35t／h 鍋爐熱管回收排煙余熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【含11張CAD圖紙+文檔全套】

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China’s reform and opening-up policy has made great progress in many fields in the past 30 years, by the same time our demand for energy has grown up. Heat energy occupied the most percentage of the energy we used. Most of heat was made by the combustion of fossil fuels, this process will produce greenhouse gases, and it will influence our environment. At the beginning of the 21th, Chinese government advocate for low-carbon environment, it is not a good idea for blindly burning large amounts of fossil fuels to meet our demand for heat energy. We need to increase the efficiency of thermal energy, make full use of heat by quality. So that we can get enough energy by the same time we need less fossil fuels. My design targets on the recovery of boil waste heat, through the heat pipe heat exchanger to reduce the small boiler flue gas temperature. As a new technology, Heat Pipe was widely acknowledged by engineers in many fields, and take great importance on this technology. Heat pipe can be used in aerospace, atomic reactors, electronics, appliances, motors, solar energy, light industry, chemical industry and other fields. The concept of the heat pipe was firstly proposed by Los Alamos Scientific Laboratory in America. It was widely discovered and used since we proposed the concept. Especially in the society of China, we call for energy conservation. Heat pipe technology was widely used in industry such as industrial boilers, kilns. I designed a gravity Heat Pipe, and I have carried out a check for the resistance of heat transfer and the amount of heat transfer together with the allowable stress. It meets well to the design requirments. The design is divided into five chapters, The first and second chapter introduces heat exchanger types and applications, followed chapters introduces the heat pipe exchanger design and use. Key words Waste heat recovery heat exchanger Heat pipe Heat pipe design 目 錄 第一章 換熱器 1 1.1 換熱器的分類 1 1.2 冷水塔 1 1.3 回轉(zhuǎn)型蓄熱式熱交換器 2 第二章 熱管 4 2.1 熱管的結(jié)構(gòu) 4 2.1.1 管殼 5 2.2.2 吸液芯 5 2.2.3蒸汽空間 5 2.2.4 翅片 5 2.2 熱管的工作原理 6 2.3 熱管的工作極限 6 2.3.1 黏性極限 7 2.3.2 音速極限 7 2.3.3 攜帶極限 8 2.3. 4 毛細(xì)極限 8 2.3.5 沸騰極限 9 2.4 熱管換熱器的分類 9 2.4.1 氣氣熱管換熱器 9 2.4.2 氣液熱管換熱器 9 2.4.3 氣汽熱管換熱器 9 第三章 熱管的設(shè)計(jì) 10 3.1 給定參數(shù) 10 3.2 熱管的基本選擇 10 3.2.1 工質(zhì)的選擇 10 3.2.2 管材的選擇 11 3.2.3 管子的布置 11 3.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 3.3.1 入口流速的選擇 12 3.3.2 經(jīng)濟(jì)長度比的選擇 12 3.3.3 氣體側(cè)的迎風(fēng)面積 13 3.3.4 換熱系數(shù)的選擇 13 3.3.5 平均溫差 14 3.3.6 傳熱面積的計(jì)算 14 3.4 精確計(jì)算 14 第四章 熱管計(jì)算 15 4.1 煙氣與水 15 4.2 熱管的基本選擇 16 4.3 熱管的安裝 17 4.4 管徑和擴(kuò)展面的選擇 17 4.5 端蓋厚度 19 4.6 煙氣入口質(zhì)量流速的選擇 19 4.7 迎風(fēng)面積和傳熱面積 19 第五章 傳熱計(jì)算 21 5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 21 5.2 熱管外壁的傳熱系數(shù) 21 5.2.1 蒸發(fā)段傳熱系數(shù) 21 5.2.2 冷凝段傳熱系數(shù) 23 5.2.3 經(jīng)濟(jì)長度比的計(jì)算 23 5.3 熱管內(nèi)的傳熱系數(shù) 23 5.4 積灰熱阻的計(jì)算 24 5.5 對(duì)數(shù)平均溫度 25 5.6 估算傳熱面積 25 5.7 管子的數(shù)目及排列方式 25 5.8 水側(cè)管程的計(jì)算 26 5.9 管箱和分層隔板的設(shè)計(jì) 27 第六章 校核計(jì)算 28 6.1 煙氣側(cè)阻力計(jì)算 28 6.2 水側(cè)的阻力計(jì)算 28 6.3 壁溫計(jì)算 28 6.4 熱管強(qiáng)度 28 總 結(jié) 30 致 謝 31 參考文獻(xiàn)： 32 第一章 換熱器 在工程中，將流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給其他流體的設(shè)備，稱為熱交換器。熱交換器再工業(yè)生產(chǎn)中是非常普遍的，例如鍋爐中的省煤器、空氣預(yù)熱器、冷凝塔；冶金工業(yè)中的熱風(fēng)爐等等。在化學(xué)工業(yè)和石油工業(yè)的生產(chǎn)過程中，熱交換的器應(yīng)用的場合更是舉不勝舉。在各個(gè)行業(yè)，各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，要挖掘能源利用的潛力，做好節(jié)能減排的工作，必須有效地利用和回收余熱，這往往是和換熱器的設(shè)計(jì)和使用密不可分的。 1.1 換熱器的分類 換熱器的分類按照不同的方式來分可以分為很多種。這里說下最主要的用的最多的分類，按照傳送熱量的方式來分：間壁式、混合式、蓄熱式[3]。 間壁式：冷熱流體間有一固體壁面，流體分別在固體面的兩側(cè)同時(shí)流過，兩種流體不直接接觸，熱量通過壁面進(jìn)行傳遞。例如鍋爐設(shè)備中的省煤器。 混合式：換熱器內(nèi)冷熱流體直接接觸進(jìn)行傳熱，降溫效果明顯。例如冷水塔和噴射式熱交換器等。 蓄熱式：蓄熱式空預(yù)器也有固體壁面，但是冷熱流體是輪流的和壁面接觸。當(dāng)熱流體流過壁面時(shí)，把熱量儲(chǔ)存在壁面內(nèi)，壁面的溫度升高；當(dāng)冷流體進(jìn)過壁面時(shí)，壁面放出熱量，熱量傳遞給需要加熱流體，多次循環(huán)起到換熱的效果。這一類換熱器應(yīng)用也比較廣泛的，例如鍋爐中的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。 在這三種換類型中，間壁式換熱器應(yīng)用時(shí)間最長經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)最全面。下面每種類型介紹一款換熱器。 1.2 冷水塔 冷水塔在工業(yè)中主要是降低冷卻水的溫度。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)冷卻水的需要也在增長。一個(gè)十萬千瓦的熱力發(fā)電廠，冷卻水量需要左右，可見為了節(jié)省水源，循環(huán)利用水資源是很重要的。對(duì)缺水的地區(qū)，冷水塔的作用就更加突出了。 冷水塔是一種典型的混合式換熱器如圖1-1。塔內(nèi)水溫的降低主要是由于水的蒸發(fā)吸熱和氣水間的接觸傳熱。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，處于無規(guī)則狀態(tài)中的水分子，運(yùn)動(dòng)速度差別很大，速度大的分子動(dòng)能很大，他們能客服內(nèi)聚力的束縛沖出水面，成為自由蒸汽分子。這些分子中的一部分與空氣分子碰撞后可能重新回到水面被水吸收（冷凝），而另一部分由于擴(kuò)散和對(duì)流作用進(jìn)入空氣中，成為空氣中的水分子。由于逸出水分子的平均動(dòng)能比其余沒有逸出水面的分子大，因而蒸發(fā)的結(jié)果會(huì)使水溫下降[3]。 圖1-1 供應(yīng)冷水塔簡圖 冷水塔的主要組成有三個(gè)部分，風(fēng)筒、淋水裝置、配水系統(tǒng)。風(fēng)筒也就是冷水塔的殼體，主要是提供一個(gè)換熱場所。淋水裝置又稱填料，主要作用是將進(jìn)塔的熱水盡可能形成細(xì)小的水滴，一個(gè)大水滴變成很多小水滴可以增加很多換熱面積，延長了冷熱流體接觸的時(shí)間，提高換熱效率。配水系統(tǒng)的作用在于將熱水均勻的分配到整個(gè)淋水面積上，從而使淋水裝置最大的發(fā)揮它的冷卻能力。 1.3 回轉(zhuǎn)型蓄熱式熱交換器 在蓄熱式交換器中如圖1-2，冷熱流體交替地流過同一固體傳熱面，依靠構(gòu)成傳熱面的物體的熱容作用，來實(shí)現(xiàn)冷熱流體之間的換熱。與間壁式換熱器相比雖然都有隔板，但是冷熱流體是按順序通過隔板的。 回轉(zhuǎn)型蓄熱式熱交換器主要由圓形蓄熱體及其風(fēng)罩兩部分組成。該換熱器又分為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)型和外殼回轉(zhuǎn)型。轉(zhuǎn)子就是一個(gè)蓄熱體。在轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)型中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)罩不動(dòng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)按照一定的周期不斷交替地通過冷熱流體通道[3]。轉(zhuǎn)子某部分在一定時(shí)刻通過了熱流體通道，轉(zhuǎn)子上的蓄熱體就吸收并積蓄了熱能。到下一時(shí)刻，轉(zhuǎn)子該部分到達(dá)冷流體通道時(shí)，就把所儲(chǔ)存的熱能釋放給冷流體。對(duì)于外殼回轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)子不動(dòng)，為外殼在轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣達(dá)到了熱交換的目的。 圖1-2蓄熱式換熱器 轉(zhuǎn)子某部分在一定時(shí)刻通過了熱流體通道，轉(zhuǎn)子上的蓄熱體就吸收并積蓄了熱能。到下一時(shí)刻，轉(zhuǎn)子該部分到達(dá)冷流體通道時(shí)，就把所儲(chǔ)存的熱能釋放給冷流體。對(duì)于外殼回轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)子不動(dòng)，為外殼在轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣達(dá)到了熱交換的目的。 第二章 熱管 熱管這個(gè)概念和他的原理是在1964年首次由美國的洛斯阿拉莫斯科實(shí)驗(yàn)室提出來的。熱管是一個(gè)能在曉得溫度梯度下，把熱量轉(zhuǎn)移的高效率的傳熱元件。熱管誕生不久就得到廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。熱管可應(yīng)用于航天、電機(jī)、輕工、化工、電子器件、機(jī)械等方面。特別在國家號(hào)召節(jié)能減排以來，熱管在鍋爐、爐窯、化肥廠等領(lǐng)域節(jié)能減排的應(yīng)用越來越多，為國家節(jié)能減排起到了舉足輕重的作用。 2.1 熱管的結(jié)構(gòu) 熱管從縱向來看可以分為三段，分別是蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段。熱管的加熱段有時(shí)可以稱為蒸發(fā)器，冷凝段稱為凝結(jié)器，絕熱管稱為傳送段[6]。傳送段作為流體的通道，把蒸發(fā)段和冷凝段分離。熱管絕熱段的長度可以很長，也可以很短，材料和剛性也可以自由選擇。這樣使熱管能適應(yīng)布置成任意的幾何形狀，這樣的熱管稱為分離式熱管。 圖2-1 從熱管的徑向來看也可以將熱管分為三段，即熱管的管殼、吸液芯、蒸發(fā)液。重力熱管沒有吸液芯，工作液在冷凝段冷凝后通過重力作用流回到蒸發(fā)段如圖2-1。 2.1.1 管殼 管殼提供了熱管工作的一個(gè)場所，使工作液在一個(gè)封閉的環(huán)境中工作，防止泄露，并且增加結(jié)構(gòu)的剛性。由于管殼內(nèi)部和外部的壓差很大，因此管殼必須承受壓力差而不至于管子被壓的變形或破裂。管子在換熱過程中是傳熱介質(zhì)所以在設(shè)計(jì)過程中，管殼熱阻的大小也必須要考慮進(jìn)去[5]。從承受壓力能力的角度來說，管殼越厚越好，但是從傳熱的角度來說管殼薄一點(diǎn)熱阻小傳熱效率高。 2.2.2 吸液芯 吸液芯把工作液從冷凝段抽回蒸發(fā)段，保證循環(huán)的順利進(jìn)行。吸液芯就是一個(gè)毛細(xì)泵。在熱管管殼內(nèi)壁安放金屬絲網(wǎng)、多孔金屬、或者在內(nèi)壁上面拉上槽，都能起到毛細(xì)泵的效果。吸液芯通常緊貼或者擠壓在容器內(nèi)壁上，利用液體表面張力從冷凝段把工作液送回加熱段。如吸液芯由于低熱導(dǎo)率的工質(zhì)浸透，吸液芯與流體層通常在熱流線路上出現(xiàn)較大的阻力。因此在選擇吸液芯的時(shí)候必須要考慮導(dǎo)熱性質(zhì)和傳輸性質(zhì)。 2.2.3蒸汽空間 蒸汽空間是工作液傳輸熱量的通道。在蒸汽空間里蒸汽流動(dòng)是一個(gè)很復(fù)雜的流動(dòng)，所以影響蒸汽流動(dòng)的因素很多。熱管里面工作液體的流動(dòng)很復(fù)雜的雙相流動(dòng)。 2.2.4 翅片 一般在工業(yè)上應(yīng)用的熱管特別是遇到氣體換熱的時(shí)候，由于其體的傳熱系數(shù)較小需要在氣側(cè)管殼外表面繞上翅片或者串上翅片，這樣是熱管增加了換熱面積，提高傳熱能力。 一般熱量增大的倍數(shù)總是小于面積擴(kuò)大的倍數(shù)，這里就出現(xiàn)了一個(gè)翅片有效性的問題。熱量將從翅根沿著翅片高度方向逐漸散失，翅片表面溫度沿翅片高度方向著漸降低。翅片溫度 與周圍流體溫度之差慢慢減少，也就是說翅片的有效性下降了[3]。因此，將翅片的實(shí)際算熱量，與翅片各處的溫度都等于時(shí)的散熱量之比稱為翅片效率，用表示。 2.2 熱管的工作原理 熱管是一個(gè)封閉的容器，從封閉容器內(nèi)抽出不凝結(jié)氣體，使熱管內(nèi)部形成真空，為了使熱管能夠很快速的啟動(dòng)和很好的工作，要求內(nèi)管內(nèi)部始終保持一定的真空度。管內(nèi)工作液在加熱段吸熱沸騰后氣化，蒸汽帶著大量的熱量進(jìn)入冷凝段，然后在冷凝段遇冷凝結(jié)放熱，把大量的熱量傳遞給冷凝段的流體。工作液將熱量輸送到需要加熱的流體之后液化，變成液態(tài)在吸液芯毛細(xì)泵的抽吸作用下，回到蒸發(fā)段。這樣就完成了一個(gè)循環(huán)，熱管工作時(shí)就不停進(jìn)行著這樣的循環(huán)，這就熱管的工作原理[4]。 熱管中工質(zhì)傳熱能力的過程是通過工質(zhì)的相變過程進(jìn)行的。形變過程中有巨大的熱量交換。工作液由液態(tài)著漸吸熱，這過程中吸收的熱量往往很多。工作液由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)所吸收的熱量叫做氣化潛熱。工作液就是把氣化潛熱輸送到冷凝段。工作液在冷凝段被冷卻，工作液由氣態(tài)又變成液態(tài)，同時(shí)向冷流體放出凝結(jié)潛熱。 為了使熱管工作性能好，除了理論上的討論和計(jì)算外，還必須保證做到以下幾點(diǎn)： 熱管在工作期間不產(chǎn)生腐蝕和在熱管工作溫度時(shí)不出現(xiàn)不凝結(jié)氣體。為了保證這一點(diǎn)，管殼、吸液芯和工作液這三項(xiàng)應(yīng)當(dāng)進(jìn)過嚴(yán)格的選擇，必須保證這三者之間是化學(xué)相容的。 熱管內(nèi)一般應(yīng)設(shè)有加強(qiáng)換熱的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，例如各種吸液芯、溝或槽等。 熱管外面一般應(yīng)該設(shè)有翅片來加強(qiáng)熱管的換熱能力。 熱管的管殼和吸液芯應(yīng)當(dāng)經(jīng)過嚴(yán)格的清洗，如酸洗、水洗等，另外管殼和吸液芯要除氣。工作液必須是高純度的。 熱管工作之前，熱管內(nèi)部應(yīng)該要保持真空狀態(tài)，并且保證具有一定的真空度。 熱管管殼應(yīng)保持具有一定的強(qiáng)度，使熱管在工作時(shí)承受一定的高壓而不至于開裂泄漏。 2.3 熱管的工作極限 熱管可以傳遞的熱量很大，但是，每一根熱管所能傳送的熱量也不能無限增大，熱管工作時(shí)受到幾個(gè)工作極限的限制。本節(jié)就主要討論了這幾個(gè)工作極限 2.3.1 黏性極限 黏性極限是黏性蒸汽流的最大值。黏性極限出現(xiàn)在溫度較低的范圍內(nèi)。由于管內(nèi)凝結(jié)液的流動(dòng)阻力較大，使凝結(jié)液返回到蒸發(fā)段的數(shù)量減少，因而蒸發(fā)段的蒸汽量也隨之減少，即可以說熱管達(dá)到了黏性極限[6]。 對(duì)于黏性蒸汽流領(lǐng)域傳熱量的黏性極限可以采用下式進(jìn)行計(jì)算，最大傳熱量表達(dá)式為： 2-1 蒸汽通道半徑，米； 熱管的有效長度，米 蒸汽動(dòng)力黏性系數(shù)， 氣化潛熱， 蒸氣密度， 蒸汽壓力， 2.3.2 音速極限 因?yàn)檎羝袎嚎s性，所以，在蒸發(fā)段如果增加輸入的熱量超過一定值時(shí)，蒸汽流在加熱段出口處達(dá)到音速，因此出現(xiàn)了蒸氣流量的阻塞現(xiàn)象。這種現(xiàn)象導(dǎo)致的傳熱量的界限稱為音速極限。 由熱平衡、理想氣體的狀態(tài)方程以及聲速的表達(dá)方式退出了以下關(guān)系： 2-2 熱管傳熱量，； 蒸汽流通截面積，； 馬赫數(shù)； 聲速， 蒸汽的通用氣體常數(shù)，； 蒸汽的絕對(duì)溫度，; 汽化潛熱，； 蒸汽的比熱容之比，對(duì)于水蒸氣，。 2.3.3 攜帶極限 吸液芯中從冷凝段回流到蒸發(fā)段的一部分液體，由于蒸氣流的流動(dòng)，將液體帶到冷凝段，因而造成蒸發(fā)段吸液芯干枯，導(dǎo)致蒸發(fā)段過熱，這也是一種極限。 對(duì)于重力式無芯熱管，計(jì)算熱管的攜帶極限： 2-3 表面張力； 蒸汽流通的橫截面積； 蒸汽流道的直徑； 邦德（Bond）數(shù)； 角標(biāo)“”“”分別表示液體和蒸汽。 2.3. 4 毛細(xì)極限 隨著輸入熱量的增加，由于吸液芯干燥而過熱產(chǎn)生的熱流量界限，稱為毛細(xì)極限。 輸入熱量的增加，加大了加熱段的蒸汽壓力，結(jié)果使液體進(jìn)入吸液芯，使吸液芯的一部分暴露在蒸汽中。因此，產(chǎn)生這部分吸液芯過熱、干燥出現(xiàn)干枯現(xiàn)象。 對(duì)于重力輔助的縱向槽道熱管，可以將每一個(gè)槽道看做一個(gè)單獨(dú)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)。 2.3.5 沸騰極限 達(dá)到毛細(xì)極限后，在加大輸入熱量，在蒸發(fā)段的吸液芯內(nèi)就會(huì)發(fā)生沸騰。當(dāng)沸騰出現(xiàn)后，如果接著輸入熱量，則在熱管內(nèi)壁上局部被蒸汽覆蓋，那些地方隨著溫度急劇上升會(huì)發(fā)生熱管的熔損現(xiàn)象，甚至?xí)篃峁芡Ｖ构ぷ鳌? 2.4 熱管換熱器的分類 根據(jù)熱管換熱器工作的溫度和環(huán)境可分為高溫、中溫、低溫?fù)Q熱器和氣氣換熱、氣液換熱、氣汽換熱熱管換熱器。 2.4.1 氣氣熱管換熱器 氣氣熱管換熱是多數(shù)是矩形的，其基本結(jié)構(gòu)由熱管、隔板和殼體等元件組成。中間隔板把熱管分為蒸發(fā)段和冷凝段兩部分，這兩部分的外表面上都裝有翅片，以增加換熱面積，盡可能地減少換熱器體積。兩種流體的流動(dòng)方向一般是逆向的。當(dāng)高溫氣體流過熱管蒸發(fā)段時(shí)，熱管內(nèi)部工作流體蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽流到冷凝段放熱，低溫氣體或得熱量，達(dá)到傳熱的目的。 目前氣氣熱管換熱器普遍用于工業(yè)鍋爐煙氣的熱回收系統(tǒng)中。 2.4.2 氣液熱管換熱器 氣液熱管換熱器多用于小型鍋爐上作為省煤器回收余熱加熱給水，這個(gè)經(jīng)濟(jì)效益比較可觀。但是需要注意的是低溫腐蝕的問題。本課題研究的是氣液熱管換熱器的余熱回收系統(tǒng)。 氣液換熱器的構(gòu)造圖。它的水室可以是圓形的或者矩形的。從排氣端把熱管插入，每根熱管可單獨(dú)更換。排氣端管壁裝有翅片，水側(cè)不設(shè)翅片。吹灰裝置是在翅片管的空間設(shè)計(jì)一根噴出管，用蒸汽或壓縮空氣進(jìn)行吹灰除塵。 2.4.3 氣汽熱管換熱器 氣汽熱管換熱器的結(jié)構(gòu)，熱管的冷凝段安裝在沸水器內(nèi)。熱管的蒸發(fā)段插入各種鍋爐和窯爐等鍋爐的排煙道中，通過熱管進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移。將冷水加熱至沸水，從而獲得需要的熱水。也可以把熱水加熱到100℃以上，如125℃的蒸汽，這時(shí)在125℃時(shí)蒸汽的壓力為2.5kgf/cm2。這時(shí)冷凝段水箱就變成了一個(gè)壓力容器了。 第三章 熱管的設(shè)計(jì) 熱管的設(shè)計(jì)過程中需要考慮很多問題，熱管的排列方式，熱管的翅片的大小，熱管管束數(shù)目排列方式等問題。在下面的設(shè)計(jì)過程中把這些問題都考慮到設(shè)計(jì)的過程中。計(jì)算完畢需要進(jìn)行校核，是否能任務(wù)的滿足要求，材料的剛性問題。 3.1 給定參數(shù) 此次設(shè)計(jì)主要目的是用鍋爐產(chǎn)生的尾部煙氣來加熱水到85℃，酸露點(diǎn)為100℃。 給定的數(shù)據(jù)只是一個(gè)大概的方向，我們還需要設(shè)計(jì)一些運(yùn)行參數(shù)。氣體的質(zhì)量流量、氣體出口溫度、水的入口溫度。注意水的質(zhì)量就不能靠設(shè)計(jì)直接設(shè)計(jì)出來，需要用熱平衡方程： 3-1 比熱 這六項(xiàng)數(shù)據(jù)只能有五項(xiàng)是設(shè)計(jì)的還有一項(xiàng)是通過這熱平衡方程計(jì)算出來的[1]。 3.2 熱管的基本選擇 3.2.1 工質(zhì)的選擇 熱管內(nèi)工質(zhì)的選擇主要是由管內(nèi)的工作溫度決定的，管內(nèi)的工作溫度可以有下面的公式進(jìn)行計(jì)算： 3-2 n的取值查表3-1 估算出之后就可以選擇工質(zhì)的類型了。根據(jù)溫度范圍可分為低溫、中溫和高溫?zé)峁?。低溫?zé)峁苁侵冈?~200K范圍內(nèi)的熱管，用氦做工質(zhì)，可以在4K以下工作。氫和氖可以在20~30K范圍內(nèi)使用；如果溫度再高一些，則可用的工質(zhì)有氮和氧；在100~200K范圍內(nèi)常用的工質(zhì)有甲烷、乙烷等。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)水這里使用水作為工質(zhì)是比較合理的。 表3-1 n的數(shù)值表 氣氣型熱管換熱器 當(dāng)兩側(cè)流量和管長接近時(shí) 氣液型熱管換熱器 當(dāng)液體為水時(shí) 當(dāng)液體為有機(jī)流體時(shí) 氣汽型熱管換熱器 當(dāng)相變流體為水時(shí) 當(dāng)相變流體為有機(jī)物時(shí) 3.2.2 管材的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮經(jīng)濟(jì)性、相容性的要求，相容性因素是選擇工質(zhì)和管殼材料的重要因素，即，在工質(zhì)與管殼在工作范圍內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，此外相容性還只選擇的管殼在工作溫度范圍內(nèi)部與外部換熱介質(zhì)反應(yīng)。 質(zhì)與管殼材料相容性的選擇，見表4-1， 表4-1 質(zhì)與管殼材料相容性的選擇 工質(zhì) 推薦的管殼材料 不推薦的管殼材料 氨 鋁、不銹鋼、鎳、碳鋼 銅 丙酮 銅 甲醇 銅、不銹鋼 水 銅 鋁、二氧化硅 荼 不銹鋼 鉀 不銹鋼 鈦 鈉 不銹鋼 鈦 對(duì)于熱管來說，銅—水是最好的工質(zhì)與管殼材料的組合，但是由于銅的成本相對(duì)較高，強(qiáng)度由偏低，在熱管式換熱器中被大量應(yīng)用相對(duì)比較困難，因此為了降低熱管式換熱器的成本，一般采用碳鋼作為管殼的材料。因此在這里選擇碳鋼作為熱管式空氣預(yù)熱器的管殼材料。 3.2.3 管子的布置 管子基本上有兩種放置形式：立式放置，一般安放于水平煙道內(nèi)，采用的是重力熱管；水平放置：一般用于垂直煙道內(nèi)，采用的是添加某種吸液芯的重力輔助熱管。管子的排列方式都是取決煙道的形式，需求決定市場。管子的排列方式也有兩種：順排，采用順排的換熱器，通風(fēng)阻力小引風(fēng)機(jī)耗電量少，清灰方便，但是采用順排布置換熱效果差一點(diǎn)，多用于較渾濁的流體換熱；差排，差排使流體在換熱過程中增加了擾動(dòng)，使流體更容易達(dá)到湍流狀態(tài)，加強(qiáng)換熱，但是使用差排布置，引風(fēng)機(jī)耗電量比較大，而且清灰比較不便利，差排多用于對(duì)換熱要求要的場合。 3.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)氣液型換熱器來說，熱管的精確設(shè)計(jì)需要在一定結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行，先估算一個(gè)傳熱面積，并初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)。 3.3.1 入口流速的選擇 氣體側(cè)的入口質(zhì)量流速應(yīng)控制在2~8。具體情況按照鍋爐的大小具體分析。 液體側(cè)的質(zhì)量流速應(yīng)保證流過管束的流體速度超過0.1，可控制在0.1~1之間。否則將使液體側(cè)傳熱惡化。 3.3.2 經(jīng)濟(jì)長度比的選擇 經(jīng)濟(jì)長度比是熱管的總傳熱熱阻在最小值時(shí)的長度比，也就是單根熱管外表面積相應(yīng)的傳熱量在最大時(shí)所確定的熱管長度比。在這個(gè)長度比下，對(duì)于相同的熱管傳熱量和傳熱溫度差，熱管所具有的最小傳熱面積，故稱為經(jīng)濟(jì)長度比，用表示。經(jīng)濟(jì)長度比的計(jì)算如下： 3-3 分別是加熱段和冷卻段的傳熱系數(shù) 流體溫度度大于熱管允許工作溫度，還必須要計(jì)算下安全長度比 3-4 分別為冷熱流體溫度 若選擇的設(shè)計(jì)長度比小于安全長度比則是安全的。 表3-2 換熱系數(shù)表 外部換熱特點(diǎn) 傳熱系數(shù)K 氣體在翅片管外對(duì)流 水在管外對(duì)流 2000~3000 有機(jī)流體在管外對(duì)流 500~1000 3.3.3 氣體側(cè)的迎風(fēng)面積 迎風(fēng)面積的計(jì)算 3-5 長度和寬度的選擇應(yīng)盡量保證氣體流動(dòng)的均勻性，并選取合理的管間距S。 第一排管子根數(shù) 3-6 第一排管子的傳熱面積 3-7 3.3.4 換熱系數(shù)的選擇 選擇的傳熱系數(shù)是以氣體側(cè)傳熱面積為基準(zhǔn)，進(jìn)行一次近似的計(jì)算得出傳熱系數(shù)。 3-8 是以翅片管表面積為基準(zhǔn)的氣體放熱系數(shù)； 翅化比； 為水的放熱系數(shù)； 為長度比。 3.3.5 平均溫差 在換熱器中溫度是在不斷地變化的為了我們更好的選型，計(jì)算出一個(gè)相對(duì)的精確地?cái)?shù)值。平均溫差： 3-9 分別表示出口和入口處的溫度差。 3.3.6 傳熱面積的計(jì)算 傳熱面積越大換熱量就越多，總的傳熱面積的計(jì)算： 3-10 總的傳熱量； 換熱系數(shù)； 溫度差。 總管子排數(shù) 3-11 3.4 精確計(jì)算 按冷熱流體的中點(diǎn)溫度計(jì)算傳熱系數(shù)[8]。 氣體側(cè)放熱系數(shù)的計(jì)算。 3-12 以翅片管外表面積為基準(zhǔn)的放熱系數(shù)； 翅根直徑； 分別為翅片間隙、高度和厚度； 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力粘度系數(shù)； 氣體的普朗特?cái)?shù)； 最窄界面處的氣體流速。 液體側(cè)放熱系數(shù)的計(jì)算。 3-13 最后需要計(jì)算下傳熱面積 3-14 與估算的值進(jìn)行比較，要求精確計(jì)算的傳熱面積必須大于估算的傳熱面積，設(shè)計(jì)安全余量控制在10%左右比較合適。 最后進(jìn)行阻力計(jì)算，還需要校核一下壁溫，如果壁溫小于酸露點(diǎn)，則壁面會(huì)有酸性液體析出腐蝕壁面。如果出現(xiàn)這種情況就需要重新設(shè)計(jì)下。 第四章 熱管計(jì)算 4.1 煙氣與水 設(shè)計(jì)要求鍋爐產(chǎn)生的尾部煙氣用來加熱水到85℃，但是考慮到酸露點(diǎn)為100℃，所以設(shè)計(jì)的最后需要校核下壁溫是否大于該煤種的酸露點(diǎn)。 煙氣的流量（M1） 60000（kg/h） 煙氣的入口溫度（） 160 ℃ 煙氣的出口溫度（） 130 ℃ 水的入口溫度 （） 30 ℃ 水的出口溫度 （） 85℃ 查大氣壓下煙氣的熱物理性質(zhì)表，通過差值法查出160℃時(shí)煙氣的比熱為 煙氣余熱量的計(jì)算 回收熱負(fù)荷的計(jì)算 余熱回收利用效率的計(jì)算 根據(jù)熱平衡方程求熱水的質(zhì)量流量M2 查飽和水的物理性質(zhì)表，用差值法查30℃是水的比熱為 4.174 得 4.2 熱管的基本選擇 首先進(jìn)行管內(nèi)溫度計(jì)算 煙氣入口溫度 所以此處取 n = 3 ， 煙氣出口溫度： = 由上可知選水作為熱管的工作介質(zhì)是合適的。 考慮到熱管成本，如果采用銅管，由于熱管需要大批量生產(chǎn)，成本太高，而且本次設(shè)計(jì)的余熱利用率不是很高，所以確定碳鋼鍍層管作為管殼是經(jīng)濟(jì)合理的。 4.3 熱管的安裝 本次設(shè)計(jì)的是在水平煙道上安裝余熱回收裝置，所以采用重力熱管，重力熱管在生產(chǎn)過程中工藝比帶吸液芯的熱管簡單許多，提高了經(jīng)濟(jì)性。重力熱管還有一個(gè)很重要的特性，熱量的不可逆性，熱量只能從蒸發(fā)段傳遞給冷凝段。 4.4 管徑和擴(kuò)展面的選擇 管徑的選擇由聲速極限確定 聲速極限管徑 管內(nèi)蒸汽密度 管內(nèi)蒸汽壓力 氣化潛熱 聲速極限的傳熱量 取 由于熱管工作的平均溫度為，在時(shí)啟動(dòng),查干飽和水蒸氣的物理性質(zhì)表得 所以 由攜帶極限確定所要求的管徑 蒸汽流通截面積 攜帶極限 氣化潛熱 液體密度 蒸汽密度 表面張力 當(dāng)時(shí) 得 為了安全考慮取熱管內(nèi)徑 ，為了安全性和經(jīng)濟(jì)性取壁厚為 得內(nèi)徑，外徑 煙氣側(cè)采用翅片管 水側(cè)采用光管 4.5 端蓋厚度 端蓋的計(jì)算：取 為滿足焊接加工需求取。由于圓頭形的熱管工藝要求較高，考慮經(jīng)濟(jì)性取方頭的熱管。熱管方便焊接封頭，熱管軸向縮進(jìn),經(jīng)向管壁縮進(jìn)。 由于熱管內(nèi)需要真空環(huán)境，所以熱管的一方端蓋上需要添加一個(gè)抽氣孔，并設(shè)計(jì)一個(gè)銷子。銷子的就設(shè)計(jì)為上底圓直徑，下底圓直徑，高的圓錐。 4.6 煙氣入口質(zhì)量流速的選擇 煙氣側(cè)入口質(zhì)量流速 水的入口質(zhì)量流速 液體側(cè)的質(zhì)量流速的選擇最好能保證流過管束的液體流速超過 ，可控制在到之間，不要小于 ，否則將使液體側(cè)的傳熱變壞。所以此處取水的流速為 。 4.7 迎風(fēng)面積和傳熱面積 迎風(fēng)面積 選取迎風(fēng)面積寬度為 ，換熱器的寬度為 表4-1 管徑、管長、功率之間的關(guān)系表[1] 加熱段的長度 單根管傳輸功率 管徑 參照表4-1最后選取熱管的長度尺寸如下 蒸發(fā)段長度 冷凝段長度 絕熱段長度 總長度 實(shí)際長度比 迎風(fēng)面積 實(shí)際迎風(fēng)面的質(zhì)量流量 取管間距 第一排管子根數(shù) 為蒸發(fā)段長度 有翅片和熱管的幾何特性可以得出，氣體的最窄流通截面積約為迎風(fēng)面積的一般，所以在最窄出的質(zhì)量流量為： 第五章 傳熱計(jì)算 5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 去換熱器進(jìn)出口溫度的平均溫度作為定性溫度 煙氣側(cè)平均溫度 ℃ 查大氣壓下煙氣的物理性質(zhì)得 比熱 導(dǎo)熱系數(shù) 黏度 普朗特?cái)?shù) 水側(cè)平均溫度 查飽和水的物理性質(zhì)表得 比熱 導(dǎo)熱系數(shù) 黏度 普朗特?cái)?shù) 5.2 熱管外壁的傳熱系數(shù) 5.2.1 蒸發(fā)段傳熱系數(shù) 以翅片管外表面為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)為： 以光管為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù) 翅片效率不可能是取。 翅片數(shù)目 翅片面積 翅片外徑 熱管外徑 裸管面積，就是翅片之間的光管面積 光管面積 翅化比 即加了翅片后的傳熱面積為原來熱管面積的6.5倍。 所以蒸發(fā)段的換熱系數(shù)： 最后的選擇如下 光管 光管 翅片 翅片 翅片 翅片 翅片 外徑（mm） 內(nèi)徑（mm） 外徑（mm） 高度（mm） 厚度（mm） 間隙（mm） 翅化比 25 22 50 12.5 0.8 6 6.5 5.2.2 冷凝段傳熱系數(shù) 5.2.3 經(jīng)濟(jì)長度比的計(jì)算 對(duì)于氣液換熱，兩邊的管外放熱系數(shù)遵循不同的規(guī)律，而且兩邊的幾何特性也完全不同（煙氣側(cè)為翅片管，液體側(cè)為光管）。計(jì)算下經(jīng)濟(jì)長度比進(jìn)行校核： 實(shí)際長度比為 實(shí)際長度比大于經(jīng)濟(jì)長度比設(shè)計(jì)是合理的。 5.3 熱管內(nèi)的傳熱系數(shù) 在熱管內(nèi)的平均工作溫度 在這個(gè)溫度下水的物性參數(shù)如下： 密度 導(dǎo)熱系數(shù) 普朗特?cái)?shù) 重度 先將設(shè)每根熱管的傳熱量為3 取蒸發(fā)傳熱系數(shù)為 管壁熱阻的計(jì)算 鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)查表得 管子外徑 管子內(nèi)徑 5.4 積灰熱阻的計(jì)算 考慮到積灰的影響，取 以加熱段光管外表面的為基準(zhǔn)的傳熱熱阻為： 所以 5.5 對(duì)數(shù)平均溫度 煙氣 160℃→130℃ 水 85℃→ 30℃ 75℃ 100℃ 由圖4-1可知℃ ℃ 所以 ℃ 圖 4-1溫度變化圖 5.6 估算傳熱面積 5.7 管子的數(shù)目及排列方式 管子根數(shù) 在換熱器設(shè)計(jì)的過程中不能因?yàn)閴牧艘桓茏泳屯C(jī)檢修，所以在設(shè)計(jì)的過程中要考慮多放幾根管子，使換熱器出現(xiàn)一點(diǎn)小問題可以繼續(xù)運(yùn)行。所以在這里實(shí)際選取的管子根數(shù)是300根。即根。 管子數(shù)目確定之后，就要選擇熱管的排列方式。管子使用的是菱形交叉排列的方式，使流體得到充分?jǐn)_動(dòng)，提高了換熱效率，充分利用余熱。由之前確定的第一排管子數(shù)目為15根。 所以管子排數(shù) 計(jì)算一下實(shí)際換熱面積和理論設(shè)計(jì)的換熱面積進(jìn)行比較。 實(shí)際換熱面積 是一根管子蒸發(fā)段的外表面積 單根管子的傳熱量計(jì)算 總的熱管數(shù)目 回收熱負(fù)荷 5.8 水側(cè)管程的計(jì)算 每管程所需流通截面積 水的質(zhì)量流量 水的入口流速 選取每二排作為一個(gè)水流動(dòng)的管程[7]，即在水邊分為9個(gè)管程，每個(gè)管程的流通面積為 冷凝段管長 管間距 求水的實(shí)際質(zhì)量流速 5.9 管箱和分層隔板的設(shè)計(jì) 分層隔板的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的迎風(fēng)面寬度為2000mm，取分層隔板的寬度為2200mm，隔板寬度的計(jì)算，由于管子是交叉布置，考慮安裝余量等問題取隔板的長度為1460mm?？紤]安全性和經(jīng)濟(jì)性，取隔板的厚度為100mm。 由于換熱器是重力熱管式換熱器，熱管的端蓋設(shè)計(jì)為方頭，所以熱管還起到了支撐的作用。所以管箱設(shè)計(jì)為，長1500mm，寬2040mm,高1650mm，管箱鋼材的厚度為2mm。 第六章 校核計(jì)算 6.1 煙氣側(cè)阻力計(jì)算 6.2 水側(cè)的阻力計(jì)算 6.3 壁溫計(jì)算 煙氣入口溫度 單根管的傳熱量 加上翅片的外表面的放熱系數(shù) 蒸發(fā)段的面積 由于壁溫為103.8℃大于設(shè)計(jì)要求的酸露點(diǎn)100℃。設(shè)計(jì)滿足要求。 6.4 熱管強(qiáng)度 本文采用的熱管為，長度為1.9m,根據(jù)強(qiáng)度要求τ： 式中，P為最大允許的壓力，查時(shí)干飽和水蒸氣的物理性質(zhì)表 得 為焊縫減弱系數(shù)。取1.0 [δ]為保險(xiǎn)應(yīng)力，為 C為腐蝕余量，取0.5mm 所以 根據(jù)強(qiáng)度對(duì)材料耐壓的要求計(jì)算出來的壁厚為0.564mm遠(yuǎn)小于實(shí)際壁溫1.5mm，所以設(shè)計(jì)是安全的。 總 結(jié) 本次設(shè)計(jì)是我們最系統(tǒng)的一次對(duì)一款換熱器進(jìn)行系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程遇到了很多問題，有問題才有進(jìn)步。遇到問題我先冷靜的思考，去圖書館查閱資料，和同學(xué)一起討論，最后和我的導(dǎo)師一起探討，直到問題的解決。 這次設(shè)計(jì)是我們學(xué)習(xí)的理論知識(shí)得到很好地運(yùn)用，理論結(jié)合實(shí)際，才是學(xué)習(xí)的最終目的。通過這次設(shè)計(jì)我的鞏固了換熱器設(shè)計(jì)、鍋爐原理、余熱回收、熱管的設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)。另外在做設(shè)計(jì)圖的時(shí)候我們使用的是CAD，經(jīng)過兩個(gè)月的努力我們的CAD，不能說精通可以說已經(jīng)達(dá)到了熟練的水平，這又是一個(gè)收獲。總之這次設(shè)計(jì)使我們受益匪淺，更上一層樓。 致 謝 首先感謝學(xué)校及老師這四年為我們提供了很好的學(xué)習(xí)環(huán)境和良好的學(xué)習(xí)氛圍，感謝王助良老師這幾個(gè)月來耐心的為我解決了很多的問題，江大圖書館豐富的藏書資源，使得我們的設(shè)計(jì)能順利進(jìn)行。感謝學(xué)校和學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我們畢業(yè)設(shè)計(jì)的高度重視，為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了諸多便利條件。 在次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之際，再次對(duì)所有幫助我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝！ 參考文獻(xiàn)： [1] 方彬，白文彬. 鍋爐與窯爐節(jié)能用熱管換熱器.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1985. 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