热管换热器设计正文部分.doc

热管换热器的设计摘要：热管是高效的传热元件,它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由热管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之为热管换热器。由于其结构简单、可操控性强、换热效 率高、动力消耗小等优点，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。 目前，它被广泛应用于动力、化工、冶金、电力、计算机等领域。本文就热管换热器的发展现状、 趋势、应用及设计做了一个简要的论述，着重探讨了热管换热器的设计。在讨论热管换热器的设计 过程中，主要针对其热力计算、设备结构计算、元件参数的选择做了一个合理构建，并结合实际情 况设计出了空气预热热管式换热器基本模型。关键词：热管；热管换热器；结构参数；设计计算 Abstract：Heatpipe is a highly efficient heat transfer components, it is a fast heatto spread from one point to another point of the device, consisting of the heat pipe components, the use of the principle of heat pipe heat exchanger for thermal exchange called the heat pipe heat exchanger. Because of its simple structure, strong control, heat exchanger, high efficiency, power consumption, etc, and heat pipe heat exchanger more and more attention, is a very good prospect heat transfer equipment. At present, it is widely used in power, chemical, metallurgy, electric power, computers and other fields. In this paper, the development of heat pipe heat exchanger status, trends, applications and design had a brief discussion, focused on the design of heat pipe heat exchanger. Heat pipe heat exchanger in the discussion of the design process, mainly for the thermal calculation, equipment, structural calculations, component selection of parameters made a reasonable construction and design combined with the actual situation of the air heat pipe heat exchanger preheating the basic model.Key words:calculationHeat pipe; Heat pipe heat exchanger; Structural parameters; Design设计（论文）专用纸第一章 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，功率促进流体流动的消耗量到达有些速度；其次，温度热传递不可逆的 损失 。 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，换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中被广泛使用。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，一些新型高效换热器也相继问世。111热管热管是高效的传热元件,它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由于它具有超常的热 传导能力，而且几乎没有热损耗，因此它被称作传热超导体，其导热系数为铜的数千倍。热管传热技 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。 1.1.1 热管工作原理(如图 1-1、1-2 所示)2 -4 -1其大致原理为 :热管外部有一个形成真空的密闭管壳,真空度为 1.310 1.310 pa，沿管子 内壁有毛细结构材料，管子内补充有一定量的工作液体。管内的工作液体在热管的一端吸收热量后蒸 发汽化，在微小的压强差下流向热管的另一端，向外部释放热量，于是又冷凝成液体，借助毛细结构 材料抽力返回，再次吸热、汽化、传输、放热、冷凝过程，从而实现热量从热管一端到另一端的传递。2 / 44设计（论文）专用纸图 1-1热管工作原理图1 管壳；2管芯；3蒸汽腔；4工作液图 1-21.1.2 热管的基本特性3热管工作演示图(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，根据热力学中的 Clausuis-Clapeyron 方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。3 / 44设计（论文）专用纸(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，这就是热管的恒温特性。 (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)。 1.1.3 热管技术的应用及进展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效果 ，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 。毋庸置疑，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。5 41. 2热管换热器由热管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之为热管换热器。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4 / 44设计（论文）专用纸的通道。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。1.2.1 热管换热器的基本特性6（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、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。 （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。1.2.2 热管换热器分类(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 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。5 / 44设计（论文）专用纸图 1-3气-气热管换热器图 1-4气-液热管换热器图 1-3： 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。 图 1-5： 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。6 / 44设计（论文）专用纸图 1-5热管气-气换热器流程示意图7-8热管气-气换热器综合起来有如下一些特点：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。 对数平均温差大。由于热管气-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。 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。 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。 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。 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。 1.2.3 热管式换热器与其它类型换热器比较97 / 44设计（论文）专用纸表 1-1 各种换热器比较备注：表中括弧中的数字表示品质因数，最好为 5，最差为 0；总计因数越高，其综合性能越优良.类型压降 传热系数 维修评定项目价格 辅助动力 交 叉 污 传热面积/ 总计 染 单位体积 15蓄 热 中(3) 式 管 壳 高（2） 式 辅 助 低（4） 流 体 式 板 翅 低（4） 式 热 管 低（4） 式 1.2.4高（4）高（2）高（2）有（0）有（0） 高（4）高（4）中（3）中（3）无（5）无（5） 低（2）24低（2）高（2）高（2）有（0）无（5） 中（3）18中（3）中（3）高（2）无（5）无（5） 很高（5） 27高（4）很低（5） 中（3）无（5）无（5） 高（4）30热管换热器技术展望近年来，热管换热器热加工工艺模拟不断向广度、深度拓展，其技术发展趋势是： (1)宏观-中观-微观 已普遍由建立在温度场、 速度场、 变形场基础上的旨在预测形状、 尺寸， 轮廓的宏观尺度模拟(mm-m 级)进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟(毫米量级)及微观尺度模拟(微米量级)阶 段。 (2)单-分散-耦合集成 模拟功能已由单一的物理场模拟普遍进入到多种物理场相互耦合集成的阶段， 以真实模拟复杂的 热加工过程。 (3)共性、通用-专用、特性 由于普通铸造、冲压、锻造工艺模拟的日益成熟及商业软件的出现，热管换热器研究工作的重点8 / 44设计（论文）专用纸和前沿已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。 主要方向一是解决特种热加工工艺(如压铸、 金属型铸造、楔横轧等)模拟及工艺优化问题；二是解决加工件的缺陷(混晶、回弹、热裂、冷裂、变 形等)消除问题。 (4)重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究 主要有：热管换热器热加工基础理论、缺陷形成机理及判据、新的数理模型、新的算法、前后处 理等基础性研究及物理模拟与精确测试技术等。 (5)重视集成技术，使热管换热器工艺模拟成为先进制造系统的重要组成部分包括：在并行环境下，与产品、模具 CADCAECAM 系统集成，与零件加工制造系统集成，与零 件的安全可靠性能实现集成。1. 31.3.1换热器应用前景及研究进展我国换热器市场规模图1-6我国换热器产业市场规模图基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国 换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。 预计到2010年年底， 我国换热器的市场需求将达到500 亿元。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。另外，航天飞行9 / 44设计（论文）专用纸器、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。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1.3.2 国际市场换热器发展情况10。图1-7国际换热器分布图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。 单位：亿美元图1-81.3.3国际换热器市场规模图我国换热器研究进展及存在的问题我国换热器产业虽然起步较晚，但经过10多年的发展，也取得了较大进展。尤其最近几年来，大10 / 44设计（论文）专用纸量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐 崛起。如兰石换热设备公司板式换热器成功进入国内核电建设项目常规岛和核岛领域，并陆续将板式 换热器用于大乙烯项目、钛白粉生产线等领域。四平巨元瀚洋板式换热器公司也成功进入大亚湾二期 岭澳核电站的常规岛和核岛领域。 当然,与国外换热器先进制造工艺相比,我国换热器制造技术还相当落后,有待进一步改进。主要 表现在11:（1）相关科研人员对基础理论和基础技术的研究不够重视，例如从基础物性(尤其是热物 性)的研究、传热与流动的研究(钎焊板式换热器冷凝与蒸发，缠绕管式换热器和板翅式换热器多股介 质的传热与流动),U型管在不同热处理状态的应力腐蚀试验、无缝管对接接头在绕管状态下的应变时 效、加氢换热器管箱端部螺纹的应力分析和应力测定等方面都有许多工作要做。 （2）某些制造工艺尚 需突破，例如螺旋板式换热器碳钢定距柱的接触焊、板式换热器(含板壳式换热器)的激光焊工艺、细 管液压胀管新途径等。 （3）另外在换热器制造上，我国目前还以仿制为主，虽然在整体制造水平上差 距不大，但是在模具加工水平和板片压制方面与发达国家还有一定的差距。第二章2. 1 选择换热器类型确定设计方案根据题意，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、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。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（热管的主要参数见表 2-1） 。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。 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11 / 44设计（论文）专用纸了热管气-气换热器的应用。 表 2-1 使用场合 参数参数 管长/mm 管子外径/mm 壁厚/mm 翅片数/（片/mm） 翅片高度/mm 翅片厚度/mm 管排数 管子排列方式 热管换热器用热管主要参数 工业大型 装置 3000-6000 32-51 2.5-6 3或6 15，25 1. 27-2 6, 7, 12 备注空调及一般 行业 610-4880 8-25.4 1-1.2, 1.65 8, 11, 14 12.5-14 0.17-0.58 3, 4, 5, 6, 7 错列（多）顺列（少）1-1.2mnm 多为 有色金属烟气 侧翅片节距， 一 般为 3-6mm2. 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12-13： （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