分離式熱管計算書

1、 分離式熱管計算書兩相流分離式熱管系統(tǒng)的設(shè)計包括工質(zhì)的選擇、蒸發(fā)器設(shè)計、冷凝器設(shè)計、溶液泵的選型以及連接管路的設(shè)計。本文設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)用于回收小型鍋爐排氣余熱，對入爐助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱。原始數(shù)據(jù)有：工質(zhì)的選擇確定熱管工質(zhì)需要考慮很多的因素，其中最重要的是溫度因素。任何一種工質(zhì)都有它自己可以工作的溫度范圍，其下限是工質(zhì)的凝固點，上限是熱力學(xué)臨界點。應(yīng)避免接近凝固點及臨界點附近工作。因為近于凝固點時，工質(zhì)的飽和蒸汽壓力及密度均很低，蒸汽流動速度大，造成大的蒸汽壓降，或出現(xiàn)粘性限、聲速限及攜帶限，一般使最低工作溫度下的飽和蒸汽壓不低于0.1大氣壓.相反，在接近臨界點時，工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)將大大下降，又因出現(xiàn)

2、過高壓力，對可靠性及管殼強(qiáng)度均有更高要求。工業(yè)上常常應(yīng)用水為熱管的工質(zhì)，對于水，凝固點為0 (1個大氣壓下)，臨界點為374.15。但實際上，工質(zhì)工作的合適的溫度范圍要小得多，主要考慮的是，在熱管的工作溫度范圍內(nèi)，工質(zhì)要具有合適的壓力。壓力值的上限受管殼強(qiáng)度的限制。 幾種常用工質(zhì)的工作溫度范圍工質(zhì)熔點（K)沸點（K）臨界溫度（K）臨界壓力（公斤/厘米）工作溫度范圍（K)氨195.0239.7405.3115210-340氟利昂21138.2262.1451.752170-400水273.2373.2647.4224.4303-500乙醇155.9351.7513.180283-410工業(yè)排煙一

3、般都為中高溫范圍的煙氣，高溫條件下熱管系統(tǒng)只能選取金屬作為工質(zhì)。中溫范圍（550700K）最難選，比如汞雖然可適用于中溫范圍，但有毒，制造麻煩，而且長期相容性問題還無肯定結(jié)論。本文設(shè)計熱管工作溫度為180，選擇水作為系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)。 蒸發(fā)器的設(shè)計 結(jié)構(gòu)計算1）熱管元件的基本選擇 （1）熱管形式：碳鋼一水兩相流分離式熱管，加緩蝕劑 （2）熱管的幾何尺寸 基管外直徑 d=20mm； 壁厚 w=5mm； 翅片形式：環(huán)形平翅片； 翅片外徑 d=40mm； 翅片高度 H=10mm； 翅片厚度 f =5mm； 翅片間距 Y=20mm。 選擇套片管形式的圓形翅片管，翅片選10號鋼。管孔按一定規(guī)律沖壓的整張

4、翅片(鋁片或銅片)套裝在傳熱管束上，并經(jīng)脹管后使其接觸良好，即形成套片管傳熱元件。這種脹管的質(zhì)量較好，傳熱管變形均勻，接觸熱阻小，還可省去液壓脹管后的清洗和干燥工序。它適合于大批量生產(chǎn)，而且組裝靈活，可以使用鋁翅片，自重較輕，故應(yīng)用日益廣泛。2）換熱器的基本結(jié)構(gòu) （1）管束的排列方式 由于有引風(fēng)機(jī)，本設(shè)計選用正三角形錯排方式布管。選用正三角形錯列方式布管：橫向節(jié)距 縱向節(jié)距 （2）迎風(fēng)面積及熱管長度流體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下通過換熱器正面的流速稱為迎面流速（m/s）。熱管換熱器設(shè)計應(yīng)遵循一條重要的原則，即把迎面風(fēng)速（標(biāo)況）限制在23m/s的范圍內(nèi)，風(fēng)速過高會導(dǎo)致壓力降過大而動力消耗增加，風(fēng)速過低會導(dǎo)致管

5、外膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力得不到充分的發(fā)揮。排煙側(cè)迎風(fēng)速度 排煙側(cè)側(cè)迎風(fēng)面積 煙道寬度 單根管長度（在煙道寬度這種保留20%裕量以滿足安裝要求） l=0.8B=0.68m;(3) 第一排管子數(shù) N=B/s=14 排數(shù) 27排 總管數(shù) 365根 （4）元件加熱段外光管面積F 3）熱管的翅化比及換熱器氣流阻斷系數(shù)翅化比： 由熱管和管上翅片遮蓋的通風(fēng)面積占迎風(fēng)面積的比例可用氣流阻斷系數(shù)表示： 傳熱計算 （1）排氣側(cè)熱物性參數(shù)及放熱量 選取換熱器出口的排氣溫度t=190(考慮了當(dāng)爐子在低負(fù)荷下運行時，排氣溫度降低引起t向下波動應(yīng)留的安全裕量）。排氣平均溫度 =245以t為定性溫度插曲煙氣的熱物性

6、參數(shù)密度 比熱 導(dǎo)熱系數(shù) 粘度 排氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度 =1.295kg/m排氣熱量 煙氣側(cè)最窄截面流速 （4）換熱系數(shù)計算采用Briggs公式 2）熱管元件的熱阻計算 （1）翅片效率和翅化表面總效率 翅片效率 設(shè)定熱管工作溫度t為180，管壁溫度t與蒸汽溫度t接近，以t查低碳鋼導(dǎo)熱系數(shù) =49.8W/(m) 查附錄J效率曲線圖得： 翅片總效率 式中，d為翅根直徑，在此即為d。(2)單只熱管分熱阻計算外對流熱阻 /W管壁熱阻 /W內(nèi)沸騰熱阻設(shè)定管內(nèi)兩相流的平均蒸汽含量為0.2，總質(zhì)量流量為1.24Kg/s。平均流速 =g/=0.79m/s雷諾數(shù) （Re)= d/ =23014 （Nu)=（Re

7、) (Pr)=76.43Martinelli無因次參數(shù) X= =0.4126沸騰準(zhǔn)則數(shù)Bo=q/(rg)=7.834*10q故得 Bo（Nu)/（Nu)=exp2.35-0.266lnX-0.0255(lnX) =203.46 （Nu)=10.97（Nu) Bo W/(m) /W單根管總熱阻R /W 3）傳熱溫差取換熱武器為逆流流型對數(shù)平均溫差4）傳熱系數(shù)K和傳熱量Q計算傳熱系數(shù)以加熱段外光管面積F為基準(zhǔn)。 W/(m)單管平均傳熱量W 熱管空氣預(yù)熱器的總傳熱量Q KW蒸發(fā)器外側(cè)流阻計算 式中，為流通計算高度，對熱流體=0.68m計算給出： G=10.13kg/(ms), 0.995 2099N

8、/m 引風(fēng)機(jī)功率增量 （取電動機(jī)效率） =6.7KW 蒸發(fā)器各項參數(shù)部件部件參數(shù)型式碳鋼一水，加緩蝕劑基管外徑20mm壁厚5mm翅片型式套片管形式的圓形翅片管，材料為10號鋼翅片外徑40mm翅片高度10mm翅片厚度5mm翅片間距20mm管束排列方式正三角形錯列橫向節(jié)距48mm縱向節(jié)距41.6mm熱管長度0.68m第一排管數(shù)14總排數(shù)27總管子數(shù)365總換熱量352.3KW引風(fēng)機(jī)功率增量6.7KW冷凝器的設(shè)計 由于冷凝器與蒸發(fā)器計算步驟類似，因此本設(shè)計省略其冷凝器設(shè)計步驟，將關(guān)于冷凝器設(shè)計計算的各有關(guān)參數(shù)列于表2.2中。 冷凝器器各項參數(shù)部件部件參數(shù)型式碳鋼一水，加緩蝕劑基管外徑25mm壁厚4m

9、m翅片型式套片管形式的圓形翅片管，材料為10號鋼翅片外徑53mm翅片高度14mm翅片厚度5mm翅片間距6mm管束排列方式正三角形錯列橫向節(jié)距58mm縱向節(jié)距50mm熱管長度0.69m第一排管數(shù)10總排數(shù)22總管子數(shù)231空氣進(jìn)口溫度20空氣出口溫度170空氣流量8082m/h總換熱量348.7KW引風(fēng)機(jī)功率增量5.5KW 連接管路的設(shè)計 由于水作為系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)導(dǎo)致管路內(nèi)壓力較高，所以選擇壓力配管用的碳素鋼管STPG，材料的需用應(yīng)力為38Ib/in。 經(jīng)濟(jì)的管內(nèi)流速標(biāo)準(zhǔn)值流體種類條件流速m/s高粘性液體泵吸入口0.060.15泵排出口0.150.6凝縮性氣體飽和蒸汽1530過熱蒸汽3060液體

10、管的總質(zhì)量流量為1.24Kg/s,則管路的直徑為 選擇泵吸入口前的管路中的液體流速為0.15m/s,則 d=181mm取此段管長為20m選擇泵排出摳的管路中的液體流速為0.4m/s,則 d=111mm 取此段管長為50m蒸汽含量為0.2時的氣液兩相流管路的直徑為 取管內(nèi)氣液兩相流體的流速為15m/s，則 114mm 取此段管長75m管壁厚取5.5mm，以181mm內(nèi)徑為例，其外徑為190mm，可承受的管內(nèi)壓力為 P=1750(-2.45)/d*/1000=1.06Kg/mm=1.0610Pa 180的飽和水蒸氣壓力為1.0210Pa，因此所選管滿足安全要求。 溶液泵的選型熱管系統(tǒng)中若出現(xiàn)雜質(zhì)或

11、不凝性氣體，整個系統(tǒng)的換熱性能會受到大幅度惡化，因此系統(tǒng)在充入工質(zhì)前必須進(jìn)行抽真空，而且系統(tǒng)工作時必須保持密封性良好。鑒于系統(tǒng)密封性的要求，兩相流分離式熱管系統(tǒng)中的溶液泵選擇磁力循環(huán)泵，這種泵傳動時沒有動密封件，密封性能十分出色。1) 求系統(tǒng)摩擦損失壓頭 h=(l/d)(u/2g) 式中，為管道摩擦阻力系數(shù)，l為管道長，d為管道內(nèi)徑，u為管道中流體流速，g為重力加速度。 取圓管的臨界雷諾數(shù)Re=2000，則Re2000時，流動視為紊流。紊流的管道摩擦阻力系數(shù)為 （1）泵前的液體管路h Re=1569362000 h=0.001m (2)泵后的液體管路h Re=4184972000 h=0.028m (3)蒸發(fā)器各管路h Re=549462000 h=10.73m (4)冷凝器各管路h Re=7