最高测量一般为仪表量程的90%；⑵多个温度测量仪表一般为仪表总量程的20%30%；本设计采用的是防水的双金属温度计，它是一种适合测量中低温的现场检测仪表，可直接用来测量气体、液体和蒸汽温度。与玻璃水银温度计相比，具有容易读数，坚固耐用的优点。可代替工业水银温度计，广泛用于工业科研部门。6.3压力仪表的选取压力测量仪表按作用原理可分为液柱式、弹性式、压力传感式和活塞式四大类。选用压力仪表时要考虑量程，精度及介质的性质和使用条件等因素。本设计选用真空压力表，它适用于振动，颠覆，灰尘，滴溅和海洋地带湿热条件下，测量对钢与铜合金不起腐蚀作用，无爆炸危险的液体，气体和蒸汽的压力与真空。6.4流量测量仪表化工生产过程中要经常对各种操作参数进行测量，并加以调节、控制。测量流量的仪器种类很多，就根据流体力学原理而制作的就有：变压头的流量计和变截面的流量计。转子流量计属于变截面的流量计中的一种，转子流量计用来测量液体，气体介质的流量，特别适用与中小管径，表刻度为线性压力损失小且恒定，使用维护方便等优点，因此本设计采用转子流量计测量进水量。结论结论《热管换热器的设计》对于课程设计本身而言，它是一项艰难的任务。因为它对我们的专业知识要求很高，另外个人的态度也是一个很关键的因素，在设计的过程中，我懂得了如何面对和克服困难，寻找解决问题的方法，从而使问题迎刃而解。通过这次的课程设计，我从中学到了很多东西，尤其在以下几个方面得到了较好的培养和训练：(1)查阅资料，选用公式和搜集数据的能力得到了较大提升。通常设计任务书给出后，有许多数据需由设计者去搜集，有些物性参数要查取或估算，计算公式也由设计者自行选用，这就要求设计者运用各方面的知识，详细而全面的考虑后方能确定。(2)正确选用设计参数，树立从技术上可行、经济上合理两方面综合考虑的工程学观点，同时还需考虑到操作维修的方便和环境保护的要求。即对于课程设计不仅要求计算正确，还要求从工程学的角度综合考虑各种因素，从