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。

图6 热管空气预热器
图7 肋片管束排列方式
在实际生产中，热管空气预热器如图8所示，其每支热管都是独立的传热元件，拆卸方便，允许自由膨胀，寿命在10年以上。

热管采取垂直放置形式，烟气和空气反向水平流动形成气—气换热。

此热管换热器可将锅炉进风温度提高到150o C以上，使炉膛内燃料充分燃烧，炉膛内温度大幅度提高，燃料使用量相应减少，锅炉热效率提高7%以上，节能经济效益相当显著。

图8 热管空气预热器
5. 热管式空气预热器的设计内容及步骤
（a ）热管参数的选定
热管参数一般由制造厂家提供。

当自行设计制造时，应由设计者提供。

热管参数包括：热管内、外径，热管全长，肋片的高度、厚度和间距，壳体材料，工质名称和性能等。

（b ）烟气和空气进、出口参数的确定
由热平衡方程求出烟气出口或空气出口的温度以及热管空气预热器的总传热量。

（c ） 预热器热管列数的确定
确定烟气侧和空气侧的迎风面积
1)通常已知预热器最窄截面上的流速v （取2～4Nm/s 为宜），则迎风面上流速/v 为
/(1)f v v v F
ϕ==- （1） 式中，f ——预热器最窄截面面积(2m )；
F ——预热器迎风面积(2m )；
ϕ——阻断系数。

而阻断系数ϕ为
F f F
ϕ-= 即 0
11()d D d b s δϕ+-=
（2） 式中，d ——热管的光管外径（m ）；
D ——热管的肋片外径（m ）；
b ——肋片间距（m ）；
0δ——肋片厚度（m ）
； 1s ——热管的横向中心距（m ）。

因而烟气侧和空气侧的迎风面积分别为
f f /f =
3600L F v
（3）
和 a a /a
=3600L F v （4） 式中，f a F F ，——烟气侧、空气侧的迎风面积（2m ）；
/f a v v ，——烟气侧、空气侧的迎风面上流速（Nm/s ）
； f a L L ，——烟气，空气的流量（3Nm /h ）。

2)确定预热器高度和蒸发段（或凝结段）的长度
根据选定的热管长度l ，则预热器的高度为
f a F F H l += （5） 式中，H ——预热器的高度（m ）；
l ——热管长度（m ）。

则蒸发段和凝结段热管的长度分别为
f f F L H =
（6） 和 a a F L H = （7） 式中，f a L L ，——蒸发段、凝结段热管的长度（m ）。

3)确定热管预热器热管的列数
根据选定的热管横向中心距1s ，可求出预热器热管的列数为
11
=
H Z s （8） 式中，1Z ——预热器热管的列数。

（d ）预热器热管排数的确定
1)求烟气侧和空气侧热管外的对流放热系数
根据烟气侧和空气侧的雷诺数选用合适的公式进行计算，并将计算所得的放热系数换算成以光管外表面积为核算面积的放热系数。

2)确定蒸发段和凝结段的传热系数
蒸发段的传热系数可用下式计算：
e f 0f f
11r r r K α=+++ （9） 式中，f K ——蒸发段的传热系数（kW/2m K ）；
f α——蒸发段上以光管外表面为核算面积的放热系数（kW/2m K ）
； e r ——热管内工质的蒸发热阻（2m K /kW ）
； f r ——热管肋片接触热阻（2m K /kW ）
； 0r ——热管的污垢热阻（2m K /kW ）。

一般情况下，可取e r = 0.258；f r =0.258；0r =0.172-0.258。

凝结段的传热系数可用下式汁算：
c f 0a a 11r r r K α=+++
（10） 式中，a K ——凝结段的传热系数（kW/2m K ）；
a α——凝结段上以光管外表面为核算面积的放热系数（kW/2m K ）
； c r ——热管内工质的冷凝热阻（2m K /kW ）。

一般情况下，可取c r =0.215，f r 和c r 同上。

3)确定预热器热管的排数
如果设计的热管预热器当采用逆流布置时，可用相应的公式进行计算；当采用顺流布置时，可用剩下的公式进行计算。

从而确定预热器热管的排数2Z 。

最后确定预热器热管的数目Z 为
12Z Z Z = （11） （e ）校核计算
如果计算所得预热器的排数2Z 不足整数，则应取整数并重新计算P 和Q ，最后校核得出烟气和空气的实际出口温度为
f2f1f Q t t U =-
（12） b 2a 1
a Q t t U =- （13） 然后可校核出热管内工质的最高和最低温度为
f f 1h
a 2b1f a S t S t t S S +=+ （14）
本科生毕业设计调研报告
f f 2h a 1h2f a S t S t t S S +=
+
（15） 热管空气预热器的换热效率为 a2a1f1a2
t t t t η-=
- （16）
参考文献
1. 靳明聪、陈远国编著，热管及热管换热器，重庆：重庆大学出版社，1986
2. 周强泰、黄素逸台编，锅炉与热交换器传热强化，北京：水利电力出版社，1991
3. 同济大学等编，燃气燃烧与应用，北京：中国建筑工业出版社，1988。