两相流分离式热管的设计

两相流分离式热管的设计

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：

2.1 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0℃ (1个大气压下)，临界点为374.15℃。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。

表2.1 几种常用工质的工作温度范围

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（550~700K ）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℃，选择水作为系统内的循环工质。

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 195.0 239.7 405.3 115 210---340 氟利昂21

138.2 262.1 451.7 52 170---400 水 273.2 373.2 647.4 224.4 303---500 乙醇 155.9

351.7

513.1

80

283---410

2.2 蒸发器的设计

2.2.1 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 o =20mm ； 壁厚 δw=5mm ； 翅片形式：环形平翅片；

翅片外径 d f =40mm ； 翅片高度 H=10mm ； 翅片厚度 δf =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

mm d s f 483.11==

纵向节距 mm s s 41.62

3

12==

（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0u

（m/s ）。热管换热

器设计应遵循一条重要的原则，即把迎面风速（标况）限制在2~3m/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

s m u /301= 排烟侧侧迎风面积 201

01

01742.03600m u V A ==

烟道宽度 2o186.0A B m ==

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 e =0.8B=0.68m; (3)第一排管子数 N T =B/s 1=14 排数 27排 总管数 365根

（4）元件加热段外光管面积F e o,

20,04324.0m l d F e e o ==π 3）热管的翅化比及换热器气流阻断系数

翅化比： 7.13}/-1(]}/d ])2/(-)2/[(2{o 221=++=Y Y d d d f o f o f δδβ

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：

521.0)

/2(1

01=+=s Y H d t δϕ

2.2.2 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 '

'1=190℃(考虑了当炉子在低负荷下运行时，排气温度降低引起t ''1向下波动应留的安全裕量）。

排气平均温度 2)/(t '''1t t m +==245℃

以t 1m 为定性温度插曲烟气的热物性参数 密度 31/6571.0m kg =ρ 比热 ℃）∙=kg kJ c p /(11.11 导热系数 ℃）⋅=m W /(44040.01λ 粘度 )(10635.251s m kg ⋅⨯=-μ 排气在标准状况下的密度 1o ρ=1.295kg/m 3

排气热量

W t t c V Q p 4K .3513600/)(''1'1101011=-=ρ 烟气侧最窄截面流速 s m B l V e /28.19)

1(3600

/2101012=-=

ϕρρμ

（4）换热系数计算 采用Briggs 公式

296

.03

/1718.0Pr Re

1378.0⎪

⎭

⎫ ⎝⎛=H Y Nu f

f

9617Re 1

1

011==

μρd u

6637.0Pr 1

1

11==

λμp c

87.1061=Nu

℃）⋅==20

1

1

1/(43.235m W d Nu λα

2）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 )/,(0'r r f f f εη=

设定热管工作温度t v 为180℃，管壁温度t p 与蒸汽温度t v 接近，以t v 查低碳钢导热系数 λv =49.8W/(m·℃)

，5

.02/3)()21(A

H f f λαδζ+=

，)(0'r r A f f -=δ 3844.01=ζ

mm d r f f f 5.22)(2

1

'=+=δ

04.2/0'=r r f