发布时间：2024-03-13 作者: 杏彩电竞手机版app
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1、摘 要热管是20世纪60年代发展起来的具有极高导热性能的传热元件，导热系数非常大，是金属(Ag，Cu，Al)的102104倍，本文在对热管传热机理研究的基础上，通过对热管式空气预热器在换热过程中热量、阻力、温度等传递过程的设计计算，制作了用于烟气回收的热管式空气预热器，通过实际使用验证了其性能的可靠性和结构的可行性。采用219根323、加热段长1. 18m、冷凝段长、绝热段长热管，对总热量317525.7 kcal/h的烟气热量进行回收，回收的热量用于加热助燃空气可以使其温度从25提高到119；这种带翅片热管加热段传热系数为414w/m2，冷凝段传热系数为386w/m2；单根热管的平均热负荷为
2、1. 69kw，远小于最大允许单根传热量;所设计的热管空气预热器烟气侧最低壁温为120. 6，高于水的露点，因此不会出现水的露点腐蚀；而且根据强度对耐压的要求计算出来的壁厚为1.05mm，远小于实际壁厚3mm，设计符合标准要求。将其用于10T/h蒸汽燃油锅炉余热回收，通过实际运行，考察了空气热管空气预热器的性能，根据结果得出所设计和制作的热管空气预热器完全能满足装置烟气热量回收的需要。因此，采用热管式空气预热器作为烟气换热器，用于加热助燃的冷空气，设计是可行的，可完全达到完善锅炉的燃烧性能、减少燃料的消耗、节能的目的。关键词:热管；空气预热器；设计；传热机理；应用Title Design of t
19、谢35 HYPERLINK l _Toc326096484 参考文献36第1章 绪 论1.1 概述热管是一种导热性能特别好的传热元件，于20世纪60年代开始研发，70年代逐渐成熟并开始投入工业使用，它具有极高的导热性能，即使是导热性能最好的金属如Ag，Cu，Al等，其导热系数也不及热管的万分之一，因此热管被谓之为“热超导体”1。热管的工作原理最简单，主要是靠封闭在其内部管子中工作液体(也称为工质)自身的反复相变来实现传热作用的，即管内工质首先吸收外界热量发生相变并蒸发，然后在管内另一头某一位置放热给换热体而自身又冷凝成液态，紧接着在无任何外加动力的作用下，仅仅借助于管内的毛细吸液芯所产生的毛
20、细力(或借助自身的重力)冷凝液体又回到原始相变蒸发位置，然后吸收外界热量发生相变并蒸发，如此反复循环，进而达到热量从一处输送到另一处的目的。热管不同于传统的换热设备，其结构紧密相连，工作液体在内部循环，并不借助于外部动力作用进行流动，与其进行换热的冷热流体只要在其蒸发段和冷凝段外部流动就能轻松实现冷热流体间的热交换，流体阻损小、工作简单，而且连续进行，再加仁热管本身所具有的优异导热性、优良的等温性、热流方向的可逆性、热流密度可变性、热三极管与热开关性、可远距离传热性以及对环境好的适应性等特性，热管技术实际上一曝光，便吸引了诸多研究者的注意。以热管为传热元件的换热器，不仅仅在节能方面用途广泛，而且在航
21、天、航天器的均温和控温、新能源开发、电脑散热、空调制冷、恒温反应等方面都得到了应用，随着科学技术水平的不断提高，其应用已涉及冶金、化工、机械、交通、电子、电力、石化、能源、动力、轻工、玻璃、陶瓷及医疗等多个行业领域，而且其应用场景范围也慢慢变得广泛2。1.2 热管技术1942年美国人Grover首次提出了“热传递装置”(Heat Transter Device)这一概念，这也是热管的最初雏形，并以之为名取得了相关专利。20世纪60年代，由于航空航大对传热的需要，美国Los Alamos国家实验室首次将热管成功应用于飞船与核反应堆的冷却传热，并为其起名为“热管”(Heat Pipe )，之后热管引起了各国
22、学者的极大兴趣和关注。1966年Katzoff发明了带有干道的热管，对热管结构进行了优化，使热管向实用化更向前迈进了一大步。第一台带翅片的热管式空气加热器也是日本70年代研发成功的，70年代美国已开始批量生产热管式换热器，用于回收余热，也是热管向工业应用进军的开始。微型热管是1984年Cotter提出的，对其也进行了较完整的理论研究3。我国对热管的研究起步较晚，是从20世纪70年代后期开始的，热管换热器研究成果于1980年首先在南京工业装置上得到了应用，在其之后又陆续开发出了高炉热风余热回收碳钢水空气预热器、锅炉烟道气余热回收热管式换热器等产品，逐步形成了我国特色的以锅炉余热回收利用为主的热管
23、式换热器。近年来我国热管技术的开发研究发展迅速，工业化应用成果丰富，热管应用范围也在不断扩大，主要集中在烟气的余热回收、干燥过程中的节能、能源的合理利用、航空航天等方面，并且收到了很好的节能降耗效果，热管余热锅炉、热管气气换热器、高温热管热风炉、高温热管蒸汽发生器等热管产品也相继开发出来了，这些奠定了热管技术在我国工业应用中的基础。迄今为止，开发出来的热管类型很多，按照热管的工作原理分类，主要有:虹吸式(又称为热虹吸或者吸液芯式)热管、重力热管、离心热管；按照冷热流体换热温度分类，热管主要分为：低温热管、常温热管、中温热管、高温热管；根据热管结构的不同，可分为：轴向热管和径向热管；按有无翅片分
24、为：光管和加翅热管;按热管外形的不同，热管主要有平板型热管、环状热管、管式热管、脉动热管等不同类型的热管；按管壳与工质的组合方式热管有不同的种类：铜-水热管、碳钢-水热管、碳钢-萘热管、碳钢-甲醇热管、铝-丙酮热管、不诱钢-钠热管、陶瓷-钠热管等等。1.4 热管工作方式及原理1.4.1 虹吸式热管工作原理典型的虹吸式热管由管壳、吸液芯、工作液体(工质)、端盖和翅片组成，管壳通常由金属制成，翅片是为了与管外流体换热更迅速而安设的，虹吸式热管以工质潜热的形式传递热量。热虹式热管在制作时，首先将管内抽成一定的负压，然后利用负压将工作液体吸入，这样才可以比较容易地使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中完全
25、充满工作液体，工作液体充分充入管内后然后加以密封，这样就制成了虹式热管，热虹式热管的一端为设计为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段之间布设一定长度的绝热段，可以看出热虹式热流方向的可逆性是相当好的4。虹吸式热管开始工作时，首先热管的蒸发段与管外流体进行接触，使管壳受热，由于管壳是热的良导体，迅速将热传至管内工质，当热管内蒸发段工质受热后，工质发生相变并蒸发汽化，微小的蒸汽压驱使蒸汽流向另一端冷凝段，然后在另一头冷凝段接触到冷端吸液芯，放热给换热体而自身又冷凝成液态并放出潜热，紧接着在无任何外加动力的作用下，仅仅借助于管内的毛细吸液芯所产生的毛细力，冷凝液体又回到蒸发
26、段相变蒸发位置，然后继续吸收外界热量发生相变并蒸发，如此反复循环，由工质不断的蒸发和冷凝，把热量不断地从热端传递到冷端，从而达到热量从一处输送到另一处实现热量转移的目的。1.4.2 重力热管工作原理虹吸式热管借助于管内的毛细吸液芯所产生的毛细力提升工质的高度不超过200mm，这是由吸液芯自身毛细力的大小决定的，一般这样高度或者长度的热管对于需要大的长径比的换热场合就难以适从了，这时就可以采用重力热管或着离心热管来实现这一换热目的。典型的重力热管是由管壳、工作液体、端盖和翅片构成的,管壳通常由金属制成,重力热管的下端为蒸发段，上端为冷凝段，根据应用需要在两段之间布设绝热段,翅片是为了与管外流体换
27、热更迅速而安设的。重力热管也是以工质潜热的形式传递热量的，重力热管在制作时,也是先将管内抽成10-4托的负压，然后利用负压将工作液体吸入，这样可以比较容易地充入工作液体，工作液体充分充入管内后然后加以密封，这样就制成了重力热管。重力热管开始工作时，首先热管的下端与管外流体进行接触，使管壳受热由于管壳是热的良导体，迅速将热传至管内工质，当热管内蒸发段工质受热后，管内干道中的工质发生相变并蒸发汽化，蒸汽在微小的蒸汽压差上升至冷凝段，然后传热给管外流体而自身又冷凝成液态并放出潜热，冷凝液体在重力作用下回流至蒸发段，然后继续吸收外界热量发生相变并蒸发，如此反复循环,工质的蒸发和冷凝，把热量不断地从热端
28、传递到冷端，从而达到热量从一处输送到另一处实现热量转移的目的。热管在实现这一热量转移过程中，重力作用驱使工质返回蒸发段，因此称为重力热管。重力热管经常竖直排放，以便工质顺利返回蒸发段，为了使工质的汽化和回流更容易进行，重力热管可以采取稍稍偏离竖直方向的非垂直角度进行安装，这决定了重力热管传热具有单向性，由于没有了吸液芯，使得其结构比虹吸式热管更简单，而且也更容易制造。1.4.3 离心热管工作原理离心热管也是由管壳、工质、端盖和翅片组成的。离心热管带有一定锥度，工作时使工质随壳体一起旋转，工质蒸发汽化后的蒸汽脱离管壁，沿中心依靠其蒸气压上移，冷凝液在离心力作用下均布于管内壁，这样既可强化工质与外
29、界的传热，又可使之较为方便地返回蒸发段。 工质工质是热管的主要组成之一，在热管的传热过程中起着举足轻重的作用，热管之所以具有很高的传热系数，主要是由于工质汽化时的汽化潜热很大，虽然工质在管内处于同温传热，但是传的热却是从外界获得的、数值远大于管壳金属热传导的、工质的汽化潜热，因此释放给外界冷流体的热量要远大于管壳金属同温度热传导的热量(一般换热器就是以热传导方式进行换热的)，所以热管的传热系数远远要高于一般金属，其原因就在于此，主要是热流密度很大。 工质与管壳的不相容性由于热管往往用于较高温度下的传热场合，因此管壳与工质在高温下可能发生一些作用必须加以考虑，以免影响热管的性能发挥，这些作用的后
30、果一般非常严重，主要表现在以下几个方面：产生不凝性气体、物性恶化、管壳材料的腐烛(低温下也可能发生)、溶解。 工质选择的原则工质的选择是热管发挥最佳传热效果的关键,因此工质的选择必须遵照一定的原则：首先要求管壳和工质在设计寿命期限内是化学相容的，即不起化学反应，不得生成新的物质，这样就必须对造成热管不相容的影响因素有更多的了解，有必要时还必须通过实验进行验证，尤其在选用新的工质时，如果从文献中部能够获致相关信息，就必须通过相容性性能验证，最终确定工质的选用与否。其次，通过合理搭配，优化热管内部结构也是工质选择的关键，这样才可以热管发挥最佳传热效果，使热管长期有效地工作在其温度范围内。管壳一般由
31、热的良导体制成，通常要求价格便宜、容易加工成型，其中碳钢便是管壳的首选材料之一。这就要求所采用的工质必须与碳钢不发生作用。再者，工质的装填量也必须科学合理，这就对工质的物性有相当高的有求，必须有较大的汽化潜热和热导率，以便有更大的热量密度传导，粘度要小，饱和蒸汽压力要低，表面张力要大，而且还应有良好的热稳定性。当然,热管的工质还必须是安全的，即必须是无毒，不易燃和不易爆，以免发生意外泄漏时造成的不必要损失。常用的工质有：水、甲苯、甲醇、酮、导热姆、氨、萘、氟里昂R-11、R-113等，高温热管多采用碱金属作为介质，有时也可由多种活性金属及其化合物混合而成。1.6 热管的特性热管的特性如下:（1
32、）很高的导热性由于热管内部主要靠工质的汽、液相变传热，工质汽化时的汽化潜热很大，虽然工质在管内处于同温传热，但是传的热却是从外界获得的、数值远大于管壳金属热传导的、工质的汽化潜热，因此释放给外界冷流体的热量要远大于管壳金属同温度热传导的热量(一般换热器就是以热传导方式进行换热的)，而且内部热阻很小，所以热管的传热系数远远要高于一般金属，因此热管具有很高的导热能力5。(2) 优良的等温性热管内部主要靠工质的汽、液相变传热，相变时工质的温度并未发生变化，只是相变发生热量变化。因此，热管内温差很小，几乎恒温。(3) 热流密度可变性相变产生的相变热多少与工质、工质的用量以及热管蒸发段或冷却段的传热面积
33、有直接的关系，而且与热管外部加装翅片的面积也有很大关系，由于这些参数可以改变，所以可以实现不同热流密度的热传递，如以较小的加热面积获得较大的相变热量，而以较大的冷却面积输出相变热量，或者以较大的加热面积获得相变热量，而以较小的冷却面积输出相变热量，通过改变传热条件，可以实现了不对等热流密度传热的难题。(4) 热管的二次间壁换热特性由于热管换热是依靠热管内封闭的工质来传递的，冷热流体与热管之间的换热不会影响到工质的工作，因此即使在冷热流体断供的情况下，热管也不会受到破坏，也就是说，由于设备事故造成的临时停车不会影响到热管的性能，不会对热管产生破坏；反之，热管换热器中冷热流体的流动是分开流动的，互
34、不直接接触，如果热管中一根换热原件破坏，也不会影响到冷热流体的各自流动，不影响整体换热的效果，也无需停车检修，不会对生产造成影响，这就是热管的二次间壁换热特性。热管的二次间壁换热特性是实现安全、可靠、长周期设备的重要保证，也是传统的间壁换热设备所不具备的特性，传统的间壁换热设备只要有一处换热元件损坏，就必然导致停车检修，停车将会造成很大的生产损失，而热管则不然。除此之外，虹吸热管还具有热流方向的可逆性、热二极管、热开关性能及环境的适应性等特性。1.7 热管换热器热管换热器是热管的应用形式，是由多根热管元件制作而成、具有一定结构的换热设备。热管换热器的形式很多，根据具体的用途，可以分为余热蒸汽型
35、、空气预热型、余热干燥型和冷却冷凝型等等，可以根据传热总面积和热管的具体尺寸数据进行热管换热器的设计、整型和安装使用。以处理的对象来分，热管换热器目前主要以低温换热和中高温换热为主要目的，如空调器热管就属于低温型热管，而锅炉尾气余热利用热管则属于中高温热管。热管的材料主要选用碳钢，一般水为工质，这类热管换热器在空气预热、蒸汽发生等余热回收、节能环保装置应用最为广泛。与热管换热器进行热交换的外界冷热流体只是以热管为中间热量传递介质，在管外流动，通常可以通过加装翅片的方式增大其与冷热流体传热的面积，也可以通过增加绝热段的长度使其进行远距离热量传输，还可以将其做成平面状铺设在路基、路面以下保护路面不
36、受严寒的侵烛，或者防止路面以下冻冰的融化。热管换热器结构简单,换热效率高,我国第一台高炉热管空气预热器是1982年在马鞍山第一炼铁厂正式投用。1.8 热管的主要用途热管的应用非常广泛，大至航空航天，小到芯片散热,有热交换的地方，都可能用到热管及热管换热器。热管在冶金、机械、交通、电力、轻纺、化工、石化、能源、动力、电子、玻璃、轻工、陶瓷、制冷空调及医疗等领域的应用愈来愈普遍6。（1）电力工业由于热管式换热器具有小温差下传递大热量的特点，在一般电站锅炉中作为前置式的空气预热器或后置式热管换热器,都会回收大量能源。热管风冷器是一种高效的蒸发冷凝设备，适用于大型电站透平背压蒸汽的冷凝。在缺水地区采用
37、风冷方式的使用。用锅炉排放的热烟气加热脱硫后的冷烟气，即电站脱硫的GGH，用到热管换热器。福建省永安发电厂2130 t/h型燃用无烟煤锅炉，1987年加装前置式热管空气预热器，低温段空气预热器人口风温由3040升高到8090，排烟温度由151降低到133，锅炉效率提高了 2.68%。四川成都热电厂1987年利用热管式空气预热器代替卧式玻璃管空气预热器，排烟温度降低了。溁河发电厂1991年利用热管式空气预热器代替回转式空气预热器,年经济效益250万元。 （2）化工及石油化工化学反应往往伴随有热效应，对于放热反应,需要及时移走热量，而对于吸热反应，则需及时供给热量以维持化学反应的正常进行。利用热管
38、换热器移走化学反应热或供给化学反应热，可以把化学反应控制在理想的温度范围内进行，从而可以得到高产品质量和产量。另外，工业排气的温度往往高达上百度，从节能角度讲，必须加以回收利用。热管已广泛应用于工业锅炉、锻造炉、热处理炉等工业炉、窑的高、中、低温烟气余热的回收工程中。主要利用烟气来预热燃烧所需的助燃空气、煤气或水等；另外，还可以利用烟气余热加热水获得高压蒸汽。高寒冷地区的石油或者其他流体的输送管线也会因季节的变化，导致管线的基础也会因季节的变化而变形，这种变化会破坏管线，导致重大事故。同时管道内的流体与管道摩擦也会产生大量的热量，这些热量累积起来非常客观，长期以往会对环境产生毁灭性的破坏，美国
39、在建设阿拉斯加输油管线的时候，为了保护那里的永冻土层，在管线沿线设立了大量的热管以阻止管线）建材建筑及轻纺工业对于水泥、陶瓷等建材行业，利用换热器回收容炉烟气的余热，产生热风或热水。如热管式热风炉或热管列管组合式热风炉，可产生500以下的热风，干燥清洁物料。建筑业热管式空气预热器可用于室外的新鲜空气和室内的浑浊空气之间的热交换；在集中空调制冷机组中，利用热管换热器口收废气余热产生低压蒸汽供空调制冷机组使用。（4）交通工程高原寒冷地区的冻土是一种对温度极为敏感的土体结构，冬天寒冷的时候产生，温度稍微变暖，冻土构成的路基便会融化，对于交通作业是一种严重威胁，采用热管，通过传热，
40、自动地缩小地上与地下的温差，从而使冻土在夏天不致融化，以达到保护公路、铁路路基的目的，目前，青藏铁路的线路和设备设施都采用了这种形式，保证了铁路的正常运行。（5）电子工业 热管可以用来冷却大容量电力电容器及电力变压器，提高变压器发热部分的散热。这样可以增加变压器的负荷，并为变压器无粟系统冷却提供了可能性。热管还可用于冷却蓄电池因充、放电而产生的热量,可以大大降低充、放电时电解液的温度，使充电始终处于正常充、放电状态，延长充电时间，而缩短放电时间。由于电子元件及微型组件向小型化方向发展，有效的散热面积却相应缩小，从而使散热问题更为突出，为了减小热源和冷源间的热阻，使电子元件更有效工作，热管发挥着
41、重要作用，热管可以用于电子元件及微型组件的散热，尤其在需要高传热性和温度可控性时热管更有效，在笔记本电脑里，这样可以节约成本、降低的噪音、减少空间。另外，巧妙的利用分离式热管的特点，避免使用复杂管路进行大流量气体的迁移，有效地回收空调排风系统中的低品味能量，减少制冷/热设备的制冷量，从而达到节能的目的。（6）航空航天在太空中运行的卫星、太空航天站、宇宙飞船等航天器，面向太阳的一侧受到太阳的直射，温度很高，而背向太阳的一侧很难收到光照，因此温度很低，从而导致飞行器两侧的温差很高达到275，如此大的温差极易造成飞行器的变形，由于太空中几乎没有空气，不可能通过空气来调节温度，因此热管的超导热性以及等
42、温性使它成为航空航天技术中控制温度的理想工具。由于处于失重状态，虹吸热管成为首选对象，在卫星上使用16根直径为7 mm的锅-氨热管，就可以有效地控制直流稳压电源等发热元件及船内主电池的温度，使之维持在适宜的温度范围内。（7）动力工程热管换热器在增压柴油机中使用，可以实现尾气对助燃空气的预热，显著降低尾气温度，提高助燃空气温度，提高柴油发动机动力性和燃油经济性，还能降低发动机热负荷和高温尾气排放。另外，热管换热器还可以作为内燃机尾气余热回收的工具，用来回收汽车内燃机废气中的大量热量。吉林工业大学汽车工程学院的苏俊林等设计了工质为导热姆的热管换热器，用来回收汽车内燃机排出废气中的热量，用于大型客车
43、冬季取暖问题。美国的几艘海岸巡逻艇上安装了换热装置，从内燃机废气、冷却水中提取一部分热量以提高水的温度，供船员们洗澡、洗衣之用7。（8）太阳能太阳能热管散热器，与制冷系统联合循环，可以提高太阳能的利用效率，而且是一种高效的换热方式，地热资源的利用也可以采用热管技术，利用热管换热器将地热传送到地面上来加以利用。1.9 热管及热管换热器的最新进展热管技术经过50年的快速发展，目前已经在各行各业发挥着巨大作用，未来将朝着更加高效、微型化、大规模化方向发展8。(1)热管结构和工质的改进仍是提高热管性能和适用性的重要途径；(2)热管的均温、热屏蔽及可分离特性，将为解决化学反应器中温度分布不均匀及核反应堆
44、壳体的安全散热等问题提供新的方法。南京工业大学“无限逼近”最适宜反应温度的热管化学反应器热管式氨合成塔的研制成功，标志着我国在朝着高效热管工业反应器研究领域迈出了坚实的一步。(3)热管的热流变换及自吹灰特性是防止工业换热设备露点腐烛及灰尘堵塞的重要技术保证。该技术已在小化肥煤造气炉的余热回收、大型电站锅炉的空气预热器、高温燃煤热风炉的应用中得到了充分证实。(4)液态金属热管的研发成功，及制造成本的下降，将使在超高温反应设备中连续取热成为可能，实现煤造气炉的连续制气、核电工程的新型热管蒸汽发生器、紧凑高效液态金属热管换热器技术的完善，将取代玻璃、冶金等工业中的陶瓷换热器9。总之，热管技术将随着行
45、业技术的进步和需要的不断的进步面临新的机遇和挑战，未来新的局面可以期待。1.10 本文主要的研究内容本文主要的研究内容如下：(1)采用自制碳钢-水热管作为传热元件，设计用于燃油锅炉烟气热量回收的热管式空气换热器，并对其换热效果进行分析计算。(2)设计制造用于10T/H燃油锅炉烟气余热回收利用的热管空气预热器。(3)考察空气热管空气预热器的性能和节能效果。第2章 碳钢-水热管的性能分析与研究碳钢-水热管换热器是目前最具代表的热管换热器，以碳钢-水技术为代表的热管空气预热器、热管蒸汽发生器等热管换热器的开发和应用最为广泛。2.1 热管工质和管材的选择.1工质的选择在允许的温度范围内，蒸馈水是最理想
46、的热管工质，因为蒸傾水便宜、易得，而且具有最佳的传热特性，水的使用温度是30200，而锅炉烟道气温度低于300，使用水为工质是最合适的10。2.1.2 管科材料的选择热管管壳的选择必须考虑到管壳与水的化学相容性、管壳的强度以及经济性。由于碳钢管的强度可满足要求，价格便宜、碳钢的导热系数较大，在余热回收中，是比较理想的管壳材料。铁与水在高温下发生化学反应产生不凝性气体氧气，氧气很难凝结成液体，因此会在热管内聚集，占用一定的体积，从而降低工质的工作空间，降低传热量，有时还会发生气塞现象，使工质不能正常工作,影响热管正常使用，另外“氧脆”现象也必须引起足够重视，“氢脆”可能会使碳钢和不锈钢热管管壳脆
47、裂，使热管强度下降。由于碳钢-水热管的不相容性，需要在制造过程中加以消除，如果不加以消除通常热管换热器在工作一两年后，其性能可能会下降30%50%，目前各国都在研究克服钢水相容性差的方法，常用的消除热管不相容性的方法有：热管顶部加装不凝器排气装置，定期排气，热管内顶部悬挂H2吸收剂等，但是这些做法仍治标不治本，不能使热管长期维持正常工作，也有通过在管内加一层相容性材料，如铜或搪瓷，制成铜钢复合管或搪瓷复合管，以提高热管的化学稳定性，但是这种方法管壳制造成本高，工艺复杂。2.1.3 充液率充液过多，蒸发段工质容易出现不饱和现象，液态工质将会被气体夹带进入蒸汽上升管，甚至到冷凝段，影响热管的启动，
48、启动时间延长，热管的工作反应能力下降。充液过少，蒸发段底部不处于相变换热区，工质大部分过热蒸汽或过冷流体状态换热，会使加热段上部管内壁无液膜覆盖，热管换热量和传热系数均很低，影响蒸发段的传热性能，引起传热恶化11。合理的充液率才能使热管工作于最佳状态，充分发挥热管的高效传热性能。综合分析换热量和传热系数，认为充液率在82%-98%时热管能够达到最佳工作状况，这时热管内工质以相变换热为主，热管换热量和传热系数均较大。2.1.4 热管空气预热器的作用机理烟道气的余热回收中，热管换热器的布置一般不受限制，因此选用重力热管，这种热管结构简单，制作方便，传热效果好，是余热回收中比较理想的结构，它与虹吸热
49、管不同之处在于管内没有吸液芯，凝结液从凝结段回流到蒸发段不是依靠吸液芯所产生的毛细力，而是依靠凝结液自身的重力12。2.2 单管的性能测试将碳钢管一端封死，然后充以一定量的蒸馏水，管内水的充装量为整个热管容积的15%20%,然后抽真空、封口，最后加装翅片。热管制造过程中必须严格控制流程，否则会影响热管性能和寿命。翅片管长270mm，翅片直径50mm，翅片个数100。翅片用来扩展换热表面并促进介质紊流，通过调整翅化比来调节热管冷热段的热阻比，从而达到改善传热状况、控制热管工作温度的目的。本实验对单根热管的启动性能、热管等温特性、寿命和传热效率进行试验。2.2.1 启动性能测试热管启动性能是热管的
50、重要技术参数之一，体现了热管启动的快慢，也是热管瞬态特性的组成部分。测试方法是：将热管蒸发段插入水浴槽中，然后逐渐提高水浴槽的温度，直到冷凝段端部感受到温度变化为止，如图2-1所示。使冷凝段发生温度变化的最低热端温度称为热管的启动温度。一般启动温度不应超过50，启动温度越低，说明热管的真空度越高，说明热管的工作特性越好。图2-1热管启动性能测试装置示意图热管的启动温度不仅与工质的量有关系，而且与工质的种类也有很大关系，还与热管的倾角和水浴的加热功率有关，本文选取了水作为工质。因此着重考察了其余因素对热管启动性能的影响情况。2.2.2 热管的等温特性测试热管温度特性测试目的是测定热管蒸发段和冷凝
51、段的等温性。测试方法是：将热管蒸发段放入沸水浴槽中，当热管的工作温度达到稳定后，用热电偶测定冷凝段壁面温度分布，测量点平均分布于冷凝段。顶端和下端点温差不应高于3。热管的等温特性主要与工质及热管内部的真空度好坏有很大关系。本文选取了水作为工质。因此着重考察了线 热管的传热性能测试采用GB/T 14812-2008对热管传热性能进行测试。冷凝段放入风管内，用I 、II的电加热丝直接给蒸发段加热，加热功率用功率表测量。实验台由翅片管、冷段风道、冷段风机、热段电加热器(I 450W，II1000W)、工况选择开关(I和II)、热电偶、电源转换开关、热球风速仪、冷段热电偶接线所示。将功率与风管温度绘图，可得出在风速一定的情况下，热管传热功率与管壁温度之间的关系，该曲线即为热管传热功率曲线 热管性能测试装置示意图1冷段风机 2热管换热器 3电加热器 4一冷段出风口 5风速测定仪 6测温元件 7温度数显示仪表 8工况选择开关 9电源转换开关 10支架 11冷凝端风机操作步骤：1.连接电位差计和冷、热端热电偶(将冷段热电偶的接线柱短路，测出的温度须加上室温) ；2.将工况开关按在“工况I”位置(I1500W)，此时电加热器和风机开始工作；3. 用热球风速仪测量冷段出口风速(为使测量工作在风道温度不超过40的情况下进行，
53、必须在开机后立即测量)；4.待工况稳定后(约20分钟后)，按下电源转开关，切换至测温点，逐点测量冷热段温度；5.将工况开关按在“工况II”位置(II3000W)，重复上述步骤，测量工况11的冷热段温度；6.实验结束后，切断所有电源。2.2.4 热管的改性效果测试采用热管正常的运行时间来衡量热管的化学稳定性，从侧面反映通过化学锻铜所产生的效果。测试装置如图2-3所示。本文选用32mm3mm、管长的碳钢无缝钢管作为试验用管。蒸发段和冷却段的长度均为275mm,绝热段的长度为50mm。方法为:将经化学镀铜处理后制作的带有翅片的单管的蒸发段外缠绕3kw电阻丝，电阻丝外用石棉绳及水泥膨胀珍珠岩外壳进行保
54、温，冷凝段和合外界的热交换为自然对流。用热电偶分别定点测定蒸发段和冷凝管的温度随时间的变化情况。同时在同一套装置采用未进行化学处理的同类型单管做对比试验，同样采集蒸发段和冷凝管的温度随时间的变化数据。图2-3 热管的改性效果测试装置示意图1测试热管 2对比热管 3, 4, 5, 6测温元件7温度数显示仪表 8工况选择开关 9电源开关 10支架操作步骤：1.连接电位差计和冷、热端热电偶；2.将工况开关按在“工况II”位置(II一3kw),此时电加热器开始工作；3.待工况稳定后，隔时间节点逐点测量热段、冷凝段测试点温度；4.实验结束后，切断所有电源。2.2.5 计算方法冷段换热量: QL=LFLC
55、LtL2-tL1 (2-1)热端换热量: Qr=rFrCrtr1-tr2 (2-2)传热系数: K=QL/SLt (2-3)式中，QL，Qr为冷段、热端换热量，W为冷、热段出口平均风速，m/s；FL，Fr为冷、热段出口面积m2；tL2,tL1, tr1,tr2为冷、热段进出口风温，；L，r为冷、热段出口空气密度，kg/m3；SL为冷段传热面积，m2；2.3 结论与讨论.1 热管的启动性能维持水浴加热功率不变，逐渐提高水浴槽的温度，开始加热后,加热段温度逐渐上升，但是开始阶段会出现温度波动，相应地冷却段温度也发生波动，直到某一时刻，加热段温度才会突降到工作温度处平稳波动，同时冷却段温度显著升高，
56、并在某一温度附近发生波动，此时温度作为启动温度。2.3.2 热管的等温性 将热管蒸发段放入沸水浴槽中，当热管的工作温度达到稳定后,用热电偶测定冷凝段壁面温度分布，冷凝段、绝热段中部测温点的温度变化情况如下图2-4。 图2-4热管的等温性能从图2-4能够准确的看出,启动温度在38左右，冷凝段和绝热段的温度在启动之后，逐步上升，达到左右基本维持不变，而且冷凝段和绝热段温差小于2，从绝热段到冷凝段整个温差小于0.2%，说明所制作的热管等温效果很好。2.3.3 热管的传热性能将热端加热功率与风管温度绘图，可得出在风速一定的情况下，热管传热功率与管壁温度之间的关系，该曲线即为热管传热功率曲线热管传热性能-加热功率与冷端风管出口温度的关系从图2-5可以看出，在最低的启动加热功率2kw左右，热管处于正常工作阶段，冷端风管出口温度开始上升，随着加热功率的提高，热管内工质的蒸发量增加，冷端风管出口温度也随之升高，说明热管的传热性能随获得热量的密度的增加而提高，传热速率加快。2.3.4 小结 以碳钢-水热管为研究对象，为了提高碳钢-水热管的化学相容性，通过化学处理法对自制的热管进行改性研究，通过对改性后热管的启动性能、传热性能、等温性能及其寿命的测试，论证了化学改性的可行性。 第3章 热管式空气预热器的结构设计本章针对实际需求对热管式空气换热器进行设计，本装置是为10T/h蒸汽燃油锅炉
58、余热回收而设计的，釆用热管式空气预热器作为换热器，使排放的烟气温度降低，用于加热助燃的冷空气同时提高锅炉热效率，完善锅炉的燃烧性能，以减少燃料的消耗，进而达到节能的目的。 热管设计基础理论热管换热器就其传热本质而言仍属于间壁式换热器，为此可以把热流通过热管向冷流体的传热过程假设成为一个间壁传热过程13。现对其传热过程进行分解阐述。在间壁两边可以根据不同的需要采用不同的扩展表面。热流体温度为,冷流体温度为，这个传热温降(-)的大部分发生在两边的流体侧面，而热管本身的温降是很小的。如以热阻进行分析，热管的传热过程中的传热总热阻是由以下9项热阻构成的，图3-1作为热管传热过程中的等效热阻分解图。图3
59、-1热管传热过程中的等效热阻分解图在上述过程中，存在9种传热热阻，热阻用R表示。其中：为热流体与热管外表面的对流传热热阻；为蒸发段管壁径向传热热阻；为蒸发段内工质径向传热热阻；为汽-液界面蒸发传热热阻；为蒸汽轴向流动传热热阻；为汽-液界面冷凝传热热阻；为冷凝段内工质径向传热热阻；为冷凝段管壁径向传热热阻；为管壁外表面与冷流体对流传热热阻；为管壁轴向传热热阻；为工质轴向传热热阻。、五项热阻本身热阻是很小的，而且与其它热阻相比可以忽略不计。其中可以通过改变热管加热段和冷凝段外表面积及热冷流体的流速来调整。因此在本设计中仅考虑其余热阻对传热的影响，故总热阻为：R =+(3-1)从热流体到冷流体的总温
60、降也是这6个温降的总和，=+(3-2)热管的传热过程可参照间壁式换热器,因此,传热公式如下：(3-3)式中，为总热流量，为总温降、为总传热系数，取加热段的光管外表面积作为计算标准。由于热管空气预热器的传热热阻主要取决于和两项外部热阻，而温度对这两项热阻的影响较小。计算表明温度为100和200的烟气，在其它条件相同时，其管外放热系数相差不到不到10%。因而可按冷、热流体的平均温度计算各自的放热系数，然后由此值计算出的传热系数即代表整个换热器的平均传热系数，并由此传热系数计算换热器的总面积A。 热管空气预热器的设计 冷热流体基本参数1、热流体参数(1)烟气入口温度(2)烟气出口温度(3)烟气流量
61、(4)烟气密度 (5)烟气的平均定压比热 (6)热负荷 （3-4）2.冷流体参数： (1)空气入口温度 (2)空气流量 (3)空气密度 (4)空气的平均定压比热 (5)空气的温升() 根据热平衡，空气的温升为： （3-5）(6)空气出口温度 热管基本参数1、工质热管管内工作温度可由下式估算：由于工作温度在200左右，选用水作为热管的工质是合适的。2、管壳由于碳钢管的强度可满足要求，价格实惠公道、碳钢的导热系数较大，在余热回收中，是比较理想的管壳材料14。由于与水相容性最好的材料是紫铜，而单纯的铜管的强度比碳钢管低，而且铜管或钢铜复合管的造价要比普通碳钢管高很多，而化学镀铜能满足铜覆碳钢管内表面，又
62、简单方便、成本低，因此采用化学镀铜提高碳钢-水热管化学稳定性。3、热管式空气预热器结构尽管一定的倾角对热管的传热是有利的，但是为了安装方便，本文仍选择热管垂直安装。热管釆用自设计的重力热管。4、翅片的选择加热段和冷凝段均采用外旋挥翅片。翅片为圆形结构。翅片的主要参数如下表3-1。表3-1翅片的主要参数管外径 管内径 翅片外径 翅片厚度 翅片间隙 翅片高度 翅片比,mm ,mm ,mm ,mm ,mm H,mm 加热段 冷凝段 32 26 60 5 32 26 60 5 6 结构设计1、进口质量流速的选择根据传热、积灰和压降要求，选择烟气侧的迎面质量流速为：2、热管加热段和冷凝段的长度根据阻力损
63、失、安装要求以及冷热流体的出口温度要求综合考虑确定。热管的尺寸为：加热段： = 1180mm (翅片长1110mm)冷凝段： = 800 mm (翅片长730mm)绝热段： = 20mm热管总长： = 2000 mm3、进口界面尺寸烟气侧迎风面积为：m空气迎风面积为：m换热器的宽度取1100mm，则加热段实际迎风面积为：空气侧实际迎风面积为：在上述迎风面积下，实际的烟气和空气的质量流速为：烟气：空气：取横向管间距 = 62.5 mm第一排管子数 = 1100/62.5 = 17第一排管的传热面积(以加热管光管外表面积计)由翅片管束的几何特征可以算出，气流的最窄流通截面积约为入口迎风面积的一半，
64、故最窄处的质量流量为： 传热计算 基础数据取换热器进出口温度的平均值作为定性温度。对于烟气:由此，能够获得烟气的物性参数如下对于空气： 热管外壁传热系数(1)加热段以翅片管外表面为基准的传热系数为： 以光管为基准的传热系数，其中翅片效率为：，翅化比计算如下：翅片数目n = 1110/6= 185翅片面积 裸管面积,即翅片之间的光管面积光管面积：翅化比： 即加翅片后的传热面积为原光管面积的倍。故：(2)冷凝段以翅片管外表面为基准的传热系数为：以光管为基准的传热系数为： 其中翅片效率为： 翅化比：翅片数目n = 730/6 = 122翅片面积： 裸管面积,即翅片之间的光管面积光管面积： 翅化比：
65、即加翅片后的传热面积为原光管面积的倍。故：由于与十分接近，误差为6.4%，说明加热段和冷凝段的长度是合适。 热管内传热系数在平均温度下的管内工作时候的温度为：在此温度下水的物性参数如下：管内凝结的液膜的传热系数可由Nusselt理论求解。先假设每根热管的传热量为3kw，则有取蒸发传热系数 管壁热阻 积灰热阻考虑到锅炉的积灰影响，取以加热段光管外表面为基准的传热热阻为： 故， 传热平均温差对于热管式空气预热器来说，换热采用冷热流体逆流的形式进行换热15，以获得最大的推动力。烟气温度从240C最终降至155C，而被空气被从25C加热到144C，此过程中，最大的推动力计算如下： 传热面积 换热器热管数量根
66、考虑到实际情况，选用每排12根，按菱形交叉排列设置，安排19列，每排的间距为：m每根的间距为：m故总热管根数N为：N = 10 xl2+9xll = 219 根热管式空气预热器的管子排布情况如下图3-2所示。图3-2热管式空气预热器的管子排布情况 热管最大传热能热管最大传热能力可以用最大允许传热量表示，计算过程如下：式中：式中为工质的汽化潜热，工质为水，取为为工质的汽化潜热，水在、24C时的汽化潜热为2443.6 kJ/kg；随温度和压力变化而变化；为工质的液态密度， 为工质的气态密度。 由于,蒸汽的参数与温度和压力都有关系，热管内工质的压力可以看做是不变的，为Pa，故:在不同的工作时候的温度下的最大传热能力如下表3-2所示。表3-2热管在不同的工作时候的温度下的最大传热能力工作时候的温度， 100 150 200 250 300最大传热能力 热管的最高工作温度为：热管的最低工作温度为：由此得到：192C下的为， C下的为。每根热管平均传热量为：kw热管的平均热负荷为1.71kw，实际单根热管的传热量远小于最大允许传热量，因此设计是成功的。 阻力计算 烟气侧阻力mmHO其中，B代表流方向上的管排数，为纵
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