地源热泵的设计与计算毕业论文.doc

目 录地源热泵的设计与计算毕业论文目 录目 录I第1章 绪论11.1 热管及热管换热器的概述11.2热管的工作原理11.3热管的基本特性21.4热管换热器21.5 热管换热器的技术优势31.6 热管换热器分类4第2章 确定设计方案52.1选择换热器类型52.2 热管换热器的设计计算方法5第3章 热管换热器设计准备93.1 换热管的排列形式93.2设计步骤143.3确定原始数据16第4章 热管换热器工艺计算174.1 热力计算174.2 结构设计184.3 求总传热系数234.4 加热侧面积244.5 所求热管根数254.6 换热器排数264.7 通过换热器压力降30第5章 热管设计315.1 热管工作温度的选择315.2 热管工质的选择335.3 热管材料的选择365.4 热管封头计算375.5热管长度的校核375.6热管传热极限的影响395.7 校核计算40参考文献57谢 辞58第1章 绪论1.1 热管及热管换热器的概述热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。管传热技术于六十年代初期由美国的科学家发明，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气-气换热器。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。1.2 热管的工作原理热管工作的主要任务是从加热段吸收热量，通过内部相变传热过程，把热量输送到冷却段，从而实现热量转移。完成这一转移有6个同时发生而又相互关联的主要过程,如图1.1。这6个过程是：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面；(2)液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发；(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结；(5)热量从汽液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源； (6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。、1.3热管的基本特性(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，因此具有很高的传热能力导热能力。(2)优良的等温性。热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学方程式可知，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，即可改变热管的管内蒸汽压力和温度，这样即可以改变热流密度。(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)恒温特性。普通热管的各部分热阻基本上不随着热量的变化而变化，但可变导热管，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，这就是热管的温特性。(6)热二极管与热开关性能。热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。(7)环境的适应性。热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，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)。(8)热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。热管换热器用于易然、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。(9)热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。(10)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。(11)热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝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。1.4 热管换热器由热管管束和外壳等组成的换热器称为热管换热器。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。 热管换热器是由美国发明的，最初被用于航天技术和核反应堆，以解决向阳面和背阴面受热不均匀。它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，是一种应用前景非常好的换热设备。20世纪90年代被用于民用空调，由于其优越的导热性，受到越来越广泛的重视，目前在计算机、雷达等高科技领域被广泛应用。1.5 热管换热器的技术优势（1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。热管换热器用于易然、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。（2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位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，可以通过调整蒸发段、冷凝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。1.6 热管换热器分类按形式分: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。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1-3、图1-4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。第2章 确定设计方案2.1 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，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、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。2.2 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。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。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。热管换热器设计计算的主要任务在于求取透过系数 、换热系数 ，然后根据平均温差及单个热管热阻求得单根热管热通量，在结合总传热负荷Q,从而出管子根数n。2.3 热管换热器的设计计算方法设计中必须考虑的问题有：（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。第3章 热管换热器设计准备换热管的尺寸和形状对传热有很大影响，管径越小，单位体积设备的传热面积就越大，这意味着设备越紧凑，体积则越小，对流传热系数较高。但制造麻烦，且小管易结垢，不易机械清洗。因此对清洁的流体小管子为宜，对粘度大或易结垢的液体管径则可取大些。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。目前我国热管式换热器设计中，大多采用的无缝碳钢管规格多为 19mm2mm和 25mm2.5mm两种。换热器一般用光管，这样结构简单，制造容易，但对流传热系数较低。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。图 3-1 中（a）和（d）两种排列方式，在折流板间距相同的情况下，其流通截面要比（b）和（c)两种的小，有利于提高流速，因此该设计中的热管采用（a）排列方式。3.2设计步骤（1）计算总传热量；（2）求空气侧出口温度 ；（3）确定迎风面宽度 及热管列数 ；（4）求透过系数 及空气侧和烟气侧的最高流速 ；（5）求空气侧和烟气侧的雷诺数Re1,Re2并确定两侧的换热系数；（6）求单个热管的翅片数 并确定翅化比 和两侧的翅化效率；（7）求单根热管的热阻和对数平均温度，确定单根热管的热通量；（8）求总热管数求热管的排数 ；（10）求空气侧和烟气侧的耗散系数，确定两侧压力损失；（11）计算净自由容积和烟气侧与空气侧当量直径 。3.3 确定原始数据物性参数：烟气入口温度：烟气出口温度： 烟气体积流量(标况) ：空气体积流量(标况)：空气入口温度：热管横向间距：热管纵向间距：光管内径：光管外径：翅片高度：翅片厚度：= + = 每米长度上翅片数：外形尺寸(如图3-2)： 图3-2 翅片片几何参数示意图第4章 热管换热器工艺计算4.1 热力计算(1)计算传热量烟气定性温度查得烟气物理性质参数：数值参数类型定压比热容CphkJ/(kg)密度kg/m3导热系数fh W/(m)黏度fhkg/(ms)普朗特系数Prh1.0770.88943.39421.630.691(2) 烟气放出的热量烟气的余热余热回收率ho(3)热管传热至冷空气侧的热量为Qc，考虑烟气侧有3%的热损失，故有:(4)冷空气实际获得热量为 ,考虑到冷侧有 3%热损失，故有：4.2 求冷空气出口温度及对数平均温差（1) 冷空气出口温度(2)求空气侧定性温度及热物理性参数 空气侧定性温度查表得50条件下空气的热物性参数为：数值参数类型定压比热容kJ/(kg)Cpc密度kg/m3导热系数W/(m)fc黏度kg/(ms)fc普朗特系数Prc1.0051.092.8320.10.689对数平均温差4.3 确定迎风面积 及其迎风面管排数 B（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，并取标准迎面风速.）(1)设烟气侧迎风面积 、空气侧迎风面积 ，则有： 取 (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:采用迎面横向换热管中心距ST=65mm,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w为: (3)实际迎风面积 （4） 求流体换热系数(5) 计算翅片效率(6) 计算每米长热管管外总面积每米管长翅片表面积：每米长翅片间管表面积：每米热管长管外总表面积：（7） 求热管外有效换热系数 计算污垢热阻 及金属管壁热阻 （9 ） 金属管壁热阻：（9）计算 总 的 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（10）计算加热段总传热面积4.5 所求热管根4.6换热器纵深排数排列方式：13 12 13 12 13 12 13 12 131 12 134.7 通过换热热器压力降1 求换热器的净自由面积2 求容积当量直径在本次设计下， 参考文献在本次设计下， 3 求Ref4求摩擦系数求平均管壁温度6求管壁温度下的流体黏度烟气侧：空气侧：7求通过热管换热器的压降第5章 热管设计 设计采用的是无吸液芯重力热管，由前可知：热管蒸发段冷凝段，外径，内径。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： 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。 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。 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。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。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,其在150条件下, 热管最大允许工作压力为:经查表得:水在150时的饱和蒸汽压为P = 4.76 10 Pa,即,故选用壁厚为5025mm的碳素钢是合理的,在此状态下,热管工作是安全带的。5.4 热管封头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 热管长度的校核热管换热器中的热管长度比（蒸发段与冷凝段长度之比）有：流通长度比；经济长度比；安全长度比。流通长度比是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；经济长度比则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；而安全长度比则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。基于以上原则，流通长度比和经济长度比要小于安全长度比，才能保证设备安全。1 流通长度比：2 经济长度比：3 安全长度比：综上知: LE LF LS ,即是热管长度比在经济长度比与安全长度比之间,故热管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。若以热管的工作温度为分析依据，则可得到如图5-2所示的热管最大传热极限示意图。 图 5-1 热管的传热极限由图可知，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参考文献1 徐伟.地源热泵技术手册M.北京：中国建筑工业出版社，2011.2 赵军，戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用M.北京：中国建筑工业出版社,2007.3 孙晓光，林豹，王新北.地源热泵工程技术与管理M.北京:中国建筑工业出版社,2009.4 郭江龙地源热泵节能技术J河北电力技术，2011，30(