一种翅片管式热管换热器的设计

南京工程学院毕业设计说明书(论文)作者：郑俊伟学号：201090810系部：机械工程学院专业：过程装备与控制工程题目：一种翅片管式热管换热器的设计指导者：朱大胜副教授评阅者：2013年06月南京南京工程学院毕业设计说明书（论文） 毕业设计说明书（论文）中文摘要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，具有很高的导热性，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。由于其换热效率高、结构简单、节能效果显著、设备运行可靠性高、动力消耗小等优点，热管换热器越来越受到人们的重视。本文简要分析了热管及热管换热器的工作原理和结构，分析热管换热器的现有应用领域及优势，并指出热管换热器应用过程中所存在的问题，着重探讨了热管换热器的设计，具体包括热管元件设计、隔板密封的设计、管箱设计以及螺栓法兰连接设计等等。目前，它被广泛应用于石油、化工、冶金、动力、电力、食品、造纸等领域。关键词：热管；热管换热器；设计计算；应用毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleDesignofafintubetypeheatpipeexchangerAbstractHeatpipeisaheattransferdevicesdependonworkliquidintheoneselfinnerphasechangetoachievetheheattransfer,hasahighthermalconductivity.Bytheheatpipecomponents,theuseofheatpipeheatexchangerprincipletoachieveaheatexchangercalledheatpipeheatexchanger.Duetoitshighheattransferefficiency,simplestructure,energy-savingeffectisremarkable,highoperatingreliability,powerconsumption,etc,andtheheatpipeheatexchangerhasbeenpaidmoreandmoreattention.Thearticlebrieflyanalyzestheworkmechanismandstructureofheatpipeandheatpipeheatexchanger，analyzetheexistingheatpipeheatexchangerapplicationsandadvantages,andthattheapplicationprocessheatpipeheatexchangerintheproblems,focusedontheheatpipeheatexchangerdesign,specificincludethedesignofheatpipeelement,thedesignofdiaphragmseal,thedesignoftubebox,andboltedflangeconnectiondesignetc.Atpresent,itiswidelyusedinpetroleum,chemical,metallurgical,power,electricity,food,paperandotherfields.Keywords：Heatpipe；Heatpipeexchanger；Designcalculation；Applications南京工程学院毕业设计说明书（论文）

目录TOC\o"1-3"\h\u179第一章绪论 第一章绪论1.1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元件，其概念首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的Gaugler于1944年在美国专利（US2350348）提出的。他当时的想法是：液体先在某一位置上进行吸热蒸发，接着在它的下方某一位置进行放热后冷凝，不耗费任何功从而使得放热冷凝的液体再回到上方原来的位置继续吸热蒸发，如此循环，目的是使得热量从这一位置传到另一位置。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，所以Gaugler当时想出的发明未能得到应用。1962年Trefethen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于Gaugler所提出的传热元件。但因这种倡议未能经过实验证明，所以未能付诸实施。1963年美国Los-Alamos国家实验室的Grover[1]重新独立发明了类似于Gaugler提出的传热装置，并进行了性能测试的实验，并且公开发表了第一篇有关传热元件的论文在美国《应用物理》杂志上，并正式将这种传热装置命名为热管即“HeatPipe”，指出任何一种已知金属的导热率都不能超过它的导热率。实验结果是得到了以一根不锈钢为装置的壳体，钠为工作介质，管内安装丝网吸液芯结构的热管。1965年Cotter首次总结出较为完整的热管理论，这为以后的热管理论的研究工作奠定了理论基础。Katzoff于1966年首先发明有干道的热管。干道的作用是为了给从冷凝段回流到蒸发段的液体提供一个压力降较小的通道。大大地提高了热管的传输能力。1967年至1968年在美国，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。1969年，日本前苏联、的有关杂志均发表了有关热管应用和研究的文章。在日本的文章中已有描述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Turner和Bienert提出了用可变导热管来实现恒温控制。1980年美国Q-Dot公司生产了气-液换热的热管废热锅炉。日本帝人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器。1984年Cotter较完整地提出了微型热管的理论及展望[2]，为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。提出的毛细泵回路capillarypumpedloops，CPL以及回路热管系统（loopheatpipesystems，LHP）都因它们应用面广、结构灵活及在很小的温度下可进行远距离传递比常规热管具有更大热量的特点，从而使得整个热管界都普遍关注它们，使得它们成为理论研究和应用的特点[3]。1.2我国热管及热管换热器的发展我国自20世纪70年代开始，对热管开展了传热性能研究以及热管在空间飞行器以及电子器件冷却方面的应用研究。在1972年，成功运行了第一根钠热管，以后相继研制成功各种介质的热管比如钠、汞、水、氨、锂、联苯等，并且在应用上取得了不错的成果。而在1980年，国内成功运行了第一台试验性热管换热器，接着各地相继出现了不同温度范围的、各种不同类型的气-气热管换热器和气-液热管换热器，并且在工业上的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[4]。由于我国是一个发展中国家，能源的综合利用水平还比较低，因此自20世纪80年代初，我国的热管研究及开发的重点转向能源的合理利用及节能，因此相继开发了各类热管产品，比如热管余热锅炉、热管气-气换热器、高温热管蒸汽发生器以及高温热管热风炉等。在工业化方面的开发应用我国的热管技术研究发展十分迅速，学术交流也非常活跃，从1983年起已经先后召开了十一届全国性的热管会议。碳钢-水热管的相容性、中高温热管的研制、解决热管的制造工艺、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、漏风等，影响了热管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，完善热管换热器设计制造方法，提高热管换热器的使用效果和寿命。1.3本文主要内容本次毕业设计的主要内容是设计一个翅片管式热管换热器。从前两节的内容我们可以对热管的发展历程以及应用有个大致的了解，并初步认识了热管换热器。在接下来的几个章节，将会对热管换热器的主要元件热管进行分析和设计，主要分析热管的工作原理、热管分类以及基本特性等方面，并且对翅片管的工作原理以及组成进行分析。另外也会对热管换热器的特点、分类、设计方法以及存在的问题做一个总结。最后在热管换热器的设计过程中，主要针对其工艺计算、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翅片管式热管换热器的基本模型。

第二章热管的工作原理及应用2.1热管节能技术概述热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，其导热性能是优良导热材料的几倍、甚至上万倍，所以具有“超导热体”之称[5]。因其优越的传热性能和技术特性，在工程中的应用日益普及，不仅在余热回收、节能方面取得了显著效果，而且在传统的传热传质设备更新及电子元器件冷却等方面先生出了非常强大的生命力。作为应用于工业领域的工艺过程、设备状况及控制管理系统都密切相关。国家关于国民经济和社会发展第十一个五年纲要明确提出：“十一五”期间实现单位生产总值能源消耗下降百分之二十的目标。针对高能耗行业，如电解铝、铁合金、电石、烧碱、水泥、钢铁，冻土[6]等，是开展节能减排工作的重点行业。热管技术之所以能广泛应用于各节能领域，是因为与常规换热技术相比，具有如下的重要特点。热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行；热管管壁的温度可调性；冷热段结构和位置布置灵活；效率高。2.2热管的工作原理热管是一种充填了一定量的工作介质的真空密封容器，内部为真空的金属管子,其内壁贴着一层多孔性材料,称为吸液芯,管内装适量的传递热量的工作介质。热管的两端分别是蒸发段和冷凝段,当热量传入热管蒸发段的时候，热量将被工作介质吸收并蒸发从而流向冷凝段，然后蒸汽在冷凝段被冷却，并且释放出汽化潜热，冷凝后变成液体，然后在多孔吸液芯的毛细力或者重力的作用下返回蒸发段，如此反复循环，通过工作介质的相变和传质实现热量的高效传递。简而言之，热管工作的主要任务是从蒸发段吸收热量，通过内部相变传热过程，把热量输送到冷凝段，从而实现热量转移。完成这一转移有六个同时发生而又相互联系的主要过程,如图2-1。图2-1热管的工作过程示意图这六个相互联系的主要过程是：(1)热量首先从热源通过热管的管壁和充满工作介质的吸液芯传送到液-汽分界面；(2)介质在蒸发段内的液-汽分界面受热蒸发；(3)蒸汽在蒸汽腔内将会从蒸发段上升到冷凝段；(4)冷凝段内分布的蒸汽在汽-液分界面上凝结；(5)热量从汽－液分界面通过介质、吸液芯以及管壁传给冷源；(6)在吸液芯的内部由于毛细作用使得冷凝后的工作介质回流到蒸发段[7]。2.3热管的分类根据热管结构形式的不同，最主要的分为轴向热管和径向热管[8]。(1)轴向热管早期热管都采用轴向热管，在蒸发段内工质被汽化并带走潜热，然后向冷凝段流去，最后受冷凝结成液体回流到蒸发段，并且放出潜热，工质通过吸液芯沿管长方向流动。(2)径向热管径向热管是指工质是沿热管径向流动的。吸液芯紧贴在热管的内壁上，其内部充满工作介质。在密闭真空管中工质将会周而复始地进行着受热汽化和受冷冷凝的循环工作过程，从而源源不断地将管外热流体中的热量传递给内管中的冷流体[9]。同时，按不同的分类方法，还可分为脉动热管、环路热管和平板型热管等不同种类的热管[10]。按热管的功用划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。按管壳与工作液体的组合方式划分为铜-水热管、碳钢-水热管、碳钢复合-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-荼热管、不锈钢-钠热管。按照工作液体回流动力区分为有芯热管、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。热管外壳及工作液的种类视其应用情况而定。例如在1000℃以上高温时，热管内部多用钾、钠等液态金属；在-190℃时则多用液态氮等[11]。2.4热管的基本特性热管是依靠自身内部工作介质的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。热管内部主要是通过工作介质的汽、液相变进行传热，由于其热阻很小，因此具有非常高的导热能力。(2)优良的等温性。由于在热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，一定的饱和蒸汽温度对应于相应的饱和蒸汽压力，当饱和蒸汽从蒸发段上升向冷凝段时其所产生的压降很小，根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，其温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。(3)恒温特性(可控热管)。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输入热量的增加而降低、随输入热量的减少而增加，这样热管在输入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。(4)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。(5)热开关与热二极管性能。热开关则是当热源温度低于这一温度时，热管就不传热，只有当热源温度高于某一温度时，热管开始工作；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。(6)环境的适应性。因为热管的形状可以随着热源和冷源的条件而变化，所以热管可做成电机的转轴燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，同时热管既可用于空间，也可以用于地面[12~13]。(7)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。(8)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。(9)热管一般虽为圆柱形，但其尺寸和形状可以多样，若热则冷端软管连接尚可实现绕过障碍的曲折途径的传热或长距离的传热。(10)热管不受热源的限制，如火焰、电加热、日光辐射都可作为热管的热源。(11)通过热管可产生各种大小的热流密度；通过材料的适当选择和组合，可用于从零下200℃到2000℃大幅度的温度范围[14]。

第三章热管换热器3.1概况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。热管换热器是一种高效传热的新型换热器，在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中，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，70年代国外在电子、机械、石油、化工及煤化工等方面有了广泛的应用[15]。热管换热器主要由箱体、隔板、热管等元件组成，其中热管是其最关键的元件。热管换热器具有传热效率高、压力损失小、工作可靠、结构紧凑、没有掺混污染、有利于控制露点腐蚀等优点。当前我国的热管技术已日趋成熟，应用面也在逐年的扩大[16]。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。3.2热管换热器的特点(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、热流体是完全分开流动的，因此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)对于含尘量比较高的流体，热管换热器可以通过扩展受热面、结构的变化等措施来解决换热器的磨损和堵灰问题。(4)没有运动部件，每根热管都是永久性密封的，没有额外的能量消耗，从而大大提高了运行的可靠性。(5)对于冷、热气流间温差很小（如几十度）的情况，也能得到一定的热回收率。(6)由于冷、热流体都在热管外表面流过，所以容易用增加翅片的办法来提高冷、热流体与热管表面的对流换热。(7)每根热管完全独立，容易更换，每排的宽度及热管外表面翅片的高度和间距可以根据性能要求及维修、清洗的要求进行适当的选择[17]。3.3热管换热器的分类(1)按形式可分为:单管组合式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器等。(2)按功能可分为：气-气式热管换热器、气-液式热管换热器、气-汽式热管换热器等。根据具体工况设计的热管换热器结构以及外形形式有多种样式，图3-1、图3-2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3-1气-气热管换热器图3-2气-液热管换热器热管换热器是一种新型高效的换热器，于70年代初才开始作为节能设备应用于工业中。虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但是其发展速度很快。本次设计的换热器是气—液式换热器，属于单管组合式热管换热器。热流体为气体，冷流体为液体。3.4热管换热器的设计方法热管换热器的设计方法正不断改进和完善，就目前情况大致可分为三类：(1)常规设计计算法热管换热器类似于常规的间壁式热交换器。两种流体分别在热管的两端流过，原则上可以将热管群视为一块热阻很小的“间壁”，冷流体通过“间壁”的一侧不断被加热，热流体通过“间壁”的另一侧不断冷却，与通常的换热器相似，热管换热器热力计算也是基于传热方程和热平衡方程。(2)离散型计算法这种分析法的出发点认为热量从热流体到冷流体的传递不是连续通过壁面进行的，而是通过若干热管进行传递，热流体温度从进口降到出口是不连续的，呈阶梯形变化；同样冷流体温度上升也是阶梯形的，因而称为“离散型”。(3)定壁温计算法将热管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。3.5热管换热器存在的问题当然,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:(1)相关科研人员对基础技术以及基础理论的研究还是不够重视，例如从传热与流动的研究、基础物性的研究、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的接触焊、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。要想使热管换热器的性能达到最佳，并且能够应用于更多场合，还需要解决以下多个问题:(1)热管的直径、翅片高、翅片厚度等结构尺寸的确定没有准确的依据，但是这些参数对热管性能影响较大；(2)现在还不能够能够找到一种适合各种工作温度的工质，从而不影响换热器的效率和可靠性；(3)灰尘较多的烟气易加速热管的磨损从而使热管易积灰，降低热管的换热能力；(4)热管散热的结构相对比较复杂，工艺性能要求比较高，成本较高[18]。

第四章翅片管的原理和类型4.1翅片管的工作原理翅片管，又叫鳍片管或肋片管，英文名字叫“FinTube”或”FinnedTube”,也有时叫做“ExtendedSurfaceTube”,即扩展表面管。顾名思义，翅片管就是在原有的管子表面上（不论外表面还是内表面）加工上了很多翅片，使原有的表面得到扩展，而形成一种独特的传热元件。4.2翅片管的组成翅片管是热管换热器的重要传热元件，其由基管和翅片组合而成，基管通常为圆管，也有扁平管和椭圆管。管内、外流体通过管壁及翅片进行热交换，由于翅片扩大了传热面积，使换热得以改善。翅片类型多种多样，翅片可以各自加在每根单管上，也可以同时与数根管子相连接。4.3翅片管的类型和选择翅片管是翅片管式热管换热器中的重要部件。对翅片管的基本要求是：有良好的传热性能、耐温性能、耐热冲击能力及耐腐蚀能力，易于清理尘垢，压降较低等。翅片按其在管子上排列方式，可分纵向和径向(横向)翅片两大类。其它类型都是这两类的变形，例如大螺旋角翅片管接近纵向，而螺纹管则接近横向，可根据流体的流动方向及换热特点来选择。肋片可在管内、管外或内外兼有。肋片管按制造方法不同可分为整体翅片、焊接翅片和机械连接翅片。是否需要加设翅片和应加在哪一侧以及翅片的型式和结构尺寸应根据管内、外两侧流体传热性能进行选择。通常宜将翅片设在小侧；当两侧接近时，则宜在管内、外两侧均加翅片，或外加翅片，内加麻花铁、螺旋体等扰动元件。翅片管因其制造方法不同而使其在传热性能以及机械性能等方面有一定的差异。按制造方法分有焊接翅片、整体翅片、高频焊翅片和机械连接翅片。焊接翅片采用氩弧焊或者钎焊等工艺制造，可使用与管子不一样的材料。由于它的制造简易、经济且具有较好的传热和机械性能，故已在工业上广为应用。它的主要问题是焊接工艺质量。高频焊翅片管是利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片接触处产生高温而部分熔化，再通过加压使翅片与管子连成一体而成。这是一种较新的连接方式，因其无焊剂、无焊料、制造简单、性能优良，正为用户认识和采用。整体翅片由铸造、机械加工和轧制而成，管子翅片一体，没有接触热阻，强度高，但要求翅片与管子同种材料。如低压锅炉的省煤器就是采用整体铸造的翅片管。机械连接翅片管有绕片式、镶片式、套片式与双金属轧片式等[19]。

第五章热管换热器工艺计算5.1热管换热器技术参数气体介质流量（kg/h） 30000气体介质进口温度（） 150气体介质出口温度（） 50气体介质压力（MPa） 7循环水入口温度（） 20循环水出口温度（） 40循环水压力（MPa） 0.4结构形式 并联5.2热管换热器设计准备换热管的尺寸和形状对传热有很大的影响，管径越小，则单位体积设备的传热面积就会越大，这意味着设备越紧凑，体积则越小，对流传热系数的要求较高。但制造会比较麻烦，且小管易结垢，不易机械清洗。因此对清洁的流体采用小管子为宜，但对粘度大或易结垢的液体管径则应取大些。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、压力强度和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，较大直径并不总是很好，为了设计出更加优化的热管换热器，我们应该作出全面的选择。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φ19mm×2mm和φ25mm×2.5mm两种。5.3热平衡方程这里所讲到的热平衡是指一个换热设备中冷流体与热流体之间的热平衡，即：热流体放出的热量=冷流体得到的热量传热过程中的热损失有时也需要考虑在内，即：热流体放出的热量=冷流体得到的热量+热损失一般情况下，热损失需要小于5%，但是有些设备保温良好，因此在设计中也可以忽略热损失。热平衡是能量守恒定律在传热过程中的具体应用，热平衡既是一个理念，也是一种方法。(5-1)，QUOTEQUOTE：热流体与冷流体流量，QUOTE：热流体与冷流体定压比热容QUOTE，QUOTE：热流体入口及出口温度QUOTE，：冷流体入口及出口温度：散热损失率，可取1%—5%(5-2)查表得，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE5.4选取迎风面质量流速如果在气体侧的允许阻力降很低时，则建议QUOTE在中间进行选择值；如果对气体侧的阻力降没有特殊要求，则建议选择默认；如果担心积灰比较严重，希望使气流本身具有一定的自吹灰能力，建议选。在本次设计中，由于对气体侧的阻力降没有特殊要求，所以可选取。迎风面积：QUOTE(5-3)此次设计迎风面形状为正方形，QUOTE，QUOTE。5.5换热管的排列形式在一个管束中，是至关重要的是翅片管排列方式的选取。热管的排列形式主要有以下四种。图5-1换热管的排列形式等边三角形排列用的最为普遍，因为管子的间距都相等，所以在同一管板面积上可排列的管子数是最多的，便于管板的划线与钻孔。但是管间不易清洗，故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。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，而且要保证清洗通道。图2-1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，但是流速符合要求即可，因此该设计中的热管采用（a）排列方式。因为设备热负荷较大，为了减少翅片管根数，所以选用较大直径翅片管。QUOTEQUOTE该翅片管的基管外径为，管壁厚QUOTE，翅片外径为QUOTE（即翅片高度为QUOTE），翅片节距为QUOTE，翅片厚度为QUOTE。管子的排列形式为等边三角形排列图5-2热管排列图确定迎风面上的翅片管根数和长度:翅片管在迎风面上可以摆放的根数:QUOTE(5-4)迎风面上基管传热面积：(5-5)取翅片管长度为3.4，蒸发段QUOTE，冷凝段QUOTE。5.6翅化比5.6.1换热系数气体侧平均温度(5-6)查表得，气体密度QUOTE气体定压比热容QUOTE气体导热系数QUOTE气体黏度QUOTE气体普朗特准数最窄截面积/迎风面积:(5-7)QUOTE所谓最窄截面是指相邻两翅片管之间夹缝中的截面。所有翅片管束管外换热系数的计算式都是通过实验推导出来的，实验中要考虑很多因素的影响，因而所得出的结果又叫实验关联式。不同研究者进行的实验可能会得出形式上不同的实验关联式，但在同一条件下的计算结果应该是相近的。我们的任务就是选择信得过的关联式进行计算。这儿，推荐Briggs和Young的实验关联式。他们曾对十多种环形翅片管束进行了实验研究，所有的实验管束都是叉排排列，管心距呈等边三角形布置，其标准误差在5%左右。下面只介绍对于高翅片管束的实验结果： (5-8)QUOTE式中，，,：翅片外径和基管直径，单位都为；Y，H:翅片间隙和高度，单位都为；QUOTE,QUOTE和：流体的导热系数，单位为；黏度系数，单位为；普朗特数，常数。这些数值是根据流体温度查流体物性表得到的。式中的QUOTE是流体在最窄截面处的质量流速，单位是。由上式可知，影响换热系数最大的因素是流速，与的0.718次方成正比。最窄截面积上质量流速:(5-9)换热系数QUOTE：(5-10)5.6.2翅化比翅化比是指光管表面（基管表面）在加装翅片以后表面积扩大的倍数，用“”来表示，即1米管长的翅片数目：QUOTE(5-11)1米管长的翅片面积：(5-12)QUOTE式中，：QUOTE翅片外径；：基管直径1米管长上的裸管面积，即翅片之间的光管面积QUOTE：(5-13)1米管长上的光管面积QUOTE：(5-14)翅化比QUOTE：(5-15)5.7翅片效率当翅片被“根植”在基管表面上以后，然后在由管内向管外传热的时候，热量将会从翅片根部沿着翅片高度向外传递，同时通过对流换热的方式将热量不断地传递给周围的流体，因此其结果是沿着翅片的高度方向翅片温度将会逐渐下降。如下图所示。基管翅片气体温度翅片温度根部温度温度基管翅片气体温度翅片温度根部温度温度图5-3翅片管传热曲线图沿翅片的高度方向翅片温度将会逐渐下降，说明周围流体温度与翅片温度的差值在慢慢的缩小，单位面积的换热量也会逐渐缩小。最后翅片表面积对增强换热的有效性也会逐渐下降。即翅片如果越高，那么其增加的面积就会对换热的“贡献”就越小。因此，有必要引入一个新的概念翅片效率。作为一个效率值来说，我们都知道它小于1，所以翅片效率也是小于1的，这样说明即使增加1倍翅片的散热面积，但是并不能增加1倍的散热量，往往都是要打一个“折扣”的，而这个“折扣”就是我们所说的翅片效率。通常情况下，翅片效率的数值不仅仅取决于翅片的形状、高度、厚度、材质，更重要地还是取决于管外换热系数，并且计算它比较复杂而且费时。通过计算可以发现，对翅片效率影响最大的是翅片高度，即翅片越高，那么翅片效率就会越低；另外，翅片材质的热传导性能也有一定的影响，比如铝的导热系数明显的高于碳钢，所以在其他条件都相同时，铝翅片相比钢翅片来说，它的翅片效率更高。一般情况下都是直接从资料中查取翅片效率。取翅片效率翅片的有效性是指在加装上翅片以后，以基管（光管）外表面为基准的换热系数到底增加了多少倍。经推导，有下列关系式：(5-16)此处，：以光管外表面积为基准的对流换热系数，它代表加装翅片以后的总效果；QUOTE：翅片外表面的对流换热系数；QUOTE，QUOTE，表示翅片间隙处的裸管面积，翅片面积和原光管面积。因为QUOTE<<QUOTE，故上式可简化为：(5-17)以基管外表面为基准的换热系数：(5-18)传热系数：(5-19)为小于1的系数，为了设计安全，一般情况可取0.8至0.9。主要考虑：管面的污垢和积灰是一项附加的热阻，可使总热阻增加，使换热系数有所下降。此外系数也考虑了管内热阻及管壁热阻的影响。一般，值可按下表5-1选取：表5-1值选用表管内为水时的单相对流时管外有积灰管外无积灰管内为水的相变时（沸腾和凝结）管外有积灰查表得，QUOTE。5.8传热平均温差传热温差指的是换热器中热流体和冷流体之间的温度差，即(5-20)因为沿换热面积或流程是变化的，并不是一个常数，因而传热公式中的指的是平均传热温差。在换热器设计中，总是希望传热温差越大越好。因为根据传热公式，在相同的传热量及传热系数的情况下，越大则需要的传热面积就越小，设备的金属耗量及一次投资就越小，使设备的经济性和紧凑性得以提高。在换热过程中有两种传热方式，即冷热流体逆流和冷热流体顺流，因为逆流换热效果较好，所以本换热器选用逆流形式。逆流时，图5-4逆流换热曲线由上图可见，在不同的传热面积上，冷热流体的温度是不同的。为了求出传热温差，需要计算量曲线之间的面积平均值。即QUOTE(5-21)对于本设备来说，被加热的水从翅片管束的下部流向上部，而热流体从前面流向后面，实际上是一种特殊的流动方式，被称为“逆向交叉流”。大多数翅片管换热器，都属于这种流动方式。而对于计算来说，虽有些许影响，但在以后计算换热面积时，选用较大面积安全系数就统一加以考虑了。所以在计算平均温差时依然用逆流公式计算。热流体：冷流体：QUOTE，QUOTE5.9传热面积(5-22)(5-23)5.10热管总根数和间隔单只管的传热面积：(5-24)管子总根数：(5-25)纵向管排数：(5-26)间隔：(5-27)图5-5纵向管子间隔5.11压力降阻力即压力降，由Robinson和Briggs对十多种环形翅片管束进行等温条件下的流动阻力测试得到经验公式：(5-28)式中，是纵向管排数，是摩擦系数，是一个无因次数。对于按等边三角形排列的管束，由下面的实验关联式计算：(5-29)由上式可见，影响翅片管束压力降的主要因素是：流速和管间距。流速QUOTE与的2－0.316=1.684次方成正比；而管间距几乎与QUOTE成反比。所以，为了降低阻力，可以选用较大管间距的换热管并且同时降低流体的流速。式中，，，，。代入摩擦系数公式得：，再将其代入压力降公式中，得。其中，N=4，则每排压力降为15.5Pa。

第六章热管元件设计本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。其制造流程如下图6-1所示：翅片管制备翅片管制备吸液芯制作及清洗管壳机械加工及清洗↓吸液芯制作及清洗管壳机械加工及清洗↓↓吸液芯插入管壳贴紧吸液芯插入管壳贴紧组装焊接↓组装焊接上下端盖加工及清洗→上下端盖加工及清洗真空检漏↓真空检漏真空除气↓真空除气工作液体预处理抽真空灌夜↓工作液体预处理抽真空灌夜←↓封口切割封口切割↓测试测试组装壳体加工↓组装壳体加工管板加工→←管板加工图6-1热管制造流程图6.1热管工作温度的选择热管工作温度是指在正常工作状态下热管蒸汽腔中蒸汽的温度。作为传热元件的热管能在-200到2000的温度内工作，在此温度范围内可有多种工质可供选择，而这些工质都有它自己工作的温度范围，该温度范围必须在所选工质的凝固点和临界点之间。由前可知:气体侧平均温度液体侧温度故热管的工作温度为:(6-1)6.2热管工质的选择热管是依靠壳体内工作流体（工质）的相变来传递热量的。因此工质的各种物理性能必然对于热管的工作特性也就具有重要的影响。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：(1)热管材质与工质间的相容性以及工质的热稳定性。因为工质与材质间万一发生不相容将会导致热管的性能变坏甚至失效。因此，在工作温度范围内要求工质必须具有良好的热稳定性，即分解反应、不发生化学反应和不发生变质，不产生凝结气体和沉淀物等。(2)工质的热物理性质。包括：①汽化潜热高；②导热系数大；③粘度低；④表面张力系数大；⑤润湿能力高；⑥沸点适当。(3)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，本次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，价格更便宜，但是应注意的是，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，使得热管中的氢气浓度不断升高，从而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。6.3热管材料的选择壳体材料首先应满足与工作液体的相容性要求，另外壳体材料还应满足在工作温度下的强度及刚度要求。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Q245(GB713)的碳素钢为管材,其在100条件下,热管最大允许工作压力为:(6-2)经查表得:水在100时的饱和蒸汽压为,即,故选用壁厚为0.0035m的碳素钢是合理的,在此状态下,热管工作是安全带的。6.4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：(1)流通长度比；(2)经济长度比；(3)安全长度比。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，此是流通长度比；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，此是经济长度比；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，此是安全长度比。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:(6-3)(2)经济长度比:(6-4)(3)安全长度比:(6-5)综上知:,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。6.5热管传热极限的影响热管虽然具有很强的传热能力，但热负荷也不可能无限制地加大,事实上热管的工作能力有许多因素制约着。也可以认为，许多的传热极限存在热管的传热过程中，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、流体黏度、毛细力、蒸汽压力、声速及冷凝等，另外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。若以热管的工作温度为分析依据，则可得到如图6-2所示的热管最大传热极限示意图。最大传热量粘性极限携带极限冷凝极限毛细极限声速极限冷冻启动极限连续流动极限操作极限T最大传热量粘性极限携带极限冷凝极限毛细极限声速极限冷冻启动极限连续流动极限操作极限T图6-2热管的传热极限由上图可知，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必须把各个因素都考虑进去，才能使热管发挥其最大功效。在本次设计中，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以及携带极限。第七章热管换热器结构设计7.1隔板密封所谓隔板密封是指冷、热气流通道的密封装置，由于热管换热器—般是由带翅片的热管组成的，当带翅片的热管穿过中央隔板时，翅片管与管板之间的密封便成了热管换热器的一个特殊结构。由于管子很多，管距一般比较小，且要便于拆卸，因此这种密封技术具有其特殊性，给设计带来一些困难。根据使用场合的不同，密封的要求也不相同。气、液以及不允许相混的气、气之间的密封属于严格要求的密封；一般用于废热回收的空气预热器则属于一般性密封。在考虑密封结构时，应同时考虑制造成本，所以对于一般性密封，可以采用较简易的结构，这样有利于提高工效和降低成本。热管本次设计采用单管板式密封结构，图7-1所示是一种单管板的密封结构,其允许热管双面均带有翅片[20]。热管隔板螺纹套环密封圈隔板螺纹套环密封圈图7-1单管板密封结构示意螺纹套环是它的关键部件，套环焊接在热管上。在热管换热器的隔板上面开有凹槽,上面放有密封圈。另外隔板上的通孔上需要加工有与套环相配合的螺纹。这样安装时可将热管旋入管板,当拧紧螺纹套环时,套环即可压紧密封圈,最终可达到理想的密封效果。而减轻套环的重量是将套环下部内孔扩大的目的。该单管板密封结构的主要特点是制造方便、结构简单以及利于传热。对热管来说，热管上的套环对它起到了很好的固定作用。而且只需配备一些简单的专用工具,即可方便地从换热器的顶部单独拆装任何一根需要更换的热管,因此这很适用于需要经常更换热管的场合。7.2翅片管的选择热管换热器所采用的管子一般均为标准尺寸的无缝管。长度则视实际需要而定，一般在1-6m的范围内，其外径尺寸通常为20-50mm。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作原料。采用有色金属作管材时主要是为了满足与工作液体相容性的要求。由于热管换热器在很多场合被用来回收烟气的余热，因而对于以水为工作液体的热管换热器，大多采用复合钢管。这是为了保证管子的强度、刚度以及抗腐蚀性能，所谓复合钢管一般指内部为铜管外部为钢管的复合管，铜管可保证满足和水相容的要求，铜管外面复合的钢管，可以保证管子的强度、刚度以及抗腐蚀的能力。ФDb×δ翅片管PФDb×δ翅片管PT基管图7-2翅片管示意图翅片管的表示方法：其中，：翅片管；：基管外径和厚度；：翅片外径，mm；P：翅片节距，mm；：翅片厚，mm；：基管材质；：翅片材质。对于本次设计来说，直接选取。该翅片管的基管外径为38mm，管壁厚3.5mm，翅片外径为70mm（即翅片高度为16mm），翅片节距为6mm，翅片厚度为1mm。材料采用Q235-B。7.3管箱设计管箱尺寸可以根据翅片管束来确定，这里只对管箱壁厚进行设计。为了安全起见采用极限计算法，即在管箱中假设所有管箱壁都承受最大压强。对于本次设计给定的参数来说，QUOTE。按《GB150-1998钢制压力容器》对称矩形截面容器来计算换热器管箱壁厚。方形容器应力分布如右图所示：图7-3方形容器应力分布短边侧板侧板点和点的薄膜应力按下式计算：(7-1)侧板点和点的弯曲应力分别按下式计算：(7-2)(7-3)应力校核：(7-4)(7-5)(7-6)长边侧板侧板QUOTE点和QUOTE点的薄膜应力按下式计算：(7-7)侧板QUOTE点和QUOTE点的弯曲应力分别按下式计算：(7-8)(7-9)应力校核：(7-10)(7-11)式中，QUOTE，QUOTE：短边，长边侧板厚，mm；：为板截面或板与加强件组合截面中性轴至该截面内表面的距离或截面中性轴至该截面外表面的距离，分别代入在内外表面的弯曲应力计算中，mm；：矩形容器短边内侧长度，mm；：矩形容器长边内侧长度，mm；：板截面的计算惯性矩，；：焊接接头系数；将数据代入上述公式中，得板厚为30mm，为了安全起见，所有管箱板厚度都采用30mm。上管箱采用整体式铸造，铸出法兰边后打孔。设计图如下：壁厚30mm壁厚30mm图7-4上管箱下管箱采用板材拼接形式，设计图如下：图7-5下管箱示意图图7-6下管箱的左示意图7.4螺栓法兰连接设计由于本此热管换热器的法兰不是标准法兰，所以要独立设计。螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题：一是保证连接处“紧密不漏”；二是法兰应具有足够的强度及刚度，不至于因受力而遭到破坏。实际应用中，螺栓法兰连接很少因强度不够而破坏，大多因密封性能不良而导致泄漏。因此密封设计是法兰连接中的重要环节。本次设计也只对密封性能进行设计。7.4.1垫片选择垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能。根据初始压力条件和介质类型，查垫片选用表可选择相应的垫片。7.4.2压紧面的选择压紧面主要应根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。本次换热器设计选择全平面式。7.4.3螺栓设计根据密封所需的压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺栓材料，计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸，最后检验螺栓间距。垫片压紧力：已知垫片材料的性能及垫片的计算密封宽度，就可计算出一定直径和压力下垫片所需的压紧力。预紧时需要的压紧力按下式计算：(7-12)其中，QUOTE：垫片有效密封宽度，；，则；QUOTE：垫片压紧力作用中心圆计算直径，；QUOTE：垫片压力比，常数。工作最小压力：(7-13)预紧状态下需要的最小螺栓载荷：(7-14)(7-15)预紧状态下螺栓所需载荷面积：(7-16)操作状态下：(7-17)根据螺栓直径公式：QUOTE(7-18)QUOTE(7-19)设QUOTE，则可得QUOTE图7-7方形法兰视图7.5隔板设计在管箱中间的部位要设置隔板，隔板起着两个主要作用：另一个作用就是起固定管束的作用；一个是将流经冷凝段和蒸发段的冷热流体相隔开来，防止其混合。因为翅片管束要穿过隔板，所以隔板上的孔的直径要大于等于翅片外径，而孔的分布则要和管束的排列方式一致。板厚可与管箱一致。考虑到折流板的固定问题，因此还要在隔板上开折流板槽，便于固定折流板。如下图所示：图7-8隔板示意图7.6管板与热管的连接由于本次设计给定的参数来说，QUOTE。因此为减小热管的振动和冲击力，在热管与管板的连接采用弹簧减震。弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外载荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。垫圈弹簧螺母垫圈垫圈弹簧螺母垫圈图7-9热管与下管板连接示意图7.7其他结构考虑到要充分利用热管换热面积，因此在上管箱中需要设置两道折流板，这样使液体能够与热管充分接触，目的是达到更好的换热效果。此外，为了防止液体过早的流出管箱，因此在液体的出口处应该再加一道折流板[21]。本次设计中