热管热力学计算书

第一章设备预算1、设备参数项次参数名称单位数值备注进口温度°C355客户给定烟出口温度°C145客户给定气烟气流量Nm/h6799客户给定设侧烟气压力Pa计算后，建议压力烟气成分按标准烟气、粉尘多进口温度C0数空出口温度C客户要求，300C以上气空气流量Nm/h6440计算值，受出口温度影响侧空气压力Pa计算后，建议压力空气成分按标准空气夕卜长mm实际应有出入形宽mm实际应有出入寸高mm实际应有出入接烟气侧MmXmm口空气侧MmXmm基管mm©25烟翅片高mm12.5气翅片厚mm1.2中标后附详细图纸侧螺距mm15有效长度mm965基管mm©25元空翅片高mm12.5件气翅片厚mm1中标后附详细图纸参侧螺距mm8有效长度mm935横向间距mm62纵深间距mm54纵深排数排排布形式正三角设热管kg主机报价：备管板kg重壳体kg量附件kg及支撑槽钢kg报外包装kg合计第二章工程热力学计算设计参数及要求：空气温度：t=0°C；t=220°C；c1 c2烟气温度：t=355；t=145°Ch1 h2烟气流量：q=10000Nm3/h；根据设计经验,无机高效热管定型为:热管©25X3(GB3087)烟气侧长度0.965m；空气侧长度0.935m；工艺连接长度为0.lm；烟气侧螺距为P=15mm；翅片高lhh=12.5mm；翅片厚［加=1.2mm；h空气侧螺距为Pc=8mm；翅片高lhc=12.5mm；翅片厚5fc=1mm；横向间距S=0.062m；纵深间距:S=0.054m；TL煤气侧单位长度翅片数n=67片；空气侧单位长度翅片数n=125片;fn fn换热计算(确定传热元件)计算换热量计算传热量Qth+th烟气定性温度th=t亠=250Cf2查得定性温度下烟气的参数：定压比热CP=1.1095kJ/kg-oC；密度：Ph=0.687kg/m3;粘度：号=26.355x10-6kg/(m-s)。导热系数：九h=4.425x10-2w/(m・s)f普朗特数：Prh=0.66烟气放热量QhQ=V・ph•Chx(th-th)=6799x0.687x1.1095x(355-145)/3600hhfp1 2=302.3kw热管传到空气侧的热量考虑烟气侧有3％热损，故：Qc=302.3(1—3%)=293.23kW。空气侧实际获得热量Q〃

考虑冷侧3％热损，故：Qc=293.23x(l—3%)=284.43kW。⑤空气流量出口温度;空气流量：q=6440Nm3/h；估计空气出口温度为：tc二158°C2tc+tc2定性温度f寸=79C定压比热：Cc=1.009kJ/(kg•C);p密度：pc=1kg/m3；f粘度：卩c=21.1x10-6kg/(m-s)。导热系数：九c=3.05x10-2w/(m-k)f普朗特数：Prh=0.692换热关系：Qc1=Vc-pc-CC—tc)/3600h f p2 1求得空气出口温度为：tc1=157.6C2158估计偏差：屮=( —1)x100%=0.64%V2%157.6可视为满足数学回归。计算对数平均温差Atm对数平均温差：At二A；_At2=182.77m,(At)ln—y

IAt丿2确定迎风面积Aex和迎风面管排数B热管烟气侧长度：l=0.965mh①取标准迎面风速w=2.5m/s；NVh②烟气侧迎烟气侧迎风面积：Ah=一=0.755m2exwN③迎风宽度：Eh斗二0965二0.78mh④迎风宽度上热管数量：B= =12.6取13支;S⑤实际迎风宽度：Ehi二0.062x13二0.806m⑥实际迎风面积:Ahi二0.806x0.965二0.778m2ex⑦实际迎面风速wN'=2.42m/s(4)求总传热系数UH管束最小流通截面积NFA：热侧:NFAh=「(S-d)-2(/-5-n)1-/-B=0.44m2；L T 0 hh fh fh」h冷侧:NFAc=「(S-d)-2(l-5-n)1-1-B=0.414m2L T 0 hc fc fc」c最大质量流速G最大质量流速GmaxVh•Oh热侧：Gh二ff=10.6157x103kg/(m2-h)；max NFAhVc-Oc冷侧:Gc=-f f二15.5556x103kg/(m2-h)max NFAcRe求fGh-d热侧：Reh=-maxf=2797；f 卩hfGC-d冷侧:Rec=max'0=5144f卩Cf求流体给热系数hf热侧：冷侧：=33.35w/(m2-s)hh=0.137x^L(Reh》638热侧：冷侧：=33.35w/(m2-s)0=34.27w/(m2-s)he=0.137x鉴Ge=34.27w/(m2-s)f df求翅片效率n热侧：查图得=0.425fh・(Gh}-L热侧:AP= maxx2-g・Dh-pheVf2hC=0.472冷侧：耳厂治;k.SwfC查图得:nf=0.94(、4huh

甘w丿-0.14x0.4xS)

slJT0.6求热管管外总表面积加热段热管表面积翅片表面积Afh为:>xl=0.2m2hA=<2x一fh、兀C2一>xl=0.2m2hA=<2x一fh、4f0 f其中，d0=0.025m,df=0.050m。翅片间光管表面积Ahr为：A=兀・d-1(1-5-Nh)=0.076血。hr0hff加热段热管管外总表面积Ah为：A=A+A=0.276m2。hfhhr②冷却段管外表面积AcA翅片表面积fcAfc2x—(d2-d2)+—-d0 fc•5fcxn=0.4596m2单位长度翅片间光管表面积Acr为：A=—•d-1(1-5-Nc)=0.069m2；cr 0c ff段热管管外总表面积AC；

A=A+A=0.528m2cfccrh管外有效给热系数fe侧：热侧：hhfe冷侧：h热侧：hhfe冷侧：hCfehhCA+九h・A) ( )d=32.14W/(m2・K丿hrhc(ACrc・A) ( )ffc=32.51W/(m2・K丿r壁热阻rw和污垢热阻y热侧55rh热侧55rh===(=QD000057・m2/W/Wkkyw0.03045yw，其=5=0.0015mk=4.926x10-2w/(m・k)y冷侧可忽略不计。金属管壁热阻：khw=48W/(m-k)5=0.000057m2・oC/W=khw=48W/(m-k)5=0.000057m2・oC/W=5w=0.000057m2・oC/Wwrkh=0.000063 wrkc=0.000053ww，ww求总传热系数UHAh=k-d-1=0.06m2,Ac=n-d-1=0.058m2；ihiCAh=兀W-d-1=0.076m2,Ac=k-dWh-1=0.074m2cA=0.276m2；A=0.528m2hChh=hc=5810W/(m2・°C)HPHPAhA1A~ +rhh+rh h+ ・h+ ・一h+rc h+rch+ hAh yA hh Ah hc Ac wAc yA1AUhhw由HfehchHPiHPihcAcfec其中：只有第一项与最后一项对实际设计起关键作用,其他均不属于同一数量级。得：U=16.16W/(m・K)H

Ah（5）求理论加热侧总传热面积H标准换热量取Q=（302.3+284.43）/2=293.4KW;Ah= =358m2hU-AtHm（6）所需热管数nN二A二1297根h（7）实际采用数量n0工程换热效率取0.8得到NN= =1622根00.8根据纵深排布关系13错排12得到实际用量为：1625支（8）换热器纵深排数m1625m= =6513+12即:13支管与12支管各65排TOC\o"1-5"\h\z（9）具体纵深方向排放关系：1313 13；12121210）求通过热管换热器的压力降换热器的净自由容积NFV热侧:NFV热侧:NFVh-Nf=0.866S-S-d2- (d2-d2)5LT202f0f=16.68x10-4m3/m\o"CurrentDocument"兀 兀冷侧：NFVc=0.866S-S-d2-(d2-d2)5-NLT202f0ff=15.8x10-4m3/m求容积当量直径D；热侧：Dh=4NFVh=24.2x10-3m2；eVAh4NFVC冷侧：De= =11.96x10-3m2；eVAe3)求Ref

Dh•Gh热侧：Rehl=eV max=9.7X106TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"f »hTDC c冷侧:ReCi二eJmax二8.8X106f »Cf4)求摩擦系数ffh=1.92(Rehi>°・145=0.1effc=1.92(ReC1L145=0.19ef平均管壁温度热侧：th=th- =173C；wfhh-A-Nfeh冷侧：tc=tc+ Q=76C；wfhc-A-Nfeh求壁温下的流体动力黏度卩w热侧：卩h=23.27x10-6kg/(m-s)w冷侧：卩c=20.6x10-6kg/(m-s)w求通过换热器的压降Apf・(Gh1•L热侧：Af・(Gh1•L热侧：AP=」皿x2•g・Dh•pheVff・(Gc)-L冷狈9:AP=—c max2-g・Dc-pceVf电］-°・14(Dh)0.4X<ST?(S)0.6X —L<ST丿=157.3Pa(、4cUcw丿-0.14(Dc)—<ST?0.40.6=1000Pa11)结论在压力允许条件下：选择热管数量为1625支；列数为：13、12的正三角叉排；纵深排数：13列为65排、12列为65排纵深方向长度约L=7000mm；实际还要有6个左右的支撑管；热管几何尺寸基管：©25X3 20# GB3087翅片：12.5X1.2、12.5X1 Q195-BF GB700翅片高：热侧12.5mm 冷侧12.5mm螺距：热侧15mm 冷侧8mm排布关系迎风面积：热侧0.778m2 冷侧热侧0.75m2横向节距：0.062m纵深节距:0.054m纵深排布关系：13(12)管板厚度确定开孔数量：813个；开孔间距：30mm；开孔尺寸:三角形排布D=62mm；开孔焊接总周长:8.17m；极限使用温度:t=600°C；N<丄[t]根据：AStNxS得：5'k得：t计算：钢板厚度6取15mm(已经考虑腐蚀裕量1.5mm)工作原理特点本空气预热器采用高级无效热管作为传热换热元件，具有体积小，换热效率高资金回收期短，寿命长等无法比拟的特色。无机高效热管表现在：啟動迅速、傳熱速度快：自元件一端加熱，數秒鐘就可將熱量傳遞到另一端。熱阻小、均溫性好：無機高效熱管主要是通過腔體內部的無機介質來實現傳熱過程，傳熱能力遠高於金屬材料，沿無機高效熱管軸向溫差趨於零，從而使無機高效熱管的表面溫度趨於一致。導熱係數高：當量導熱係數為6.8MW/m.°C，是純銀的3.2萬倍。傳熱能力大：軸向熱流密度27.2MW/m2,徑向熱流密度15.8kW/m2適用溫度範圍廣：介質適用溫度範圍-30〜1100C，具備批量生產的元件壁溫範圍-30〜350C。工作壓力低：工作時無機高效熱管內腔壓力低，不會發生高溫爆管。相容性好：無機高效熱管介質自身能夠有效抑制氫、氧的產生，與常用金屬材料不發生化學反應。使用壽命長：無機高效熱管介質自身消降速率持續11萬小時，可使無機高效熱管長期穩定運行。經大量實踐證明，無機高效熱管介質與多種金屬如銅、鋁、碳鋼和不銹鋼及非金屬具有良好的相容性，不產生不凝性氣體，使用壽命長。设备运行原理空气掠过翅片型热管管束，高温烟气也连续的流过热管管束，在热管的吸热段与放热段进行热量的交换。其主要传热原理实质是无机高效热管的工作原理的放大。无机高效热管技术简介：热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。

Section从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。热管的基本工作典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3X(10-110-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另一端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：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；液体在蒸发段内的(液 汽)分界面上蒸发；蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；蒸汽在冷凝段内的汽.液分界面上凝结：热量从(汽 液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：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，具有以下基本特性。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，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)。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冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。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传热面积输入热量，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。热流方向酌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。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。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。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，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但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。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，以适应长距离或冲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）。 ［瑤上图表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量流量，压力以及管壁温度Tw和管内蒸气温度Tv沿管长的变化趋势•沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。Pc（毛细压头一是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降△Pv,冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降Pl和重力场对液体流动的压力降（APg可以是正值,是负值或为零，视热管在重力场中的位置而定）。因此，△Pc三API+△Pv+△Pg是热管正常工作的必要备件。由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。（1） 按照热管管内工作温度区分热管可分为低温热管（一2730°C）、常温热管（0—250°C）、中温热管［250 450°C）、高温热管（450—1000°C）等。（2）按照工作液体回流动力区分 热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习惯的划分方法)可分为铜一水热管、碳钢。水热管、铜钢复合一水热管、铝一丙酮热管、碳钢•荣热管、不锈钢．钠热管等等。按结构形式区分 可分为普通热管、分离式热管、毛纫泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。按热管的功用划分 可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。热管的相容性及寿命热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢－水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢一水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体：工作液体热物性恶化：管壳材料的腐蚀、溶解。产生不凝性气体由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。工作液体物性恶化 有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。管壳材料的腐蚀、溶解、工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。热管制造热管零部件及其加工热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。管壳热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。端盖热管的端盖具有多种结构形式，它与热管舶连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳。配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分，不必再填焊条，焊口光滑乎整质量容易保证。旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。吸液芯结构吸液芯是热管的一