煙氣余熱利用的熱管式換熱器設(shè)計(畢業(yè)論文)

I畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書題目：煙氣余熱利用的熱管式換熱器設(shè)計二、設(shè)計要求及任務(wù)煙氣余熱利用的熱管式換熱器，是以中溫的水碳鋼熱管作為傳熱元件，基管采用鍋爐管，擴張換熱面為高頻焊螺旋型翅片的高效換熱設(shè)備。在設(shè)計時，應(yīng)按照一般鍋爐的煙氣成分考慮露點腐蝕問題，并在保證留有一定余量的情況下決定煙氣的出口溫1、設(shè)計內(nèi)容包括設(shè)計計算及換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度設(shè)計、施工圖設(shè)計；2、所設(shè)計的換熱器需按照國家最新規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，施工圖能付制造廠制造；3、翻譯相關(guān)的英文文獻(1~3萬印刷字符);4、熱管換熱器的裝配圖、部件圖及零件圖合計不少于4~6張零號圖；5、詳盡的設(shè)計說明書(不少于1.5萬字);6、其它詳盡的要求可參閱相關(guān)的設(shè)計指導(dǎo)書；Ⅱ三、各階段時間安排起止周熱工計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計熱力分析、材料選擇、強度校核裝配圖及零件部件繪制撰寫畢業(yè)設(shè)計書明書、畢業(yè)設(shè)計簡介畢業(yè)設(shè)計圖紙、設(shè)計說明書審查畢業(yè)答辯四、參考文獻[1].熱管節(jié)能技術(shù)，張紅楊俊莊峻著,化工工業(yè)出版社，2009年06月；[2].熱管技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用，莊峻張紅著,化工工業(yè)出版社，2000年06月；[3].換熱器原理及計算，余建祖著,北京航空航天大學(xué)出版社，2006年01月。熱管是高效的傳熱元件，它是一種能快速將熱能從一點傳至另一點的裝置，由熱管元件組成的，利用熱管原理實現(xiàn)熱交換的換熱器稱之為熱管換熱器。由于其結(jié)構(gòu)簡單、可操控性強、換熱效率高、動力消耗小等優(yōu)點，熱管換熱器越來越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。目前，它被廣泛應(yīng)用于動力、化工、冶金、電力、計算機等領(lǐng)域。本文就熱管換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢、應(yīng)用及設(shè)計做了一個簡要的論述，著重探討了熱管換熱器的設(shè)計。在討論熱管換熱器的設(shè)計過程中，主要針對其熱力計算、設(shè)備結(jié)構(gòu)計算、元件參數(shù)的選擇做了一個合理構(gòu)建，并結(jié)合實際情況設(shè)計出了空氣預(yù)熱熱管式換熱器基本模型。關(guān)鍵詞：熱管；熱管換熱器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計計算anotherpointofthedevice,consistingoftheheatpipecomponents,theuseoftheprincipleofheatpipeheatexchangerforthermalexchangecalledtheheatpipeheatexchanger.Becauseofitssimplestructure,strongcontrol,heatexchanger,highefficiency,powerconsumption,etc,andheatpipeheatexchangermoreandmoreattention,isaverygoodprospectheattransferequipment.Atpresinpower,chemical,metallurgy,electricpower,computersandotherfields.Inthispaper,thedevelopmentofheatpipeheatexchangerstatus,trends,applicationsanddesignhadabriefdiscussion,focusedonthedesignofheatpipeheatexchanger.Heatpipeheatexchangerinthediscussionofthedesignprocess,mainlyforthethermalcalculation,equipment,structuralcalculations,componentselectionofparametersmadeareaoftheairheatpipeheatexchangerpreheatingthebasicmodelKeywords:Heatpipe;Heatpipeheatexchanger;Structuralparameters;DesigncalculationV 1.1熱管及熱管換熱器的概述 1.2熱管及其應(yīng)用 1.2.1熱管的工作原理 21.2.2熱管的基本特性 41.2.3熱管的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域 51.2.4熱管換熱器 熱管換熱器的技術(shù)優(yōu)勢 熱管換熱器分類 熱管式換熱器與其它類型換熱器比較 熱管換熱器技術(shù)展望 1.2.5換熱器應(yīng)用前景及研究進展 我國換熱器市場規(guī)模 國際市場換熱器發(fā)展情況 我國換熱器研究進展及存在的問題 1.3熱管氣-氣換熱器設(shè)計中應(yīng)注意的問題 2熱管氣-氣換熱器的計算理論及方法 2.1熱管的材料及工作溫度 2.2熱管的強度與最大傳熱功率 2.3熱管氣-氣換熱器的設(shè)計計算方法 2.3.1熱管氣-氣換熱器換熱計算的平均溫差法 2.3.2熱管氣-氣換熱器計算的傳熱單元數(shù)法 2.4總換熱系數(shù)的求解理論及方法 2.4.1換熱準(zhǔn)則方程及冷熱側(cè)對流換熱系數(shù) 2.4.2流體流動中的壓力損失 2.5熱管氣-氣換熱器的離散計算法理論 2.6熱管氣-氣換熱器的定壁溫計算法理論 3確定設(shè)計方案 3.1選擇換熱器類型 3.2熱管的設(shè)計 3.3熱管換熱器的設(shè)計計算方法 4熱管換熱器設(shè)計準(zhǔn)備 4.1換熱管的排列形式 4.2設(shè)計步驟 4.3確定原始數(shù)據(jù) 4.4符號說明 4.5標(biāo)注說明 5熱管換熱器工藝計算 5.1計算總傳熱量Q 5.2求空氣側(cè)出口溫度t,” 5.3確定迎風(fēng)面寬度B及熱管列數(shù)n 5.4求透過系數(shù)ξ 5.5求換熱系數(shù) 5.7求單根熱管的熱阻R和對數(shù)平均溫度△T,確定單根熱管的熱通量q 5.8求熱管的排數(shù)m 5.9求總熱管數(shù)N 5.10求耗散系數(shù)5,與2,確定壓力損失 525.11計算凈自由容積NFV和煙氣側(cè)與空氣側(cè)當(dāng)量直徑 5.12C語言運行結(jié)果 6熱管的設(shè)計 6.1熱管工作溫度的選擇 6.3熱管材料的選擇 6.4熱管的堵頭設(shè)計計算 6.5熱管長度的確定 6.6熱管傳熱極限的影響 7設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7.1材料的選擇 7.2筒體的設(shè)計溫度、壓力選擇 7.2.1筒體厚度的計算 7.3橢圓形堵頭的設(shè)計 7.4容器法蘭的選擇 7.5開孔補強 7.6隔板的設(shè)計 7.6.1隔板的厚度確定 7.6.2隔板管孔直徑的確定 7.6.3隔板與殼體和熱管的連接方式 8結(jié)論 參考文獻 附錄 外文原文 外文譯文 11.1熱管及熱管換熱器的概述熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、溫度可控制等特點。將熱管散熱器的基板與晶閘管等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。熱管傳熱技術(shù)于六十年代初期由美國的科學(xué)家發(fā)明[1,它是利用封閉工作腔內(nèi)工質(zhì)的相變循環(huán)進行熱量傳輸，因而具有傳輸熱量大及傳輸效率高等特點。隨著熱管制造成本的降低，尤其是九十年代前后隨著水碳鋼熱管相容性問題的解決，熱管憑借其巨大的傳熱能力，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、造紙、冶金等領(lǐng)域的余熱回收系統(tǒng)中。熱管氣-氣換熱器是最能體現(xiàn)熱管優(yōu)越性的熱管換熱器產(chǎn)品，它正在逐步取代傳統(tǒng)的管殼式換熱器。熱管氣-氣換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種氣-氣換熱器。我國的能源短缺問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能已被提到了重要的議事日程。大量的工業(yè)鍋爐和各種窯爐、加熱爐所排放的高溫?zé)煔?，用熱管?氣換熱器進行余熱回收，所得到的高溫空氣可用于助燃或干燥，因此應(yīng)用前景非常廣闊。據(jù)有關(guān)報道稱，我國三分之二的能源被鍋爐吞噬，而我國工業(yè)鍋爐的實際運行效率只有65%左右，工業(yè)發(fā)達國家的燃煤工業(yè)鍋爐運行熱效率達85%,因此，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，節(jié)能潛力十分巨大。如果我國鍋爐的熱效率能夠提高10%,節(jié)約的能耗則相當(dāng)于三峽水庫一年的發(fā)電量，做好工業(yè)鍋爐及窯爐的節(jié)能工作對節(jié)約能源具有十分重要的意義[2~6]。利用熱管氣-氣換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式氣-氣換熱器，一方面，能夠大大提高預(yù)熱空氣進入爐內(nèi)的溫度，降低煙氣溫度，從而大大提高鍋爐的熱效率；另一方面，熱管氣-氣換熱器運行壓降非常小，有時甚至不需要增加引風(fēng)機等設(shè)備，從而使得運行費用大大降低。1.2熱管及其應(yīng)用熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體壓降小等優(yōu)點。由于其特殊的傳熱特性可控制管壁溫度，避免露點腐蝕。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機械等行2業(yè)中進行余熱回收以及綜合利用工藝過程中的熱能，已取得了顯著的經(jīng)濟效益[7]。重力熱管因其簡單的結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟的成本得到了廣泛的應(yīng)用，其工作原理是：熱管受熱側(cè)吸收廢氣熱量，并將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)(液態(tài)),工質(zhì)吸熱后以蒸發(fā)與沸騰的形式轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝羝趬翰钭饔孟律仙练艧醾?cè)，同時凝結(jié)成液體放出汽化潛熱，熱量傳給放熱側(cè)的冷流體，冷凝液體依靠重力回流到受熱側(cè)。由于熱管內(nèi)部抽成真空，所以工質(zhì)極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動迅速。熱管在冷、熱兩側(cè)均可裝設(shè)翅片，以強化傳熱。1.2.1熱管的工作原理熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量，通過內(nèi)部相變傳熱過程，把熱量輸送到冷卻段，從而實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。完成這一轉(zhuǎn)移有6個同時發(fā)生而又相互關(guān)聯(lián)的主要過程，如圖1.1。這6個過程是：圖1-1熱管的工作過程示意圖(1)熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面；(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié)；(5)熱量從汽一液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。為進一步了解熱管的傳熱機理，將以上6個過程詳述如下：3從熱源到蒸發(fā)段內(nèi)液—汽分界面的傳熱過程基本上是熱傳導(dǎo)過程。對于水或酒精這類低導(dǎo)熱系數(shù)的工作液體來說，由于吸液芯(金屬網(wǎng))的導(dǎo)熱系數(shù)比液體高，因此通過吸液芯和液體時，熱能差不多主要靠多孔吸液芯材料進行傳導(dǎo)。但是，如果工作液體是具有高導(dǎo)熱系數(shù)的液態(tài)金屬，此時熱量既通過吸液芯材料進行熱傳導(dǎo)，同是也通過吸液芯毛細(xì)孔內(nèi)的液態(tài)金屬進行傳導(dǎo)。在多孔吸液芯的情況下，對流傳熱是很小的，因為要產(chǎn)生有實際意義的對流流動，毛細(xì)孔顯得太小了。通過吸液芯材料和工作液體的傳導(dǎo)所產(chǎn)生的溫差是熱管熱流通路中的主要溫度梯度之一，它的大小取決于工作液體、吸液芯材料、吸液芯厚度以及徑向凈熱流量。這個溫降可以從攝氏幾度到幾十度。熱量傳遞到液—汽分界面附近以后，液體就可能蒸發(fā)，與液體蒸發(fā)的同時，由于從表面離開的液體質(zhì)量使液—汽交界面縮回到吸液芯里面，形成一個凹形的彎月面(如圖1.2),這個彎月面的形狀對熱管工作性能有決定性影響。單個毛細(xì)孔上簡單的力學(xué)平衡現(xiàn)象表明，對于球形分界面，蒸汽壓力與液體壓力之差是等于表面張力除以彎月面半徑之商的兩倍。這個壓差是液體流動和蒸汽流動的基本推動力。它主要起到循環(huán)時作用于液體的重力和粘滯力相抗衡的作用。在蒸發(fā)段，如果熱量進一步增高，則彎月面還要進一步縮入到吸液芯里面，最后它可能妨礙毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的液體流動，并破壞熱管的正常工作。圖1-2熱管的汽—液交界面當(dāng)蒸發(fā)段里的液體一旦因吸收了汽化潛熱并蒸發(fā)時，蒸汽就開始通過熱管的蒸汽腔向冷卻段流動。此流動是由蒸汽腔兩端的小壓差引起的。蒸發(fā)段內(nèi)蒸汽的溫度比冷卻段內(nèi)的飽和溫度稍高一些，從而形成了兩端的溫度差。蒸發(fā)段與冷卻段之間這個溫差常?？勺鳛闊峁芄ぷ鞒晒εc否的一個判據(jù)。如果此溫差小于0.5℃或1℃,則熱管4常常被稱為在“熱管工況”下工作，即等溫工作。在蒸汽向冷卻段流動的同時，在蒸發(fā)段的沿途上不斷加進補充的質(zhì)量(蒸汽),因此在整個蒸發(fā)段內(nèi)，軸向的質(zhì)量流量和速度是不斷增加的，在熱管的冷卻段內(nèi)則出現(xiàn)相反的情況。熱管內(nèi)的蒸汽流動可以是層流，也可是湍流，這取決于熱管的實際工作情況。當(dāng)蒸汽流過蒸發(fā)段和絕熱段時，由于粘滯效應(yīng)和速度效應(yīng)使得壓力不斷下降(在絕熱段只有粘滯效應(yīng)),一旦到達冷卻段，蒸汽就開始在液體—吸液芯表面上凝結(jié)，減速流動使部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而使得在流體運動的方向上壓力有所回升。應(yīng)該指出：蒸汽腔內(nèi)的驅(qū)動壓力要比蒸發(fā)段與冷卻段內(nèi)液體的飽和蒸汽壓差銷為小一些。這是因為要維持一個邊界蒸發(fā)的過程，蒸發(fā)段內(nèi)液體的蒸汽壓力必須超過該處與之相對應(yīng)的蒸汽壓力。同樣，為了保持連續(xù)凝結(jié)，正在冷凝中的蒸汽壓力必須超過該處與之對應(yīng)的液體的蒸汽壓力。當(dāng)蒸汽凝結(jié)時，液體就浸透冷卻段內(nèi)的吸液芯毛細(xì)孔，彎月面具有很大的曲率半徑，可以認(rèn)為是無窮大。在熱管內(nèi)只要有過量的工質(zhì)，就一定集中在冷凝表面上，因而實際上冷凝段的汽—液分界面是一個平面，蒸汽凝結(jié)釋放出的潛熱通過吸液芯、液體層和管壁把熱量傳給管外冷源。如果有過量液體存在，則從分界面到管壁外面的溫降將比蒸發(fā)段內(nèi)相應(yīng)的溫降大，因而，冷卻段內(nèi)的熱阻在熱管設(shè)計中是應(yīng)當(dāng)考慮的重要熱阻之一。1.2.2熱管的基本特性(1)很高的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的傳熱能力導(dǎo)熱能力。(2)優(yōu)良的等溫性。熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。(3)熱流密度可變性。熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即可改變熱管的管內(nèi)蒸汽壓力和溫度，這樣即可以改變熱流密度。(4)熱流方向的可逆性。一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細(xì)力因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。(5)恒溫特性。普通熱管的各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，但可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣熱管5在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。(6)熱二極管與熱開關(guān)性能。熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。(7)環(huán)境的適應(yīng)性。熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉(zhuǎn)軸燃?xì)廨啓C的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的以適應(yīng)長距離或冷熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場),也可用于空間(無重(8)熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運行過程中單根熱管因為磨損、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時基本不影響換熱器運行。熱管換熱器用于易然、易爆、腐蝕性強的流體換熱場合具有很高的可靠性。(9)熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動，可以比較容易的實現(xiàn)冷、熱流體的逆流換熱。冷熱流體均在管外流動，由于管外流動的換熱系數(shù)遠高于管內(nèi)流動的換熱系數(shù)，用于品位較低的熱能回收場合非常經(jīng)濟。(10)對于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結(jié)構(gòu)的變化、擴展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問題。(11)熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。1.2.3熱管的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域熱管作為一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置，其概念首先是由美國通用發(fā)動機公司的Gaugler于1944年提出的。他當(dāng)時的想法是：液體在某一位置上吸熱蒸發(fā)，而后在它的下方某一位置放熱冷凝，不附加任何動力而使冷凝的液體再回到上方原位置繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，達到熱量從一個地點傳動到另一個地點的目的。Gaugler所提出的第一個專利是一個冷凍裝置，由于時代條件的限制，Gaugler的發(fā)明在當(dāng)時未能得到應(yīng)用。1962年特雷費森向美國通用電氣公司提出報告，倡議在宇宙飛船上采用一種類似Gaugler的傳熱設(shè)備。但因這種倡議并未經(jīng)過實驗證明，亦未能付諸實施。1963年Los-Alamos科學(xué)實驗室的Grover在他的專利中正式提出熱管的命名，該裝置基本上與Gaugler的專利相類似。他采用一根不銹鋼管作殼體，鈉為工作介質(zhì)，6并發(fā)表了管內(nèi)裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管實驗結(jié)果，進行了有限的理論分析，同時提出了以銀和鋰作為熱管的工作介質(zhì)的觀點。1964年Grover等人首次公開了他們的試驗結(jié)果。此后英國原子能實驗室開始了類似的以鈉和其它物質(zhì)作為工作介質(zhì)的熱管研究工作。工作的興趣主要是熱管在核熱離子二極管轉(zhuǎn)換器方面的應(yīng)用。與此同時，在意大利的歐洲原子能聯(lián)合核研究中心也開展了積極的熱管研究工作。但興趣仍然集中在熱離子轉(zhuǎn)換器方面，熱管的工作溫度達到1600~1800℃。1964年至1966年期間，美國無線電公司制作了以玻璃、銅、鎳、不銹鋼、鉬等材料作為殼體，水、銫、鈉、鋰、鉍等作為管內(nèi)的工作液體的多種熱管，操作溫度達到1650℃。1967年至1968年，美國應(yīng)用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應(yīng)用范圍涉及到空調(diào)、電子器件、核電機的冷卻等方面。并初次出現(xiàn)了柔性熱管和平板式的異形熱管。Los-Alamos科學(xué)實驗室的工作一直處于領(lǐng)先狀態(tài)，其工作重點是衛(wèi)星上熱管的應(yīng)用研究。1967年一根不銹鋼-水熱管首次在空間運轉(zhuǎn)成功。1965年Cotter首次較完整地闡述了熱管理論，他描述了熱管中發(fā)生的各個過程的基本方程，并提出了計算熱管工作毛細(xì)限的數(shù)學(xué)模型，從而奠定了熱管理論的基礎(chǔ)。Katzoff于1966年首先發(fā)明有干道的熱管。干道的作用是為后冷凝段回流到蒸發(fā)段的液體提供一個壓力降較小的通道。后來莫里茨核普魯謝客提出了一個新的名詞，把在吸液芯結(jié)構(gòu)中加進一些干道的熱管稱為“第二代熱管”,并把它與“第一代熱管”即裝有絲網(wǎng)層等吸液芯的熱管作了比較，他們證明“第二代熱管”比第一代熱管好。1969年，蘇聯(lián)、日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了有關(guān)熱管應(yīng)用研究的文章。在日本的文章中描述了帶翅片熱管管束的空氣加熱器。在能源日趨緊張的情況下，它可以用來回收工業(yè)排氣中的熱能。同年特納核比恩特提出了“可變導(dǎo)熱管”作為恒溫控制使用。格雷提出轉(zhuǎn)動熱管，此種熱管沒有吸液芯，依靠轉(zhuǎn)動中的離心力使液體從冷凝段回流到蒸發(fā)段，這些發(fā)明都是熱管技術(shù)的重大進展。熱管自1964年問世以來，獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫液態(tài)金屬熱管已廣泛地被用于動力工程的核反應(yīng)堆和同位素反應(yīng)器的冷卻系統(tǒng)，并在空間應(yīng)用中作為熱離子核熱電發(fā)生器的重要部件；此外，作為高溫?fù)Q熱器回收高溫?zé)崮茴H具前途。中溫?zé)峁軓V泛地被用于電子器件及集成電路的冷卻、大功率行波管的冷卻、密閉儀表的冷卻；在動力工程中用于透平葉輪、發(fā)電機、電動機以及變壓器的冷卻；在能量工程方面用于廢7氣熱能回收、太陽能和地?zé)崮艿睦?；在機械工程方面用于高速切削工具(車刀、鉆頭)的冷卻。低溫?zé)峁茉谕ㄐ怕?lián)絡(luò)中冷卻紅外線傳感器、參量放大器；在醫(yī)學(xué)方面可用作低溫手術(shù)刀，進行眼睛和腫瘤的手術(shù)。隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍還在擴大。幾個典型的應(yīng)用如下：美國阿拉斯加輸油管線工程采用熱管作輸油管線的支撐。這條管線穿過寒冷的凍土地帶，夏天凍土融化，使得管線下陷，引起管線破裂。后來，決定在管架支撐中裝設(shè)簡單的重力熱管，從而解決這個困難。冬天通過熱管將管樁基礎(chǔ)周圍的熱量帶出并散失在空氣中，使土壤凍透，形成結(jié)實的“低溫錨樁”。夏天，由于重力熱管具有單向傳熱性能，大氣中的熱不能傳到地下，故地下凍土不能融化；采用了氨-碳鋼熱管，長10～20m,上部散熱端裝有鋁翅片，埋入土壤中的深度為9～12m,在熱管兩端溫差小于1℃的情況下，保證每根熱管可輸送300W的熱流。其熱管的設(shè)計使用壽命可達30年，滿足整個管線工程的要求。在1290km長的管線上，總共使用了112,000多根熱管。熱管應(yīng)用于一個化學(xué)反應(yīng)釜，反應(yīng)釜的攪拌軸就是一根熱管。當(dāng)反應(yīng)釜中的反應(yīng)溫度達不到熱管啟動溫度時，熱管不工作，一旦溫度上升到熱管工作溫度時，熱管便通過釜內(nèi)的吸熱片把熱量傳到釜外，通過散熱片散入空間，從而使得釜內(nèi)反應(yīng)溫度保持恒定。熱管在太陽能方面的應(yīng)用。目前太陽能熱管發(fā)電裝置、太陽能熱管熱水器等產(chǎn)品已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱管技術(shù)正愈來愈廣泛地滲入到各個工業(yè)領(lǐng)域中，發(fā)揮出愈來愈重要的作用。我國熱管研究開始于1970年左右。在1972年，第一根鈉熱管運行成功，以后相繼研制成功氨、水、鈉、汞、聯(lián)苯等各種介質(zhì)的熱管，并在應(yīng)用上取得了一定的進展。1981年國內(nèi)第一臺試驗性熱管換熱器運行成功，各地相繼出現(xiàn)了各種不同類型的、不同溫度范圍的氣-氣熱管換熱器和氣-液熱管換熱器，在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良好的作用，并積累了一定的使用經(jīng)驗。20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)一些科研院所、高校及制造廠相繼開展了熱管氣-氣換熱器的試驗研究。主要目的是解決熱管的制造工藝、碳鋼-水熱管的相容性、中高溫?zé)峁艿难兄?、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設(shè)計方法等問題，其研究成果陸續(xù)在石化，冶金、電力等行業(yè)推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)已有數(shù)千臺熱管氣-氣換熱器先后投入使用，取得了較好的使用效果。但也暴露了不少問題，如熱管失效、低溫腐蝕、積灰、漏風(fēng)8等，影響了熱管氣-氣換熱器的進一步推廣。因此，急需對這些問題進行細(xì)致分析與研究，完善熱管氣-氣換熱器的設(shè)計制造方法，提高熱管氣-氣換熱器的使用效果和壽1.2.4熱管換熱器由熱管管束和外殼等組成的換熱器稱為熱管換熱器。一般情況下，它有一個矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯列呈三角形的排列，也可以是順列呈正方形排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分成兩個部分，形成熱流體與冷流體的通道。當(dāng)熱冷流體同時在各自的通道中流過時，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實現(xiàn)了兩種流體的熱量交換。熱管換熱器是由美國發(fā)明的，最初被用于航天技術(shù)和核反應(yīng)堆，以解決向陽面和背陰面受熱不均勻。它是一種新型的換熱器，于70年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時間不長，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的最大特點是：結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時的壓力損失也比其他換熱器小，因而動力消耗也小。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。20世紀(jì)90年代被用于民用空調(diào)，由于其優(yōu)越的導(dǎo)熱性，受到越來越廣泛的重視，目前在計算機、雷達等高科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。熱管換熱器的技術(shù)優(yōu)勢(1)熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運行過程中單根熱管因為磨損、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時基本不影響換熱器運行。熱管換熱器用于易然、易爆、腐蝕性強的流體換熱場合具有很高的可靠性。(2)熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動，可以比較容易的實現(xiàn)冷、熱流體的逆流換熱。冷熱流體均在管外流動，由于管外流動的換熱系數(shù)遠高于管內(nèi)流動的換熱系數(shù)，用于品位較低的熱能回收場合非常經(jīng)濟。(3)對于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結(jié)構(gòu)的變化、擴展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問題。(4)熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。熱管換熱器分類(1)按形式分：整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉(zhuǎn)式熱管換熱器等。9(2)按功能分：氣-氣式換熱器、氣-液式換熱器、氣-汽式換熱器等。根據(jù)具體工況設(shè)計的熱管換熱器結(jié)構(gòu)及外形形式多樣，圖1.3、圖1.4分別為應(yīng)用最為廣泛的氣-氣熱管換熱器外形示意圖和氣-液熱管換熱器外形示意圖。圖1-3氣-氣熱管換熱器圖1-4氣-液熱管換熱器熱管式換熱器是一種新型的換熱器，于70年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時間不長，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的最大特點是：結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時的壓力損失也比其他換熱器小，因而動力消耗也小。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。我國于1970年開始的熱管研制工作，首先是為航天技術(shù)發(fā)展的需要而進行的。1976年12月7日，在衛(wèi)星上首次應(yīng)用熱管取得了成功。我國氣象衛(wèi)星也應(yīng)用了熱管，并獲得了預(yù)期效果。我國在熱管換熱器方面的研制工作起步較早。南京工業(yè)大學(xué)于1973年就開始了這方面研制工作，并和南京煉油廠共同完成了國內(nèi)第一臺熱管換熱器。以后幾年，熱管換熱器相繼在紡織、石油、化工等行業(yè)用于余熱回收及干燥工藝上。各研究熱管的科研單位和大專院校都先后與制造熱管的廠家組成了科研生產(chǎn)聯(lián)合體，在擴大熱管換熱器應(yīng)用范圍和有效、合理地使用熱管換熱器等方面起了推動作用。熱管氣-氣換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的熱管換熱器。隨著能源短缺問題的日趨嚴(yán)峻，節(jié)能意識越來越深入人心，熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用前景更加廣闊。熱管氣-氣換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種余熱回收設(shè)備，它利用鍋爐、加熱爐等排煙余熱預(yù)熱爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對環(huán)境的污染，因此，熱管氣-氣換熱器在余熱回收利用中得到非常廣泛的應(yīng)用。圖1.5(a)是熱管氣-氣換熱器用于回收鍋爐煙氣余熱，得到的熱空氣用于鍋爐助燃的流程示意圖，圖1.5(b)是熱管氣-氣換熱器用于回收窯爐煙氣余熱來加熱空氣，得到的熱空氣作為烘房熱源的流程示意圖。熱空氣>150℃熱空氣>150℃煙囪鍋爐低溫?zé)煔?lt;180℃燃料熱管氣-氣換熱空氣20-30℃圖1-5熱管氣-氣換熱器流程示意圖(a)熱空氣>150℃送烘房空氣20-30℃煙囪窯爐低溫?zé)煔?lt;180℃燃料熱管氣-氣換熱圖1-5熱管氣-氣換熱器流程示意圖(b)熱管氣-氣換熱器就象省煤器和蒸汽過熱器一樣已經(jīng)成了大型鍋爐整體中正常而必要的一部分。熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用簡化并加速了燃料的烘干工程，減少了低值燃料和濕燃料的著火困難，并且擴大了這些燃料經(jīng)濟燃燒的可能。熱管空氣預(yù)器熱同樣還可以提高鍋爐整體的蒸汽生產(chǎn)量。熱管氣-氣換熱器能夠把排出的煙氣加以高度冷卻。這是由于進入熱管氣-氣換熱器的空氣溫度比較低(一般在20~40℃)、空氣與煙氣成逆流換熱的結(jié)果。傳統(tǒng)的氣-氣換熱器的缺點是過于笨重，愈提高煙氣冷卻程度或者空氣的加熱溫度，氣-氣換熱器就愈加笨重。氣-氣換熱器所排出的煙氣的溫度也受到限制，既決定于技術(shù)經(jīng)濟條件，也決定于必須避免在氣-氣換熱器的金屬表面上結(jié)成水滴，因為水滴會引起金屬壁的腐蝕，灰分也會粘在濕金屬壁上使之加速積垢。燃料中含硫愈多，在金屬壁上結(jié)成的水滴就會愈危險。從氣-氣換熱器中排出的容許溫度決定于必須使金屬壁溫度高于煙氣露點的條件[9]采用熱管氣-氣換熱器能夠把排出煙氣時帶走的熱量損失減少到能夠容許的程度。每當(dāng)使排出的煙氣溫度降低20℃,鍋爐整體的效率可提高約1%。此外，熱管氣-氣換熱器能使?fàn)t膛中前部煙道中的煙氣溫度有某些提高。在這些地方，煙氣與水或蒸汽的溫度差將會增加，因而經(jīng)過受熱面?zhèn)鬟^的熱量也就增加了。輻射傳遞的熱量增加得尤為顯著。由于水-碳鋼熱管的研制成功，使得氣-氣熱管換熱器的制造成本大幅降低，從而促進了熱管氣-氣換熱器的工業(yè)化應(yīng)用。熱管氣-氣換熱器綜合起來有如下一些特點①傳熱性能高。由于熱管氣-氣換熱器的加熱段和冷凝段都有帶翅片，大大擴展了換熱表面，因此，其傳熱系數(shù)比普通光管氣-氣換熱器的要大好多倍；②對數(shù)平均溫差大。由于熱管氣-氣換熱器可以方便地做到冷流體與熱流體的純逆向流動，這樣在相同的進、出口溫度條件下，就可以產(chǎn)生最大的對數(shù)平均溫差；③傳熱量大。由于熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差大，因此，傳熱量④體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。由于熱管氣-氣換熱器所傳輸?shù)臒崃看?，因此在傳輸同樣的熱量情況下，熱管氣-氣換熱器就顯得體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)非常緊湊，因而金屬的消耗量小，占地面積也就大大減少。熱管氣-氣換熱器這一獨特的優(yōu)點就使其在余熱回收等應(yīng)用領(lǐng)域開辟了廣闊的天地；⑤便于拆裝、檢查和更換。熱管氣-氣換熱器是由許多根獨立的換熱元件-熱管按著一定的排列方式組成的。因此更換部分熱管不會影響熱管氣-氣換熱器整體的正常⑥熱管氣-氣換熱器具有很大的靈活性，可以根據(jù)不同的熱負(fù)荷和氣體的流量將幾個熱管氣-氣換熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來使用；⑦明顯地提高了金屬壁溫，減輕了低溫腐蝕；⑧有效地防止了漏風(fēng)，降低了引風(fēng)機的耗電量；⑨增強了換熱能力，余熱回收率高，提高了鍋爐熱效率；⑩明顯地減輕了受熱面積灰，不會出現(xiàn)堵煙現(xiàn)象而影響鍋爐正常運行；總之，熱管氣-氣換熱器與管殼式預(yù)熱器相比，有很多優(yōu)點，主要體現(xiàn)在傳熱性能好、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、投資小、運行費用低和流動阻力小等方面。熱管氣-氣換熱器的技術(shù)優(yōu)勢就在于利用了熱管內(nèi)部工質(zhì)的相變傳熱，換熱系數(shù)大，易于控制空氣及煙氣的出口溫度。熱管式換熱器與其它類型換熱器比較類型熱亮類型蕃式管式評定項目壓降中(3)傳熱系數(shù)維修很低(5)價格輔助動力交叉污傳熱面積/單位體積很高(5)總計管助體翅管輔流式(板式熱式輔流表1-1各種換熱器比較備注：表中括弧中的數(shù)字表示品質(zhì)因數(shù)，最好為5,最差為0;總計因數(shù)越高，其綜合性能越優(yōu)良.熱管換熱器技術(shù)展望近年來，熱管換熱器熱加工工藝模擬不斷向廣度、深度拓展，其技術(shù)發(fā)展趨勢已普遍由建立在溫度場、速度場、變形場基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測形狀、尺寸，輪廓的宏觀尺度模擬(mm-m級)進入到以預(yù)測組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度模擬(毫米量級)及微觀尺度模擬(微米量級)階段。模擬功能已由單一的物理場模擬普遍進入到多種物理場相互耦合集成的階段，以真實模擬復(fù)雜的熱加工過程。由于普通鑄造、沖壓、鍛造工藝模擬的日益成熟及商業(yè)軟件的出現(xiàn)，熱管換熱器研究工作的重點和前沿已由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特性問題。主要方向一是解決特種熱加工工藝(如壓鑄、金屬型鑄造、楔橫軋等)模擬及工藝優(yōu)化問題；二是解決加工件的缺陷(混晶、回彈、熱裂、冷裂、變形等)消除問題。(4)重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎(chǔ)性研究主要有：熱管換熱器熱加工基礎(chǔ)理論、缺陷形成機理及判據(jù)、新的數(shù)理模型新的算法、前后處理等基礎(chǔ)性研究及物理模擬與精確測試技術(shù)等。(5)重視集成技術(shù)，使熱管換熱器工藝模擬成為先進制造系統(tǒng)的重要組成部分包括：在并行環(huán)境下，與產(chǎn)品、模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)集成，與零件加工制造系統(tǒng)集成，與零件的安全可靠性能實現(xiàn)集成。1.2.5換熱器應(yīng)用前景及研究進展我國換熱器市場規(guī)模圖1-6我國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模圖基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。預(yù)計到2010年年底我國換熱器的市場需求將達到500億元。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模在150億元；電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在80億元左右；船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在40億元以上；機械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為40億元；集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過30億元，食品工業(yè)也有近30億元的市場。另外，航天飛行器、半導(dǎo)體器件、核電常規(guī)島核島、風(fēng)力發(fā)電機組、太陽能光伏發(fā)電多晶硅生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器，這些市場約有130億元的規(guī)模。預(yù)計2010年至2020年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10～15%左右的速度增長。到2015年，我國換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破880億元；到2020年我國換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達到1500億元。國際市場換熱器發(fā)展情況圖1-7國際換熱器分布圖國際換熱器產(chǎn)業(yè)的總市場規(guī)模在500億美元左右。其中，歐盟和美國這兩大市場的規(guī)模約占200億美元左右，占據(jù)全球換熱器市場近40%的份額。而世界換器市場新的增長點主要集中于中國、俄羅斯、巴西、印度以及快速發(fā)展的東南亞市場，其中“金磚四國”約占全球換熱器市場近30%的份額。單位：億美元圖1-8國際換熱器市場規(guī)模圖我國換熱器研究進展及存在的問題我國換熱器產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但經(jīng)過10多年的發(fā)展，也取得了較大進展。尤其最近幾年來，大量的強化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。如蘭石換熱設(shè)備公司板式換熱器成功進入國內(nèi)核電建設(shè)項目常規(guī)島和核島領(lǐng)域，并陸續(xù)將板式換熱器用于大乙烯項目、鈦白粉生產(chǎn)線等領(lǐng)域。四平巨元瀚洋板式換熱器公司也成功進入大亞灣二期嶺澳核電站的常規(guī)島和核島領(lǐng)域。步改進。主要表現(xiàn)在：(1)相關(guān)科研人員對基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)技術(shù)的研究不夠重視，例如從基礎(chǔ)物性(尤其是熱物性)的研究、傳熱與流動的研究(釬焊板式換熱器冷凝與蒸發(fā)，纏繞管式換熱器和板翅式換熱器多股介質(zhì)的傳熱與流動),U型管在不同熱處理狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕試驗、無縫管對接接頭在繞管狀態(tài)下的應(yīng)變時效、加氫換熱器管箱端部螺紋的應(yīng)力分析和應(yīng)力測定等方面都有許多工作要做。(2)某些制造工藝尚需突破，例如螺旋板式換熱器碳鋼定距柱的接觸焊、板式換熱器(含板殼式換熱器)的激光焊工藝、細(xì)管液壓脹管新途徑等。(3)另外在換熱器制造上，我國目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達國家還有一定的差距。1.3熱管氣-氣換熱器設(shè)計中應(yīng)注意的問題自七十年代以來，熱管換熱器用于回收各種廢氣的余熱已經(jīng)取得相當(dāng)大的成效，迄今已投入運行的熱管換熱器已有好幾千臺；特別是工藝簡單、成本低廉的碳鋼-水熱管的問世，更為熱管換熱器在余熱回收方面的應(yīng)用開辟了十分廣闊的前景。(1)熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)熱管直徑、熱管長度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片間距、翅片高度、翅片厚度)決定翅片效率和翅化比，對熱管氣-氣換熱器的傳熱及流阻性能影響較大，并涉及換熱器的緊湊性、投資和運行費用。在設(shè)計熱管時所依據(jù)的都是經(jīng)驗，當(dāng)煙氣的流量、溫度一定時，如何確定熱管的直徑、翅片高度、翅片厚度、翅片間距、熱管管間距、熱管長度等結(jié)構(gòu)尺寸沒有準(zhǔn)確的依據(jù)。這也影響了熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用。(2)積灰對于灰塵較多的煙氣，如其在熱管氣-氣換熱器中設(shè)計流動速方法有關(guān)，傳統(tǒng)的設(shè)計手段難以通過進行精確的設(shè)計計算來避免積灰。(3)露點腐蝕雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計計算，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計計算手段的限制，設(shè)計計算采用試算驗證的方式進行，難以做到各項參數(shù)的優(yōu)化組合，從而造成熱管氣-氣換熱器的實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)的偏離，導(dǎo)致露點腐蝕，導(dǎo)致熱管失效。2熱管氣-氣換熱器的計算理論及方法熱管氣-氣換熱器是由若干獨立傳熱的熱管按一定的排列方式所組成，目前的工業(yè)應(yīng)用場合，均采用重力式熱管作傳熱元件，所以熱管氣-氣換熱器的工藝設(shè)計計算內(nèi)容包括重力式熱管，以及以重力式熱管作傳熱元件的氣-氣換熱器兩個部分的設(shè)計計2.1熱管的材料及工作溫度根據(jù)熱管的工作原理知道，影響熱管性能的幾個主要因素為：管內(nèi)的工作液體；熱管的工作溫度；管壁(殼體)材料。在進行熱管設(shè)計計算以前，首先應(yīng)考慮怎樣確定上述這些因素。一般地說，這與設(shè)計的目的有關(guān)。因為熱管的用途相當(dāng)廣泛，不同的用途對熱管的要求也不盡一致。在某些場合下要求相當(dāng)苛刻，例如宇航、軍工中就是如此。此時管子的數(shù)量可能較少，但可靠程度和精密性要求卻相當(dāng)嚴(yán)格，可靠性占第一位，經(jīng)濟性則處于次要地位。在民用和一般工業(yè)中，管子數(shù)量相當(dāng)多(已屬批量生產(chǎn)),這時經(jīng)濟性占了突出地位，如果價格昂貴，應(yīng)用也就失去意義。故此時的熱管設(shè)計應(yīng)注意經(jīng)濟性，應(yīng)盡量采用價廉易得且傳輸性能好的工作液體；不采用吸液芯，完全依靠重力回流；對管壁則盡可能采用廉價金屬-碳鋼。殼體材料首先應(yīng)滿足與工質(zhì)的相容性要求。除此之外殼體材料還應(yīng)滿足在工作溫度下的剛度和強度要求。同時應(yīng)考慮對熱管殼體材料的選擇必須符合我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。熱管是依靠工作液體的相變來傳遞熱量的，因此工作液體的各種性質(zhì)對于熱管的①工質(zhì)應(yīng)適應(yīng)熱管的工作溫度區(qū)在指定的設(shè)計條件下，冷源和熱源的溫度是已知的，換熱條件也是明確的，因而熱管本身的工作溫度范圍可以通過一般的傳熱公式計算出來。熱管的工作溫度一般是指工作時熱管內(nèi)部工作液體的蒸汽溫度。在良好的熱管工作時，工質(zhì)必然在汽-液兩相狀態(tài)。據(jù)此，所選擇的熱管工作液體熔點應(yīng)低于熱管的工作溫度，而臨界點必須高于熱管的工作溫度，熱管才有可能正常工作。在某一溫度范圍內(nèi)有幾種工作液體可被選用，這就要依次考慮各種因素，并加以對比，作出選擇。②工質(zhì)與殼體材料應(yīng)相容，且工質(zhì)應(yīng)具有熱穩(wěn)定性工作液體與殼體、吸液芯材料的相容性是最重要的必須考慮的因素。因為一旦殼體或吸液芯材料與工作液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)了，或是工作液體本身分解了，都將產(chǎn)生不甚至不能工作。目前還沒有完整的理論來計算材料的相容性，但是確定材料相容性的試驗研究結(jié)果已相當(dāng)多。原來的文獻中認(rèn)為水與碳鋼材料不相容，但水-碳鋼熱管換熱器的實際運行時間甚至有超過10年的。③工質(zhì)應(yīng)有良好的熱物理性質(zhì)工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)用來說明工質(zhì)的物理性質(zhì)對熱管軸向傳熱能力的影響，用符號N1表示，是一個有因次數(shù)，單位是W/m2④其他(包括經(jīng)濟性、毒性、環(huán)境污染等)滿足以上條件的工質(zhì)并不一定就是可采用的最好工質(zhì)，還要考慮制作的安全性、經(jīng)濟性和來源的難易程度等一系列問題。2.2熱管的強度與最大傳熱功率熱管的設(shè)計計算通常按以下3個步驟進行：根據(jù)一定的蒸汽速度確定熱管的直徑；按照工作壓力對熱管進行機械強度校核；驗算與熱管最大傳熱能力有關(guān)的工作極限。熱管管徑的大小對熱管的性能有影響，即對熱管換熱器的性能有影響。對單管傳熱量來說，管徑越大，傳熱面積就越大，單管傳熱量就越多。對一臺換熱器來說，當(dāng)總的熱負(fù)荷一定時，所需要管子的根數(shù)就減少，這會降低設(shè)備的造價和投資。因此增大管徑是有利的。但對熱管傳熱熱阻來說，就熱管氣-氣換熱器來說，在總的傳熱熱阻中，起控制作用的是管外兩側(cè)的放熱熱阻。隨管徑的增大，管外放熱系數(shù)要下降，熱阻要增大(此項是熱管傳熱的主要熱阻),對傳熱不利。對熱管的強度來說，在其他條件相同的情況下，管徑越小，所能承受的管內(nèi)壓力就越高，管徑小些有利。從以上看來，管徑越小，熱管換熱器的性能越好。但管徑的大小還直接影響了管內(nèi)流通面積的大小，從而影響著熱管的幾項傳熱極限。受流通截面影段如果增加輸入的熱量超過一定值時，工質(zhì)蒸汽流在加熱段的出口處達到音速，便出現(xiàn)蒸汽流動的阻塞現(xiàn)象，由此現(xiàn)象產(chǎn)生的傳熱量的界限稱為音速極限(聲速限)。管徑計算的一個基本原則是管內(nèi)蒸汽速度不超過一定的極限值。這個極限值是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過0.2。在這樣的條件下，蒸汽流動可以被認(rèn)為是不可壓縮的流體流動。這樣軸向溫度梯度很小，并可忽略不計。否則，在高馬赫數(shù)下蒸汽流動的可壓縮性將不可忽略。馬赫數(shù)等于0.2,則有2.3熱管氣-氣換熱器的設(shè)計計算方法熱管氣-氣換熱器設(shè)計計算的主要任務(wù)在于求取總傳熱系數(shù)U,然后根據(jù)平均溫差△T及熱負(fù)荷Q求得總傳熱面積A,從而定出管子根數(shù)N。設(shè)計中考慮的問題有：合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過高會導(dǎo)致壓力降過大和動力消耗增加，風(fēng)速過低會導(dǎo)致管外膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力得不到充分的發(fā)揮；熱管的管徑，厚度，以及翅片的間距，高度，厚度等參數(shù)；冷流體及熱流體運行參數(shù)熱管氣-氣換熱器的兩種基本計算方法是平均溫差法和傳熱單元數(shù)法，它們都能完成預(yù)熱器的設(shè)計計算和校核計算。設(shè)計計算是設(shè)計一個新的氣-氣換熱器，要求確定氣-氣換熱器所需的換熱面積；而校核計算是是對已有的氣-氣換熱器進行校核，以確定氣-氣換熱器的流體出口溫度和換熱量。通常由于設(shè)計計算時冷熱流體的進出口溫度差比較易于得到，對數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進行計算；而校核計算時由于熱管氣-氣換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱管氣-氣換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進行計算。其傳熱方程為式中，△Tm是由冷熱流體的進出口溫度確定的。以上三個方程中共有八個獨立變量，它們是UA、(mcp)h、(mcp)。、Th?、Th?、Tc?、Tc?、Q。因此，熱管氣-氣換熱器的換熱計算應(yīng)該是給出其中的五個變量來求得其余三個變量的計算過程。對于設(shè)計計算，典型的情況是給出需設(shè)計熱管氣-氣換熱器的熱容流率(mcp)n、(mcp)c,冷、熱流體進出口溫度中的三個已知量，如Th?、Th?、Tci,計算另一個溫度Tc?、換熱量Q以及傳熱性能量UA。UA也就是傳熱系數(shù)和傳熱面積的乘積，最后達到設(shè)計熱管氣-氣換熱器的目的。對于校核計算，典型的情況是給出已有熱管氣-氣換熱器的熱容流率(mcp)n、(mcp)c、傳熱性能量UA以及冷熱流體的進口溫度Th?、Tci,計算換熱量Q和冷熱流體的出口溫度Th?、Tc?,最后達到校核換熱器性能的目的。2.3.1熱管氣-氣換熱器換熱計算的平均溫差法1.平均溫差法進行熱管氣-氣換熱器設(shè)計計算的步驟為：(1)由已知條件，從熱管氣-氣換熱器熱平衡方程計算出冷熱流體進出口溫度中待求的那一個溫度；(2)由冷熱流體的四個進出口溫度確定其對數(shù)平均溫差△Tm;(3)初步布置換熱管，根據(jù)無因次準(zhǔn)則方程計算總傳熱系數(shù)U;(4)從傳熱方程求出所需的換熱面積A,并核算熱管氣-氣換熱器冷熱流體的(5)如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計不合理，則應(yīng)改變設(shè)計方案重新計算。2.平均溫差法用于校核計算，其主要步驟為：(1)首先假定一個流體的出口溫度，按熱平衡方程求出流體的另一個出口溫(2)由四個進出口溫度計算出對數(shù)平均溫差△Tm;(3)根據(jù)熱管氣-氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計算相應(yīng)工作條件下的傳熱系數(shù)U的數(shù)(4)從已知的UA和△Tm由傳熱方程求出換熱量Q(假設(shè)出口溫度下的計算值);(5)再由熱管氣-氣換熱器熱平衡方程計算出冷熱流體的出口溫度值；(6)以新計算出的出口溫度作為假設(shè)溫度值，重復(fù)以上步驟(2)至(5),直至前后兩次計算值的誤差小于給定數(shù)值為止，一般相對誤差應(yīng)控在1%。2.3.2熱管氣-氣換熱器計算的傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)是反映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù)，也是衡量熱管氣-氣換熱熱流體和冷流體的傳熱單元數(shù)NTUn和NTU。各按下式式中Th?和Th?分別為熱流體的進出口溫度；Tc?和Tc?分別為冷流體的進出口溫A為傳熱面積；(mcp)h和(mcp)c分別為熱流體和冷流體的水當(dāng)量。由定義式可知：在設(shè)計熱管氣-氣換熱器時，換熱要求越高，則所需傳熱面積越大，傳熱單元數(shù)也越大。對操作中的熱管氣-氣換熱器，傳熱單元數(shù)越大，表明其性能越好。采用傳熱單元數(shù)法計算換熱過程，還須引入傳熱效率的概念。熱管氣-氣換熱器內(nèi)傳熱效率是指兩流體的實際傳熱量與理論上可能的最大傳熱量(即兩流體逆流操對一定型式的熱管氣-氣換熱器，傳熱單元數(shù)、傳熱效率和兩相熱容量流率(mcp)間存在一定關(guān)系。對于逆流操作的熱管氣-氣換熱器為：利用NTU與n的關(guān)系式和熱量衡算式，可較方便地進行傳熱計算，特別是對已有熱管氣-氣換熱器傳熱性能進行核算，可避免試算或減少試算的次數(shù)。1.e-NTU法進行熱管氣-氣換熱器校核計算的主要步驟為：①由熱管氣-氣換熱器的進口溫度和假定出口溫度來確定物性參數(shù)，計算熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù)U;②計算熱管氣-氣換熱器的傳熱單元數(shù)NTU和熱容流率的比值Xmin/Xmax;③按照熱管氣-氣換熱器中流體流動類型，根據(jù)e-NTU的計算公式計算預(yù)熱器的效能值ε;④根據(jù)冷熱流體的進口溫度及最小熱容流率，按照公式求出換熱量Q;⑤利用熱管氣-氣換熱器熱平衡方程確定冷熱流體的出口溫度Th?、Tc?;以計算出的出口溫度重新計算傳熱系數(shù)，并重復(fù)進行計算步驟(2)至(5)。2.ε-NTU法用于熱管氣-氣換熱器的設(shè)計計算，其主要步驟是：①由熱管氣-氣換熱器的熱平衡方程求出待求的溫度值，進而由公式計算出預(yù)熱器效能ε;②根據(jù)所選用的流動類型以及e和Xmin/Xmax的數(shù)值，計算傳熱單元數(shù)NTU;③初步確定換熱面的布置，并計算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)U的數(shù)值；④再由NTU的定義式確定換熱面積A=XminNTU/U,同時核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動阻力；⑤如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計不合理，則應(yīng)改變設(shè)計方案重新計算。2.4總換熱系數(shù)的求解理論及方法如圖1.3是熱管氣-氣換熱器的換熱示意簡圖，高溫?zé)煔饬鬟^隔板的一側(cè)，將熱量傳給帶有翅片的熱管，并通過熱管將熱量傳至空氣側(cè)。高溫?zé)煔庋亓鲃臃较虿粩啾焕鋮s，低溫的空氣沿流動方向不斷被加熱。原則上可以把熱管群看成是一塊流阻很小的“間壁”。因而熱管氣-氣換熱器與常規(guī)間壁式換熱器的計算方法相似。如圖2.1所示，用下標(biāo)h表示加熱段，下標(biāo)c表示冷卻段。對于加熱段，熱流體溫度為Th,Tv代表管內(nèi)介質(zhì)蒸汽溫度；對于換熱管，在加熱段和冷卻段的管內(nèi)蒸汽溫度基本相等，冷流體溫度為Tc。用rw表示管壁熱阻，用ry表示污垢熱阻，其中δy為污垢層厚度，λy為污垢層導(dǎo)熱系數(shù)，可得加熱段和冷卻段的傳熱系數(shù)。圖2-1熱管的溫度分布示意圖對于加熱段，有對于冷卻段，有加熱段和冷卻段翅片間光管表面積；Ach和Arc分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；Uh和Uc分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。加熱段的傳熱方程為冷卻段的傳熱方程為Q=U?A(T,-T)(2.14)Q=U,A(T-T)(2.15)將式(2.14)和(2.15)整理后可得兩式相加消去Tv后，可得對于熱管氣-氣換熱器，一般總是以加熱段管外側(cè)的總表面積Ah為計算基準(zhǔn)的，A?=(A?+A?)(2.19)因而對應(yīng)于Ah的熱管氣-氣換熱器總傳熱系數(shù)U為將(2.12)和(2.13)式代入上式可得：式(2.21)中并未考慮吸液芯導(dǎo)熱和管內(nèi)蒸汽流動的影響。在考慮吸液芯的情況下，蒸發(fā)段的管內(nèi)傳熱系數(shù)應(yīng)包括吸液芯的導(dǎo)熱和表面蒸發(fā)兩項，同樣在冷凝段也應(yīng)包括表面冷凝和吸液芯導(dǎo)熱兩項。在不計吸液芯和蒸汽流動所造成的熱阻的情況下。式(2.21)就具有如下的形式：式中的為以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)的熱管內(nèi)部蒸發(fā)傳熱系數(shù)，為以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)的熱管內(nèi)部冷凝傳熱系數(shù)。實驗表明，簡略計算時可令==5.8kW/(m2.K),再令其中的Uh、Uc分別為加熱段和冷卻段管外的有效給熱系數(shù)。最后式(2.22)可寫為如果熱管氣-氣換熱器的冷、熱流體的隔板放在熱管的中央，此時冷側(cè)和熱側(cè)管外總面積相等(冷熱側(cè)翅片參數(shù)相同時),若冷流體是干凈的空氣，則上式可簡化成為式(2.26)常被用來計算熱管氣-氣換熱器的總傳熱系數(shù)。在解決了熱管氣-氣換熱器的總傳熱系數(shù)U之后，就可寫出熱管氣-氣換熱器的總傳熱方程式為一般情況下，Q可以從冷、熱流體的熱平衡方程式中求出。從式(2.26)求出U,分別代入式(2.27),可求出Ah;若已知熱管加熱段單位長度的總表面積Ah,就可得所需熱管的總長度，從而求得熱管的根數(shù)。2.4.1換熱準(zhǔn)則方程及冷熱側(cè)對流換熱系數(shù)對于橫向掠過光管或光管管束的給熱系數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)方程式為對叉排管束c=0.33,對順排管束c=0.26;Nu數(shù)、Pr數(shù)及Re數(shù)定義如下：熱系數(shù)，Cpf為流體的定壓比熱，pf為流體的密度，μf為流體的動力粘度。顯然流體橫向流過光管管束和橫向流過翅片管束的流動情況存在著很大的差異，因而對帶翅片的熱管氣-氣換熱器管外側(cè)給熱系數(shù)應(yīng)以流體橫向流過翅片管束的給熱系數(shù)Uf來代替U0更為合理。求Uf的準(zhǔn)則方程一般具有如下形式：式中的sf/lf為翅片間距與翅片高度之比，sf/δf為翅片間距與翅片厚度之比。sf和δf,If如圖2.2所示，由式(2.31)可得式中式中的pf為標(biāo)況下流體的密度，Vf為標(biāo)況下流體的體積流量，NFA為管束的最小式中ST為與氣流垂直方向的管間距(中心距),nf為單位管長的翅片數(shù)；L為熱式(2.35)的適用范圍為：0.125<上實際使用的熱管氣-氣換熱器對比，以(2.32)式計算的Uf偏大。南京化工學(xué)院試Nu=0.1370Re?6338Pr1/3(2.36)上式適用范圍：熱氣流溫度240~380℃;Ref=6000~14000;以Uf表達的U計算式中2.4.2流體流動中的壓力損失f向節(jié)距(m),SL為管束縱向節(jié)距(管間距)(m)。(2.41)式中其中NFV為流體流動凈自由容積(m3),Au為單位長度摩擦面積(m2),而式中的df為翅片外徑(m),d0為光管外徑(m),δf為翅片厚度(m),nf為單位管長的翅片數(shù)(m-1),SL為翅片管縱向間距(m),ST為翅片管橫向間距(m)。S.LJameson對螺旋翅片管作了試驗，對Dunter公式進行了修正，即式(2.46)與式(2.41)具有相同的形式。式(2.46)所得的f值比式(2.41)所得值小。使用時可根據(jù)實際情況參照實驗值確定。對于圓片形翅片管式中的Nn為沿流動方向的管排數(shù)。煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量V0,h(m3/s)、空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量V0,c(m3/s)、煙氣的入口溫度Th,煙氣的出口溫度Th?(這一溫度一般應(yīng)高于該煙氣在管壁上產(chǎn)生露點腐蝕的溫度);空氣側(cè)的入口溫度Tci及熱管有關(guān)參數(shù)：管材、管內(nèi)工質(zhì)、翅片參數(shù)、管子的排列方式、排列尺寸、管子幾何參數(shù)。冷氣流吸收熱量式中的n為散熱損失率，一般n=6~10%(包括加熱段和冷卻段);求冷氣流出口溫度Tc2求對數(shù)平均溫差△Tm確定迎風(fēng)面積Aex,h及迎風(fēng)面管排數(shù)Nm。一般熱管氣-氣換熱器的設(shè)計規(guī)定迎面標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速為2.0~3.0m/s,已知冷、熱流體的體積流量V,則Aex,h為式中的Vh為熱流體的體積流量(標(biāo)況下),w1為標(biāo)況下的迎面風(fēng)速，Ahex為氣-氣換熱器煙氣側(cè)的迎風(fēng)面積，同理如果規(guī)定了加熱側(cè)的管長Lh,就可求得迎風(fēng)面的寬度為式中的B為迎風(fēng)面寬度；Lh為加熱側(cè)的熱管長度。從而求得迎風(fēng)面管子的根數(shù)Nn,即式中的Sr為迎風(fēng)面的管子中心距(在考慮管子排列方式時一般已定),求出Nn后取整數(shù)再校核迎風(fēng)面風(fēng)速w1。求總傳熱系數(shù)U:用式(2.35)求管束最小流通截面NFA;用式(2.34)求流體最大質(zhì)量流速Gmax;用式(2.33)求Re;用式(2.32)或式(2.36)求U;在已知翅片的幾何參數(shù)If、sf、δf及管子幾何尺寸do、管子翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)λw的情況下，可求得nf及Ah;用式(2.38)和式(2.39)求Uh;及其導(dǎo)熱系數(shù)，一般不易知道，可從有關(guān)資料中查取經(jīng)驗數(shù)據(jù)；用式(2.27)或式(2.22)求總傳熱系數(shù)U;用公式(2.28)求加熱側(cè)總傳熱面積Ah;求熱管總根數(shù)N式中的Ah為煙氣側(cè)單位長度的傳熱面積，A為熱管加熱段管外總表面積；Lh為單根熱管加熱側(cè)長度；求換熱器縱深方向排數(shù)Nn(沿氣流方向管排數(shù))及沿氣流方向長度Lf;式中的Lm為沿氣流方向管排數(shù)0為非等邊三角形排列時的1/2頂角，在等邊三角形排列時，0=300。求流體通過熱管換熱器的壓力降：通過式(2.39)求NFV;通過式(2.38)求Dev;通過式(2.37)求Ref;由式(2.36)或式(2.41)求摩檫系數(shù)f;求平均管壁溫度Tw。O=UA,(T,-T,(P.61)式中的U為翅片熱管管外的有效給熱系數(shù)，Ah為翅片熱管換熱器一側(cè)管外總表求出Tw后可分別查出相應(yīng)的μw;通過式(2.35)或(2.40)求流體通過熱管氣-氣換熱器的壓力降△Ph,△Pc;如△P過大，可重新修正管子排列方式及迎面風(fēng)速。以上是熱管氣-氣換熱器的一般設(shè)計程序，實際設(shè)計計算中可能要通過幾次試算方可取得較為滿意的結(jié)果。因此，設(shè)計計算工作量很大。2.5熱管氣-氣換熱器的離散計算法理論文獻提出了一種離散型計算法。這種分析法的出發(fā)點認(rèn)為：在熱管氣-氣換熱器中，溫度是連續(xù)變化的，各排熱管管外流體定性溫度取其所在溫度區(qū)段的算術(shù)平均溫度；假設(shè)熱管內(nèi)工質(zhì)溫度從蒸發(fā)段到冷凝段的過程中溫度保持恒定，并且忽略熱管氣-氣換熱器向外界環(huán)境的散熱損失；考慮到熱管氣-氣換熱器中隔板面積相對于熱管的換熱面積很小，隔板的導(dǎo)熱率相對于熱管的導(dǎo)熱率也很小，因此忽略通過隔板的傳導(dǎo)傳熱；沿著流體流動方向，將熱管氣-氣換熱器內(nèi)熱流體進出口算術(shù)平均溫差和冷流體進出口算術(shù)平均溫差均勻地分成n段，n的多少根據(jù)實際情況確定；熱量從熱流體到冷流體的傳遞不是通過壁面連續(xù)的，而是通過若干熱管進行傳遞，熱流體溫度從進口的Th?降到Th?,呈階梯形變化，同樣，冷流體溫度從Tc?升到Tc?,也是階梯形的熱流體放出的熱量Qh為O,∈mà,(,T-T)=X(T-T?)(2.62)式中的m為熱流體質(zhì)量流量(kg/s),cp為熱流體定壓比熱(kJ/kg.K);X=mcp稱為O=(mc,)(T?-T)=K(T?-T)(2.63)不計熱損時，應(yīng)有。管，其中任意一排熱管的傳輸?shù)臒崃縌x可從圖2.3得到。則O=U?A?(T?-T)=U?A(T,體溫度Th和冷流體溫度Tc沿管長也是均勻變化的，由式(2.64)可得式中的Qx為x排熱管傳輸?shù)臒崃浚?)為冷熱側(cè)的流體溫度差，分母為傳熱熱熱流體和冷流體流過第X排熱管后，溫度要發(fā)生變化。由式(2.64)和(2.65可得熱流體的溫度降低為和冷流體的溫度升高為,即圖2.3流體通過熱管時的溫度變化示意圖(順流)移項合并，得2.70’移項合并，得同理，推出第n排：令上式方括號內(nèi)是初項為1、公比的等比級數(shù)，該級數(shù)之和為代入公式(2.75),得以上各式中下標(biāo)h均表示熱流體，下標(biāo)c均表示冷流體，下標(biāo)1表示進口，2表同理可導(dǎo)出逆流傳熱時的總傳熱量(參見圖2.4)為：圖2.4流體通過熱管時的溫度變化示意圖(逆流)但這時因級數(shù)項之和,所以概括式(2.68)應(yīng)有即將式(2.81)、(2.82)代入式(2.80),并加以變換，可整理為式(2.77)和式(2.83)分別為順流和逆流情況下熱管氣-氣換熱器總傳熱量的表和前述一般設(shè)計計算方法一樣，“離散型”計算事先亦需已知冷、熱流體的原始參數(shù)、熱管的幾何參數(shù)、翅片幾何參數(shù)、管子排列方式、各種熱阻的參數(shù)等數(shù)據(jù)，方2.6熱管氣-氣換熱器的定壁溫計算法理論所謂定壁溫計算法是指將熱管氣-氣換熱器的每排熱管的壁溫都控制在煙氣露點溫度之上，這種設(shè)計方法是建立在管內(nèi)蒸汽溫度可調(diào)整的基礎(chǔ)之上的。根據(jù)熱管如下2.84)假設(shè)冷、熱流體的管外給熱系數(shù)近似相等，則對冷、熱側(cè)傳熱面積相等的情況，UhAh>UcAc的情況，應(yīng)有(Th-Tv)<(Tv-Tc);Uh.Ah<Uc.Ac的情況，應(yīng)有(Th-Tv)>Tv-Tc)。因而通過調(diào)整(UA)的值，可使熱管的蒸汽溫度Tv接近熱流體或遠離熱流體溫度。由于熱管的管壁溫度基本上與管內(nèi)蒸汽溫度相近，故可用調(diào)整(UA)值的辦法來控制熱管管壁溫度?？刂茻峁芄鼙跍囟雀哂跓煔饴饵c的方法，在含塵煙氣的環(huán)境中，這種方法取得了良好試驗結(jié)果。定壁溫計算法首先應(yīng)采用常規(guī)計算法，大致計算出熱管氣-氣換熱器的概略尺寸及管排數(shù)，然后再用離散型的計算方法逐排計算每排的壁溫、傳熱量、冷流體的溫升、熱流體的溫降，并調(diào)整到滿意值。由于對每一排熱管來說，進行上述計算所用公式是相同的，而通過每一排時氣流的物理性質(zhì)是變化的，因此利用電子計算機進行計算會帶來很大的方便。在掌握了常規(guī)計算法和離散計算法之后，再進行定壁溫計算并無多大困難。使用定壁溫設(shè)計法設(shè)計熱管氣-氣換熱器時，可以使管壁溫度Tw始終靠近煙氣溫度Th當(dāng)煙氣溫度降低時，管壁溫度仍可以維持在露點溫度以上。這在常規(guī)的間壁式換熱器中是很難做到的，因為一般情況下，在間壁換熱時壁溫總是接近給熱系數(shù)較大的流體溫度。某些常規(guī)換熱設(shè)備在低溫流體進口處過早被腐蝕破壞，其原因即在此。通過熱管的定壁溫度設(shè)計，可以避免這一缺點。3確定設(shè)計方案3.1選擇換熱器類型根據(jù)題意，本設(shè)計中宜選用熱管式換熱器。由于熱管換熱器與其他換熱器比較具有熱平均溫差大，傳熱性能高；布置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊，可以改變熱管根數(shù)任意組合，增大換熱面積，故可用較少的熱管保證熱量的傳遞；工作安全可靠，即使其中一根發(fā)生故障，也不影響整個換熱器的工作；檢修方便、維修量少、操控性強等優(yōu)點。因此熱管換熱器被廣泛應(yīng)用于余熱的回收，尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，各種熱力設(shè)備的排煙、排氣、排水、排渣等，凡是有余熱可回收的地方都可以應(yīng)用。3.2熱管的設(shè)計熱管的設(shè)計主要包括：管殼的設(shè)計、工作介質(zhì)選擇、吸濾芯材料選擇、中間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)的設(shè)計計算等(熱管的主要參數(shù)見表3-1)。其中熱管直徑、熱管長度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片間距、翅片高度、翅片厚度)決定翅片效率和翅化比，對熱管換熱器的傳熱及流阻性能影響較大，并涉及換熱器的緊湊性、投資和運行費用。在設(shè)計熱管時所依據(jù)的都是經(jīng)驗，當(dāng)煙氣的流量、溫度一定時，如何確定熱管的直徑、翅片高度、翅片厚度、翅片間距、熱管管間距、熱管長度等結(jié)構(gòu)尺寸并沒有準(zhǔn)確的依據(jù)。這也影響了熱管氣--氣換熱器的應(yīng)用。工業(yè)大型備注管長/mm1-1.2mnm多為有色金屬煙氣敬為3-6mm管子外徑/mm壁厚/mm翅片數(shù)/(片/mm)翅片高度/mm翅片厚度/mm管排數(shù)管子排列方式錯列(多)順列(少)表3-1熱管換熱器用熱管主要參數(shù)3.3熱管換熱器的設(shè)計計算方法熱管換熱器設(shè)計計算的主要任務(wù)在于求取透過系數(shù)ζ、換熱系數(shù)z,h?,然后根據(jù)平均溫差△7及單個熱管熱阻R求得單根熱管熱通量q,在結(jié)合總傳熱負(fù)荷Q,從而定出管子根數(shù)n。設(shè)計中必須考慮的問題[12-13]有：(1)合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過高會導(dǎo)致壓力降過大和動力消耗增加，風(fēng)速過低會導(dǎo)致管外膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力得不到充分的發(fā)揮。一般而言，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的迎面流體風(fēng)速在2～3m/s,工作狀態(tài)下的流體風(fēng)速在一般限制在6～10m/s。(2)熱管的管徑，厚度，以及翅片的間距，高度，厚度等參數(shù)以及腐蝕性會影響流體的流動。(3)冷流體及熱流體運行參數(shù)，包括流量，進出口溫度等。熱管換熱器常用的的兩種基本計算方法是平均溫差法和傳熱單元數(shù)法，它們都能完成預(yù)熱器的設(shè)計計算和校核計算。設(shè)計計算是設(shè)計一個新的換熱器，要求確定換熱器所需的換熱面積；而校核計算是是對已有的氣-氣換熱器進行校核，以確定換熱器的流體出口溫度和換熱量。通常由于設(shè)計計算時冷熱流體的進出口溫度差比較容易得到，對數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進行計算；而校核計算時由于熱管換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱管換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進行計算。4熱管換熱器設(shè)計準(zhǔn)備換熱管的尺寸和形狀對傳熱有很大影響，管徑越小，單位體積設(shè)備的傳熱面積就越大，這意味著設(shè)備越緊湊，體積則越小，對流傳熱系數(shù)較高。但制造麻煩，且小管易結(jié)垢，不易機械清洗。因此對清潔的流體小管子為宜，對粘度大或易結(jié)垢的液體管徑則可取大些。熱管、熱管長度、熱管間距和直徑、翅片結(jié)構(gòu)對換熱器壓降影響很大。熱管直徑的選擇應(yīng)在中等直徑范圍，增加管長和減少管間距將有助于提高傳熱系數(shù)。翅片間距的選擇應(yīng)盡可能確保在流體邊界的兩個以上相鄰翅片表面流動層厚度的一個較小取值范圍。翅片厚度，翅片高度和間距也會影響熱管的壓降。翅片厚度的選擇應(yīng)該盡可能取較小的值，翅片高度的最優(yōu)值，應(yīng)采取有關(guān)的熱管外徑的一半。熱管直徑大小對換熱面積，壓力損失，壓力強度，緊湊型設(shè)備有直接影響。熱管直徑的選擇應(yīng)該為被鎖定的線性框架中等直徑，較大直徑不總是很好，為了設(shè)計出更加優(yōu)化的熱管換熱器，我們應(yīng)該全面考慮作出的選擇[14]。目前我國熱管式換熱器設(shè)計中，大多采用的無縫碳鋼管規(guī)格多為φ19mm×2mm和φ25mm×2.5mm兩種。換熱器一般用光管，這樣結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但對流傳熱4.1換熱管的排列形式換熱管的排列形式主要有以下四種。(a)三角形(b)轉(zhuǎn)角三角形(c)正方形(d)轉(zhuǎn)角正方形圖4-1換熱管的排列式等邊三角形排列用的最為普遍，因為管子間距都相等，所以在同一管板面積上可排列的管子數(shù)最多，便于管板的劃線和鉆孔。但管間不易清洗，適用于不結(jié)垢或可用化學(xué)方法清洗污垢以及允許壓強較高的工況。TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)殼程需要機械清洗時，不得采用三角形形式。在殼程需要進行機械清洗時，一般采用正方形排列，管間通道沿整個管束應(yīng)該是連續(xù)的，而且要保證6mm的清洗通道。圖3-1中(a)和(d)兩種排列方式，在折4.2設(shè)計步驟(1)計算總傳熱量Q;(3)確定迎風(fēng)面寬度B及熱管列數(shù)n;(8)求總熱管數(shù)N;(9)求熱管的排數(shù)m;圖4-2外形尺寸4.4符號說明Re:雷諾準(zhǔn)數(shù)ξ:透過系數(shù)n:單位長度上熱管的翅片數(shù)，個/mη:翅化效率N:熱管換熱器列數(shù)，(列)ly:翅片高度，mμ?:煙氣側(cè)初速，m/sy:煙氣側(cè)最大流速，m/sh:煙氣的對流換熱系數(shù)β:翅化比η:煙氣側(cè)翅化效率R:單根熱管熱阻△T:對數(shù)平均溫度，Cλ:鋼鐵導(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)N:所需熱管數(shù)，(根)m:換熱器縱深排數(shù)，(排)NFV:換熱器凈自由容積，m2ξ:煙氣側(cè)耗散系數(shù)4.5標(biāo)注說明1:煙氣側(cè)2:空氣側(cè)10:煙氣側(cè)標(biāo)準(zhǔn)狀況下f:翅片T:橫向L:縱向W:鋼制”:出口5熱管換熱器工藝計算5.1計算總傳熱量Q9=P?·N·C("-(()(5-2)=1.295×13.89×1.1095×100K/sQ=1995.72K/s(3)冷空氣實際獲得熱量為Q,考慮到冷側(cè)有5%熱損失，故有O=g×0.95=QO=1895.93K/s5.2求空氣側(cè)出口溫度t”1.求冷空氣出口溫度通過迭代計算得出空氣側(cè)出口溫度，本文后附C語言迭代程序，程序編制思路如第三，根據(jù)空氣側(cè)的熱通量與總傳熱量的大小，調(diào)整初始值，返回迭代a)Q>Q,t,”(b)Q<g,t.”本次程序中設(shè)置步長為0.1,迭代精度為0.5;Q=1995.72*/st=20℃E:\E:\ProgramFi...-Ox41=1995.72ki/sv2=13.25m3/sti=20.00'Cthetemperature=125.50'C圖4-3C語言運行結(jié)果計算結(jié)果：t."=125.50℃5