《一台蒸汽锅炉热管式空气预热器的结构设计》17000字（论文）

目录一台蒸汽锅炉热管式空气预热器的结构设计目录TOC\o"1-2"\h\u19793设计总说明 I31611毕业设计说明书 132420第一章绪论 1227961.1研究背景和意义 191171.2热管换热器研究现状 1261761.3热管研究现状 2266881.4本文设计内容和计算方法 212725第二章锅炉选型、改造及热力计算 48042第三章热管及热管换热器 193771第四章热管及热管换热器的设计计算 2449734.1热管换热器的设计计算 24229344.2热管基本参数 25260604.3热管结构设计 27211964.4热管传热计算 2835444.5阻力计算 31291154.6安全校核 3230056第五章热管换热器的安装与加工 35207555.1热管的选择 35276335.2热管的预处理 35112365.3重力热管的传热加强方法 36112185.4热管管内工质充液量 38226275.5热管换热器管内排布 38190905.6热管的端盖 39219075.7热管换热器内热管安装角度 40297805.8热管换热器的隔板密封 40275075.9热管换热器管箱 425089第六章总结 4321483参考文献 4511479附录 46PAGEI设计总说明本次设计的主要内容是一台热管式空气预热器，布置在燃气蒸汽锅炉的尾部受热面。将它用于充分回收烟气余热，降低排烟温度，提升热空气温度，减少燃料消耗，优化燃烧条件，从整体上提高锅炉效率。这个举动能在能源综合利用上更进一步。燃气蒸汽锅炉是双锅筒纵置式结构。炉膛在锅炉的左侧，上、下锅筒之间的对流受热面在锅炉的右侧。炉膛由前墙（内有倾斜墙），后墙和侧墙。锅炉的尾部受热面布置有节能-冷凝一体器，空气预热器。锅炉炉膛配置两台燃烧器，在前墙上下布置。在进行设计热管式空气预热器之前，先设计总体锅炉，对锅炉总体进行热力计算。燃气蒸汽锅炉原燃料是燃煤，后进行改造成为燃气锅炉。原锅炉排烟温度为180℃，给水温度102℃，热空气温度120℃，燃料消耗量为0.4238kg/s。热管式空气预热器内的热管采用的是两相闭式热虹吸管。热管管壳材料使用是碳钢，管内工作液体是水。部件采用立式布置，管箱上部分是空气通道，下部分是烟气通道，逆流布置。热管式空气预热器的计算分为：结构计算，传热计算，阻力计算和壁温计算。本次设计采用的是φ51×4.5，烟气侧长度1.38m，空气侧长度1m，对总能量1365Kw进行充分余热回收。单根热管携带热量是3685W，热管管束为371根，管束排布是正三角形错列布置，热管队型是24×16。在校核计算中用到了两种校核方法，双重保证热管的安全工作。第一种校核法是通过校核单根热管的携带热量极限。以工作温度为150℃为定性温度，查询饱和水和饱和蒸汽的物性，通过公式算出单根热管的最大极限携带热量是8273.4W，远大于设计中的单根热管的携带热量。第二种是计算管内最小直径校核，同样是以150℃为定性温度查询相关物性参数，算出的最小管内直径是21.7，设计热管的管内直径是42mm。两种校核方法的准确保证了热管是可以安全工作的。其次校核的是热管强度。以250℃为定性温度查询饱和压力，计算出热管最小壁厚是0.91mm，设计中的热管壁厚是4.5mm。经过校核计算后，证明这次设计的热管式空气预热器是符合设计要求，可以安全工作的。关键词：燃气锅炉，热管，热管换热器，设计，应用－PAGE1－毕业设计说明书第一章绪论1.1研究背景和意义伴随着一次能源的不断地开发利用，能源资源缺少成为了不可忽视的问题。从近些年的数据来看，全球能源消耗量增长迅速，能源消耗量逐年大量增加，能源利用率低成为主要关注问题之一。而余热回收技术可以对改善能源的回收再利用起到很好的效果。余热回收技术的实现主要通过换热器来实现。目前余热回收技术还不是很成熟，仍旧有着一些技术上的障碍需要去突破。如果采用常规的换热器回收能量，会有能源回收效率低，回收设备的成本投资金额高，回本期间长，流体通道容易引发堵塞等诸多问题。而重力热管换热器的出现，对于常规换热器来说，是一个技术上的突破。它具有结构简单，制作方便，传热性能好等特点。在工业应用上，这种装置被广泛使用。重力热管是依靠自身重力，无需其他辅助动力装置的一种传热元件。因为其内部的结构简单，造价金额较低，工艺流程不繁琐，传热效率高等优点在工业中推广应用迅速。如今在电力工业，化工以及石油化工，轻纺工业及动力工程等领域都有着以重力热管为技术核心的技术产品使用。正因为其在多数领域中的使用，这促使着重力热管的研究得到深层次的开发研究。本次设计内容将以热管式空气预热器为重点内容。以锅炉设计中的相关数据为参照，将热管换热器的设计分为三部分：重力热管的结构计算，重力热管的传热计算，重力热管的阻力计算，最后是校核计算，确保热管能够安全工作。之后以重力热管的相关数据，设计热管换热器的外壳和其中零部件。1.2热管换热器研究现状热管换热器的应用首先是被应用与医疗设备中，Nole-Baghban和Majideian通过先设计换热器的结构，后进行数值模拟计算，在众多工质中选择甲醇为管内工作液体，在保证一定的环境参数下，设计出了气-气热管换热器。Meskimmon设计的环保式热管换热器，以水为管内工作液体，被应用于节能暖通。将原先的制冷剂，用水来代替，并用以于其他传统制冷剂换热器进行实验对比。研究后通过数据对比发现如果管内工作液体使用水，则相较于其他制冷剂，换热效率提高了18%。程冉冉在研究低，中温热管换热器内部流场形态随肋片间的间距变化规律中，得出结论：肋片间距为6mm，肋高为13mm，横向管间距为70mm，纵向管间距为65mm，高温烟气入口速度为2.5m/s时，热管换热器的工作性能能达到最优化。在研究中中低温热管换热器中，肋片倾斜角对于热管换热器的性能影响中，高贺轩的研究表明，当冷凝段的冷却介质的热阻和出口温度随着肋片的倾斜角的增大而增大。当冷凝段肋片倾斜角为10°时，热管换热器的综合性能达到最优。1.3热管研究现状重力热管是热管换热器中的核心组件。热管换热器的工作性能对于其内部的热管管束有着很强的依赖性。正因为如此，国内外很多学者对于重力热管的性能研发进行大量研究与优化。PatrikNemec对玻璃重力热管中的各种工质的工作状态进行可视化研究。他利用高速摄像机对管内工作液体的流态进行拍摄，解释了在热管工作过中的热管内出现的工质沸腾、气泡形态及管内蒸汽上升至冷凝段散发热量凝结回流等物理现象。重力热管的传热性能不止取决于其管内工作液体，还依靠热管的管径大小及内部结构等因素。AzzolinMarco等人研究了低质量条件下，管内内径为3.4mm，工质为R134a的管内水平和垂直流动的对流冷凝现象。在相同条件下，因为重力作用使水平管内的液膜厚度减小，工质垂直向下流动的冷凝换热系数只有水平的一半。1.4本文设计内容和计算方法本次设计内容有两部分：一部分是锅炉总体设计，一部分是热管及热管换热器的设计。锅炉总体设计中内容包含：燃烧机计算，热平衡及燃料消耗计算，炉膛热力计算，燃尽室热力计算，第一锅炉管束热力计算，第二锅炉管束热力计算，节能-冷凝器热力计算，空气预热器热力计算和热力校核。热管及热管换热器的设计内容包括：热管结构计算，传热计算，阻力计算，热力校核和热管换热器的结构计算。具体步骤如下流程图所示：

第二章锅炉选型、改造及热力计算2.1锅炉选型双锅筒纵置式锅炉的形式颇多，可以根据锅炉与炉膛布置的相对位置不同，分为两类：D型和O型。“D”型锅炉的炉膛与纵置双锅筒和连接期间的管束组成的对流受热面烟道平行设计，各处一侧。炉膛四壁均布置水冷壁管，其中一侧的水冷壁管直接引入上锅筒，形成炉顶，从侧面看就像“D”形状。“O”型锅炉的炉膛在前，锅炉对流管束在后，从正面看，处于双锅筒之间的锅炉对流管束呈现出“O”形状。“O”型锅炉，相较于“D”型锅炉，在受热面布置上更加自由和舒展，且可以制造大容量、高参数的锅炉。虽然“O”型燃煤锅炉的炉膛改造为燃油燃气锅炉的步骤比“D”型略微麻烦，但符合燃烧天然气的火焰特征。在选择锅炉产品型式时，“D”型燃油燃气锅炉的容量最大可达40t/h，而“O”型可以制造比“D”型锅炉更大容量，更高参数的锅炉。所以在本次设计中选择“O”型双锅筒纵置式锅炉为放置热管式空气预热器的锅炉。具体锅炉结构可看下图。2.2锅炉改造在锅炉改造上，因为“D”型的容量最大可达40t/h而“O”型可改造为容量更大的锅炉，所以“D”型燃煤锅炉改造为燃油燃气锅炉的步骤比“O”型锅炉改造较简单。以下是“O”型锅炉的改造步骤：在进行燃煤锅炉改造成燃气锅炉时需要对锅炉的结构特征和具体改造步骤进行充分考虑，尽量减小步骤，减轻工作量。根据国家标准，SZL“O”型锅炉改为燃油燃气锅炉SZS“O”型。将煤斗拆除，保留原先的链条炉排，并且只在链条炉排上铺设耐火砖，用耐火水泥将砖压实，组成燃油燃气锅炉的干炉底。炉膛内燃烧器的布置比较灵活。燃烧器可以在前墙布置，也可以布置在两侧墙上面。如果布置在炉膛前墙上时，炉膛内的火焰充满度较比较差，但是操作检修方便，管线和风道容易布置得合情合理。在前墙布置时，需要拆除后拱管，用来保证炉膛内有足够的火焰伸展长度。在锅炉开始准备进行燃油或者燃气前，应该先把对流管束内的烟灰清理干净，将锅炉炉膛内水管表面的煤灰处理干净；同时将水侧的水垢清理干净，用来提高锅炉受热面的传热能力。正、负压燃烧的燃油燃气锅炉应特别注意密封性。具体燃煤锅炉改造成燃气锅炉结构可看下图。2.3锅炉热力计算1.燃烧计算锅炉原始设计热力参数：额定蒸发量D=130t/h过热蒸汽压力Pgr=2.45Mpa过热蒸汽温度tgr=400℃给水温度tgs=102℃热空气温度trk=120℃排烟温度tpy=180℃锅炉原燃料特性：应用基含碳量Cy=49.48%应用基含氢量Hy=3.74%应用基含氧量Oy=6.59%应用基含氮量Ny=0.92%应用基含硫量Sy=0.73%应用基水份Wy=6.5%应用基灰份Ay=32.04%可燃剂挥发份Vr=32.4%应用基低位发热量Qydw=21000kj/kg理论空气量：VV0=5.195m3/kg燃烧产物计算：理论二氧化碳和二氧化硫的体积（VRO2）VRO2=VSO2+VCO2=1.866VRO2=0.928m3/kg理论氮气体积（V0N2）VV0N2=4.111m3/kg理论水蒸气体积（V0H2O）VV0H2O=0.579m3/kg理论烟气量（V0y）VV0y=6.338m3/kg过量空气系数（a）过量空气系数（ɑ）是实际供给的氧量与燃烧过程的实际消耗的氧量比值。由于炉墙和穿墙处不严密，并且锅炉经常负压运行，导致烟道沿程均有空气漏出，因此计算中需要考虑的漏风系数。根据ɑ的值的大小与燃烧方法及燃料的性质有关，一般对煤炭来说ɑ=1.15～1.35。选择炉膛的过量空气系数ɑ=1.2，考虑漏风系数Δa=0.1，得到ɑ=1.3。实际烟气量（Vy）当ɑ>1时，所产生的烟气量中，还需增加过剩的空气量以及过量空气带入的水蒸气量，即为实际烟气量。VVy=6.939m3/kg实际干烟气量：VVgy=6.338m3/kg体积份额三原子气体体积份额：rrRO2=13.4%水蒸气体积份额：rrH2O=8.7%氮气体积份额：rrN2=77.9%8.焓值计算实际燃烧产物（烟气）的焓由理论燃烧烟气焓（I0y）、过量空气的焓（（a-1）I0K）以及飞灰焓（Ifh）三个部分组成。I各个温度段的焓值如下表4-1所示：表4-1烟气焓温表（炉膛）烟气或空气温度（℃）理论烟气焓（kj/kg）理论空气焓（kj/kg）理论烟气焓增(kj/kg)炉膛=1.3Iy△Iy40032452814.528464193109150041153553.748865313135860050014310.618866671135870059115090.879387630120280068505870.089388832120290078056654.49970100531244100087757459.68970112961244110097508285.649801255112601200107309111.619801381112601300117329937.58102215106133914001275510789.52102216444133915001376511636.27102717762130216001479212483.01102719065130217001582513334.95103620422132418001686114181.70103621745132419001791415049.22104423109135020001895815921.94104424459135021002002116789.47106125819135722002108217662.191061271761357表4-2烟气焓温表（燃尽室，第一锅炉管束）烟气或空气温度（℃）理论烟气焓（kj/kg）理论空气焓（kj/kg）理论烟气焓增(kj/kg)燃尽室第一锅炉管束=1.35=1.45Iy△IyIy△Iy40032452814.52846433411273416119950041153553.74886549111804615125660050014310.61886667111805846125670059115090.87938788412417102131980068505870.08938912512418393131990078056654.4997010386128497121364表4-3烟气焓温表（第二锅炉管束，省煤器）烟气或空气温度（℃）理论烟气焓（kj/kg）理论空气焓（kj/kg）理论烟气焓增(kj/kg)第二锅炉管束省煤器=1.55=1.65Iy△IyIy△Iy20015781383.36798238712062525.5981275.97530023992092.45846362512713834.7301343.49140032452814.52846489712715178.2221343.49150041153553.74886620213326557.1161407.32660050014310.61886753313327964.4421407.326表4-4烟气焓温表（空气预热器）烟气或空气温度（℃）理论烟气焓（kj/kg）理论空气焓（kj/kg）理论烟气焓增(kj/kg)空气预热器=1.75Iy△Iy40015781383.367982663.9351345.58550023992092.458464043.9751415.69960032452814.528465459.6741415.69970041153553.748866912.4891483.0142.锅炉热平衡及燃烧计算锅炉输入热量：Qr锅炉有效利用热：Q=D其中：h”gr是过热蒸汽焓，按过热蒸汽温度为400℃，过热蒸汽温度为2.45MPa，查表得出值为：3240.79kj/kg。h下表4-5为锅炉内各种损失：表4-5锅炉内各种损失排烟损失化学未完全燃烧损失物理未完全燃烧损失散热损失灰渣损失q2q3q4q5q66.60.0584所以锅炉效率：η则实际燃料消耗量为：B=100∗计算燃料消耗量为：Bj3.锅炉炉膛热力计算炉膛校核热力计算的步骤如下：1.算出辐射受热面积2.计算出1kg燃料带入炉膛的有效热量Q1，再根据焓温表查出理论燃烧温度θ0（℃），T0（K）3.假设炉膛出口温度θ”1，根据焓温表查出出口烟气焓I”，算出烟气平均热容量Vc和炉膛系统黑度a14.计算波尔茨曼准则数Bo，求出Bo（1/a1+m），根据公式算出无因次烟气温度θ”l，再算出炉膛出口绝对烟气温度T″1，出口温度θ″1计算出的炉膛出口烟气温度与假设值相差不大于±100℃。1kg燃料带入炉膛有效热量：Q1查焓温表得出理论燃烧温度：θ0=2268.029假定炉膛出口温度是1100℃，查表的出口烟气焓：I”=9748.965烟气平均热容量：Vc=Q炉膛系统黑度：

a波尔茨曼准则数：B参量：B无因次出口温度：θ其中，k和p是查表得，k是0.6465，p是0.2345计算炉膛出口绝对温度：T”计算炉膛出口温度：θ”校核误差：Δθ=计算结果符合误差范围，后面将进行燃尽室热力计算。4.燃尽室热力计算燃尽室是一个基本上不布置受热面的烟道空间。它为从炉膛出来的烟气创造了一定温度的较大空间以增加烟气停留时间，使烟气中的可燃物继续燃尽，减少不完全燃烧损失。燃尽室采用的校核计算方法，步骤和校核差值与炉膛相同。假设燃尽室烟气出口温度为880℃，则烟气出口绝对温度是1153K，查焓温表得烟气出口焓是7609.24kj/kg烟气平均热容量：V燃尽室系统黑度：

a波尔茨曼准则数：B参量：B无因次温度：θ燃尽室出口温度：θ误差校核计算：∆θ误差符合范围值，后面将进行对流受热面的热力计算。5.对流受热面热力计算工业锅炉对流受热面的传热计算呢，常采用校核计算方法，即根据受热面的结构特ing，燃料燃烧计算和热平衡计算的数据，烟气入口温度，工质入口温度，求出受热面的吸热量，烟气和工质出口温度。校核计算步骤如下；1.预估出口烟气温度θ”，查焓温表得出出口烟气焓H”，用热平衡方程式求出烟气放热量Qrp2.根据给定的出口工质温度t”，查出受热面出口工质焓h”3.根据进出口的烟气温度，工质温度，得平均温差∆t4.计算烟气和工质的平均流速，确定对流和辐射放热系数a，选取有效系数ψ，求出传热系数K5.按传热方程式计算出传热量Qer6.校核加热的出口烟气温度是否合理∆对有减温器的锅炉对流管束，省煤器及空气预热器∆Q烟气从燃尽室出来后，折入第一对流管束烟道，顺序横向掠过第一，第二对流管束，最后在锅炉后墙左侧排出，进入尾部受热面—省煤器，空气预热器，最后排出。第一锅炉对流管束热力计算：预估出口烟温为530℃，查焓温表得出出口烟气焓为4375.94kj/kg烟气放热量：Qrp平均温差：Δ烟气流速：ω传热系数：K=传热量：Q校核误差值：∆校核误差值符合范围，接下去计算第二锅炉对流管束热力计算。第二锅炉对流管束：预估出口烟温为396.43℃，查焓温表得出出口烟气焓为3213.87kj/kg烟气放热量：Qrp平均温差：Δ烟气流速：ω传热系数：K=传热量：Q校核误差值：∆校核误差值符合范围，接下去计算省煤器热力计算。省煤器热力计算：预估出口烟温为250.26℃，查焓温表得出出口烟气焓为1990.22kj/kg烟气放热量：Qrp平均温差：Δ烟气流速：ω传热系数：K=传热量：Q校核误差值：∆校核误差值符合范围，接下去计算空气预热器热力计算。空气预热器热力计算：出口烟温给定180℃，查焓温表得出口烟气焓为1418.04kj/kg烟气放热量：Qrp平均温差：Δ烟气流速：ω空气流速：ω传热系数：K=传热量：Q校核误差值：∆符合校准误差值，后进行锅炉总体热力计算。锅炉总体热平衡校核计算：表2-5锅炉各部分吸热量炉膛辐射吸热量燃尽室对流吸热量第一锅炉管束对流吸热量第二锅炉管束对流吸热量省煤器对流吸热量QlQrjQygQegQsm12642.261480.153086.651176.191175.53烟气边总有效吸热量：Q工质边总有效吸热量：Q相对误差：Q计算结果符合要求，热力计算结束。－PAGE1－第三章热管及热管换热器3.1热管的分类随着热管的技术研发和工业应用不断开拓，热管的分类依据也开始变得多种多样，下面将介绍是几种常规的分类依据：按照热管的工作温度：可分为低温热管，常温热管，中温热管，高温热管等等。按照管内工作液体回流动力：可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管（重力热管）、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。按照管壳材料与管内工质液体的组合方式划分：可分为铜-氟利昂-11、低碳钢-氨、碳钢-萘、不锈钢-联苯，钨-银等等。按照结构形式区分：可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等等。按照热管的功用进行划分：可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。3.2热管的工作原理热管工作原理图如图3-1所示，热管中的基础构件有管壳，吸液芯和端盖。在放入适量的工质之前，需要先将管内抽气，达到微负压状态，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体加以密封。热管的一段为蒸发段。则另一段为冷凝段。在工业设计过程中，可以根据需求在蒸发段和冷凝段中间布置绝热段。当热流体经过蒸发段时，管中液体吸收热量蒸发汽化，通过管内压差流向冷凝段。蒸汽在冷凝段释放热量后冷凝成液体，在毛细力的作用下经过绝热段，最后流回蒸发段。经过上述过程不断的重复，热量从蒸发段传向冷凝段，便是热管工作原理。热量在热管的管内移动过程中，包含了以下六个彼此影响的主要流程：热量从热流体经过的热管管壁和充满工质的吸热芯传递到工质蒸发表层；液体在蒸发段内的工质表层上蒸发；蒸汽从蒸发段流向冷凝段；蒸汽在冷凝段内凝结；热量从蒸汽释放，通过吸液芯和管壁传给冷源；在冷凝段内有蒸汽凝结的液体在毛细作用下经过绝对段，流回蒸发段。图3-2展示的是热管管内汽-液交界面形状、蒸汽质量流量m、压力以及管壁温度Tw和管内蒸汽温度Tv沿管长的变化趋势。在图1-2其中，ΔPc是毛细压力水头，是热管内部工质循环工作的推动力。ΔPv是蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力损失。ΔPl是冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力损失。ΔPg是重力场对液体流动引起的压力损失。所以，是热管正常工作的必要条件。3.3热管相容性及寿命热管的相容性是指热管在预期设计寿命内，管内工质与管壳材料不发生显著化学反应或物理性质变化。即使工质与管壳发生变化，但其影响不足以影响热管的正常工作性能。相容性对于热管的工作寿命和传热性能有着非常大的影响。只有热管具有较好的相容性，才能保证长期的工作寿命，稳定的传热性能。总结起来有以下三方面能影响到热管的相容性：产生不凝性气体：由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体。在热管工作时，该气体被蒸汽流挤压到冷凝段聚集起来形成气塞，从而导致有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能减小。工作液体物性恶化：管内有机液体在一定的温度下，会发生分解反应。这主要是由有机工质的性质不稳定，或与管壳材料发生化学反应，使工质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体容易发生该类不相容现象。管壳材料的腐蚀、溶解：工质在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等影响因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，导致流动阻力增大，使得热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳材料穿孔，使热管失去工作性能。合理的选择热管管材、管内工作液体、吸液芯的结构等方法可以提高热管的工作寿命，在其工作温度范围内能常吃保持稳定有效的传热效率。3.4热管换热器的定义在管箱内部由带翅片的热管管束组成的换热器称为热管换热器。典型的热管换热器它是由一个矩形的外壳，内部布满了带翅片的热管。热管的布置可以是错列布置，也可以是顺列布置。在管箱壳体内部的中间有一块隔板将壳体分为两个上下部分。一个是高温流体的通道，另外一个是低温流体的通道。当两列流体在管道通过时，高温流体的热量带到热管蒸发段内工质。管内工质蒸发汽化，向凝结段飞升。凝结段的汽体散发热量给管外的冷流体。因此，当高温、低温流体在各自通过管道时，通过壳体内热管的热量传递，从而完成热交换。3.5热管换热器的分类目前已经开发出多种多样的热管换热器，如热管省煤器，热管空气预热器，热管蒸汽发生器等等。虽然热管换热器的名称形式多种多样，但它们的工作原理是大径相同的，都是基于热管技术开发原理为了特定的工作环境而生产出不同的热管换热器。对于不同的热管换热器，我们可以根据下述的分类方式去进行分类：按照经过换热器不同种类的流体进行分类，分为：气-气式，气-液式，组合式；按照热管换热器内部结构进行分类，分为：一体式，分离式和组合式；按照热管换热器的工作性能进行分类，可分为：加热型和冷却型。3.6热管换热器的优点热管换热器相较于其他换热器的优点：换热效率高安全性，可靠性高无任何外加动力强化传热方便防积、堵灰能力热管壁温的可调性布置灵活除此之外，热管换热器还具备受传热极限约束少，热流密度可控制变化，高温、低温流体完全隔离，不会有相互传染污染，密封可靠简单等优点。3.7热管换热器设计中存在的的问题尽管热管换热器相较于其他类型的换热器有着很多的优点，但其在设计中存在一些问题。特定管壳材料和使用温度的工质研究热管结构参数设计和确定解决如何减少热管肋片积灰和烟气对热管的磨损解决如何减少腐蚀性烟气对于热管的损耗解决高温热管的开发难点

第四章热管及热管换热器的设计计算4.1热管换热器的设计计算1.冷热流体参数热流体参数烟气入口温度t1’=250.26℃烟气出口温度t1”=75℃烟气流量V1=6.61kg/s=23774.95kg/h烟气密度ρ1=1.087kg/m3烟气的定压比热Cp1=1.09kj/（kg▪℃）=0.26kcal/（kg▪℃）单位时间内烟气放出的热量Q1：QQ冷流体参数空气入口温度t’2=25℃空气流量V2=3.74kg/s=13471.32kg/h空气密度ρ2=1.19kg/m3空气的定压比热Cp2=1.005kj/（kg▪℃）=0.24kcal/（kg▪℃）烟气的放热量Q1与空气的吸热量Q2之间的关系如下：Q=式中，Q是热管换热器的传热量，Q’1是烟气对环境的散热量，Q’2是空气对环境的散热量。Q’1+Q’2约为Q1的1~5%，既：Q计算中，取Q2=0.99Q1，则：Q所以：tt"4.2热管基本参数1.工质热管管内工作温度由下式计算为:t=可以根据表1-1中的内容,选择水为本次设计中的工作液体2.管壳材料在表3-1常用热管的工作温度范围与典型的工作介质及其兼容管壳材料中，对应常温热管一行中水的一行可以看到水与铜，碳钢的兼容性是合适的。虽然水与铜的兼容性相较于碳钢是较好的，但由于铜的最大工作温度只有200℃，而碳钢最大工作温度是300℃左右。且碳钢的强度比铜大，价格比单铜管或者铜刚复合管低。所以可以选用碳钢作为热管的管壳材料。4.热管，肋片的结构选择热管的管径与单管传热量、传热极限以及强度因素有关。热管直径越大，单管的传热量和传热极限就越高，在形同壁厚的条件下强度就越低。具体的管径选择,可以在常用钢管管径和壁厚数值表中使用.所以，在这次的设计中，选择采用φ51×4.5为中心管的尺寸。肋片有不同的制造方法，可以将其划分为整体肋片管，机械连接肋片和焊片管。在这次的设计中，选用机械连接肋片中的绕片式（螺旋肋片）。这种肋片制作方法优点在于制造成本较低。肋片参数的分析确定具体如下：1.肋高lf：肋片的高度与热管的传热能力和肋片效率有很大的关系。肋片高速越高，热管的传热能力越大，而肋片的效率就减小。按照经验取法，可以选择肋高为中心管外径一半。所以：lf肋片外径：df=2.肋厚δf：肋厚取决于磨损、腐蚀、制造工艺等因素。肋厚一般去0.3~1.2mm。考虑到，烟气腐蚀情况严重，所以选择肋片厚度为1.2mm。3.肋节距Sf：肋片的节距主要由换热面积或者热阻决定。相较于干净的流体，像水，空气等，肮脏流体，像烟气的肋节距可以选择数值稍微大一点。所以，烟气侧选10mm，空气侧选8mm。4.肋化比β：肋化比是表肋化后管外表面积的扩展程序的参数。肋化比的具体公式是：β当肋环的肋高为热管外径的一半时，β可以用以下公式算出：β因为在设计过程中，肋高为肋外径一半，可以使用上述第二种公式，所以肋化比数值是：烟气侧肋化比β=8.77空气侧肋化比β=10.71因此，翅片的主要参数如下表所示：表4-3翅片主要参数管外径d0/mm管内径di/mm肋片外径df/mm肋片厚度δ/mm肋节距Sf/mm肋片高度lf/mm肋化比蒸发段51421021.21025.58.77冷凝段51421021.2825.510.714.3热管结构设计1.进出口质量流速计算根据热管传热，腐蚀和降压要求，选取烟气侧的迎面质量流速是：Go1=3kg/（m2·s）而空气侧的迎面质量流速的公式是GG要想算出最窄截面処质量流速，需要先算出横向管节距离，纵向管节距离和气流阻断系数。横向管节距：S纵向管节距：对于正三角形叉排：S烟气侧气流阻断系数：ψ空气测气流阻断系数：ψ则最窄界面处质量流速计算烟气侧：G空气侧：G2.热管蒸发段和冷凝段的长度确定根据流体流动阻力，冷热流体的进、出口温度的数值综合考虑，决定：热管的尺寸为：蒸发段l1=1.38m冷凝段l2=1m绝热段la=0.02m热管总长L=2.4m3.进口界面尺寸烟气侧迎风面积：F空气测迎风面积：F热管每排单管数：N热管每排换热面积：F=4.4热管传热计算1.基本参数取热、冷流体进出口温度的平均值为定性温度烟气定性温度：t空气定性温度：t则冷、热流体的物性参数是：烟气：烟气密度：ρ烟气比热：C烟气导热系数：k烟气动力粘度：μ烟气普兰特数：Pr=0.6空气：空气密度：ρ空气比热：C空气导热系数：k空气动力粘度：μ空气普兰特数：Pr=0.62.热管管外换热系数（以中心管为基准）：烟气：ℎ空气：ℎ中心管加上肋片后，传热系数得到了强化。肋化后，以之前肋化前面积为基准的折算换热系数是中心管换热系数h01，肋片效率ηf1和肋化比β1的乘积。即：ℎ热管管外换热系数（以中心管加翅片为基准）：烟气侧：ℎ空气侧：ℎ3.热管管壁热阻热管管外热阻是由对流换热热阻、污垢热阻和接触热阻组成。公式为R公式中的Rs1是流体侧的污垢热阻，也可以使用ε来替换。ε是有垢表面换热系数与清洁表面换热系数之比。烟气侧管外换热系数（接触系数ξ取0.1，ε1取0.85）：R空气侧管外换热系数（接触系数ξ取0.1，ε2取0.98）：R热管管内热阻是由蒸发段和凝结段的管壁导热热阻，管内工质沸腾、凝结换热系数，蒸汽流动热阻组成的。图中，R1是蒸发段管壁导热热阻，RR2是管内工质沸腾换热热阻，RR3是管内蒸汽流动热阻，可忽略不计R4是管内工质凝结换热热阻，RR5是冷凝段管壁导热热阻，R因此，热管管内热阻R=R1+R2+R3+R4+R5。因为R3数值过小，可以忽略不计，所以：R=蒸发段管内热阻：R冷凝段管内热阻：R蒸发段和冷凝段的总热阻：RR总热阻：R4.5单管传输功率在计算单管传输功率之前，要先计算出对数平均温差。对数平均温差：Δ单管传输功率：Q热管根数：N=热管排数取N1=15排4.6阻力计算热管式换热器的两侧流体阻力会同时影响到引、送风机的功率，所以两侧的流动阻力是衡量其节能和经济性的一个重要指标。烟气侧流动阻力系数：f空气侧流动阻力系数：fs1=烟气侧流动阻力：Δ空气侧流动阻力：Δ4.7安全校核1.热管关内液体工作温度首排工作温度：t末排工作温度：t加热侧最低璧温：t首排工作温度符合水的工作温度范围，因此水是作为热管内工作温度是合适的。加热侧最低壁温高于水蒸气露点温度（50℃），所以热管换热器适合热管工作环境。热管安全性校核分为两种方式进去校核，一种是算出热管极限传热值，对单根热管的传热量进行校核。如果极限热值大于设计的单根热管传热量，那帮助热管是可以安全进行工作的。计算极限热量Qent的公式如下：Q其中，CBo=将工作温度150℃作爲定性温度，查得饱和水和饱和蒸汽的物性参数：密度ρ=917kg/m3表面张力σ=0.0487N/m汽化潜热r=2113.746kj/kg饱和蒸汽密度ρv=2.584kg/m3Bo=CQ因爲Qent另一种是校核最小管内直径校核，其公式为：d取Qent=1.5则d所以管内最小直径校核正确，热管可以安全工作。2.热管强度校核热管管壳的厚度由强度决定，应满足壁厚能够满足管内工作压力，最小壁厚由下式确定：δ式中，P是最大工作压力，取250℃时的饱和压力为39.77kgf/cm2di是热管内径，为26mmσ是许用应力，取12.6kgf/mm2C是腐蚀余量，取0.5mmδmin计算得：δmin所以当热管管内工质温度达到250℃时，壁厚4.5mm大于允许的最小壁厚。所以所设计的热管换热器是可以安全工作的。

第五章热管换热器的安装与加工5.1热管的选择本次设计的热管换热器主要是在锅炉余热回收系统中使用，换热器的布置不会有很大的限制，所以选择立式布置，热管选择使用重力热管。重力热管结构简单，制作方便，传热性能好，且在锅炉余热回收应用中技术较成熟，可以使用以重力热管为管束的热管换热器。5.2热管的预处理在热管的设计计算中，因为工作温度环境计算出的结果是250摄氏度以下，所以选择了使用水为管内工作液体。之后根据水的兼容性，和铜和碳钢之间的综合性考量，选择使用碳钢-水热管作热管的管壳材料和管内工作液体。但是纯碳钢和水在高温下会发生一些化学反应，会对热管的传热工作产生一定的影响。Fe+23Fe+4Fe铁跟水在高温环境下会产生不凝性气体-氢气，产生的氢气会在密度作用下往热管的冷凝段上升，会占用冷凝段的换热面积，导致热管无法正常工作。并且为了防止氢气溶于钢中形成氢分子，造成氢脆导致热管破裂的现象产生，需要对热管管内进行一些预处理。1.热管管壁内镀铜在之前的比较中提及过，铜的强度、价格相较于碳钢不是很适合作为热管材质，但在兼容性的选择上铜比碳钢更适合水。所以可以使用化学镀铜的操作弥补碳钢的缺点。化学镀铜能够做到铜镀在热管管内表面，操作简单方便，相较于纯铜制热管来说又价格便宜，因此用化学镀铜的方法去提高碳钢-水热管的稳定性是最好的办法了。化学镀铜本质上是氧化还原反应。通过还原反应使活泼性比铜好的元素作为还原剂，让铜离子析出固定在表面上，达到化学镀铜的效果。化学镀铜的优点在于它的使用范围广汎，镀层密度均匀，性能稳定。作为对碳钢-水热管内壁的预处理方法非常好用。2.在热管顶部加装不凝性气体排放装置，顶部安装氢气吸收装置氢气在碳钢-水热管中属于主要防范气体，可以选择在热管顶部开口加装气体排放装饰或者氢气吸收装置，但这对于保持热官使用寿命和正常工作来说并不合适。因爲如果不对热管内壁进行镀铜操作的话，还是会有Fe（OH）2和Fe3O4在热管内部生成出来，增加管壁厚度，增加热阻系数。在保证碳钢-水热管工作寿命和工作稳定时，相较于在热管顶部加装不凝结气体排放装饰或是氢气吸收装置，管壁内镀铜是最有效的预处理方式。5.3重力热管的传热加强方法为了降低热阻，增加传热量，现有一些很有借鉴意义的措施：1.在管内开设微槽道在关内开设微槽道意义在于增加换热面积。根据有关文献指出，在管内增加微槽道的换热系数比光滑管内壁增加55%，充液量下限提高，最大热流密度降低。2.在管内增加抑泡装置可以在管内防止开孔抑泡管或者铜制抑泡弹簧起来抑制起泡的作用。开孔抑泡管的作用是，当气泡在蒸发段形成向上流动时，抑泡管可以对气泡的脱离起到抑制作用，迫使气泡呈椭圆状生长。当气泡从孔中逸出时，加大了泡底微膜面积并且增加了微层蒸发时间，使得蒸发段传热得到强化。放置抑泡弹簧的作为是，当工质被加热，弹簧被气泡山下振动时，可使管内无法出现较大气泡，弹簧表面可以短暂留住气泡。因为铜良好的导热性，也可以使工质内温度分布平均，避免出现局部过热的情况出现。3.放置溢流同心导管溢流同心导管布置在冷凝段一侧。具体工作原理是蒸汽向上流动过程中，通过各阶段的气孔开始凝结，水珠通过溢流环的环缝流向喇叭状的馈液欢，之后流向绝热段，最后流回蒸发段。这样可以做到减少了汽液之间的相互作用，增加了热管的传热极限，蒸发段和冷凝段的传热系数大幅度提高。4.采用人工珠化，促进珠状凝结蒸汽在表面凝结有两种方式：珠状凝结和膜装凝结。珠状凝形成的热阻非常微小，因此可以忽略不计，换热系数比膜状凝结高出许多倍。因此我们可以采用促化剂，像硅油，油酸等，人工促进蒸汽凝结成珠状凝结。5.4热管管内工质充液量重力热管内充液量一般较大。儅工作液体蒸汽汽化重新凝结后，液体流向底部时，仍旧有部分液体存留在蒸发段底部，形成液池。当热流量增加时，液体蒸发过快，下降液膜蒸发量增大，导致蒸发段底部相较于之前的液池有局部干涸的情况产生。当充液量过小时，蒸发段底部会出干涸的情况，导致热管无法工作。Streltsov在以努赛尔的竖壁冷凝理论解为基础，认为蒸汽在冷凝段凝结后，液体从冷凝段向绝热段下滑，液膜从零向下逐渐加厚，在绝热段时液膜厚度一致，最后在蒸发段积存时液膜厚度重新变成零。而液膜的蒸发过程可以看作是液膜凝结的逆过程。在这个理论基础上，建立了重力热管的充液量与热流量的公式：G=（这个公式可以帮助我们计算出热管管内最小充液量，避免蒸发段底部出现完成干涸情况的出现。但充液量过大会影响到传热效果。关于管内最佳充液量，很多学者认为管内工质液体V’=20%~30%是合适的。所以确定管内充液量是0.5kg。5.5热管换热器管内排布热管换热器内的热管安装有两种方式，一种是叉排，一种是顺排。叉排的优点在于它的气流扰动大，温度边界层薄，换热充分，积灰少，但流动阻力较大。在压降允许的条件下，优先使用叉排，可减少热管根数和排数。当允许的压降值很小时，可以考虑使用顺排。这次设计中采用的是正三角叉排。5.6热管的端盖热管的端盖具有很多种类，因此它与热管的连接方式也会因为热管的结构形式产生不同的变化。图5-6中的几种端盖以及它们与热管的连接方式，端盖的外圆尺寸可以比热管内径稍微少一点。将端盖与热管配合后，管壳突出的部分可以使用氩弧焊来熔焊，不需要填加焊条，焊口可以光滑平整。图5-7是另一种端盖的结构形式。充液管与端盖的焊接口在热管内部。这样做可以保证在热管制造好后，不会有残留剩下的液体污染管内。5.7热管换热器内热管安装角度热管的安装应该有一定的倾斜角，这样是为了方便灰尘的掉落和管内流动液体凝结完成后重新流回蒸发段。按照我国的标准，热管的倾斜角不应该低于10度。在相关的论文中研究出，当各种工况不变石，倾斜角在20至40度时，倾斜角对重力热管的效果最好，会获得较好的传热效果。5.8热管换热器的隔板密封热管换热器的隔板可以将热、冷流体有效分隔开，保证两股流体之间不会有很大的影响，而且可以起到固定热管的作用。其中可以使用折流板，提高传热的效果。隔板密封指的是冷热流体通道之间的密封装置。这可以用来保重两股流体之间不会受到相互影响。因为热管数量很多，热管之间的管距比较小，所以这种特殊的密封技术给设计带来了一些困难。根据使用的场合不同，热管的密封技术要求也会随之有一定的变化。图5-8是常用于气-气热管换热器的热管和隔板的连接形式。这种结构是在隔板上开一个孔径大于热管外径的孔，热管穿过孔后，将两片套环固定在热管和隔板之间，并用卡环固定。因为分开的套环和固定用的卡环是分开的，所以气封性不是很好。现在有一种方法可以改进，就是将整体的套环固定在隔板上，然后热管穿过套环，之后再将卡环或者一些密封涂料浇筑在热管外围。虽然密封性得到改善，但操作上还是有一定难度。图5-9是适用于对于密封要求较高的结构形式。图中的套管可以适用在烟气侧或者空气侧。首先先将套管与隔板固定住，之后将不带有肋片的热管放入套管内。可以在热管外表面增加微槽，减少接触面积，让热管更容易地进入套管。可以选在套管内增加导热性好的油脂物品，提升热管的导热性。图5-10内的结构常用于大型热管空气预热器。这种结构采用了特制的套圈。刨面图如图中所示。套圈的外圆下部两侧呈现球面，与隔板的孔口使用球面密封，也可以使用锥面密封。热管可以穿过套圈放置。等热管摆放在固定位置后，使用熔融金属浇筑在套圈内圈，使其内圈填充密封。这种方法类似于隔板的浇铸工艺。但相较于隔板浇铸工艺，这种方法省去了模板，加工流程较方便，热管拆卸灵活。5.9热管换热器管箱热管换热器的管箱总体体积为2800x1680x2200（单位为mm）。根据计算设计的数值进行稍微放大处理，方便安装。烟气与空气采用逆流的方式进行布置，且冷流体在上，热流体在下，以便为与达到更好的换热效果。

第六章总结本次设计的重点内容在于热管式空气预热器。先是对锅炉整体进行热力计算，设计出的锅炉热力校核误差在0.23%，符合计算误差。热管换热器内部的热管总体长度是2.4m，蒸发段为1.38m，冷凝段为1m，绝热段为0.02m。热管使用种类的是重力热管。单根热管的携带热量为5954.03W，热管总热阻在0.033℃/W。最后在校核热管上通过热管最大携带热量，管内最小直径的校核方法和最小管壁的校核方法保证了热管的安全工作。在热管换热器的安装上，采用立式放置。在将热管放置换热器内部时，先预先进行化学预处理。采用化学镀铜的方法提升热管的相容性。后可以选择在热管内部放置抑泡装置等技术方法强化重力热管的传热性能。热管管束排布方式选择使用正三角形叉排方式，增加换热面积，传热能力提高。热管的安装角度选择在25度，可以增加管内凝结液体从冷凝段向蒸发段回流的速度，减少时间，增加效率。换热器内的管板使用的是折流板。在管板密封选择上使用的是常用于气-气热管换热器的同心密封环。在热管穿过孔径比热管外径稍大的控后，先后使用两片套环和卡环将其固定，减少冷热流体之间的