热管式换热器立项报告

气-液式热管换热器,立项报告制作：王锐夫,立项背景,发展概况：热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler于1944年在美国专利中提出的。1962年L.Trefethen再次提出类似于Gaugler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。1967年一根不锈钢-水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功，从此吸引了很多科学技术工作人员从事热管研究。1970年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用范围从宇航扩大到了地面。1980年美国Q-Dot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。1984年Cotter较完整地提出了微型热管的理论及展望，为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。,70年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均开展了多方面的开发、应用研究，国际间、地区间及各国自身的热管技术交流活动日益频繁。1973年在德国斯图加特召开了第一届国际热管会议后；1976年在意大利的波伦亚召开了第二届国际热管会议；1978年在美国加尼福利亚州召开了第三届国际热管会议；此后1981年在英国伦敦，1984年在日本筑波,1987在法国格林贝尔，1990年在前苏联明斯克，1992年在中国北京，1995年在美国新墨西哥州，1997在德国斯图加特，1999年在日本东京，2002年在俄罗斯莫斯科，2004年在中国上海分别召开了第四至十三届国际热管会议；除此之外，中日双方从1985年至1994年分别召开了四届双边及多边热管技术研讨会；1996年在澳大利亚墨尔本召开的多边会议正式发展为国际热管技术研讨会。,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，取得了预期的效果。由于我国是一个发展中国家，能源的中和利用水平较低，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，热管余热锅炉、高温热管蒸气发生器，高温热管热风炉等各类热管产品。从1987到1991年我国先后在四川、福建、北京、浙江、河北等地8台130th以上电站锅炉上应用了大型热管换热器，回收烟气余热加热锅炉鼓风空气。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年起已经先后召开了八届全国性的热管会议。,热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。典型的热管换热器如下图所示。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,这6个过程是：,研究内容,(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。,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比其他换热器小，因而动力消耗也小。由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的，而热管元件相互又是独立的，因此即使有某根热管失效、穿孔也不会对冷、热流体间的隔离与换热有多少影响。此外，热管换热器可以方便地调整冷热侧换热面积比，从而可有效地避免有腐蚀性气体的露点腐蚀。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，其用途亦日趋广泛。按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为气气式、气-汽式、气液式、液液式、液气式。从热管换热器结构形式来看，热管换热器又分为整体式、分离式和组合式,当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。具有良好导热性的材料有铝(202W/m)、柴铜385W/m、和银：410W/m)，但其导热系数只能达到102W/m的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管的发明就解决了这一问题。热管的相当导热系数可达105W/m的数量级为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能热管是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值。,国内外研究现状,超导热管,热管式换热器本身是依靠内部工作液体相变来实现传热的，而且可以在两流体侧实现翅化，增大了换热面积，减小了两侧的对流热阻，动力消耗小。另外，热管式换热器可以实现流体管外垂直外掠流动和冷热流体的纯逆流流动，在不改变冷热流体入口温度的条件下，增大了冷热流体换热的平均温压；因此热管式换热器的传热性能好于常规管壳式换热器。热管式换热器中热管元件的蒸发段和冷凝段的长度形式可以按实际工况需要合理布置，根据两侧冷热流体的温度、流量、性质、传热量等因素独立确定，两种流体被隔板隔开，彼此互不掺混。热管式换热器的这种特点可以适用于温度、流量及清洁程度相差悬殊的两种流体间的换热。,采用的技术路线及技术特点,在热管式换热器中，当热管元件的某一端局部损坏时，仅仅是该热管元件失效而停止传热，并且单根热管元件损坏后更换方便，不会影响换热器整体。因此，热管式换热器结构形式好于常规管壳式换热器。热管技术的重要特点1)热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行这一特点对连续性生产的工程，如化工、冶金、动力等部门具有特别重要的意义。常规换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄漏，则将造成停产损失。由热管组成的换热设备，则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体，而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。,2)热管管壁的温度可调性热管管壁的温度可以调节，在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点以上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。这在电站锅炉尾部的空气预热方面应用得特别成功，设置在锅炉尾部的热管空气预热器，由于能调整管壁温度不仅能防止烟气结露，而且也避免了烟灰在管壁上的粘结，保证锅炉长期运行，并提高了锅炉效率。3)冷、热段结构和位置布置灵活由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置布置非常灵活，可适应于各种复杂的场合。由于结构紧凑占地空间小，因此特别适合于工程改造及地面空间狭小和设备拥挤的场合，且维修工作量。4)热管换热设备效率高，节能效果显著。,热管式换热器产品应用简介热管技术被公认是一种很有价值的传热新技术，在空间技术、电器工业、核电工业、化学工业、食品工业、动力机械、工业余热回收等很多方面都得到了广泛应用。热管技术在化工及石化领域的应用在合成氨工业中：回收低温余热助燃空气，或生产低压蒸汽作为原料；回收高温余热产生中压蒸汽作原料蒸汽的补充，或生产高压蒸汽作为生产的动力源；控制固定床催化反应器的化学反应温度，使其向最佳反映温度曲线无限逼近，从而提高合成氨的效率。在石化领域应用更是广泛：热管裂解炉；热管乙苯脱氢反映器；热管氧化反应器；催化裂化再生取热器。,市场分析及预测,热管技术在建材及轻纺织工业领域的应用水泥生产工业中的回转窑冷却机的余热利用、废尾气余热利用、悬浮预热机、烘干机等热工设备；陶瓷窑炉的隧道窑烟道气余热利用；电瓷厂遂道窑冷却带余热利用；纺织工业中的热定型机余热回收利用、浆纱机的余热回收等。热管技术在电力电子领域的应用热管问世以来，使电力电子装置的散热系统有了新的发展。热管使自冷的应用范围迅速扩大。因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠，热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围。近年来，大功率电子器件的冷却上采用了热管，收到较好效果。,热管在航天领域的应用神州号飞船的热控制系统：热控制系统用于保证飞船各舱仪器设备、结构以及乘员所需要的环境温度条件，合理调配飞船之间的热量的传输，并排放到宇宙空间。他通常采用流体对流换热方式。其传热回路可以采用泵驱动液体回路、热管辐射回路和毛细泵抽吸回路等。,国内市场供需情况的预测行业需求总量和增长趋势年份2007年2008年2009年2010年2011年表观消费量18031817182018291833增长率01.70.41.10.5热管式换热器产品的价格预测年份2007年2008年2009年2010年2011年价格（万元）274286292302319增长率0211.62.8,热管设计方案在进行热管设计前，首先应该确定以下因素：热管管内工作液体的选择；热管管内管内吸液芯结构形式；热管的工作温度，以及工作情况下热管内部工作液体的饱和蒸汽温度；热管管壳材料的选择。一般说来，这与设计的目的有关。,不同的应用场合，热管的设计要求截然不同。热管的设计计算通常按以下几个步骤进行管径设计管径设计的一个基本原则就是管内的蒸汽速度不超过一定的极限值，这个极限值就是在蒸汽通道中最大马赫数不能超过0.2，这时蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动，轴向温度梯度很小，可以忽略不计。,工作基础,管壳设计热管部工作时，一般处于负压状态（低温热管除外），外界压力一般为大气压力，故可以不考虑管壳失稳的问题，因而管壳的设计主要从强度考虑。管壳壁厚由强度计算所得壁厚加上腐蚀裕度得出，端盖则可以按照平板的设计较容易的设计。吸液芯设计设计吸液芯的依据是毛细极限的计算。毛细极限的检验验算验算携带极限、沸腾极限，最后核算Re数，验算是否为层流流动。,对于重力式钢-水热管有如下规格可供参考：,热管换热器设计热管换热器的设计计算的主要任务在于求出总传热系数U，然后根据平均温差及热负荷求得总传热面积A，从而定出管子数量。在设计过程中，必须认真考虑一下几点（以气-气换热器为例）：1选择适当的标准迎面风速热管换热器设计应遵循一条重要原则，即把迎面风速（标况）限制在2-3m/s的范围内，风速过高将导致压力将过大和动力消耗增加，风速过低会导致关外膜传热系数降低，管子的传热能力的不到充分发挥。2选择适当的翅片管参数根据设计条件，对不同类型的换热器体应选择合适的翅片管参数。对洁净气体可选择较密的翅片间距和较薄较高的翅片；对含尘夺得或有腐蚀性的气体则应选择间距较宽，翅片较厚较低的翅片管管的壁厚也应稍厚以抗腐蚀和磨损，下表为工业常用的规格参数，可供设计参考。,具体设计参数：烟气侧：流量V=50000N/h温度T=300空气侧：流量V=49000N/h热管排数：m=58热管列数：n=46热管翅片数：152个设备基本尺寸：长4036mm宽3400mm高3596mm,热管式换热器项目承办单位情况项目总投资：220.68万元，自筹：50万元股东构成序号股东名称出资方式金额（万元）出资比例1张三现金70.3431.92李四现金50.3422.83王五现金50.0022.7全部投资的财务内部收益率所得税后为34.45%；投