热管设计

d oY (1 f ) Y

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 o (2 Hd f Y ) s1
1 2 0.614
3
3.传热计算
1） 管束的换热计算 （1）烟气的物性参数及放热量 根据烟气的平均温度 tm1 查取文献[5]，得到烟气的热物性参数如下： 密度： 1 0.571 kg m 3 比热： c p1 1136.5 J ( kg ℃) 导热系数： 1 0.0527 W ( m ℃) 粘度： 1 2.995 10 5 kg ( m s )
u2 d o 2
1
14219 ， Re 2
2
27038
Pr1
c p11
1
0.6459 ， Pr2
c p 2 2
2
0.6845
Nu1 83.92 ， Nu2 135.73
1 =Nu1
百度文库1
do
73.71 w (m 2 ℃) ， 2 =Nu2
NT
B 14 支 S1
（4）元件加热段外光管面积 Fo ,e
Fo ,e d ole 0.343m2
3） 热管元件的翅化比即换热器气流阻断系数 翅化比 ：
2 (d 2) 2 (d o 2) 2 df f f 1 2 9.33
1 rf (d f f ) 0.0575 ， A f (rf ro ) 2
( H f )2 3 (
1 2
12 ) f A
1 0.4870 ， 2 0.5148
rf ro 1.9167
查询参考文献[3]附录 J 环形翅片效率曲线图得到： f 1 f 2 0.80 翅片总效率
2

选择空气侧迎风速度： u02 5.2m s 烟气侧迎风面积： A01
1 m 3.2837 m 2 u01 2 m 3.3034m 2 u02
空气侧迎风面积： A02
为保证气流的均匀性， 希望没侧迎风截面大体上构成正方向或接近正方形。 取换热器的 宽度 B=2m，则 排气侧高： le A01 B 1.642m 空气侧高： lc A02 B 1.652m 中间隔板厚 ： la 30mm 预留安装段： ls 35mm （上下各留 ls ） 热管元件总长度： l le lc la 2ls 3.394m （3）第一排热管数 NT
1c p1 (t1 t1 ) 4.0403 10 W 烟气放热量： Q1 m
6
（2）空气侧温升及热物性参数 取散热损失系数： 0 2.5% 空气吸热量： Q2 (1 0 )Q1 3.9393 10 W
6
选取一个温度值并差得其物性参数， 根据烟气的放热量乘以修正系数后与空气吸收的热
（3）单支热管总热阻 Rt 即热阻成分 ri 总热阻 Rt
R
j 1
9
j
0.0145℃ w
热阻成分 rj
Rj Rt r2 0.0204
；
r1 0.4634 r9 0.3711
； 。
r3 r4 0.0368
；
r5 0
；
r6 r7 0.0512
；
r8 0.0203
三、设计内容及步骤
1.原始数据
1） 烟气：
545℃ ，出口温度： t1 150℃ 进口温度： t1 1 9 kg s ，初始压力： p1 1.18 kgf cm 2 流量： m
1
2） 空气：
27℃ 进口温度： t2 2 14 kg s ，初始压力： p2 1.54 kgf cm 2 流量： m
1 m 12.43 m s 1le B(1 2 ) 2 m 13.55 m s 2lc B (1 2 )
空气侧： u2
（5）换热系数的计算 采用 Driggs 公式
4
Nu f 0.137 Re f 0.718 Pr1 3 (
Re1 u1d o 1
Y 0.296 ) H
2
do
82.34 w ( m 2 ℃)
2）热管元件的热阻计算 （1）翅片效率 f 和翅化表面总效率 0 翅片效率： f f ( , rf r0 ) 热管工作温度估计值： tv (tm1 tm 2 ) 2 256.4℃ ，管壁温度 t p 与蒸汽温度 tv 接近， 以 tv 查低碳钢导热系数 f 47 w ( m ℃) 。
R5 0
取 c 5000 w ( m 2 ℃)
R6 R7
1 7.41 104 ℃ w c di lc
R8
取 c 1
1 2 pc lc
ln(d o di ) 2.9338 104 ℃ w
R9
1
2 co,c c dolc
0.0054℃ w
热管换热器设计
目录
一、 设计任务- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 二、 问题分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 三、 设计内容及步骤- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1.原始数据- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1 2.结构计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -2 3.传热计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4 4.流阻计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -7 5.安全性校核- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 四、 设计评价与改进措施- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -9 五、 参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 六、 心得体会- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10
2.结构计算
1）热管元件的基本选择 （1）热管型式： 选择热管种类。工程中烟气余热回收大多使用重力热管，故此处也选择重力热管。
t1) 2 347.5℃，而水的工 选择工质种类。查文献[1]，由于烟气的平均温度 tm1 (t1
作温度为 30-70℃，导热姆 A 的工作温度为 147-347℃，汞的工作温度为 247-647℃，故不 能用水或导热姆 A 作为热管的工质，而应该选汞。 选择热管材料。查文献[4]，由于不锈钢与汞能浸润并相容，故可选不锈钢作为管壁材 料。在汞中加少量镁和钛分别作为吸气剂和防腐剂，能够清洁表面。 （2）热管的几何尺寸 基管外直径： d o 60mm 壁厚： w 4mm 翅片形式：环形平翅片 翅片外径： d f 110mm 翅片高度： H 25mm 翅片厚度： f 5mm 翅片间距： Y 9mm 翅片管为 20 号无缝钢管绕制高频焊翅片，翅片材料为 10 号钢。热、冷流体侧的翅片几 何结构相同。 2）换热器基本结构 （1）管束的排列方式 选用正三角形错排方式布管： 横向节距: s1 1.3d f 143mm 纵向节距： s2 123.8mm 吹灰直径： d1 20mm ，每 3 排留一吹灰通道。 （2）迎风面积即热管长度 选择烟气侧迎风速度： u01 4.8 m s
5
R1
1
1 eo,e e dole
6.7 103 ℃ w
取 pe f
R2
1 2 pele
ln(d o di ) 2.95 104 ℃ w
因重力热管无吸液芯，取 e 7000 w ( m 2 ℃)
R3 R4
1 5.32 104 ℃ w e di le
一、设计任务
利用烟气预热空气，完成换热器的设计，提交说明书，画出设计总图和部件图。技术要 求如下： 烟气：进口温度 545℃，出口温度 150℃，压力 1.18 kgf cm 2 ，流量 9 kg s 空气：进口温度 27℃，压力 1.54 kgf cm 2 ，流量 14 kg s
二、问题分析
设计任务所给的流体是烟气和空气， 于是首先可以排除间壁式中的喷淋式换热器和蒸发 冷却器。同时由于两者不能混合，且烟气具有一定的腐蚀性与灰尘，所以排除混合式、蓄热 式及板式换热器。两种流体的流量均比较大，而压力不是很大，选择套管式和微型换热器是 不合理的。烟气进出口温差近 400℃，故应选择传热系数大的换热器，于是排除沉浸式。烟 气的平均温度较高，故不应选择板翅式换热器。还剩下管壳式、管翅式和热管换热器，由于 我对热管这个相对比较新型的高效换热器比较感兴趣，于是便选择了热管换热器。 热管是一种依靠管内工质的蒸发、凝 结和循环流动而传递热量的部件。热管型 式可分为吸液芯热管、两相热虹吸管和旋 转热管。工程中烟气预热空气大多使用两 相闭式热虹吸管（也叫重力热管） ，其工作 原理图如图 1 所示。管子为真空密封，当 管子的下端被高温流体加热时，下端的液 体蒸发并以高速向上部移动，在与温度较 低的上端管壁接触后，冷凝成液体，然后 在重力作用下沿管内壁流回下端蒸发段， 从而完成高低温流体的换热循环。热管换 热器传热效率高，管内没有运动部件，运 行可靠。热管外表面常加翅片，单位体积 的换热面积大，结构紧凑，通道简单，管 外流动压力损失小，是个不错的选择。 图 1 两相闭式热虹吸管及工作原理图
303℃ 。 量相等，利用计算机进行迭代，算出最终空气比较准确的出口温度为： t1
空气的定性温度： tm 2 (t2 t2 ) / 2 165℃ 根据空气的定性温度，查取文献[5]得到空气的热物性参数： 密度： 2 0.815 kg m 3 比热： c p 2 1017 J ( kg ℃) 导热系数： 2 0.0364 W ( m ℃) 粘度： 2 2.45 10 5 kg ( m s ) （4）最窄截面流速 烟气侧： u1
；
3）传热温差 （1）两端温差，换热器为逆流流型：
t1 t1 t2 241.3℃
6
t2 t1 t2 123℃
tmax t 1 241.3℃
（2）对数平均温差
tlm
t2 t1 175.6℃ ln( t2 t1 )
4） 传热系数 K 及传热量 QS , Qs ,max 计算传热系数以加热段外光管面积 Fo ,e 为基准
0
[(d f 2 d r 2 ) 2d f f ] f Y 2d r (1 f Y ) [(d f 2 d r 2 ) 2d r f ] / Y 2d r (1 f Y )
o ,e o ,c 0.78
式中， d r 为翅根直径，在此即为 d o （2）单支热管分热阻计算 取 e 0.9