热管式空气预热器的调研--本科生毕业设计

毕业设计调研报告

所属学院：能动学院

学生班级：热能1201 姓名：梁辰

学号： 3120202014 指导老师：吴鸽平

2016年6月

热管式空气预热器的调研

摘要：热管是一种新型的传热元件，以内部工质相变实现热量传递，传热效率较高，由其组成的换热器具有换热能力强、管壁温度便于调节等特点。热管空气预热器应用于锅炉，节能经济效益相当显著。近些年，由于热管技术的不断完善，热管式空气预热器在电站锅炉上得到了更多的应用。本文从热管式空气预热器的应用现状、特点等方面对其进行调研，以期设计出满足实际使用要求的高效热管式空气预热器。

关键词：空气预热器原理特点现状设计

1.现状

热管是一种新型高效的传热元件，在60年代首先被应用于宇航技术中，70年代国外又在电子、机械、石油、化工等方面有了广泛的应用。近几年，由于能源短缺，用热管组成换热器进行热能回收的工作得到了迅速的发展。

热管空气预热器是一种新型的节能设备，它利用烟气的废热来加热进炉的空气，对于提高炉子的热效率，节省燃料具有重要的作用。它与钢管预热器、回转式预热器等其他类型的预热器相比，具有体积小、质量轻、效率高的特点，它的运行成功，受到了各方面广泛的重视。

2.工作原理

图1 热管结构示意图

图1为典型的热管示意图，它是一个封闭的管壳或壳体，形状可以是各式各样的，其内表面镶套着多孔毛细吸液芯，吸液芯浸满液相工质，热管的其余空间则容纳着汽相工质。外热源在蒸发段把热量加进去，使该段的工质蒸发。由此造成的压差把蒸汽从蒸发段驱送到冷凝段，在这里蒸汽进行凝结，井把汽化潜热释放出来，蒸发消耗了液相工质，而毛细压力把凝结下来的液相工质又送回到蒸发段，重新进行蒸发。这样，热管连续不断地把汽化潜热从蒸发段传送到冷凝段，

而不烧干吸液芯。只要工质流动的通道不被阻塞，并维持住足够大的毛细压力，这个过程就将继续进行下去。

3.热管的结构与类型

3.1 热管的结构

典型的热管包括壳体、工质和吸液芯三部分。

(a)壳体

壳体的作用是把工质与外界隔开，因此要防漏、耐压，并能向上质传热以及把工质的热量传出。对壳体的要求主要是：

1)与工质有良好的化学相容性，以避免产生不凝结气体和腐蚀，影响热管

的传热性能。

2)导热系数高。

3)承压性能好，机械强度高，易于机械加工。

4)与工质有良好的浸润性。

除上述要求外，价廉也是一个重要条件。实用上多采用碳钢、不锈钢、铜、铝、镍等材料，也可采用玻璃、陶瓷等非金属材料。壳体的形状和长度则视需要而定。

(b)工质

工质是热管中携带热能的工作物质。它应满足以下要求：

1)在要求的工作范围内能产生相变，并具有合适的饱和压力。

2)化学性能稳定，并与壳体和吸液芯有良好的化学相容性。

3)能浸润壳体与吸液芯。

4)高导热系数、高汽化潜热和高密度。

5)低粘度和高表面张力。

(c)吸液芯

吸液芯的作用是产生毛细力。吸液芯的材料可以与壳体相同，也可以不同。

对吸液芯的要求是：

1)与工质和壳体有良好的化学相容性。

2)导热性能好。

3)与工质有优良的浸润性。

4)易于加工，能与内壁很好的吻合。

基于以上这些要求，已经研制出许多类型的吸液芯结构，如图2所示。所用的材料为不锈钢、镍、铜及铝，并加工成具有一定尺寸范围的毛细孔。

图2 热管吸液芯的各种断面形状

3.2 热管的类型

热管种类繁多，通常按工作温度、工质回流方式和热管形状不同进行分类。

（a）按工作温度分类

按工作温度，热管可分为以下五类：

1)极低温热管，工作温度低于-200℃；

2)低温热管，工作温度为-200℃～50℃；

3)常温热管，工作温度为50℃～250℃；

4)中温热管，工作温度为250℃～600℃；

5)高温热管，工作温度高于600℃。

（b）按工质回流原理分类

按工质回流原理，热管可分以下几类：

1)管内装有吸液芯的热管

吸液芯是具有微孔的毛细材料，如丝网，纤维材料、金属烧结材料和槽道等。它既可以用无重力场的空间，也可以用在地面上。在地面重力场中，它既可以水平传热，又可以垂直传热，传热的距离取决于毛细力的大小。

2)热虹吸管，又称重力热管

它是依靠液体自身的重力使工质回流的。这种热管制作方便，结构简单，工作可靠，价格便宜。但它只能用于重力场中，且只能自下向上传热。

3)旋转热管

热管绕自身轴线旋转，热管内腔呈锥形，加热段设在锥形腔的大头，冷却段设在锥形腔的小头。在冷却段被凝结的工质依靠离心力的分力同流到加热段，其工作原理如图3所示。

图3 旋转热管原理图

（c）按热管形状分类

按热管形状可以分为管形、板形，室形，L形、可弯曲形等如图4所示。此外还有径向热管和分离型热管。

图4 热管形状分类

a)管装热管b)室状热管c)板状热管d)径向热管

e)L型热管f)可弯曲热管

径向热管的内外层分别为加热段和冷却段，热量即可沿径向导出，也可以由径向导入。

分离型热管是将冷却段和加热段分开，如图5所示。工质在加热段蒸发产生的蒸汽汇集在上联箱中，经蒸汽导管送至冷却凝结段，在冷却段放出热量凝结成液体，再通过液导管（下降管）回流到加热段。

图5 分离型热管原理图

4.热管式的空气预热器的应用

热管空气预热器是常见的气一气式换热器，如图6所示。它利用工业炉窑或锅炉的排烟余热预热进入炉子的助燃空气，不仅提高了炉子的热效率还减轻了对环境的污染。由于气一气式换热器两侧的放热系数都很小，为了强化传热，通常两侧都加装肋片。典型的热管空气预热器，其外形一般为长方体，主要部件为热管管束、外壳和隔板。热管的蒸发段和凝结段被隔板隔开。隔板，外壳和热管管束组成了冷、热流体的流道。隔板对热管管束起部分支撑作用，其主要功能是密封流道，以防止两种流体的相互渗透。热的肋化系数一般为5～30。为防止烟气积尘堵塞，烟气侧肋片间距较大；在空气侧，气流较清洁，为获得较高的肋化系数，肋片间距可取小些。热管管束一般为错列布置，如图7所示。这样可使放热系数提高。热管管束安装位置有水平、倾斜和垂直三种。重力热管问世以后，已广泛用于空气预热器，但热管必须倾斜或垂直布置，且下部只能为加热段。

热管空气预热器与一般空气预热器相比，因为气体两侧都可以方便地实现肋化，因此大大强化了传热过程。其次可将传统的烟气-空气的交叉流型改为纯逆流型，提高了传热的对数平均温压。另外还可把一侧气体的管内流动改为外掠绕流，约可使该侧的平均放热系数提高30%。基于以上几个原因，热管空气预热器的传热系数比普通管壳式空气预热器高得多。