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1、烟气余热利用的热管式换热器设计过程装备与控制工程08150105孙学敏指导教师卢小平 教授摘摘 要要热管1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
2、，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：关键词：热管；热管换热器；结构参数；设计计算AbstractAbstractHeat pipe isahighly efficient heat transfer components, it isafast heat to spread from one point to another point ofthe device, consisting of the heat pipe components, the use of the principle of heat pipe heat exchanger for therma
3、lexchange called the heat pipe heat exchanger. Because of its simple structure, strong control, heat exchanger, highefficiency, power consumption, etc, and heat pipe heat exchangermore and more attention, isavery good prospect heattransfer equipment. At present, it is widely used in power, chemical,
4、 metallurgy, electric power, computers and otherfields. In this paper, the development of heat pipe heat exchanger status, trends,applications and design hadabriefdiscussion, focused on the design of heat pipe heat exchanger. Heat pipe heat exchanger in the discussion of the designprocess, mainly fo
5、r the thermal calculation, equipment, structural calculations, component selection of parameters madeareasonable construction and design combined with the actual situation of theairheat pipe heat exchanger preheating thebasic model.KeyKeyKeyKey words:words:words:words: Heat pipe; Heat pipeheat excha
6、nger; Structural parameters; Design calculation一一一一 绪论绪论绪论绪论 热管（如图 1-1（a）所示）是一种具有极高导热性能的新型传热元件，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。热管气 -气换热器 （如图 1-1(b)所示）是最能体现热管优越性的热管换热器产品，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，
7、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。图图 1-1(a)1-1(a) 热管的工作过程示意图热管的工作过程示意图图图 1-1(b)1-1(b) 气气- -气热管换热器气热管换热器 二二二二 热管的发展历程及科研现状热管的发展历程及科研现状热管的发展历程及科研现状热管的发展历程及科研现状 我国热管研究始于 1970 年左右2， 1981 年国内第一台试验性热管换热器运行成功， 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
8、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 寿命。 三三三三 热管换热器的设计计算方法热管换热器的设计计算方法热管换热器的设计计算方法热管换热器的设计计算方法 热管换热器设计计算的主
9、要任务在于求取透过系数 、换热系数 ，然后根据平均温差 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 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3是平均温差
10、法和传热单元数法，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。 四四四四 确定物性参数：确定物性参数：确定物性参数：确定物性参数： 烟气入口温度：1300tC= 烟气出口温度：1200tC= 烟气体积流量(标况)：3 150000/VNmh= 空气入口温度：220tC= 空气体积流量(标况)：3 249500/VNmh=五五五五 热管换热器工艺计算热管换热器工艺计算热管换热器工艺计算热管换热器工艺计算 （一
11、）计算总传热量（一）计算总传热量 Q Q1.1.烟气放出的热量烟气放出的热量1Q11010111()pQVCtt=， （5-1）2.2.冷空气实际获得热量为冷空气实际获得热量为 Q,Q,考虑到冷侧有考虑到冷侧有 5%5%热损失，故有热损失，故有120.95QQQ=21895.93KJSQ=( (二二) )求单根热管的热阻求单根热管的热阻R和对数平均温度和对数平均温度mT，确定单根热管的热通量，确定单根热管的热通量q q q q1 单根热管热阻：11122211ln211ln2oowiowiodRhdldd ldhd =+ +， （5-4）单根热管热阻计算结果：0.084R=2.对数平均温度：(
12、) ()12121212lnmtttt T tttt =， （5-5）对数平均温度计算结果：177.24mTC=3.单根管的传热量：mTqR=， （5-6）计算得到单根热管传热量：( )177.2421100.084qJ= ， （5-7）（三）求总热管数（三）求总热管数N1. 计算名义热管数量,并上浮 20%的裕量：( ) ( )31895.93 10881.521101.21057.8QNqJNJNN=， （5-8）2.排数：1057.831.113234Nmnm=， （5-9）热管排数：32m=（排）3. 热管总数：热管数量：32 341088Nmn=， （5-10）（四）工艺计算程序运行
13、结果（四）工艺计算程序运行结果图图 5-15-1 工艺计算程序运行结果工艺计算程序运行结果 六六六六 结论结论结论结论 热管式换热器在传热效能的优势体现如下： 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。 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。 对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化
14、、扩展受热面等形式解决换热 器的磨损和堵灰问题。 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。 本文，在设计计算过程中，应用计算机编程计算。设计计算过程采用计算机编程介入，使得 最终节约热管数目 6%。而且该程序使得设计过程更加方便。参考文献参考文献参考文献参考文献1 庄骏,张红.热管技术及其工程应用M.北京:化学工业出版社(第一版),2000:56.2 李永赞,胡明辅,李勇.热管技术的研究进展及其工程应用J.应用能源技术,2008,(6):4548.3 马永昌.热管技术的原理应用与发展A.2008 年中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文集C,2008.
