炼油厂常减压装置空气预热器设计及部件优化.doc

毕业设计说明书(论文)作 者： 学 号： 系 部： 机械工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 炼油厂常减压装置 空气预热器设计及部件优化 指导者： 评阅者： 2013 年 5 月 南 京热管是一种高导热性能的传热元件，它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置。将热管元件按一定行列间距、成束装在框架内，用中间隔板等密封元件将加热段和散热段隔开，构成热管换热器。由于其具有传热量大、热响应迅速、温差小等特点，热管换热器越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热设备。本文从热力计算着手，确定了热管空气预热器的传热量、换热面积、管排数等。然后进行了设备结构的设计，并在合理地选择元件参数的基础上结合实际情况设计出了热管式换热器。针对低温酸露点腐蚀的问题，本文提出了采用并联热管组件和表面涂防腐涂料的双保险措施，并对密封方式进行了一定的改进，有效地提高了换热器的使用寿命。关键字 并联热管 热管换热器 热力计算 密封 毕业设计说明书（论文）中文摘要毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Design and Components Optimization of Air Preheater in Refinery Crude Oil Distillation Unit AbstractHeat pipe is a highly efficient heat transfer components, it is a fast heat device to spread heat from one point to another . According to the ranks of certain spacing, the heat pipes, which of the heating and cooling section separated from the sealing element such as the intermediate partition plate, are mounted within the frame, to constitute the heat pipe exchanger. Because of its large amount of heat transfer, rapid thermal response, small temperature difference, etc, people are paying more and more attention to the heat pipe exchanger. Consequently, it is a very good prospect heat transfer equipment. First,the heat, heat transfer area, the number of rows are determined by thermodynamic calculations in this artical. After designing of the structure of the device and reasonable selection of the elements parameters, with the actual situation, the heat pipe exchanger was proposed. For low-temperature acid dew point corrosion problems, the parallel heat pipe and coating of the anti-corrosion coatings on the surface are used , with certain improvement of the seals to improve the life of the heat exchanger effectively.Keywords Parallel heat pipe Heat pipe exchanger Thermal calculation Seal 目录前言1第一章 热管概述21.1 热管及其应用21.2热管的工作原理31.3热管的基本特性3第二章 热管换热器52.1热管换热器的基本特性52.2热管换热器的分类52.3热管换热器与其他换热器比较82.4热管气-气换热器设计中应注意的问题82.5 换热器应用前景及研究进展92.5.1我国换热器市场分布92.5.2我国换热器市场规模112.5.3 国际市场换热器发展情况11第三章 热管换热器设计方案133.1 选择换热器类型133.2 热管的设计133.3 热管换热器的设计计算方法143.4热管换热器设计准备143.4.1 换热管的排列形式153.4.2 设计步骤153.4.3 原始数据153.4.4 符号说明16第四章 热管换热器工艺计算194.1 传热量194.2 对数平均温差194.3 迎风面积及其迎风面管排数204.4 总传热系数214.5 加热段总传热面积234.6 热管根数234.8 通过热管换热器的压力降23第五章 热管设计255.1 热管工作温度的选择255.2 热管工质的选择265.3 热管材料的选择275.4 热管的封头设计计算275.5 热管长度的确定275.6 热管传热极限的影响28第六章 设备的结构设计296.1 材料的选择296.2 箱体的设计温度、压力选择296.2.1 箱体厚度的确定296.3 开孔补强296.4 管板的设计计算296.4.1 管板的厚度计算296.4.2 管板管孔直径的确定316.4.3 管板与热管的连接326.4.4 管板与管子的连接326.5 热管换热器设计模型图336.6 箱体结构设计336.6.1 工字钢的选择336.6.2 进出口设计336.6.3 上封头结构设计346.6.4 检查口和维修口设计346.6.5 箱体结构35第七章 换热器防腐设计367.1组件结构及原理367.2表面防腐措施37第八章 结论388.1设计上的改进388.2 制造上的改进38参考文献39致谢41前言换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器，换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器的热性能不仅与自身的几何形状和材料有关，而且还取决于进行热交换，热状态介质的热力学性质。节能换热器过程中能量损失包括两个方面：首先，流体流动的过程中消耗热量较大；其次，热传递不可逆的损失1。 在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。 目前，换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近30多种产业，相互形成产业链条。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，因而近年来国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩，一些新型高效换热器也相继问世。目前，全国换热设备市场呈现出供不应求的市场状态，换热设备产业正处在黄金增长期。第一章 热管概述热管是一种具有高导热性能的传热元件。它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与冷凝来传递热量，能快速将热能从一点传至另一点。它具有非常高的导热性、良好的等温性、可以任意改变冷热两侧的传热面积、可进行远距离传热、温度可控等一系列优点。缺点是抗氧化、耐高温性能较差。热管传热技术于六十年代初期由美国的科学家发明2，它是利用封闭工作腔内工质的相变循环进行热量传输，因而具有传输热量大及传输效率高等特点。随着热管制造成本的降低，尤其是九十年代前后随着水碳钢热管相容性问题的解决，热管凭借其巨大的传热能力，被广泛应用于石油、化工、食品、造纸、冶金等领域的余热回收系统中。热管气-气换热器是最能体现热管优越性的热管换热器产品，它正在逐步取代传统的管壳式换热器。热管气-气换热器是目前应用最广泛的一种热管气-气换热器。我国的能源短缺问题日趋严重，节能已被提到了重要的议事日程。大量的工业锅炉和各种窑炉、加热炉所排放的高温烟气，用热管气-气换热器进行余热回收，所得到的高温空气可用于助燃或干燥，因此应用前景非常广阔。据有关报道称，我国三分之二的能源被锅炉吞噬，而我国工业锅炉的实际运行效率只有65%左右，工业发达国家的燃煤工业锅炉运行热效率达85%，因此，提高工业锅炉的热效率，节能潜力十分巨大。如果我国锅炉的热效率能够提高10%，节约的能耗则相当于三峡水库一年的发电量，做好工业锅炉及窑炉的节能工作对节约能源具有十分重要的意义3-5。利用热管气-气换热器代替传统的管壳式气-气换热器，一方面，能够大大提高预热空气进入炉内的温度，降低烟气温度，从而大大提高锅炉的热效率；另一方面，热管气-气换热器运行压降非常小，有时甚至不需要增加引风机等设备，从而使得运行费用大大降低。1.1 热管及其应用热管是一种高效的传热元件，热管技术研究的重心已经从理论研究转移到应用研究，热管的应用已经由航天转向地面，由工业转向民用。当前，热管在太阳能利用、笔记本电脑CPU的冷却以及大功率晶体管的冷却、化工、冶金、动力等领域的应用都取得了良好的效果6，热管在这些领域的应用，将进一步促进新型热管技术的开发和应用。特别指出的是，热管技术在太阳能方面的应用市场前景尤为广阔。目前太阳能热管发电装置、太阳能热管热水器等产品已经得到了较为广泛的应用。最近几年来，热管技术以其独特的性能，在各方面发展都十分迅速。热管研究和应用的领域也在不断拓宽，特别是微型热管技术的出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板的冷却、核电工程中的应用得到了极大的发展5。勿容置疑，21世纪热管技术必将朝着更高效、更普及、微型化、大规模化的方向发展。1.2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，其结构及工作原理如图1-1所示。工质q蒸汽液膜 q图1-1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，而且传热性能优异、工作稳定可靠，因此在地面上的各类传热设备中都可作为高效传热元件，其应用领域越来越广，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。1.3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。工作液体在真空状态下吸热相变，其气化潜热很大，传输阻力很小，所以导热性很高，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，考虑到温差的存在，和不能违背热力学第二定律，并且热管的传热能力也会受到各种因素的限制。所以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。工作液体相变后处于饱和状态，蒸汽流动和相变时的温差是非常小的，所以热管的管壁表面温度梯度非常小。在热流密度很小时，热管可以获得高度的等温表面。（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。一根水平放置的有吸液芯热管，由于其内部循环动力是毛细作用力。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，热管各部分的温度也随之变化。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) 3。第二章 热管换热器将热管元件按一定行列间距、成束装在框架内，用中间隔板等密封元件将加热段和散热段隔开，构成热管换热器。一般情况下，它有一个矩形的外壳，在矩形外壳中布满了带翅片的热管。热管的布置可以是错列呈三角形的排列，也可以是顺列呈正方形排列。在矩形壳体内部的中央有一块隔板把壳体分成两个部分，形成热流体与冷流体的通道。当热冷流体同时在各自的通道中流过时，热管就将热流体的热量传给了冷流体，实现了两种流体的热量交换。2.1热管换热器的基本特性（1）热管换热器可以通过换热器的中间隔板使冷热流体分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生损坏时基本不影响换热器整体的运行。热管换热器用于易燃、腐蚀性强、易爆的流体换热场合时具有很高的可靠性。（2）热管换热器的热、冷流体完全隔离流动，可以比较容易实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体都在管外流动，由于管外流动的换热系数比管内流动的换热系数要高出许多。所以热管换热器用于品味较低的热能回收场合非常经济。（3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。（4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整冷凝段、蒸发段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域4。2.2热管换热器的分类热管式换热器是一种新型的换热器，于70年代初才开始应用于工业中作为节能设备。虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。热管换热器的最大特点是：结构简单、换热效率高，在传递相同热量的条件下热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器，换热流体通过换热器时的压力损失也比其他换热器小，因而动力消耗也小。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视。（1）按形式分：整体式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器等。（2）按功能分：气-气式换热器、气-液式换热器、气-汽式换热器等。根据具体工况设计的热管换热器结构及外形形式多样，图2-1、图2-2分别为应用最为广泛的气-气热管换热器外形示意图和气-液热管换热器外形示意图。我国于1970年开始的热管研制工作，首先是为航天技术发展的需要而进行的。1976年12月7日，在卫星上首次应用热管取得了成功。我国气象卫星也应用了热管，并获图2-1 气-气热管换热器图2-2 气-液热管换热器得了预期效果。我国在热管换热器方面的研制工作起步较早。南京工业大学在1973年开始了这方面研制工作，并和南京炼油厂合作完成了国内第一台热管换热器。以后几年，热管换热器陆续在石油、纺织、化工等行业用于干燥工艺及余热回收上。各研究热管的大专院校和科研单位都先后与制造热管的厂家组成了科研生产联合体，在扩大热管换热器应用范围和合理、有效地使用热管换热器等方面起了巨大的推动作用。热管气-气换热器是一种应用最广泛的热管换热器。随着能源短缺问题的日趋严峻，节能意识越来越深入人心，热管气-气换热器的应用前景更加广阔。热管气-气换热器是单管组合式热管换热器中的一种气-气热管换热器，也是目前应用最为广泛的一种余热回收设备，它利用锅炉、加热炉等排烟余热预热炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，还可以减轻对环境的污染，因此，热管气-气换热器在余热回收利用中得到非常广泛的应用。图2-3是热管气-气换热器用于回收锅炉烟气余热，得到的热空气用于锅炉助燃的流程示意图。图2-3 热管气-气换热器流程示意图热管气-气换热器综合起来有如下一些特点7-8：（1）传热性能高。由于热管气-气换热器的加热段和冷凝段都有带翅片，大大扩展了换热表面，因此，其传热系数比普通光管气-气换热器的要大好多倍。（2）对数平均温差大。由于气-气换热器可以方便地做到冷流体与热流体的纯逆向流动，这样在相同的进、出口温度条件下，就可以产生最大的对数平均温差。（3）传热量大。由于热管气-气换热器的传热系数和对数平均温差大，因此，传热量就大。（4）体积小、重量轻、结构紧凑。由于热管气-气换热器所传输的热量大，因此在传输同样的热量情况下，热管气-气换热器就显得体积小、重量轻、结构非常紧凑，因而金属的消耗量小，占地面积也就大大减少。热管气-气换热器这一独特的优点就使其在余热回收等应用领域开辟了广阔的天地。（5）便于拆装、检查和更换。热管气-气换热器是由许多根独立的换热元件-热管按着一定的排列方式组成的。因此更换部分热管不会影响热管气-气换热器整体的正常工作。（6）热管气-气换热器具有很大的灵活性，可以根据不同的热负荷和气体的流量将几个热管气-气换热器串联或并联起来使用。（7）金属壁温被有效的提高了，所以明显地减轻了低温腐蚀。（8）漏风也被有效地防止了，降低了引风机的耗电量。（9）提高了换热能力，余热回收效率明显提高，锅炉热效率也得到了提高。（10）明显地减轻了受热面积灰，不会出现堵烟现象而影响锅炉正常运行。2.3热管换热器与其他换热器比较热管换热器适用于无交叉传染的场合。与其他换热器相比，热管换热器无论是在维修、价格还是在压降上都具有一定的优势，特别是在传热系数上优势更加明显，具体见表2-1。表2-1各种换热器比较9类型评定项目压降传热系数维修价格辅助动力交叉污染传热面积/单位面积总计蓄热式中（3）高（4）高（2）高（2）有（0）有（0）高（4）15管壳式高（2）高（4）中（3）中（3）无（5）无（5）低（2）24辅助流体式低（4）低（2）高（2）高（2）有（0）无（5）中（3）18板翅式低（4）中（3）中（3）高（2）无（5）无（5）很高（5）27热管式低（4）高（4）低（5）中（3）无（5）无（5）高（4）302.4热管气-气换热器设计中应注意的问题自七十年代以来，热管换热器用于回收各种废气的余热已经取得相当大的成效，迄今已投入运行的热管换热器已有好几千台;特别是工艺简单、成本低廉的碳钢-水热管的问世，更为热管换热器在余热回收方面的应用开辟了十分广阔的前景。（1）热管的结构参数热管直径、热管长度、翅片的结构参数(翅片间距、翅片高度、翅片厚度) 决定翅片效率和翅化比，对热管气-气换热器的传热及流阻性能影响较大，并涉及换热器的紧凑性、投资和运行费用。（2）积灰对于灰尘较多的烟气，如其在热管气-气换热器中设计流动速度过高，虽然能够提高热管的换热能力，但是会加速热管的磨损，且增大烟气流动阻力;速度较小时，热管翅片上易积灰，使热管换热能力下降，严重时堵塞换热器，使其失效。这也与目前落后的设计方法有关，传统的设计手段难以通过进行精确的设计计算来避免积灰。（3）露点腐蚀虽然也有工程技术人员已经采用了以避免露点腐蚀为控制目标的设计计算，但由于受传统设计计算手段的限制，设计计算采用试算验证的方式进行，难以做到各项参数的优化组合，从而造成热管气-气换热器的实际运行参数与设计参数的偏离，导致露点腐蚀，导致热管失效。2.5 换热器应用前景及研究进展单位：亿元2.5.1我国换热器市场分布图2-4 换热器市场分布我国换热器市场分布见图2-4，其中石油化工行业所占比重最大。2010年，预计中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模在150亿元；电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右；船舶工业换热器市场规模在40亿元以上；机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。以上。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模10。图2-5 换热器市场需求行业分布石油、化工行业是换热器最主要的应用领域，约占换热器30%的市场份额。石油、化工生产中几乎所有的工艺过程都有加热、冷却或冷凝过程，都需要用到换热器。单位：亿元电力和冶金两大行业所需的换热器约占换热器市场16%的份额。由于城市集中供热中心二次热交换器、制冷空调蒸发器冷凝器的大量应用，集中供暖和制冷空调行业约占换热器行业8%的市场份额。船舶行业应用大量的中央冷却器等换热设备，约占换热器行业8%的市场份额；机械行业在汽车、工程机械、农业机械中应用大量的机油冷却器、中冷器等换热器，约占换热器行业8%的市场份额。此外，在食品、医药等领域，换热器用量也较大，见图2-5。图2-6 我国换热器产业市场规模图2.5.2我国换热器市场规模预计2010年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均1015%左右的速度增长。到2015年，我国换热器产业规模将突破880 亿元；到2020年我国换热器产业规模有望达到1500亿元10，见图2-6。单位：亿元图2-7 国际换热器分布图图2-8 国际换热器市场规模图2.5.3 国际市场换热器发展情况国际换热器产业的总市场规模在500亿美元左右。其中，欧盟和美国这两大市场的规模约占200亿美元左右，占据全球换热器市场近40%的份额。而世界换器市场新的增长点主要集中于中国、俄罗斯、巴西、印度以及快速发展的东南亚市场，其中，“金砖四国”约占全球换热器市场近30%的份额，见图2-7和图2-8。第三章 热管换热器设计方案3.1 选择换热器类型根据题意，本设计中宜选用热管式换热器。由于热管换热器与其他换热器比较具有：热平均温差大、传热性能高、布置灵活、结构紧凑、可以改变热管根数任意组合增大换热面积等优点，故可用较少的热管保证热量的传递；工作安全可靠，即使其中一根发生故障，也不影响整个换热器的工作；检修方便、维修量少、操控性强等优点。因此热管换热器被广泛应用于余热的回收，尤其在工业生产中，各种热力设备的排烟、排气、排水、排渣等，凡是有余热可回收的地方都可以应用。3.2 热管的设计热管的设计主要包括:管壳的设计、工作介质选择、吸滤芯材料选择、中间密封结构设计及相关的设计计算等（热管的主要参数见表3-1） 。其中热管直径、热管长度、翅片的结构参数(翅片间距、翅片高度、翅片厚度)决定翅片效率和翅化比，对热管换热器的传热及流阻性能影响较大，并涉及换热器的紧凑性、投资和运行费用。表3-1 热管换热器用热管主要参数使用场合参数空调及一般行业工业大型装置备注管长/mm610-48803000-60001-1.2mm多为有色金属烟气侧翅片节距，其他材料翅片间距一般多为3-6mm管子外径/mm8-25.432-51壁厚/mm1-1.2、1.652.5-6 翅片数/（片/mm）8、11、143或6翅片高度/mm12.5-1415、25翅片厚度/mm0.17-0.581.27-2管排数3、4、5、6、76、7、12管子排列方式错列（多）顺列（少）在设计热管时所依据的都是经验，当烟气的流量、温度一定时，如何确定热管的直径、翅片高度、翅片厚度、翅片间距、热管管间距、热管长度等结构尺寸并没有准确的依据。这也影响了热管气-气换热器的应用。3.3 热管换热器的设计计算方法热管换热器设计计算的主要任务在于求取总传热系数U，然后根据平均温差T及热负荷Q求得总传热面积A，从而定出管子根数n。 设计中必须考虑的问题有11：（1）合适的迎风面风速，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。一般而言，标准状况下的迎面流体风速在23m/s，工作状态下的流体风速在一般限制在610m/s。（2）热管的管径，厚度，以及翅片的间距，高度，厚度等参数以及腐蚀性会影响流体的流动。（3）冷流体及热流体运行参数，包括流量，进出口温度等。热管换热器常用的的两种基本计算方法是平均温差法和传热单元数法，它们都能完成预热器的设计计算和校核计算。设计计算是设计一个新的换热器，要求确定换热器所需的换热面积；而校核计算是是对已有的气-气换热器进行校核，以确定换热器的流体出口温度和换热量。通常由于设计计算时冷热流体的进出口温度差比较容易得到，对数平均温度能够方便求出，故常常采用平均温差法进行计算；而校核计算时由于热管换热器冷热流体的热容流率和传热性能是已知的，热管换热器的效能易于确定，故采用传热单元数法进行计算。3.4热管换热器设计准备热管、热管长度、热管间距和直径、翅片结构对换热器压降影响很大。热管直径的选择应在中等直径范围，增加管长和减少管间距将有助于提高传热系数。翅片间距的选择应尽可能确保在流体边界的两个以上相邻翅片表面流动层厚度的一个较小取值范围。翅片厚度，翅片高度和间距也会影响热管的压降。翅片厚度的选择应该尽可能取较小的值，翅片高度的最优值，应采取有关的热管外径的一半。热管直径大小对换热面积，压力损失，压力强度，紧凑型设备有直接影响。热管直径的选择应该为被锁定的线性框架中等直径，较大直径不总是很好，为了设计出更加优化的热管换热器，我们应该全面考虑作出的选择12。3.4.1 换热管的排列形式换热管的排列形式主要有以下四种：图3-1 换热管的排列形式等边三角形排列用的最为普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列的管子数最多，便于管板的划线和钻孔。但管间不易清洗，适用于不结垢或可用化学方法清洗污垢以及允许压强较高的工况。TEMA标准规定，当壳程需要机械清洗时，不得采用三角形形式。 在壳程需要进行机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，而且要保证6mm 的清洗通道。因为考虑到本设计采用的是一种新型的整体式热管和双隔板密封方式，所以本设计中的热管采用（d）排列方式。3.4.2 设计步骤（1）计算传热量Q；（2）求对数平均温差m；（3）确定迎风面积Aex及其迎风面管排数B；（4）计算总传热系数UH；（5）求加热段总传热面积；（6）确定所需热管根数n；（7）求换热器纵深排数m；（8）求通过热管换热器的压力降；3.4.3 原始数据（1）物性数据烟气入口温度：=390烟气出口温度：=120烟气体积流量（标况）：=16000m3/h空气入口温度：=20空气出口温度：=300空气体积流量（标况）：=19315m3/h（2）外形尺寸（如图3-2）图3-2 翅片几何参数示意图光管外径：=0.032m光管内径：=0.027m翅片高度：=0.015m热管有效全长：l=2m翅片厚度：=0.0012m翅片间距：=0.004m单位长度上翅片数： 横（纵）向罐子中心距： 3.4.4 符号说明：烟气侧定性温度， ：定性温度下烟气定压比热容，k J/(kg*)：定性温度下烟气密度，kg / m 3：定性温度下烟气导热系数，w /(m*)：定性温度下烟气黏度，kg(m* s )：定性温度下普兰德准数：标况下烟气的密度，kg/m 3Qh：烟气放出热量，kwQO：烟气余热，kwQc：热管传至冷空气侧热量， kw：冷空气出口温度 ，do：热管外径，mmdi：热管内径，mmSL 、ST：纵向、横向管子中心距，mmWN：标准迎面风速，m / sAex：迎风面积， m 2U H：总传热系数， w/( m2*) NFA：管束最小流通截面积， m 2G max：流体最大质量流速， kg /(m 2 *h )Ref ：雷诺准数hf：换热系数 ，w/( m2*) Lf：翅片高度，mf：翅片厚度，mnf：每米热管长的翅片数f：翅片效率Ah：每米长热管管外总表面积，m 2Af：每米长热管的翅片表面积，m 2Ar：每米长翅片间管表面积，m 2hfe：热管外有效换热系数，w/( m2*)n：所需热管数m：换热器纵深排数NFV：换热器净自由容积，m3 / m Dev ：容积当量直径，mtw：平均管壁温度，：通过换热器的压降，PaL1:热管蒸发段长度，mL2：热管冷凝段长度，mTv ：热管工作温度，t：钢材许用应力，MPa：焊缝系数Pc：设计压力，MPaDo：圆筒外径，mmDi：圆筒内经，mm ：d设计厚度，mmn：名义厚度，mm e：有效厚度，mmDN：公称直径，mm C：附加厚度，mm C1：钢板厚度的负偏差，mm C2：腐蚀裕量，mm第四章 热管换热器工艺计算4.1 传热量（1）烟气定性温度查的定性温度下烟气的热物理性参数为表4-1 烟气热物理性参数13数值大小参数类型定压比热容k J/(kg*)密度kg / m 3导热系数w /(m*)粘度kg(m* s )普兰德准数1.110750.67644610-239.95610-60.66（2）烟气放出的热量Qh烟气的余热QO余热回收率（3）热管传至冷空气侧的热量Qc，考虑烟气侧有3%的热损失，故有：（4）冷空气实际获得热量Qc，考虑到冷侧有3%热损失，故有：4.2 对数平均温差（1）求空气侧定性温度及热物性参数空气侧定性温度：查表的160条件下空气的热物性参数为14：（2）求对数平均温差4.3 迎风面积及其迎风面管排数（假设热管烟气侧、空气侧迎风面积相等，热管几何尺寸及翅片参数也相等，并取标准迎风风速WN=2.5m/s）（1）设烟气侧迎风面积、空气侧迎风面积，则有： ，取=1.78（2）确定迎风面的宽度E采用2m长的无缝碳钢热管，并取烟气侧与空气侧长度相等，则有： ，即=1.78m采用迎面横向换热管中心距ST=67mm，因此迎风面管排的管子数B：实际迎风面宽度为：实际标准迎面风速为：（3）实际迎风面积4.4 总传热系数（1）确定管束最小流通截面积NFA（2）求取流体最大质量流速烟气侧： 空气侧： （3）求烟气侧： 空气侧： （4）求流体换热系数烟气侧：空气侧：（5）求翅片效率烟气侧： 空气侧： 图4-1 热管翅片效率图查图得15：，（6）求每米长热管管外总面积每米长热管的翅片表面积为：每米长翅片间管表面积为： 每米热管管外总表面积为：（7）求热管外有效换热系数烟气侧： 空气侧： （8）求污垢热阻及金属管壁热阻烟气侧：取空气侧：可忽略不计金属管壁热阻： （9）求总传热系数由于各部分面积比与单位长度上的面积比相等，故可将相应数值代入下式，并取，则有： 4.5 加热段总传热面积 4.6 所需热管根数4.7 换热器纵深排数4.8 通过热管换热器的压力降（1）求换热器的净自由面积NFV（2）求容器当量直径在本次设计条件下： （3）求烟气侧： 空气侧： （4）求摩擦系数f烟气侧： 空气侧： （5）求平均管壁温度烟气侧： 空气侧： （6）求管壁温度下的流体粘度经查表可得16烟气侧： 空气侧： （7）求通过热管换热器的压降烟气侧： 空气侧： 第五章 热管设计本设计采用的是无吸液芯重力热管，由前可知：热管蒸发段L1=1.0m，冷凝段L2=1.0m， 外径do=0.032m，内径di=0.027m。其制造流程如下图 5-1 所示：上下端盖加工及清洗 翅片管制备 管壳机械加工及清洗 吸液芯制作及清洗 吸液芯插入管壳贴紧 组装焊接 真空除气 封口切割 抽真空灌浆 真空检漏 测试 工作液体预处理 组装 管板加工 壳体加工 图5-1 热管制造流程图5.1 热管工作温度的选择热管工作温度是指热管在正常工作状态下蒸汽腔中蒸汽的温度。作为传热元件的热管能在-200-2000的温度内工作，在此温度范围内可有多种工质供选择，而这些工质都有它自己能工作的温度范围，该温度范围必须在所选工质的凝固点和临界点之间(见表5-1)。表5-1 几种常见工质的适用范围热管工质0.1MPa（常压）下沸点（）熔点（凝点） （）临界点（）合适的工作温度范围（）对应的压力范围（MPa）低温热管-30100氨氟利昂-11氟利昂-113丙酮甲醇3324485764-78-111-35-98-99132.3135.5240-4060-2012007020120301300.0762.980.0161.320.0120.2040.0270.670.0260.786中温热管100350水Thermex导热物100287012374.2497602502003500.0123.980.0250.858高温热管3501200汞锌钠锂3617748921340-396298179300550550850600120080016000.0441.6030.010.2340.0040.0590.0070.33由前可知：，故热管的工作温度为：5.2 热管工质的选择热管是靠壳体内工作流体（工质）的相变和流动过程中质量的转移传送热量的。工质的各种理化性能必然对热管的工作特性有着重要的影响。工质的选择除考虑工作温度的适应范围外，还应考虑下面几个问题：（1）工质与热管材质间的相容性及工质的热稳定性。工质与材质间一旦发生不相容将导致热管的性能变坏或失效。因此，要求工质在工作温度范围内必须具有良好的热稳定性，即不变质、不发生化学反应和分解反应，不产生不凝结气体和沉淀物等。（2）工质的热物理性质。包括：汽化潜热高；导热系数大；粘度低；表面张力系数大；润湿能力高；沸点适当。（3）安全及经济性。对于以传热为主的热管，尽量不采用易燃、易爆和有毒的工质，否则一旦管壳烧坏或发生泄露将会造成严重后果。热管的成本也是考虑的重要因素，尽管热管中所用工质数量较少，但由它所确定的管壳及管芯材料对热管的成本影响很大17。根据以上的选择原则，本设计采用水作为热管的工质。因为水的热物理性能、安全性等都很好，且价廉易得，其工作温度范围：30-200。固然碳钢-水重力式热管虽然结构简单，价格便宜，但应注意的是，碳钢和水在一定的条件下会发生化学反应产生氢气。随着反应的进行，热管中的氢气浓度不断升高，在热管的冷凝段形成不凝性气区，导致热管传热能力下降甚至失效。而目前国内解决的办法是通过在工质水中加入一定剂量的钝化剂来减缓可凝性气体的产生，其主要机理是：钝化剂本身作为强氧化剂使金属表面钝化形成一层致密的氧化物薄膜，从而减轻金属与水的反应18。这就大大提高了碳钢-水热管的寿命，保证了其功效的正常发挥。 5.3 热管材料的选择热管工质选择与热管的材质以及封口焊接材料的性质密切相关，因为材质与工质间存在相容与否的问题。除此之外，壳体材料应当满足耐高温高压、耐腐蚀性等极端条件，并且要具备良好的导热性和化学稳定性以及价廉易得。因此本设计选用钢号为Q235-B(GB 912)的碳素钢为管材19，其在210 条件下， 热管最大允许工作压力为：经查表得：水在210时的饱和蒸汽压为P=，即P，故选用壁厚为2.5mm的碳素钢是合理的，在此状态下，热管工作是安全带的。= d5.4 热管的封头设计计算封接是热管制作的最后一道工序，因为要在真空的情况下把热管与充装系统断开并封闭，封接后无法直接检查封头口是否泄露，而只能从热管的性能好坏来判断，所以封接是一道很重要的工序。小直径热管一般都采用平板封头，封头的厚度按下式计算（K：与端盖形式有关的系数，有孔取0.45， 无孔取0.4），本设计中K取0.45。5.5 热管长度的确定热管换热器中的热管长度比应保证两端热通量相等：该长度比是：（1）基于考虑强化热管外换热系数和降低热管束阻力的对立因素综合选择的迎风质量流速的保证条件而得；（2）是基于热管总传热热阻最小，即热管单位表面积相应的传热量最大的保证条件；（3）是基于根据许用蒸气温度来核算蒸发段吸热与冷凝段放热基本平衡的保证条件。基于这个原则，基于式中，得到：综上知：热管长度比值取11可以使设备工作安全且经济合理。5.6 热管传热极限的影响热管的传热能力虽然很大，但也不可能无限地加大热负荷，事实上有许多因素制约着热管的工作能力。换言之，热管的传热存在着一系列的传热极限，限制热管传热能力的因素主要有:管内蒸汽流通截面的大小、毛细力、声速、流体黏度、蒸汽压力及冷凝等，这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的类型是由该热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决定的。热管的传热受到一些因素的限制，即它具有一定的传热极限，超出这些极限的限制， 热管就会散失传热的能力。因此，在热管的设计过程中应把各个因素都考虑进去，才能使热管发挥其最大功效。在本设计中，由于采用无吸液芯重力热管，故对热管传热传热影响较大的极限是声速极限和携带极限。第六章 设备的结构设计6.1 材料的选择压力容器用材的主要选择依据：（1）容器的使用条件，如温度、压力、介质、操作条件和结构特点；（2）材料的力学性能；（3）材料的耐腐蚀性能，包括选材，防腐蚀结构、防腐蚀衬里、腐蚀裕量、条件控制等；（4）材料的加工性能，如可焊性、冷热加工成型性等；（5）材料的价格及来源；（6）同一工程设计中用材应尽量统一20。 在本设计中：材料为Q235-B(GB3274)碳钢；使用温度范围：0-350；设计压力为：1.6MPa；壳体钢板厚度：20mm。6.2 箱体的设计温度、压力选择设计温度系指容器在工作过程中在相应的设计压力下壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。本设计的设计温度为210，且在此温度下Q235-B(GB