烟气余热利用的热管式换热器设计(毕业论文)

I毕业设计任务书题目：烟气余热利用的热管式换热器设计二、设计要求及任务烟气余热利用的热管式换热器，是以中温的水碳钢热管作为传热元件，基管采用锅炉管，扩张换热面为高频焊螺旋型翅片的高效换热设备。在设计时，应按照一般锅炉的烟气成分考虑露点腐蚀问题，并在保证留有一定余量的情况下决定烟气的出口温1、设计内容包括设计计算及换热器的结构设计、强度设计、施工图设计；2、所设计的换热器需按照国家最新规范、标准设计，施工图能付制造厂制造；3、翻译相关的英文文献(1~3万印刷字符);4、热管换热器的装配图、部件图及零件图合计不少于4~6张零号图；5、详尽的设计说明书(不少于1.5万字);6、其它详尽的要求可参阅相关的设计指导书；Ⅱ三、各阶段时间安排起止周热工计算及结构设计热力分析、材料选择、强度校核装配图及零件部件绘制撰写毕业设计书明书、毕业设计简介毕业设计图纸、设计说明书审查毕业答辩四、参考文献[1].热管节能技术，张红杨俊庄峻著,化工工业出版社，2009年06月；[2].热管技术及其工业应用，庄峻张红著,化工工业出版社，2000年06月；[3].换热器原理及计算，余建祖著,北京航空航天大学出版社，2006年01月。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anotherpointofthedevice,consistingoftheheatpipecomponents,theuseoftheprincipleofheatpipeheatexchangerforthermalexchangecalledtheheatpipeheatexchanger.Becauseofitssimplestructure,strongcontrol,heatexchanger,highefficiency,powerconsumption,etc,andheatpipeheatexchangermoreandmoreattention,isaverygoodprospectheattransferequipment.Atpresinpower,chemical,metallurgy,electricpower,computersandotherfields.Inthispaper,thedevelopmentofheatpipeheatexchangerstatus,trends,applicationsanddesignhadabriefdiscussion,focusedonthedesignofheatpipeheatexchanger.Heatpipeheatexchangerinthediscussionofthedesignprocess,mainlyforthethermalcalculation,equipment,structuralcalculations,componentselectionofparametersmadeareaoftheairheatpipeheatexchangerpreheatingthebasicmodelKeywords:Heatpipe;Heatpipeheatexchanger;Structuralparameters;DesigncalculationV 1.1热管及热管换热器的概述 1.2热管及其应用 1.2.1热管的工作原理 21.2.2热管的基本特性 41.2.3热管的发展历程及应用领域 51.2.4热管换热器 热管换热器的技术优势 热管换热器分类 热管式换热器与其它类型换热器比较 热管换热器技术展望 1.2.5换热器应用前景及研究进展 我国换热器市场规模 国际市场换热器发展情况 我国换热器研究进展及存在的问题 1.3热管气-气换热器设计中应注意的问题 2热管气-气换热器的计算理论及方法 2.1热管的材料及工作温度 2.2热管的强度与最大传热功率 2.3热管气-气换热器的设计计算方法 2.3.1热管气-气换热器换热计算的平均温差法 2.3.2热管气-气换热器计算的传热单元数法 2.4总换热系数的求解理论及方法 2.4.1换热准则方程及冷热侧对流换热系数 2.4.2流体流动中的压力损失 2.5热管气-气换热器的离散计算法理论 2.6热管气-气换热器的定壁温计算法理论 3确定设计方案 3.1选择换热器类型 3.2热管的设计 3.3热管换热器的设计计算方法 4热管换热器设计准备 4.1换热管的排列形式 4.2设计步骤 4.3确定原始数据 4.4符号说明 4.5标注说明 5热管换热器工艺计算 5.1计算总传热量Q 5.2求空气侧出口温度t,” 5.3确定迎风面宽度B及热管列数n 5.4求透过系数ξ 5.5求换热系数 5.7求单根热管的热阻R和对数平均温度△T,确定单根热管的热通量q 5.8求热管的排数m 5.9求总热管数N 5.10求耗散系数5,与2,确定压力损失 525.11计算净自由容积NFV和烟气侧与空气侧当量直径 5.12C语言运行结果 6热管的设计 6.1热管工作温度的选择 6.3热管材料的选择 6.4热管的堵头设计计算 6.5热管长度的确定 6.6热管传热极限的影响 7设备的结构设计 7.1材料的选择 7.2筒体的设计温度、压力选择 7.2.1筒体厚度的计算 7.3椭圆形堵头的设计 7.4容器法兰的选择 7.5开孔补强 7.6隔板的设计 7.6.1隔板的厚度确定 7.6.2隔板管孔直径的确定 7.6.3隔板与壳体和热管的连接方式 8结论 参考文献 附录 外文原文 外文译文 11.1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。热管传热技术于六十年代初期由美国的科学家发明[1,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。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[2~6]。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热管及其应用热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量，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、可控制温度等一系列优点。由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体压降小等优点。由于其特殊的传热特性可控制管壁温度，避免露点腐蚀。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行2业中进行余热回收以及综合利用工艺过程中的热能，已取得了显著的经济效益[7]。重力热管因其简单的结构及经济的成本得到了广泛的应用，其工作原理是：热管受热侧吸收废气热量，并将热量传给管内工质(液态),工质吸热后以蒸发与沸腾的形式转变为蒸汽，蒸汽在压差作用下上升至放热侧，同时凝结成液体放出汽化潜热，热量传给放热侧的冷流体，冷凝液体依靠重力回流到受热侧。由于热管内部抽成真空，所以工质极易蒸发与沸腾，热管起动迅速。热管在冷、热两侧均可装设翅片，以强化传热。1.2.1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：图1-1热管的工作过程示意图(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)热量从汽一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。为进一步了解热管的传热机理，将以上6个过程详述如下：3从热源到蒸发段内液—汽分界面的传热过程基本上是热传导过程。对于水或酒精这类低导热系数的工作液体来说，由于吸液芯(金属网)的导热系数比液体高，因此通过吸液芯和液体时，热能差不多主要靠多孔吸液芯材料进行传导。但是，如果工作液体是具有高导热系数的液态金属，此时热量既通过吸液芯材料进行热传导，同是也通过吸液芯毛细孔内的液态金属进行传导。在多孔吸液芯的情况下，对流传热是很小的，因为要产生有实际意义的对流流动，毛细孔显得太小了。通过吸液芯材料和工作液体的传导所产生的温差是热管热流通路中的主要温度梯度之一，它的大小取决于工作液体、吸液芯材料、吸液芯厚度以及径向净热流量。这个温降可以从摄氏几度到几十度。热量传递到液—汽分界面附近以后，液体就可能蒸发，与液体蒸发的同时，由于从表面离开的液体质量使液—汽交界面缩回到吸液芯里面，形成一个凹形的弯月面(如图1.2),这个弯月面的形状对热管工作性能有决定性影响。单个毛细孔上简单的力学平衡现象表明，对于球形分界面，蒸汽压力与液体压力之差是等于表面张力除以弯月面半径之商的两倍。这个压差是液体流动和蒸汽流动的基本推动力。它主要起到循环时作用于液体的重力和粘滞力相抗衡的作用。在蒸发段，如果热量进一步增高，则弯月面还要进一步缩入到吸液芯里面，最后它可能妨碍毛细结构中的液体流动，并破坏热管的正常工作。图1-2热管的汽—液交界面当蒸发段里的液体一旦因吸收了汽化潜热并蒸发时，蒸汽就开始通过热管的蒸汽腔向冷却段流动。此流动是由蒸汽腔两端的小压差引起的。蒸发段内蒸汽的温度比冷却段内的饱和温度稍高一些，从而形成了两端的温度差。蒸发段与冷却段之间这个温差常常可作为热管工作成功与否的一个判据。如果此温差小于0.5℃或1℃,则热管4常常被称为在“热管工况”下工作，即等温工作。在蒸汽向冷却段流动的同时，在蒸发段的沿途上不断加进补充的质量(蒸汽),因此在整个蒸发段内，轴向的质量流量和速度是不断增加的，在热管的冷却段内则出现相反的情况。热管内的蒸汽流动可以是层流，也可是湍流，这取决于热管的实际工作情况。当蒸汽流过蒸发段和绝热段时，由于粘滞效应和速度效应使得压力不断下降(在绝热段只有粘滞效应),一旦到达冷却段，蒸汽就开始在液体—吸液芯表面上凝结，减速流动使部分动能转化为静压能，从而使得在流体运动的方向上压力有所回升。应该指出：蒸汽腔内的驱动压力要比蒸发段与冷却段内液体的饱和蒸汽压差销为小一些。这是因为要维持一个边界蒸发的过程，蒸发段内液体的蒸汽压力必须超过该处与之相对应的蒸汽压力。同样，为了保持连续凝结，正在冷凝中的蒸汽压力必须超过该处与之对应的液体的蒸汽压力。当蒸汽凝结时，液体就浸透冷却段内的吸液芯毛细孔，弯月面具有很大的曲率半径，可以认为是无穷大。在热管内只要有过量的工质，就一定集中在冷凝表面上，因而实际上冷凝段的汽—液分界面是一个平面，蒸汽凝结释放出的潜热通过吸液芯、液体层和管壁把热量传给管外冷源。如果有过量液体存在，则从分界面到管壁外面的温降将比蒸发段内相应的温降大，因而，冷却段内的热阻在热管设计中是应当考虑的重要热阻之一。1.2.2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)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5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(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。1.2.3热管的发展历程及应用领域热管作为一种具有高导热性能的传热装置，其概念首先是由美国通用发动机公司的Gaugler于1944年提出的。他当时的想法是：液体在某一位置上吸热蒸发，而后在它的下方某一位置放热冷凝，不附加任何动力而使冷凝的液体再回到上方原位置继续吸热蒸发，如此循环，达到热量从一个地点传动到另一个地点的目的。Gaugler所提出的第一个专利是一个冷冻装置，由于时代条件的限制，Gaugler的发明在当时未能得到应用。1962年特雷费森向美国通用电气公司提出报告，倡议在宇宙飞船上采用一种类似Gaugler的传热设备。但因这种倡议并未经过实验证明，亦未能付诸实施。1963年Los-Alamos科学实验室的Grover在他的专利中正式提出热管的命名，该装置基本上与Gaugler的专利相类似。他采用一根不锈钢管作壳体，钠为工作介质，6并发表了管内装有丝网吸液芯的热管实验结果，进行了有限的理论分析，同时提出了以银和锂作为热管的工作介质的观点。1964年Grover等人首次公开了他们的试验结果。此后英国原子能实验室开始了类似的以钠和其它物质作为工作介质的热管研究工作。工作的兴趣主要是热管在核热离子二极管转换器方面的应用。与此同时，在意大利的欧洲原子能联合核研究中心也开展了积极的热管研究工作。但兴趣仍然集中在热离子转换器方面，热管的工作温度达到1600~1800℃。1964年至1966年期间，美国无线电公司制作了以玻璃、铜、镍、不锈钢、钼等材料作为壳体，水、铯、钠、锂、铋等作为管内的工作液体的多种热管，操作温度达到1650℃。1967年至1968年，美国应用于工业的热管日渐广泛，应用范围涉及到空调、电子器件、核电机的冷却等方面。并初次出现了柔性热管和平板式的异形热管。Los-Alamos科学实验室的工作一直处于领先状态，其工作重点是卫星上热管的应用研究。1967年一根不锈钢-水热管首次在空间运转成功。1965年Cotter首次较完整地阐述了热管理论，他描述了热管中发生的各个过程的基本方程，并提出了计算热管工作毛细限的数学模型，从而奠定了热管理论的基础。Katzoff于1966年首先发明有干道的热管。干道的作用是为后冷凝段回流到蒸发段的液体提供一个压力降较小的通道。后来莫里茨核普鲁谢客提出了一个新的名词，把在吸液芯结构中加进一些干道的热管称为“第二代热管”,并把它与“第一代热管”即装有丝网层等吸液芯的热管作了比较，他们证明“第二代热管”比第一代热管好。1969年，苏联、日本的有关杂志均发表了有关热管应用研究的文章。在日本的文章中描述了带翅片热管管束的空气加热器。在能源日趋紧张的情况下，它可以用来回收工业排气中的热能。同年特纳核比恩特提出了“可变导热管”作为恒温控制使用。格雷提出转动热管，此种热管没有吸液芯，依靠转动中的离心力使液体从冷凝段回流到蒸发段，这些发明都是热管技术的重大进展。热管自1964年问世以来，获得了广泛的应用。高温液态金属热管已广泛地被用于动力工程的核反应堆和同位素反应器的冷却系统，并在空间应用中作为热离子核热电发生器的重要部件；此外，作为高温换热器回收高温热能颇具前途。中温热管广泛地被用于电子器件及集成电路的冷却、大功率行波管的冷却、密闭仪表的冷却；在动力工程中用于透平叶轮、发电机、电动机以及变压器的冷却；在能量工程方面用于废7气热能回收、太阳能和地热能的利用；在机械工程方面用于高速切削工具(车刀、钻头)的冷却。低温热管在通信联络中冷却红外线传感器、参量放大器；在医学方面可用作低温手术刀，进行眼睛和肿瘤的手术。随着热管技术的发展，其应用范围还在扩大。几个典型的应用如下：美国阿拉斯加输油管线工程采用热管作输油管线的支撑。这条管线穿过寒冷的冻土地带，夏天冻土融化，使得管线下陷，引起管线破裂。后来，决定在管架支撑中装设简单的重力热管，从而解决这个困难。冬天通过热管将管桩基础周围的热量带出并散失在空气中，使土壤冻透，形成结实的“低温锚桩”。夏天，由于重力热管具有单向传热性能，大气中的热不能传到地下，故地下冻土不能融化；采用了氨-碳钢热管，长10～20m,上部散热端装有铝翅片，埋入土壤中的深度为9～12m,在热管两端温差小于1℃的情况下，保证每根热管可输送300W的热流。其热管的设计使用寿命可达30年，满足整个管线工程的要求。在1290km长的管线上，总共使用了112,000多根热管。热管应用于一个化学反应釜，反应釜的搅拌轴就是一根热管。当反应釜中的反应温度达不到热管启动温度时，热管不工作，一旦温度上升到热管工作温度时，热管便通过釜内的吸热片把热量传到釜外，通过散热片散入空间，从而使得釜内反应温度保持恒定。热管在太阳能方面的应用。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成功应用。随着工业技术的发展，热管技术正愈来愈广泛地渗入到各个工业领域中，发挥出愈来愈重要的作用。我国热管研究开始于1970年左右。在1972年，第一根钠热管运行成功，以后相继研制成功氨、水、钠、汞、联苯等各种介质的热管，并在应用上取得了一定的进展。1981年国内第一台试验性热管换热器运行成功，各地相继出现了各种不同类型的、不同温度范围的气-气热管换热器和气-液热管换热器，在工业余热回收方面发挥了良好的作用，并积累了一定的使用经验。20世纪80年代初，国内一些科研院所、高校及制造厂相继开展了热管气-气换热器的试验研究。主要目的是解决热管的制造工艺、碳钢-水热管的相容性、中高温热管的研制、热管的传热性能及热管换热器的设计方法等问题，其研究成果陆续在石化，冶金、电力等行业推广应用。目前国内已有数千台热管气-气换热器先后投入使用，取得了较好的使用效果。但也暴露了不少问题，如热管失效、低温腐蚀、积灰、漏风8等，影响了热管气-气换热器的进一步推广。因此，急需对这些问题进行细致分析与研究，完善热管气-气换热器的设计制造方法，提高热管气-气换热器的使用效果和寿1.2.4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。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、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。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。9(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。图1-3气-气热管换热器图1-4气-液热管换热器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，是一种应用前景非常好的换热设备。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。南京工业大学于1973年就开始了这方面研制工作，并和南京炼油厂共同完成了国内第一台热管换热器。以后几年，热管换热器相继在纺织、石油、化工等行业用于余热回收及干燥工艺上。各研究热管的科研单位和大专院校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有效、合理地使用热管换热器等方面起了推动作用。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1.5(a)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1.5(b)是热管气-气换热器用于回收窑炉烟气余热来加热空气，得到的热空气作为烘房热源的流程示意图。热空气>150℃热空气>150℃烟囱锅炉低温烟气<180℃燃料热管气-气换热空气20-30℃图1-5热管气-气换热器流程示意图(a)热空气>150℃送烘房空气20-30℃烟囱窑炉低温烟气<180℃燃料热管气-气换热图1-5热管气-气换热器流程示意图(b)热管气-气换热器就象省煤器和蒸汽过热器一样已经成了大型锅炉整体中正常而必要的一部分。热管气-气换热器的应用简化并加速了燃料的烘干工程，减少了低值燃料和湿燃料的着火困难，并且扩大了这些燃料经济燃烧的可能。热管空气预器热同样还可以提高锅炉整体的蒸汽生产量。热管气-气换热器能够把排出的烟气加以高度冷却。这是由于进入热管气-气换热器的空气温度比较低(一般在20~40℃)、空气与烟气成逆流换热的结果。传统的气-气换热器的缺点是过于笨重，愈提高烟气冷却程度或者空气的加热温度，气-气换热器就愈加笨重。气-气换热器所排出的烟气的温度也受到限制，既决定于技术经济条件，也决定于必须避免在气-气换热器的金属表面上结成水滴，因为水滴会引起金属壁的腐蚀，灰分也会粘在湿金属壁上使之加速积垢。燃料中含硫愈多，在金属壁上结成的水滴就会愈危险。从气-气换热器中排出的容许温度决定于必须使金属壁温度高于烟气露点的条件[9]采用热管气-气换热器能够把排出烟气时带走的热量损失减少到能够容许的程度。每当使排出的烟气温度降低20℃,锅炉整体的效率可提高约1%。此外，热管气-气换热器能使炉膛中前部烟道中的烟气温度有某些提高。在这些地方，烟气与水或蒸汽的温度差将会增加，因而经过受热面传过的热量也就增加了。辐射传递的热量增加得尤为显著。由于水-碳钢热管的研制成功，使得气-气热管换热器的制造成本大幅降低，从而促进了热管气-气换热器的工业化应用。热管气-气换热器综合起来有如下一些特点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；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明显地提高了金属壁温，减轻了低温腐蚀；⑧有效地防止了漏风，降低了引风机的耗电量；⑨增强了换热能力，余热回收率高，提高了锅炉热效率；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；总之，热管气-气换热器与管壳式预热器相比，有很多优点，主要体现在传热性能好、结构简单、紧凑、投资小、运行费用低和流动阻力小等方面。热管气-气换热器的技术优势就在于利用了热管内部工质的相变传热，换热系数大，易于控制空气及烟气的出口温度。热管式换热器与其它类型换热器比较类型热亮类型蕃式管式评定项目压降中(3)传热系数维修很低(5)价格辅助动力交叉污传热面积/单位体积很高(5)总计管助体翅管辅流式(板式热式辅流表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.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。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。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CAD/CAE/CAM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。1.2.5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。预计2010年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10～15%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。国际市场换热器发展情况图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1-8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。步改进。主要表现在：(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。1.3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。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没有准确的依据。这也影响了热管气-气换热器的应用。(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热管气-气换热器的计算理论及方法热管气-气换热器是由若干独立传热的热管按一定的排列方式所组成，目前的工业应用场合，均采用重力式热管作传热元件，所以热管气-气换热器的工艺设计计算内容包括重力式热管，以及以重力式热管作传热元件的气-气换热器两个部分的设计计2.1热管的材料及工作温度根据热管的工作原理知道，影响热管性能的几个主要因素为：管内的工作液体；热管的工作温度；管壁(壳体)材料。在进行热管设计计算以前，首先应考虑怎样确定上述这些因素。一般地说，这与设计的目的有关。因为热管的用途相当广泛，不同的用途对热管的要求也不尽一致。在某些场合下要求相当苛刻，例如宇航、军工中就是如此。此时管子的数量可能较少，但可靠程度和精密性要求却相当严格，可靠性占第一位，经济性则处于次要地位。在民用和一般工业中，管子数量相当多(已属批量生产),这时经济性占了突出地位，如果价格昂贵，应用也就失去意义。故此时的热管设计应注意经济性，应尽量采用价廉易得且传输性能好的工作液体；不采用吸液芯，完全依靠重力回流；对管壁则尽可能采用廉价金属-碳钢。壳体材料首先应满足与工质的相容性要求。除此之外壳体材料还应满足在工作温度下的刚度和强度要求。同时应考虑对热管壳体材料的选择必须符合我国有关标准的规定。热管是依靠工作液体的相变来传递热量的，因此工作液体的各种性质对于热管的①工质应适应热管的工作温度区在指定的设计条件下，冷源和热源的温度是已知的，换热条件也是明确的，因而热管本身的工作温度范围可以通过一般的传热公式计算出来。热管的工作温度一般是指工作时热管内部工作液体的蒸汽温度。在良好的热管工作时，工质必然在汽-液两相状态。据此，所选择的热管工作液体熔点应低于热管的工作温度，而临界点必须高于热管的工作温度，热管才有可能正常工作。在某一温度范围内有几种工作液体可被选用，这就要依次考虑各种因素，并加以对比，作出选择。②工质与壳体材料应相容，且工质应具有热稳定性工作液体与壳体、吸液芯材料的相容性是最重要的必须考虑的因素。因为一旦壳体或吸液芯材料与工作液体发生化学反应了，或是工作液体本身分解了，都将产生不甚至不能工作。目前还没有完整的理论来计算材料的相容性，但是确定材料相容性的试验研究结果已相当多。原来的文献中认为水与碳钢材料不相容，但水-碳钢热管换热器的实际运行时间甚至有超过10年的。③工质应有良好的热物理性质工质的品质因数用来说明工质的物理性质对热管轴向传热能力的影响，用符号N1表示，是一个有因次数，单位是W/m²④其他(包括经济性、毒性、环境污染等)满足以上条件的工质并不一定就是可采用的最好工质，还要考虑制作的安全性、经济性和来源的难易程度等一系列问题。2.2热管的强度与最大传热功率热管的设计计算通常按以下3个步骤进行：根据一定的蒸汽速度确定热管的直径；按照工作压力对热管进行机械强度校核；验算与热管最大传热能力有关的工作极限。热管管径的大小对热管的性能有影响，即对热管换热器的性能有影响。对单管传热量来说，管径越大，传热面积就越大，单管传热量就越多。对一台换热器来说，当总的热负荷一定时，所需要管子的根数就减少，这会降低设备的造价和投资。因此增大管径是有利的。但对热管传热热阻来说，就热管气-气换热器来说，在总的传热热阻中，起控制作用的是管外两侧的放热热阻。随管径的增大，管外放热系数要下降，热阻要增大(此项是热管传热的主要热阻),对传热不利。对热管的强度来说，在其他条件相同的情况下，管径越小，所能承受的管内压力就越高，管径小些有利。从以上看来，管径越小，热管换热器的性能越好。但管径的大小还直接影响了管内流通面积的大小，从而影响着热管的几项传热极限。受流通截面影段如果增加输入的热量超过一定值时，工质蒸汽流在加热段的出口处达到音速，便出现蒸汽流动的阻塞现象，由此现象产生的传热量的界限称为音速极限(声速限)。管径计算的一个基本原则是管内蒸汽速度不超过一定的极限值。这个极限值是在蒸汽通道中最大马赫数不能超过0.2。在这样的条件下，蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动。这样轴向温度梯度很小，并可忽略不计。否则，在高马赫数下蒸汽流动的可压缩性将不可忽略。马赫数等于0.2,则有2.3热管气-气换热器的设计计算方法热管气-气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。设计中考虑的问题有：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；热管的管径，厚度，以及翅片的间距，高度，厚度等参数；冷流体及热流体运行参数热管气-气换热器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气-气换热器，要求确定气-气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，以确定气-气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易于得到，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气-气换热器冷热流体的热容流率和传热性能是已知的，热管气-气换热器的效能易于确定，故采用传热单元数法进行计算。其传热方程为式中，△Tm是由冷热流体的进出口温度确定的。以上三个方程中共有八个独立变量，它们是UA、(mcp)h、(mcp)。、Th₁、Th₂、Tc₁、Tc₂、Q。因此，热管气-气换热器的换热计算应该是给出其中的五个变量来求得其余三个变量的计算过程。对于设计计算，典型的情况是给出需设计热管气-气换热器的热容流率(mcp)n、(mcp)c,冷、热流体进出口温度中的三个已知量，如Th₁、Th₂、Tci,计算另一个温度Tc₂、换热量Q以及传热性能量UA。UA也就是传热系数和传热面积的乘积，最后达到设计热管气-气换热器的目的。对于校核计算，典型的情况是给出已有热管气-气换热器的热容流率(mcp)n、(mcp)c、传热性能量UA以及冷热流体的进口温度Th₁、Tci,计算换热量Q和冷热流体的出口温度Th₂、Tc₂,最后达到校核换热器性能的目的。2.3.1热管气-气换热器换热计算的平均温差法1.平均温差法进行热管气-气换热器设计计算的步骤为：(1)由已知条件，从热管气-气换热器热平衡方程计算出冷热流体进出口温度中待求的那一个温度；(2)由冷热流体的四个进出口温度确定其对数平均温差△Tm;(3)初步布置换热管，根据无因次准则方程计算总传热系数U;(4)从传热方程求出所需的换热面积A,并核算热管气-气换热器冷热流体的(5)如果流动阻力过大，或者换热面积过大，造成设计不合理，则应改变设计方案重新计算。2.平均温差法用于校核计算，其主要步骤为：(1)首先假定一个流体的出口温度，按热平衡方程求出流体的另一个出口温(2)由四个进出口温度计算出对数平均温差△Tm;(3)根据热管气-气换热器的结构，计算相应工作条件下的传热系数U的数(4)从已知的UA和△Tm由传热方程求出换热量Q(假设出口温度下的计算值);(5)再由热管气-气换热器热平衡方程计算出冷热流体的出口温度值；(6)以新计算出的出口温度作为假设温度值，重复以上步骤(2)至(5),直至前后两次计算值的误差小于给定数值为止，一般相对误差应控在1%。2.3.2热管气-气换热器计算的传热单元数法传热单元数是反映冷热流体间换热过程难易程度的参数，也是衡量热管气-气换热热流体和冷流体的传热单元数NTUn和NTU。各按下式式中Th₁和Th₂分别为热流体的进出口温度；Tc₁和Tc₂分别为冷流体的进出口温A为传热面积；(mcp)h和(mcp)c分别为热流体和冷流体的水当量。由定义式可知：在设计热管气-气换热器时，换热要求越高，则所需传热面积越大，传热单元数也越大。对操作中的热管气-气换热器，传热单元数越大，表明其性能越好。采用传热单元数法计算换热过程，还须引入传热效率的概念。热管气-气换热器内传热效率是指两流体的实际传热量与理论上可能的最大传热量(即两流体逆流操对一定型式的热管气-气换热器，传热单元数、传热效率和两相热容量流率(mcp)间存在一定关系。对于逆流操作的热管气-气换热器为：利用NTU与n的关系式和热量衡算式，可较方便地进行传热计算，特别是对已有热管气-气换热器传热性能进行核算，可避免试算或减少试算的次数。1.e-NTU法进行热管气-气换热器校核计算的主要步骤为：①由热管气-气换热器的进口温度和假定出口温度来确定物性参数，计算热管气-气换热器的传热系数U;②计算热管气-气换热器的传热单元数NTU和热容流率的比值Xmin/Xmax;③按照热管气-气换热器中流体流动类型，根据e-NTU的计算公式计算预热器的效能值ε;④根据冷热流体的进口温度及最小热容流率，按照公式求出换热量Q;⑤利用热管气-气换热器热平衡方程确定冷热流体的出口温度Th₂、Tc₂;以计算出的出口温度重新计算传热系数，并重复进行计算步骤(2)至(5)。2.ε-NTU法用于热管气-气换热器的设计计算，其主要步骤是：①由热管气-气换热器的热平衡方程求出待求的温度值，进而由公式计算出预热器效能ε;②根据所选用的流动类型以及e和Xmin/Xmax的数值，计算传热单元数NTU;③初步确定换热面的布置，并计算出相应的传热系数U的数值；④再由NTU的定义式确定换热面积A=XminNTU/U,同时核算热管空气预热器冷热流体的流动阻力；⑤如果流动阻力过大，或者换热面积过大，造成设计不合理，则应改变设计方案重新计算。2.4总换热系数的求解理论及方法如图1.3是热管气-气换热器的换热示意简图，高温烟气流过隔板的一侧，将热量传给带有翅片的热管，并通过热管将热量传至空气侧。高温烟气沿流动方向不断被冷却，低温的空气沿流动方向不断被加热。原则上可以把热管群看成是一块流阻很小的“间壁”。因而热管气-气换热器与常规间壁式换热器的计算方法相似。如图2.1所示，用下标h表示加热段，下标c表示冷却段。对于加热段，热流体温度为Th,Tv代表管内介质蒸汽温度；对于换热管，在加热段和冷却段的管内蒸汽温度基本相等，冷流体温度为Tc。用rw表示管壁热阻，用ry表示污垢热阻，其中δy为污垢层厚度，λy为污垢层导热系数，可得加热段和冷却段的传热系数。图2-1热管的温度分布示意图对于加热段，有对于冷却段，有加热段和冷却段翅片间光管表面积；Ach和Arc分别为加热段和冷却段的管外翅片总表面积；Uh和Uc分别为加热段和冷却段以各段管外总表面积为基准的传热系数。加热段的传热方程为冷却段的传热方程为Q=U₁A(T,-T)(2.14)Q=U,A(T-T)(2.15)将式(2.14)和(2.15)整理后可得两式相加消去Tv后，可得对于热管气-气换热器，一般总是以加热段管外侧的总表面积Ah为计算基准的，A₁=(A₀+A₇)(2.19)因而对应于Ah的热管气-气换热器总传热系数U为将(2.12)和(2.13)式代入上式可得：式(2.21)中并未考虑吸液芯导热和管内蒸汽流动的影响。在考虑吸液芯的情况下，蒸发段的管内传热系数应包括吸液芯的导热和表面蒸发两项，同样在冷凝段也应包括表面冷凝和吸液芯导热两项。在不计吸液芯和蒸汽流动所造成的热阻的情况下。式(2.21)就具有如下的形式：式中的为以管内面积为基准的热管内部蒸发传热系数，为以管内面积为基准的热管内部冷凝传热系数。实验表明，简略计算时可令==5.8kW/(m².K),再令其中的Uh、Uc分别为加热段和冷却段管外的有效给热系数。最后式(2.22)可写为如果热管气-气换热器的冷、热流体的隔板放在热管的中央，此时冷侧和热侧管外总面积相等(冷热侧翅片参数相同时),若冷流体是干净的空气，则上式可简化成为式(2.26)常被用来计算热管气-气换热器的总传热系数。在解决了热管气-气换热器的总传热系数U之后，就可写出热管气-气换热器的总传热方程式为一般情况下，Q可以从冷、热流体的热平衡方程式中求出。从式(2.26)求出U,分别代入式(2.27),可求出Ah;若已知热管加热段单位长度的总表面积Ah,就可得所需热管的总长度，从而求得热管的根数。2.4.1换热准则方程及冷热侧对流换热系数对于横向掠过光管或光管管束的给热系数，其准数方程式为对叉排管束c=0.33,对顺排管束c=0.26;Nu数、Pr数及Re数定义如下：热系数，Cpf为流体的定压比热，pf为流体的密度，μf为流体的动力粘度。显然流体横向流过光管管束和横向流过翅片管束的流动情况存在着很大的差异，因而对带翅片的热管气-气换热器管外侧给热系数应以流体横向流过翅片管束的给热系数Uf来代替U0更为合理。求Uf的准则方程一般具有如下形式：式中的sf/lf为翅片间距与翅片高度之比，sf/δf为翅片间距与翅片厚度之比。sf和δf,If如图2.2所示，由式(2.31)可得式中式中的pf为标况下流体的密度，Vf为标况下流体的体积流量，NFA为管束的最小式中ST为与气流垂直方向的管间距(中心距),nf为单位管长的翅片数；L为热式(2.35)的适用范围为：0.125<上实际使用的热管气-气换热器对比，以(2.32)式计算的Uf偏大。南京化工学院试Nu=0.1370Re⁰6338Pr¹/3(2.36)上式适用范围：热气流温度240~380℃;Ref=6000~14000;以Uf表达的U计算式中2.4.2流体流动中的压力损失f向节距(m),SL为管束纵向节距(管间距)(m)。(2.41)式中其中NFV为流体流动净自由容积(m3),Au为单位长度摩擦面积(m2),而式中的df为翅片外径(m),d0为光管外径(m),δf为翅片厚度(m),nf为单位管长的翅片数(m-1),SL为翅片管纵向间距(m),ST为翅片管横向间距(m)。S.LJameson对螺旋翅片管作了试验，对Dunter公式进行了修正，即式(2.46)与式(2.41)具有相同的形式。式(2.46)所得的f值比式(2.41)所得值小。使用时可根据实际情况参照实验值确定。对于圆片形翅片管式中的Nn为沿流动方向的管排数。烟气在标准状况下的流量V0,h(m³/s)、空气在标准状况下的流量V0,c(m³/s)、烟气的入口温度Th,烟气的出口温度Th₂(这一温度一般应高于该烟气在管壁上产生露点腐蚀的温度);空气侧的入口温度Tci及热管有关参数：管材、管内工质、翅片参数、管子的排列方式、排列尺寸、管子几何参数。冷气流吸收热量式中的n为散热损失率，一般n=6~10%(包括加热段和冷却段);求冷气流出口温度Tc2求对数平均温差△Tm确定迎风面积Aex,h及迎风面管排数Nm。一般热管气-气换热器的设计规定迎面标准风速为2.0~3.0m/s,已知冷、热流体的体积流量V,则Aex,h为式中的Vh为热流体的体积流量(标况下),w1为标况下的迎面风速，Ahex为气-气换热器烟气侧的迎风面积，同理如果规定了加热侧的管长Lh,就可求得迎风面的宽度为式中的B为迎风面宽度；Lh为加热侧的热管长度。从而求得迎风面管子的根数Nn,即式中的Sr为迎风面的管子中心距(在考虑管子排列方式时一般已定),求出Nn后取整数再校核迎风面风速w1。求总传热系数U:用式(2.35)求管束最小流通截面NFA;用式(2.34)求流体最大质量流速Gmax;用式(2.33)求Re;用式(2.32)或式(2.36)求U;在已知翅片的几何参数If、sf、δf及管子几何尺寸do、管子翅片材料的导热系数λw的情况下，可求得nf及Ah;用式(2.38)和式(2.39)求Uh;及其导热系数，一般不易知道，可从有关资料中查取经验数据；用式(2.27)或式(2.22)求总传热系数U;用公式(2.28)求加热侧总传热面积Ah;求热管总根数N式中的Ah为烟气侧单位长度的传热面积，A为热管加热段管外总表面积；Lh为单根热管加热侧长度；求换热器纵深方向排数Nn(沿气流方向管排数)及沿气流方向长度Lf;式中的Lm为沿气流方向管排数0为非等边三角形排列时的1/2顶角，在等边三角形排列时，0=300。求流体通过热管换热器的压力降：通过式(2.39)求NFV;通过式(2.38)求Dev;通过式(2.37)求Ref;由式(2.36)或式(2.41)求摩檫系数f;求平均管壁温度Tw。O=UA,(T,-T,(P.61)式中的U为翅片热管管外的有效给热系数，Ah为翅片热管换热器一侧管外总表求出Tw后可分别查出相应的μw;通过式(2.35)或(2.40)求流体通过热管气-气换热器的压力降△Ph,△Pc;如△P过大，可重新修正管子排列方式及迎面风速。以上是热管气-气换热器的一般设计程序，实际设计计算中可能要通过几次试算方可取得较为满意的结果。因此，设计计算工作量很大。2.5热管气-气换热器的离散计算法理论文献提出了一种离散型计算法。这种分析法的出发点认为：在热管气-气换热器中，温度是连续变化的，各排热管管外流体定性温度取其所在温度区段的算术平均温度；假设热管内工质温度从蒸发段到冷凝段的过程中温度保持恒定，并且忽略热管气-气换热器向外界环境的散热损失；考虑到热管气-气换热器中隔板面积相对于热管的换热面积很小，隔板的导热率相对于热管的导热率也很小，因此忽略通过隔板的传导传热；沿着流体流动方向，将热管气-气换热器内热流体进出口算术平均温差和冷流体进出口算术平均温差均匀地分成n段，n的多少根据实际情况确定；热量从热流体到冷流体的传递不是通过壁面连续的，而是通过若干热管进行传递，热流体温度从进口的Th₁降到Th₂,呈阶梯形变化，同样，冷流体温度从Tc₁升到Tc₂,也是阶梯形的热流体放出的热量Qh为O,∈mà,(,T-T)=X(T-T₂)(2.62)式中的m为热流体质量流量(kg/s),cp为热流体定压比热(kJ/kg.K);X=mcp称为O=(mc,)(T₂-T)=K(T₂-T)(2.63)不计热损时，应有。管，其中任意一排热管的传输的热量Qx可从图2.3得到。则O=U₁A₁(T₁-T)=U₂A(T,体温度Th和冷流体温度Tc沿管长也是均匀变化的，由式(2.64)可得式中的Qx为x排热管传输的热量，()为冷热侧的流体温度差，分母为传热热热流体和冷流体流过第X排热管后，温度要发生变化。由式(2.64)和(2.65可得热流体的温度降低为和冷流体的温度升高为,即图2.3流体通过热管时的温度变化示意图(顺流)移项合并，得2.70’移项合并，得同理，推出第n排：令上式方括号内是初项为1、公比的等比级数，该级数之和为代入公式(2.75),得以上各式中下标h均表示热流体，下标c均表示冷流体，下标1表示进口，2表同理可导出逆流传热时的总传热量(参见图2.4)为：图2.4流体通过热管时的温度变化示意图(逆流)但这时因级数项之和,所以概括式(2.68)应有即将式(2.81)、(2.82)代入式(2.80),并加以变换，可整理为式(2.77)和式(2.83)分别为顺流和逆流情况下热管气-气换热器总传热量的表和前述一般设计计算方法一样，“离散型”计算事先亦需已知冷、热流体的原始参数、热管的几何参数、翅片几何参数、管子排列方式、各种热阻的参数等数据，方2.6热管气-气换热器的定壁温计算法理论所谓定壁温计算法是指将热管气-气换热器的每排热管的壁温都控制在烟气露点温度之上，这种设计方法是建立在管内蒸汽温度可调整的基础之上的。根据热管如下2.84)假设冷、热流体的管外给热系数近似相等，则对冷、热侧传热面积相等的情况，UhAh>UcAc的情况，应有(Th-Tv)<(Tv-Tc);Uh.Ah<Uc.Ac的情况，应有(Th-Tv)>Tv-Tc)。因而通过调整(UA)的值，可使热管的蒸汽温度Tv接近热流体或远离热流体温度。由于热管的管壁温度基本上与管内蒸汽温度相近，故可用调整(UA)值的办法来控制热管管壁温度。控制热管管壁温度高于烟气露点的方法，在含尘烟气的环境中，这种方法取得了良好试验结果。定壁温计算法首先应采用常规计算法，大致计算出热管气-气换热器的概略尺寸及管排数，然后再用离散型的计算方法逐排计算每排的壁温、传热量、冷流体的温升、热流体的温降，并调整到满意值。由于对每一排热管来说，进行上述计算所用公式是相同的，而通过每一排时气流的物理性质是变化的，因此利用电子计算机进行计算会带来很大的方便。在掌握了常规计算法和离散计算法之后，再进行定壁温计算并无多大困难。使用定壁温设计法设计热管气-气换热器时，可以使管壁温度Tw始终靠近烟气温度Th当烟气温度降低时，管壁温度仍可以维持在露点温度以上。这在常规的间壁式换热器中是很难做到的，因为一般情况下，在间壁换热时壁温总是接近给热系数较大的流体温度。某些常规换热设备在低温流体进口处过早被腐蚀破坏，其原因即在此。通过热管的定壁温度设计，可以避免这一缺点。3确定设计方案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，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。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。工业大型备注管长/mm1-1.2mnm多为有色金属烟气敬为3-6mm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错列(多)顺列(少)表3-1热管换热器用热管主要参数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透过系数ζ、换热系数z,h₂,然后根据平均温差△7及单个热管热阻R求得单根热管热通量q,在结合总传热负荷Q,从而定出管子根数n。设计中必须考虑的问题[12-13]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2～3m/s,工作状态下的流体风速在一般限制在6～10m/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。4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[14]。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φ19mm×2mm和φ25mm×2.5mm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。(a)三角形(b)转角三角形(c)正方形(d)转角正方形图4-1换热管的排列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4.2设计步骤(1)计算总传热量Q;(3)确定迎风面宽度B及热管列数n;(8)求总热管数N;(9)求热管的排数m;图4-2外形尺寸4.4符号说明Re:雷诺准数ξ:透过系数n:单位长度上热管的翅片数，个/mη:翅化效率N:热管换热器列数，(列)ly:翅片高度，mμ₀:烟气侧初速，m/sy:烟气侧最大流速，m/sh:烟气的对流换热系数β:翅化比η:烟气侧翅化效率R:单根热管热阻△T:对数平均温度，Cλ:钢铁导热导热系数，w/(m·k)N:所需热管数，(根)m:换热器纵深排数，(排)NFV:换热器净自由容积，m²ξ:烟气侧耗散系数4.5标注说明1:烟气侧2:空气侧10:烟气侧标准状况下f:翅片T:横向L:纵向W:钢制”:出口5热管换热器工艺计算5.1计算总传热量Q9=P₀·N·C("-(()(5-2)=1.295×13.89×1.1095×100K/sQ=1995.72K/s(3)冷空气实际获得热量为Q,考虑到冷侧有5%热损失，故有O=g×0.95=QO=1895.93K/s5.2求空气侧出口温度t”1.求冷空气出口温度通过迭代计算得出空气侧出口温度，本文后附C语言迭代程序，程序编制思路如第三，根据空气侧的热通量与总传热量的大小，调整初始值，返回迭代a)Q>Q,t,”(b)Q<g,t.”本次程序中设置步长为0.1,迭代精度为0.5;Q=1995.72*/st=20℃E:\E:\ProgramFi...-Ox41=1995.72ki/sv2=13.25m3/sti=20.00'Cthetemperature=125.50'C图4-3C语言运行结果计算结果：t."=125.50℃5