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1、分离式热管计算书两相流分离式热管系统的设计包括工质的选择、蒸发器设计、冷凝器设计、 溶液泵的选型以及连接管路的设计。本文设计的系统应用于回收小型锅炉排气余热，对入炉助燃空气进行预热 . 原始数据有：工质的选择确定热管工质需要考虑很多的因素,其中最重要的是温度因素。任何一种工质都有它自己可以工作的温度范围,其下限是工质的凝固点,上限 是热力学临界点。应避免接近凝固点及临界点附近工作。因为近于凝固点时，工 质的饱和蒸汽压力及密度均很低，蒸汽流动速度大,造成大的蒸汽压降,或出现粘 性限、声速限及携带限,一般使最低工作温度下的饱和蒸汽压不低于 0。1大气压. 相反，在接近临界点时，工质的品质因数将大大
2、下降，又因出现过高压力，对可 靠性及管壳强度均有更高要求。工业上常常应用水为热管的工质，对于水，凝固点为0C （1个大气压下）， 临界点为374。15C.但实际上，工质工作的合适的温度范围要小得多，主要考虑 的是，在热管的工作温度范围内，工质要具有合适的压力。压力值的上限受管壳 强度的限制.几种常用工质的工作温度范围工质熔点（K）沸点（K）临界温度（K）临界压力（公斤/厘米2）工作温度范 围（K）氨195.0239.7405.3115210-340氟利昂21138.2262。1451。752170-400水273.2373。2647。4224。4303500乙醇155。9351。7513.18
3、0283410工业排烟一般都为中高温范围的烟气，高温条件下热管系统只能选取金属作 为工质.中温范围（550700K）最难选，比如汞虽然可适用于中温范围，但有毒, 制造麻烦，而且长期相容性问题还无肯定结论。本文设计热管工作温度为180 C，选择水作为系统内的循环工质.蒸发器的设计结构计算1）热管元件的基本选择（1）热管形式：碳钢一水两相流分离式热管，加缓蚀剂2）热管的几何尺寸基管外直径d =20mm； o壁厚5 w=5mm；翅片形式：环形平翅片;翅片外径d =40mm； f翅片高度H=10mm；翅片厚度5 f =5mm;翅片间距Y=20mm.选择套片管形式的圆形翅片管，翅片选 10 号钢。管孔按
4、一定规律冲压的整 张翅片（铝片或铜片）套装在传热管束上 ,并经胀管后使其接触良好，即形成套 片管传热元件.这种胀管的质量较好,传热管变形均匀，接触热阻小，还可省去液 压胀管后的清洗和干燥工序。它适合于大批量生产，而且组装灵活 ,可以使用铝 翅片，自重较轻，故应用日益广泛。2）换热器的基本结构（1）管束的排列方式 由于有引风机，本设计选用正三角形错排方式布管。 选用正三角形错列方式布管:横向节距s = 1.3d = 48mm1f3纵向节距s = s = 41.6mm2 2 1（2）迎风面积及热管长度流体在标准状态下通过换热器正面的流速称为迎面流速u0 （m/s）。热管换热 器设计应遵循一条重要的
5、原则，即把迎面风速（标况）限制在23m/s的范围内, 风速过高会导致压力降过大而动力消耗增加 ,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。排烟侧迎风速度U01 二 3m/s排烟侧侧迎风面积VA =01=0.742m 2013600u01烟道宽度 B二:A 二0.86m 2* o1单根管长度(在烟道宽度这种保留 20%裕量以满足安装要求)l =0.8B=0.68m ；e(3) 第一排管子数N =B/s =14T1排数 27 排总管数 365 根(4) 元件加热段外光管面积Fo,eF 二兀d l 二 0.04324m2 o ,e0 e3)热管的翅化比及换热器气流阻断系数翅
6、化比：卩二2(d /2)2-(d /2)2 + d 6 /d Y + (1- 5 /Y二 7.131foo fof由热管和管上翅片遮盖的通风面积占迎风面积的比例可用气流阻断系数表示：d + (2H6 / Y) cs9 -0t 0.5211s1传热计算( 1)排气侧热物性参数及放热量选取换热器出口的排气温度t”=190C (考虑了当炉子在低负荷下运行时，排1气温度降低引起t”向下波动应留的安全裕量)。1排气平均温度t (t +1)/2 =245 Cm1以 t 为定性温度插曲烟气的热物性参数 m1密度p 0.6571kg / m 31比热c 1.11kJ /(kg C) p1导热系数九 1 0.0
7、4404W /(m-C)粘度卩2.635 x 10-5 kg (m - s)1排气在标准状况下的密度p =1。295kg/m3o1排气热量Q =p V c (t -1)/3600 = 351.4KW1 01 01 p1 1 1烟气侧最窄截面流速p V / 3600Li roi 01= 19.28m/ s2 p l B (l-Q )1e 2(4)换热系数计算采用 Briggs 公式(Y、0.296Nu 0.1378 Reo.718 Pr1/3 一ff(H 丿u d pRe1 96171 o 1 i1ciPr p-1 0.66371 九1Nu 106.871a Nu 235.43W /(m2 C)
8、1 1d02)热管元件的热阻计算(1)翅片效率和翅化表面总效率翅片效率n f(6 r / r )ff 0设定热管工作温度t为180C,管壁温度t与蒸汽温度t接近，以t查低碳vpvv钢导热系数入=49。8W/ (mC)v1a“ (H + 25f)3/2(门)0.5(r -r )，f0:0.38441r = (d +5 ) = 22.5mmf 2 f fr /r = 2.04f0查附录J效率曲线图得： 耳-0.87f1翅片总效率n0(d2 -d2) + 2d 5 山 / Y + 2d (15 / Y)n = frf f fffo(d2 -d2)+ 2d 5 /Y + 2d (1 -5 /Y)fr2
9、 fffn = 0.7662 o,e式中，d为翅根直径，在此即为d。 r0(2)单只热管分热阻计算外对流热阻R = 0.03945 C/W1 a B n Kd l1 e o ,e 0 e管壁热阻1R =ln(d / d ) = 0.002372 C/W2 2兀九l0 ie内沸腾热阻 设定管内两相流的平均蒸汽含量为 0.2，总质量流量为 1.24Kg/s。平均流速3 m=gml/P s =0.79m/s雷诺数(Re) v-l = P v-Lm 3 m dl/ 口 vm =23014(Nu) ca =(Re) v0.-8l (Pr) 0v.m4 =76 。 43Martinelli 无因次参数(1
10、- X)/X0-9(卩 /卩)0.1( p /p )0.5X ll =l vv l=0.4126沸腾准则数 Bo0.4=q/ (rgml ) 0.4 =7.834*10-4q0.4故得Bo -0.4 (Nu) pr/ (Nu)ca= exp2.35-0.266lnXll-0.0255(lnXll)2=203。 46(Nu)pr =10。97(Nu) ca Bo-0-4a 二 2516 W/ (m2. C) e二 0.004594 C/W污垢热阻取R二0.000086oC/W4单根管总热阻RtR = R =0.09064 C/W tjj=13）传热温差 取换热武器为逆流流型At = t -1 =
11、 10 C112At =t -t =120C212At= At =120Cmax 2对数平均温差=108.4 CAt - AtAt =211mAtIn 2At14）传热系数 K 和传热量 Q s计算传热系数以加热段外光管面积 F 为基准 o,eo,e1RFt o ,e=49.44 W/ (m2 C)单管平均传热量Q = K F At= 1195.8 Wso ,e o ,e max热管空气预热器的总传热量 Q tQ = K N F At = 352.3 KW to ,e j o ,e lm蒸发器外侧流阻计算AP 二, N/m 2f nG2smax2 p-0.927r二 37.86(d -0max
12、 J-0.316()0.515s3Gp Vo o36001 B(1-申),kg/(m2 - s)式中，l为流通计算高度，对热流体1 = 1 =0。68m e计算给出:G m ax =10。 13kg/(m 2s)，fs 二 。995AP 二 2099N/m 2引风机功率增量P -APV poo（取电动机效率耳-0.9）1000 X 3600nPP=6。7KW蒸发器各项参数部件部件参数型式碳钢一水，加缓蚀剂基管外径20mm壁厚5 mm翅片型式套片管形式的圆形翅片管，材料为10号钢翅片外径40mm翅片高度10mm翅片厚度5 mm翅片间距20mm管束排列方式正三角形错列横向节距48mm纵向节距41.
13、6mmmax热管长度0.68m第一排管数14总排数27总管子数365总换热量352.3KW引风机功率增量6.7KW冷凝器的设计由于冷凝器与蒸发器计算步骤类似，因此本设计省略其冷凝器设计步骤，JZy 厶十、/人、匕p 口口、口、1、1 后$ 厶厶 F 一厶 Q 斗4*汀一p 士* r r U-r将关于冷凝器设计计算的各有关参数列于表 2.2 中。冷凝器器各项参数部件部件参数型式碳钢一水，加缓蚀剂基管外径25 mm壁厚4mm翅片型式套片管形式的圆形翅片管，材料为10号钢翅片外径53mm翅片高度14mm翅片厚度5 mm翅片间距6mm管束排列方式正三角形错列横向节距58mm纵向节距50mm热管长度0。69m第一排管数10总排数22总管子数231空气进口温度20 C空气出口温度170 C总换热量348.7KW5。5KW引风机功率增量连接管路的
