重力热管换热器课程设计

重力热管换热器课程设计目录第一章概述课题的背景国内外热管的应用本课题主要研究内容第二章重力热管换热器的理论基础重力热管的工作原理重力热管的组成重力热管的基本特性第三章环肋管、直肋管、光管的传热计算烟气及空气参数的确定翅片管的应用计算纵肋管的应用计算计算结果汇总换热器外形结构图热管热力计算设计程序经济效益比较第四章结论参考文献附：

NFA：管束最小流通面积n：NFA：管束最小流通面积n：热管数m：换热器纵深排数E：迎风面宽度B管排数a:蒸发换热系数耳：肋片效率f0:肋化比1l：翅片长度f耳：翅片效率fd：翅片外径f5:翅片厚度f£：管外污垢系数1h：管外有效换热系数feSc：空气侧翅片间距f5c：空气侧翅片节距fQh：烟气放出热量f5h：烟气侧翅片节距fh：流体换热系数hf屮：气液阻断系数1A：每米长热管管外总表面积HA：每米长热管的翅片表面积fS：横向管子中心距U：总传热系数HAt：对数平均温差mR:外部对流换热热阻c5：壁厚oAh：加热侧总传热面积Htc：冷空气出口温度2d：光管外径oth：烟气定性温度f第一章概述在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一。它可将大量的热量通过其很小的截面积远距离的传输而无需外加动力。近年来热管技术飞快发展，特别是热管换热器在余热回收方面取得了良好的效果。1.1课题的背景能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础，世界各国都把建立可靠、安全、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。随着经济的高速增长和人民生活水平的不断提高，世界各国对能源的需求量急剧增长。1997年全世界一次能源消费量(不包括生物能)己超过130亿吨标煤，其中石油占39.1%，天然气占23%，煤炭占27.6%，核电占7.45%。我国是世界上能源蕴藏和能源生产大国，我国的一次能源生产居世界第三位，但人均能源占有量仅为世界人均值的36%左右。节约天然资源和一次能源消费已成为考虑一切技术方案的前提。因此，精雕细刻地研究节能理论和技术，是具有重大而深远的意义的。尤其是我国加入WTO后，加速工业管理体制从计划经济向市场经济转轨的进程，今后企业将以其生产成本低廉从而造成低成本降能耗而在竞争中取胜，无疑是至关重要的。国内外热管的应用热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司(TheGeneralMotorsCorporation,0hio,U.S.A)的R.S.Gauler于1942年在美国专利(No.2350348)中提出的。1962年L.Trefethen再次提出类似于Gauler的传热元件用于宇宙飞船，但因这种建议并未经过实验证明，亦未能付诸实施。1965年Cotter首次提出了较完整的热管理论，为以后的热管理论的研究工作奠定了基础。Katzoff于1966年发明了有干道的热管。干道的作用是为了给从冷凝段回到蒸发段的液体提供—个压力降较小的通道，大大地提高了热管的传输能力。年的苏联和日本的有关杂志均发表了热管应用研究方面的文章。在日本的文章中已有描述带翅片热管束的空气加热器，在能源日趋紧张的情况下，可用来回收工业排气中的热能。同时Turner和Bienenl提出了用可变热导热管来实现恒温控制。Gray研究了一种新型热管——旋转热管，这些发明都是热管技术的重大进展。年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用从宇航扩大到了地面。在热管发展史上值得一提的是在横穿阿拉斯加输油管线工程中，应用热管作为管线的支撑，保证地面的永冻层，以满足工程需要。该工程共使用了112000余根热管，单根热管的长度为9—23m。1974年以后，热管在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视，用热管组成换热器来回收废热，并将其用于工业以节约能源。美国和日本在这方面所取得的进展最为显著。1980年美国Q・Dot公司生产了热管废热锅炉，日本帝人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。之后，各国的热管换热器研制工作迅猛展开，回转式、分离式等新的结构型式相继出现，并日趋工业化、大型化。我国自70年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究。由于我国是一个发展中的国家，能源的综合利用水平较低，因此自80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，相继开发了热管气—气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类热管产品。由于碳钢—水两相闭式热管的结构简单、价格低廉、制造方便，易于在工业中推广应用，碳钢—水相容性的基本解决，使得此类热管得以广泛的应用。我国的热管技术工业化应用的开发研究发展迅速，学术交流活动也十分活跃，从1983年起先后召开了六届全国性的热管会议。我区煤炭储量丰富，能源的综合利用水平较低，因此我区热管研究及开发的重点为节能及能源的合理利用，在煤化工及煤转油行业应用较多。随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也将不断拓宽。新能源的开发，电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却以及大功率晶体管、可控硅元件、电路控制板等的冷却，化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展。本课题主要研究内容某钢铁厂欲利用热管换热器回收烟气中的余热用以预热助燃空气，本课题针对这一设想拟选用气－气整体重力式热管换热器，为了达到最优化设计，本设计根据三种不同外形的热管设计了三种方案，分别是：烟气侧热管外表面采用光管；烟气侧热管外表面采用加大节距的环形翅片；烟气侧热管外表面采用纵向肋片。对三种形式的热管进行热力计算，编程对比，最后进行综合比较，作出最佳选择。第二章重力热管换热器的理论基础热管是一种新型、高效的经济型换热元件。世界上最早的一项热管专利是1944年由美国俄亥俄通用发动机公司的高格勒(R.S.Gaugler)以不太引人注目的“传热器件”的名称提出来的。这项专利首次提出了有吸液芯的标准热管，或称现代热管的原理，首次提出可以将热量由上而下(依靠吸液芯克服重力回流冷凝液)进行相变传热。但是尚未提出“热管”的名称。1963年，美国格罗弗(G.M.Grovre)独立发明了高效导热装置，采用丝网式吸液芯，用不锈钢作外壳，钠作为工质，正式提出以热管为名，格罗弗因而被称为现代热管之父。由于热管从它命名至今才30年，所以说它是一种新型的传热元件。2.1重力热管的工作原理两相闭式热虹吸管(Two—PhaseCLosedThermosyphon)又称重力热管，简称热虹吸管，其结构及工作原理如图2-1所示。图2-1热虹吸管工作原理与普通热管一样，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加动力而工质自行循环。但与普通热管所不同的是热管管内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重力，因此热虹吸管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方，这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。由于重力热管内没有吸液芯这一重要特点，所以和普通热管相比较，不仅结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠，因此在地面上的各类传热设备中都可作为高效传热元件，其应用领域与日俱增，已在各行各业的热能综合利用和余热回收技术中，发挥了巨大的优越性。重力热管的组成重力热管(见图2-1)的组成包括：热管壳体、工质。(1)热管壳体热管壳体是一个能承受压力的、完全密封的容器，它的几何形状没有特殊的要求，一般情况下为圆管形。热管在工作时壳体往往需承受一定的压力，但热管在制作时需预先建立很高的真空，一般为102〜10-2Pa,所以热管壳体的任何一道焊缝都要经得起高真空检漏及一定压力的严格考验，以确保完全密封的要求。因此热管壳体一般用金属材料制成。工作介质工作介质在热管工作时起载热、输热的作用，依靠其相变过程来完成热管的工作循环,壳体内的介质处于汽、液两相共存状态，由于热管制作时的初始真空度很高，所以热管内汽—液两相共存的工质通常是饱和的，没有也不应有不凝性气体。从热管与外界的传热状态来看，沿其壳体轴向可分为三个工作段:汽化段当热量自高温热源传入热管时，处于热管加热段内的饱和液体随即吸热汽化变成蒸汽。传输段热管与外界没有热交换的工作段。工质蒸汽携带汽化潜热流过这一段。凝结段蒸汽分子由汽化段经中间传输段流向热管的另一端，蒸汽在这里对冷源放出潜热后重新凝结成为液体。根据上述基本工作原理，从热管与外界环境的换热来看，热管可以划分为加热段、绝热段和放热段；从热管内部的工作过程来看，则可以划分为汽化段、传输段和凝结段。不过这两种划分工作区段的方法是彼此对应及完全一致的。热管可以没有绝热段(传输段)，仅有加热段和放热段(汽化段和凝结段)。重力热管的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元件，具有以下基本特征。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，单位重量的热管可以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，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，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）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，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加热面积输入热量，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。（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） 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。（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化，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。但是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。（7）环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件变化而做成各种形状，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）。第3章环肋管、直肋管、光管的传热计算中温热管换热技术是热管应用技术比较成熟的领域，有广阔的发展前景。中温热管换热器设计时要考虑多方面的影响，比较复杂。但中温热管换热器的设计主要集中在对热管的选择，并要求设计计算出换热器需要的热管总数，本章以具体工程实际为背景进行换热器的设计，最后给出了换热器的结构形式。烟气及空气参数的确定某钢铁厂欲利用热管换热器回收烟气中的余热用以预热空气，拟用气－气整体重力式热管换热器，原理图如3-1所示：烟气废气图3-1热管烟气余热回收系统原理图提供的原始数据如下：烟气流量：V=7000m3/h（标况）排烟温度：t=160〜250°Ch 1h空气流量：Vc=6500m3/h（标况）选定烟气出口温度为t=120C，主要是为了充分利用热量，应尽量降低烟2h气出口温度，但过低的温度不利于排灰，另外，还要考虑到低于120C时硫的腐蚀性较强。选定入口空气温度为t=20C,是根据一般情况下的环境温度决定1c的。为了达到最优化设计，本论文根据三种不同外形的热管设计了三种方案，分别是：烟气侧热管外表面采用光管；烟气侧热管外表面采用加大节距的环形翅片；烟气侧热管外表面采用纵向肋片。最后进行综合考虑，做出最佳选择。以下仅选取其中的两种方案作为设计计算的示例。烟气侧热管外表面采用加大节距的环形翅片的方案已知参数：

烟气流量7000m3/h（标准状况），排烟温度160〜250°C；助燃空气流量6500m3/h（标准状况），空气进热管换热器温度20Co其它参数：根据换热器运行的温度范围和技术要求，采用热管换热器，热管为重力热管并选用水为热管工质，管壳材料为碳钢，翅片与管壳连接方式为高频焊接。热管参数为：光管外径d热管参数为：光管外径d=38mm；o翅片长度1=15mm；f翅片厚度5=1.2mm；f空气侧翅片间距：Sc=f空气侧翅片节距5c=5壁厚5=3mm；o翅片外径d=68mm；f翅片型式为等厚度环翅片；4mm；烟气侧翅片间距：Sh=8mmf+Sc=5.2mm；烟气侧翅片节距5h=5+Sh=9.2mm；

fff空气侧每米热管长的翅片数n=15c=10005.2=192片/m；f ■f烟气侧每米热管长的翅片数n=15h=1000.；烟气侧每米热管长的翅片数n=15h=1000.；9.2=108片/mf ■fSfcSfh6lfdfd0di图3-2翅片热管外形结构图热管换热器管子排列形式为等边三角形排列，如图3-3所示，横向管子中心距S=80mm；S=S=80mm。TLT设计计算：

导热系数九h=3.82x10-2W/m・°C；f粘度卩h=23.6x10-6kg/m・s；f普郎特数Pr=0.68（2）烟气放出热量QhQh=vh.ph.ch（〃_th）=329.4kW（注：在标准状况下，ph取为1.295kg/m3。）fp21f（3）热管传至冷空气侧的热量QQc'=329.4X（l-3%）=319.5kW （注：考虑热侧3%的热损）（4）空气实际吸收热量QQc=319.5x（1-3%）=309.9kW（注：考虑冷侧3%的热损）空气出口温度“及对数平均温差At2m（1）冷空气出口温度tc（采用试算法）2Qctc=tc+ =1522 1Vc.pc.Ccfp注：在标准状况下，pc取为1.293kg/m3）。f此时，空气侧定性温度tc=此时，空气侧定性温度tc=ftc+tc—1 2-20+1522°C=86C查得定性温度下空气的物性参数为定压比热二=1.009kJ/kg・°C;密度pc=0.986kg/m3;f导热系数九c=3.09x10-2W/m・°Cf粘度卩c=21.3X10-6kg/m・sf普郎特数Pr=0.6912）对数平均温差AtmAt—At ocAt=i =93.87m AtInlAt2确定迎风面管排数B（1）迎风面风速热管换热器设计应遵循一条重要的原则，即把迎面风速（标况）限制在2〜3m/s的范围内，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。（2）迎风面宽度E根据现场实际情况（原烟气通道为1.2X1.2m2）,并考虑现场安装位置（烟气通道在水平面以下，为方便安装、清灰以及维修等），需将热管换热器置于水平面以上，根据换热器迎风风速限制条件，经Ah=v/W，E=Ah/L计ex hn exh热管换热器迎风面宽度E不应大于烟道宽度，故取热管换热器迎风面宽度E=0.8m。（3）管排数B已采用迎面横向管子中心距S=0.080m，则迎面管排的管子数B为：TB=—=10.0,取B=10。ST（4）确定冷热侧长度根据现场实际情况、迎风面风速限制（取为2.5m/s）及冷热侧流量，计算出冷热侧各自的迎风面积，最终取冷侧热管长度 lc=1.00m，热侧热管长度lh=1.00m。取热管换热器中间隔板厚度为0.04m，则热管总长度为2.04m。求总传热系数uH（1）管束最小流通面积NFANFA=I（S-d）—2C5n）JbT0fff贝UNFAh=0.4m2,NFAc=0.35m2。(2)流体最大质量流速gmax热侧GhmaxVhph 7000x1.295=/ /= =22.7x103kg/m2-h；NFAh 0.4冷侧GcmaxVcpc 6500x1.293一一f1一 一24.0x103kg/m2-h。NFAc 0.353）求Ref热侧RehfGhd一max0一10153；卩hf冷侧RecfGcd—max —11893.6。卩cf求流体换热系数hhf对于流体横掠肋片管束，采用原上海机械学院(现上海理工大学)热工教研室1981关联并发表的公式：Nu=0.1887(0.8+0.1S/d)Re0&5Pr1/3(s/l)0.304fT0ffff贝：热侧Nuh一43.18nhh一Nuh九hf-:一43.41fffd0冷侧Nuc一69.77nhc一NucXcf二56.73。fffd求翅片效率耳f热侧耳h=ih—=1.03;ffk5wf冷侧耳c=1ci=0.88 。ffk5'wf查相关图表得：耳h=0.73；耳c=o.76。ff6）求每米长热管管外总表面积AH每米长热管的翅片表面积A为AfAh

f•5fx1xn=0.57fm2/mAc=1.0078m2；m；每米长热管翅片间光管表面积Ar为Ah=冗d(1-n•5)=0.1039 m2/mffr0Acr=0.0919m2：m；每米长热管管外总表面积AHAh=Ah+Ah=0.6739 m2/mH frAc=Ac+Ac=1.0996m2/m。Hfr(7)求管外有效换热系数hfe热侧hhfehh(Ah+耳h•热侧hhfe=fr f——f=59.62W/m2・。C；Ahhhc(Ac+Hc•Ac)冷侧hh=fr f——f=44.26W/m2・。C。fe Ach(8)求总传热系数UH根据公式丄UHfeA根据公式丄UHfeAh—l+rhAh <2)-L+ Ah Ih‘yHPAh1l+Ah hci fe则有U=21.93W/m2・。C。H求加热侧总传热面积AhHAhAhHU・AtHmQc

=155m2。所需热管数nAhAhn= h—Ah-lhh=229.7根，取n=230根。换热器纵深排数mm=—=23,管子总数n=10x12+9x12=228根。B取24排，排列方式910910910910910910910910910910910910烟气侧热管外表面采用纵向肋片的方案已知数据：Vh=7000 m3「h（标况） 排烟温度th=240°C1VcVc=6500m3./h（标况）热管d=38mm§=3mm

oo§ =1.2mmSc=4mmff§'=§+Sc=5.2mmfff°Ctc=20C1d=68mml=15mmffn=1/§c=1000「5.2=192片/mS=S=0.080mTL烟气侧考虑除灰方便，采用纵肋，沿气流方向各有一条纵肋。l=15mm§=3mmf1f1设计计算：取V=2.5misAh=0.78m2取Ah=Ac=0.8m2sexexexlh=lc=1mEc=Eh=0.8mB=10根wh=2.43 m：swc=2.26msNN中间隔版厚0.04m，总长2.04m。烟气物性参数：th=240Cth=120Cth=180C12fh=1・09KJ/kg・Cpph=0.797kg/m3f

九h=3.82x10-2W/m・°Cf卩h=23.6x10-6kg/m・sfP=0.68-t-th)=329.4kWQh=Vh・ph-ch(thfp2肋化比：冗x0.038+2x(0.015+0.003)x2=1.55冗x0.038气液阻断系数：d/So0.0380.08=0.475最大流速：Pvrn-7000x1.295=7.5AA(1—屮)x3600p013600x0.571x1x0.8x(1-0.475)Re1~o10.5x0.03829.96x0.571x10-6=9624.7881.0估计20排u10.14C00.24R0.6820.14x1.04xI0,24x9264.7880.68=74.45N九：d=74.453.82x10-2=74.84(W/m・°C)u11o0.0382222=30.15(hh]2(——f—=九sI174.4527.3x0.003丿wfm=nf11th(mf)=30.15x0.015th(30.15x0.015)=0.9334x(0.015+0.003)x0.933+4x(0.015+o1冗x0.038+4x(0.015+0.003)=0.98加热段管外放热系数：a=a卩耳101101管外对流换热热阻：1R=-11R=-1 兀dlaP£o11o11o1113.14x0.038x1x74.84x1.55x0.98x0.85=0.08673(C/W)（取管外污垢系数e=0.85）1管壁导热热阻：R2 2nR2 2nl九1wIn(d,/d)= InG8f32)=0.001002oi 2nx27.3x1(°C/W)管内蒸发热组：=0.00199aA315000x3.14x0.032x1取蒸发换热系数a=50003W/m2・°CR=R+R+Re123=0.089722空气侧热力计算同上一方案=9.22a=60.0302n02=0.8冷凝段管外放热系数：aP02n202外部对流换热热阻R：Aa£220.023642coo2 o2 2o223.14x0.038x1x60.03x9.22x0.8x0.95£2=°.95In(d/d)=oi2冗x27xTn(38'32)=0.0010141=0.0015165管内凝结热管=0.0015165R=0.035x600050.035x6000ef5凝结放热系数取a=6000W/m2・C所以放热段总热阻：R=R+R+R=0.0261725c5 6 7单根热管总热阻：R=R+R=0.11589tec核算所需热管根数：换热器对数平均温差同上一设计At=93.87°CmW/根W/根=809.990.117535单台换热器所需热管数：Q832.8x103N= = =394.4Q1363.4s3.2计算结果汇总综合三种设计方案，宜采用第二种方案，即整个热管采用等厚度