热管余热回收系统设计

35t/h燃煤锅炉利用热管回收排烟余热系统的设计摘要：本文第一章介绍了换热器的相关的分类和常见换热器的类型。第二章介绍了热管的结构、原理以及热管换热器与其它换热器相比的优势。第三章介绍了换热器设计中应注意的一些问题。第四章对换热器的设计展开相关的热力计算。第五章对换热器进行精确计算。这次设计使用的是重力热管，该设计中对于热管的传热量、热管的阻力以及传热量等进行了校核，证明取得了预期效果。关键词：余热回收换热器热管热管设计Abstrat:Inthefirstchapter,theclassificationofheatexchangersandthetypesofcommonheatexchangersareintroduced.Inthesecondchapter,thestructureandprincipleofheatpipeandtheadvantageofheatpipeheatexchangerandotherheatexchangersareintroduced.Inthethirdchapter,someproblemsthatshouldbepaidattentionindesignofheatexchangersareintroduced.Thefourthchapterisaboutthedesignoftheheatexchangerontherelatedthermodynamiccalculation.Thisdesignistheuseofgravityheatpipe,thedesignoftheheattransfer,heatpipeheatpipeandheatresistancearecheckedandprovedtheexpectedeffectisachieved.Keywords:wastheatrecoveryheatexchangerheatpipeheatpipedeisgnTOC\o"1-3"\h\u30001第一章换热器 第一章换热器1.1换热器的简介在工程中，将流体热量以一定的传热方式传递给它种流体的设备，称为热交换器。在这种设备内，至少有两种不同的流体参与传热。一种流体温度较高，放出热量,另一种流体的温度较低，吸收热量。但也有热交换器种多于两种温度不同的流体在设备中传热的。热交换器在工业生产中的应用非常广泛。例如锅炉中的过热器、空气预热器、省煤器都是换热器。制冷工业中的蒸汽压缩式制冷机以及吸附式制冷机的蒸发器、冷凝器；在航空工业中，为了排出发动机及其辅助机构在运行中产生的大量热量，热交换器也是必不可少的重要设备。我们在各个生产领域中要挖掘能源利用的潜力，并做好节能减排，这些往往与正确使用和设计换热器有着重要关系。因此，作为工程技术人员，我们有必要掌握换热器的知识和换热器的相关设计工作。1.2换热器的分类按照用途来分：预热器、冷凝器、冷却器、蒸发器等。按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小和在指定热交换区内的温度不随时间改变。温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间而改变。按照制造换热器的材料来分：金属的、塑料的、石墨的、陶瓷的、玻璃的等等。按照热流体与冷流体的流动方向分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。按照传送热量的方式来分：间壁式、混合式、蓄热式等三种类型。1.3几种常见的换热器1.3.1板式换热器1.3.2U型管式1.3.3螺旋板式换热器第二章热管热管技术是1963年美国人乔治格洛佛发明的一种称为“热管”的传热用元件，该技术充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，通过热管把发热物体的热量快速的传递到热源外，其导热性能超过了任何已知金属的导热能力。热管技术现在已被工程技术人员所熟悉和重视。热管现在已广泛应用于轻工、化工、电子元件的散热以及航天和太阳能利用等领域。2.1热管的结构热管是热管换热器最基本元件，我们从外观来看，热管通常是一根有翅片或无翅片的普通圆管，它主要结构特点表现在管内。热管由管壳、蒸汽腔（蒸汽通道）和毛细多孔材料（管芯）组成。从传热情况来看，热管沿轴向可分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分。如图2-1图2-12.1.1管壳热管的管壳是受压元件，要求由高导热率、耐热应力、耐压的材料制成。但在材料的选择上必须考虑与所使用的工质的相容性，即要求热管在长期连续运行中管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。2.1.2管腔蒸汽空间是工作液传输热量的通道，在蒸汽空间里蒸汽流动是一个复杂的流动，所以影响蒸汽流动的因素很多。热管里面工作液体的流动是很复杂的双相流动。2.1.3管芯管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，管芯通常由多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减少接触热阻，衬里也可以由多孔陶瓷或烧结金属组成。2.2热管工作原理从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向\o"低温"低温处传递的现象。从热传递的三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速\o"传导"传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有\o"吸液芯"吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。如此循环不止，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－汽）分界面。(2)液体在蒸发段内的（液－－汽）分界面上蒸发。(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段。(4)蒸汽在冷凝段内的汽，液分界面上凝结。(5)热量从（汽－液）分界面通过吸液芯、\o"液体"液体和管壁传给冷源。(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到\o"蒸发段"蒸发段。2.3热管基本特性热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热\o"元"元\o"件"件，具有以下基本特性。2.3.1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，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种\o"因素"因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。2.3.2优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的\o"压力"压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。2.3.3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，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。2.3.4热流方向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\o"蒸发段"蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。2.3.5热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓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\o"温度"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。2.3.6恒温特性(可控热管)普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管——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\o"热量"热量的减少而增加，这样可使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。2.3.7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、\o"燃气轮机"燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲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)。2.4热管换热器概述由热管管束和外壳等组成的换热器称为热管换热器。通常情况下，热管换热器有一个矩形的外壳，在矩形外壳内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流动通道。当冷热流体同时在各自的通道中流过时，热管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。2.5热管换热器的技术优势（1）热管换热器通过换热器的中隔板使冷热流体完全的分开，在运行过程中单根热管因为腐蚀、磨损、超温等等原因发生破坏时基本不会影响换热器的运行。热管换热器用于易爆、易燃、腐蚀性强的流体换热场合且具有很高的可靠性。（2）热管换热器的冷、热流体流动时完全分开，能比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均是在管外流动的，由于管内流动的换热系数远低于管外流动的换热系数，所以用于品位较低的热能回收场合显得非常经济。（3）含尘量较高的流体，热管换热器能通过结构变化、扩展受热面等等形式解决换热器的堵灰和磨损问题。（4）热管换热器如果用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，热管换热器可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积进而来调整热管管壁温度，从而使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。2.6热管换热器的分类(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。通常按功能分用得较多。下面分别介绍按功能划分的三种换热器。2.6.1气气热管换热器气气热管换热是多数是矩形形状，其基本的结构由热管、壳体和隔板等元件所组成。中间隔板把热管分为蒸发段和冷凝段两个部分，这两部分的外表面上都会装有翅片，以增加热管的换热面积，尽可能地减少换热器的体积。两种流体的流动方向通常是逆向的。当高温的气体流过热管的蒸发段时，热管内部工作流体蒸发产生的蒸汽流到冷凝段放热，低温气体获得热量，从而达到传热的目的。2.6.2气液热管换热器气液型热管换热器多用于小型锅炉上作为省煤器回收余热来加热给水，经济效益非常可观。但存在低温腐蚀的问题。本课题设计的是气液热管换热器的余热回收系统。气液型换热器的水室可以是圆形或者矩形。从排气端把热管插入其中，每根热管可单独更换使用。排气端管壁还装有翅片，水侧则不设翅片。吹灰装置是在翅片管空间设计一根喷出的管子，吹灰除尘是用蒸汽或压缩空气进行。2.6.3气汽热管换热器气汽热管换热器结构，热管的冷凝段是安装在沸水器内。热管的蒸发段插入各种锅炉的排烟道中，通过热管进行热量的转移。将冷水加热成沸水，进而获得需要的热水。2.7几种常见热管换热器图图2.7.1气气热管换热器图2.7.2气液热管换热器第三章设计中考虑的关键问题3.1积灰问题燃煤的锅炉中，受热面烟气侧积灰是普遍存在现象。尾部受热面积灰严重的现象也并非少见。这主要因为工业锅炉的负荷变动较大，或者启停过于频繁。锅炉在低负荷时烟气速度小温度也低，尾部受热面结露的概率很大，很容易发生积灰现象，具有密集翅片的热管受热面能不能积灰过多，这会影响到它能不能在燃煤锅炉上应用的关键性问题。为减少锅炉受热面上的积灰，我们常采取以下的设计措施：(1)适当加大管束排列的热管节距。(2)适当加大翅片之间的间距。(3)设置吹灰器以方便运行中定期吹灰。(4)采取适当的烟气流速。3.2磨损问题翅片在含尘烟气中工作会受到灰粒的磨损也是需要考虑的问题。另外,热管管壁也比较的薄,只有1.5毫米(然而一般工业锅炉受热面管子的壁厚通常在3毫米之上),如果被磨穿就失去了功用。即使不被磨穿而只是减薄,管内压力的作用下也有存在不安全的问题。为了抗磨防磨应采取以下措施：（1）利用不太高的烟气流速（2）适当加大翅片的厚度3.3烟气侧腐蚀性问题一般锅炉尾部的受热面存在烟气侧的低温腐蚀性问题。当燃料含硫较多、烟气温度降得较低时,腐蚀现象会比较严重。与间壁式换热器的直接传热相比,热管换热器中多了一个中间载热体(管内工质)的传热环节,与烟气接触的受热面壁面温度较高,而翅片的温度又较管壁母体的温度高。这是对防腐蚀有利的因素。3.4水侧的结垢与腐性问题水被加热的不经预理(软化、除氧)时,会造成受热面侧的结垢与腐蚀。这个问题对于普通受热面和热管受热面都是同样存在的。但是普通受热面的水侧在内,热受热面的水侧在管外面。前者不易清洗和检修，也不能拆卸和更换。这也正是热管受热面的优势所在。第四章热管的设计根据课题的要求，本课题设计中宜选用热管式换热器。这是由于热管换热器与其他换热器比较：具有传热平均温差大，传热性能高；布置灵活、结构紧凑，可以通过改变热管根数来任意组合，增大换热面积，故可用较少的热管来保证热量的传递；热管工作安全可靠，即使换热器中一根热管发生故障，也不会影响到整个换热器的工作；而且热管换热器还具有检修方便、操控性强等特点。因此余热的回收中热管换热器被广泛的应用，尤其在工业生产中，各种热力设备的排烟排水、排气、排渣等，凡是有余热可回收的地方都可以应用热管换热器。4.1基本选择4.1.1已知条件本课题的设计要求是35t/h燃煤锅炉产生的尾部烟气用来加热水产生100℃的蒸汽，根据设计要求设计最后需要校核下壁温度是否大于该煤种的露点温度。烟气的入口温度（）160℃烟气的出口温度（）130℃烟气的流量（M1）30000（kg/h）水的入口温度（）80℃蒸汽的出口温度（）100℃4.1.2总热量和回收效率的计算通过查大气压下烟气的热物理性质表，用差值法算出烟气平均温度下的比热为回收的热负荷：/2总的烟气余热量：余热回收利用效率：蒸发量（冷流体的流量）：式中通过查干饱和蒸汽的热物理性质表得100℃饱和蒸汽通过查饱和水的热物理性质表得80℃水的焓值4..1.3热管工质的选择热管是靠壳体内工作的流体（工质）的相变和流动过程中质量的转移来传送热量的。工质的各种理化性质一定会对热管的工作性能有着重要的影响。工质的选择除了考虑工作温度的适应范围外，还应考虑以下几个问题：⑴工质与热管材料间的相容性和工质的热稳定性。工质与材料间一旦发生化学反应将导致热管的性能下降或热管失效。因此，工质要求在工作温度范围内必须具有良好的热稳定性，即不变质、不发生分解和化学反应，不产生沉淀物和不凝结气体等等。⑵工质需具备以下热物理性质。包括：①汽化潜热高；②粘度低；③导热系数大；④润湿能力高；⑤表面张力系数大；⑥沸点适当。⑶安全及经济性。对以传热为主的热管，尽量不采用易燃、易爆以及有毒的工质，否则管壳一旦烧坏或发生泄露将会造成严重的不良后果。热管的成本也是需要考虑的重要因素，尽管热管中所用工质数量比较少，但是由它所确定的管壳及管芯材料对热管的成本影响较大首先进行管内温度的估算烟气入口处的温度：n的取值见表4-1得n=5烟气出口处的温度：=估算出之后就可以选择工质类型了。根据热管工作温度范围可分为低温、中温和高温热管。低温热管是指在4~200K范围内的热管，用氦做工质，可以在4K以下工作。氢和氖可以在20~30K范围内使用；如果温度再高一些，则可用的工质有氮和氧；在100~200K范围内常用的工质有甲烷、乙烷等。经过分析和计算可知选水作为热管的工质是合适的。表4-1n的数值表气-汽热管换热器当两侧管长和流量接近时n=1气-液型热管换热器当液体时水是当液体是有机流体时气-汽型热管换热器当相变流体时水时当相变流体是有机物时4.1.4管材的选择热管工质的选择与热管的材质以及封口焊接材料的性质有着密切关系，因为材质与工质间存在是否相容的问题。另外，壳体材料还应当满足耐高温、高压、耐腐蚀性等等极端条件，并且要具备良好的化学稳定性和导热性以及材料价廉易得。铜和水是最好的材料与工质组合。但是铜的价格太高且硬度偏低，大量应用于热管换热器较困难。因此，人们一般选择碳钢作为管壳材料。本次设计选择碳钢镀层作为管壳是满足各项要求的。工质与管壳相容性的选择见表4-2表4-2工质推荐的管壳材料不推荐的管壳材料氨铝、碳钢、镍、不锈钢铜甲醇铜、不锈钢丙酮铜水铜铝、二氧化硅钾不锈钢钛钠不锈钢钛荼不锈钢4.1.5热管的安装和芯结构的选择对于气-汽型热管换热器，大致有两种安装形式：接近水平位置，一般用于烟道是垂直的场合，要采用具有芯结构的重力辅助热管。立式放置，多用于烟道是水平的，直接采用重力式无芯热管。本次设计的烟道是水平的，所以采用重力无芯热管，余热回收装置立式放置在水平烟道内。重力热管生产工艺简单，经济性较好。重力热管热量的传递具有不可逆性，热量只能从蒸发段传递到冷凝段。4.1.6管径和扩展表面的选择管径的选择，由声速极限确定管径：声速极限管径管内蒸汽压力管内蒸汽密度声速极限的传热量气化潜热选取热管工作的平均温度为，因此在时启动,查干饱和水蒸气的物理性质表通过差值法得所以携带极限确定所需的管径：蒸汽流通截面积气化潜热液体密度蒸汽密度携带极限表面张力当管内工作温度时得安全考虑情况下取热管的内径，为了设计的安全性和经济性需要取壁厚为最后选得外径=32mm烟气侧采用翅片管，水侧采用光管，最后设计选定的尺寸见表4-3光管外径d0/mm光管内径di/mm翅片内径df/mm翅片厚度δ/mm翅片高度H/mm翅片间隙Y/mm翅化比β32276211558.514.2相关估算和结构设计4.2.1烟气侧和水测入口质量流速的选择烟气侧的入口质量流速应控制在2~5。具体按照锅炉的大小来具体分析。烟气侧的入口质量流速：相变侧：因为是水的沸腾，不靠受迫流动进行换热，因而对入口工质的流速不做要求，只要求每小时连续进入580.5kg/h的水即可。4.2.2长度比的选择对气—汽型热管换热，我们不计算流动长度比，计算其经济长度比L经4.2.3迎风面积和第一排管的传热面积迎风面积：选取迎风面积宽度为，取换热器的宽度为烟气侧的热管长度：由长度比，水沸腾侧的热管长度比：这里取m取管间间距，则烟气入口截面上的管子根数：取第一排管传热面积：m2表4-3管径、管长、功率之间关系表加热段的长度单根管传输功率500～1000<116～251000～2000<325～322000～3500<732～60参照表4-3最后选取热管的长度尺寸如下蒸发段的长度：冷凝段的长度：绝热段的长度：总的长度：实际的长度比：实际迎风面积：实际迎风面的质量流速：第一排管子的根数第一排传热面积4.2.4计算对数平均温差烟气160℃→130℃水100℃←100℃60℃30℃由图4-1可知℃℃所以℃4.2.5估算传热面积4.2.6总的管子根数及排列方式在换热器设计过程中不能因为坏了一根管子就停机检修，所以在设计的过程中要考虑多放几根管子，使换热器出现一点小问题可以继续运行。所以在这里实际选取的管子根数272根。即根。管子数目确定之后，就要选择热管的排列方式。管子使用的是菱形交叉排列的方式，使流体得到充分扰动，提高了换热效率，充分利用余热。由之前确定的第一排管子数目为34根。所以管子排数计算一下实际换热面积和理论设计的换热面积进行比较。实际换热面积是一根管子蒸发段的外表面积单根管子的传热量计算总热管数目回收的热负荷第五章精确计算5.1基础数据换热器进出口温度的中点温度作为定性温度5.1.1烟气侧中点温度查大气压下烟气的物理性质得：比热黏度导热系数普朗特数密度5.2.2水侧中点温度T2=100℃（忽略水的预热）查饱和水的物理性质表得比热P=1.0130barPc=221.2bar5.2热管外壁传热系数的计算5.2.1管外蒸发段换热系数管外烟气侧放热系数：翅根直径mY翅片间隙m翅片厚度m翅片高度m气体的导热系数μ1动力粘度系数最窄界面处的气体流速kg/(m2·℃)气体的普朗特数查表4-3及烟气侧烟气的物理性质得=0.032mY=0.005m=0.001m=0.015m=0.03482μ1=-6kg/m·s=0.681此处kg/(m·℃)另外式中的0.54是最窄流通截面积与迎风面积之比。注意公式应用的条件：管间间距为等边三角形的叉排管束。决定定性值的定性温度取气流的中间温度。公式对各种气体都适用管外放热系数：式中η为翅片效率，在实际应用中一般取η为0.85，则W/(m2·℃)5.2.2管外冷却段沸腾放热系数式中=3768W/(m2·℃)5.3热管管壁热阻的计算10-5m2▪℃/W式中表示管壁材料的热导率，W/(m2▪℃)。通过查金属材料的密度、比热容和热导率表，用差值法算出=45.88W/(m2▪℃)5.4污垢热阻对于锅炉和窑炉的排烟余热利用热管换热器来说。由于热管工作环境一般是燃煤的烟气，所以污垢热阻这一项的数值很大。一般选取R污=0.001～0.002。甚至还要大。本次设计选取R污=0.001m2▪℃/W5.5传热系数值的计算传热系数的计算必需考虑污垢热阻的影响，因此计算时要加上污垢热阻。计算公式为===m2▪℃/W所以5.6对数平均温度烟气160℃→130℃水100℃←100℃