《重力热管换热器课设说明书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《重力热管换热器课设说明书（21页珍藏版）》请在文档大全上搜索。
1、目 录第一章 概述1.1课题的背景1.2国内外热管的应用1.3本课题主要研究内容 第二章 重力热管换热器的理论基础2.1重力热管的工作原理2.2重力热管的组成2.3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 3.1烟气及空气参数的确定3.1.1翅片管的应用计算3.1.2纵肋管的应用计算3.2计算结果汇总3.2.1换热器外形结构图3.2.2热管热力计算设计程序3.3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：热管数：换热器纵深排数E：迎风面宽度B：管排数：蒸发换热系数:肋片效率:肋化比：翅片长度：翅片效率：翅片外径：翅片厚度：管外污垢系数：管外有效换热系数：空气
2、侧翅片间距：空气侧翅片节距：烟气放出热量：烟气定性温度：烟气侧翅片间距：烟气侧翅片节距：流体换热系数:气液阻断系数：每米长热管管外总表面积：每米长热管的翅片表面积：横向管子中心距：总传热系数：对数平均温差:外部对流换热热阻：壁厚：加热侧总传热面积：冷空气出口温度：光管外径第一章 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
3、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
4、胜，无疑是至关重要的。1.2 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(The GeneralMotors Corporation,Ohio,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
5、了热管的传输能力。 1969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。 1970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923m。 1974年以后，热管在节约能
6、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QDot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、
7、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、
8、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。1.3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
9、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(TwoPhase CLosed Thermosyphon)又称重力热管，简称热虹吸管，其
10、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
11、，发挥了巨大的优越性。2.2 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10210-2Pa，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。 (2) 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
12、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:(1)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。(2)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。(3)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
13、绝热段(传输段)，仅有加热段和放热段(汽化段和凝结段)。2.3 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。（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
14、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
15、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
16、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。3.1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： 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：Vh=7000 m3/h (标况) 排烟温度：t1h=160250 空气流量：Vc=6500 m3/h (标况) 选定烟气出
17、口温度为t2h=120，主要是为了充分利用热量，应尽量降低烟气出口温度，但过低的温度不利于排灰，另外，还要考虑到低于120时硫的腐蚀性较强。选定入口空气温度为t1c=20 ，是根据一般情况下的环境温度决定的。 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。3.1.1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160250；助燃空气流量6500
18、m3/h（标准状况）,空气进热管换热器温度20。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 mm； 壁厚3 mm；翅片长度15 mm； 翅片外径 68mm； 翅片厚度1.2mm； 翅片型式为等厚度环翅片；空气侧翅片间距： 4mm； 烟气侧翅片间距：8mm；空气侧翅片节距5.2mm；烟气侧翅片节距9.2mm；空气侧每米热管长的翅片数192 片/m；烟气侧每米热管长的翅片数108片/m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
19、子中心距ST =80 mm；SL= ST=80 mm。设计计算： 1.计算传热量Q（1）烟气定性温度 = = (240+1200)/2 180 ST查得定性温度下烟气的参数为： SL定压比热 =1.09KJ/kg； 密度 =0.797 kg/m； 图 3-3 热管排列方式导热系数 =3.82 W/m；粘度 23.6 kg/ms；普郎特数 Pr=0.68（2）烟气放出热量 =329.4 kW (注：在标准状况下，取为 kg/m。)（3）热管传至冷空气侧的热量=329.4 (1-3%)=319.5kW (注：考虑热侧3%的热损)（4）空气实际吸收热量=319.5 x (1-3%)=309.9 kW
20、 (注：考虑冷侧3%的热损)2.空气出口温度及对数平均温差（1）冷空气出口温度（采用试算法） （注：在标准状况下，取为 kg/m）。 此时，空气侧定性温度 = 查得定性温度下空气的物性参数为：定压比热 =1.009kJ/kg; 密度 =0.986kg/m;导热系数 =3.09 W/m粘度 21.3 kg/ms普郎特数 Pr=0.691（2）对数平均温差 3. 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23 m/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
21、度E根据现场实际情况(原烟气通道为),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，E=A/L计算得知，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，则迎面管排的管子数B为：, 取B=10。（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2.5 m/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，热侧热管长度。取热管换热器中间隔板厚度为，则热管总长度为。4.求总传热系数（1）管束最小流通面积NFA则，。（2）
22、流体最大质量流速热侧 ；冷侧 。（3）求热侧；冷侧。（4）求流体换热系数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：则：热侧 ；冷侧 。 （5）求翅片效率热侧 = ； 冷侧 = 。查相关图表得：=3；。（6）求每米长热管管外总表面积每米长热管的翅片表面积为 ；每米长热管翅片间光管表面积为 ；每米长热管管外总表面积+= 。（7）求管外有效换热系数热侧 ；冷侧 。（8）求总传热系数 根据公式则有= 。5.求加热侧总传热面积 。6.所需热管数n 根，取n=230根。7.换热器纵深排数m ,管子总数根。取排，排列方式3.1.2 烟气侧热管外表面采用纵向
23、肋片的方案已知数据： （标况） 排烟温度 （标况） 热管 mm 3 mm 68mm 15mm1.2mm 4mm 192 片/m5.2mm 烟气侧考虑除灰方便，采用纵肋，沿气流方向各有一条纵肋。 设计计算：取 取 根 中间隔版厚 0.04 m ，总长 2.04 m。烟气物性参数： =1.09KJ/kg =0.797 kg/m =3.82 W/m23.6 kg/ms =0.68=329.4 kW肋化比： 气液阻断系数： 最大流速：取 估计20排 （W/m）肋片效率： 加热段管外放热系数：管外对流换热热阻： (/ W) （取管外污垢系数 ）管壁导热热阻： (/ W)管内蒸发热组： 取蒸发换热系数 W
24、/m2 空气侧热力计算同上一方案 冷凝段管外放热系数： 外部对流换热热阻：取 管内凝结热管 凝结放热系数取 W/m2所以放热段总热阻： 单根热管总热阻： 核算所需热管根数： 换热器对数平均温差同上一设计 W/根单台换热器所需热管数： 根3.2 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环肋，烟气侧的翅片间距加大。一方面有利于定时地吸灰排灰（因为此工业烟气含灰份可认为较低，故仍能使用平行环肋），另一方面整个换热器所需热管数量最少，可以为经济性考虑所接受。方案一，主要是需要大量的热管初投资过大，而且换热效率不高，故不宜选用。方案三，所需热管数量在三个方案居中，但过小的翅片
25、间距不利于有效的排灰，故不选用。三种方案各自特性的比较如下页表 3-1所示：表 3-1序 号一二三类 型烟气侧为光管的设计烟气侧采用加大节距翅片的设计烟气侧采用纵向肋片的设计烟气侧结构参数mm光管外径 38翅片节距 5.2翅片厚 1.2翅片高度 15光管外径 38翅片节距 9.2翅片厚 1.2翅片高度 15光管外径 38翅片厚 3翅片高度 15沿气流方向前后各有一片纵向翅片，其长度于烟气侧热管长度相等示 意 图烟气侧换热面积m2/根烟气侧肋化比15.721.55单根热管平均换热量W/根换热器所需热管总根数9383.2.1 换热器外形结构图以下为按第三种方案设计的换热器基本外形尺寸，见图 3-4
26、 热管与隔板的连接选用卡环与套管结构，如图3-5 所示： 1翅片管 2分层隔板 3套管 4卡环图 3-5 卡环密封3.3 热经济性校核对一定规模的热管式换热器装置而言，其进行余热回收的经济效果在很大程度上受下列三点的影响：l 使用能源的种类及其单价；l 适用余热回收的设备年运行时间；l 在该设备系统中，进行余热回收的位置及其利用方法。提供的数据如下:煤炭热值：4900 kcal/kg ，单价：180元/吨 ，换热器的价格：83000元根据上述有关数据，初步计算结果如下： 1.投资M (设备费、运输费 、安装费等) M = 113000元2.助燃空气每小时实际吸收热量为:=309.9KW3600=1115640 KJ3.助燃空气每小时实际吸收热量折合成煤的质量为： =53.3782kg=0.0543782吨4.助燃空气每年实际吸收热量折合成煤的质量为：=0.054378224365=476.353吨5每年可节省资金为： =476.353180=85743.546元6.回收期为：Y = / =1.32年第四章 结论参考文献
