目錄一臺蒸汽鍋爐熱管式空氣預熱器的結構設計目錄TOC\o"1-2"\h\u19793設計總說明 I31611畢業設計說明書 132420第一章緒論 1227961.1研究背景和意義 191171.2熱管換熱器研究現狀 1261761.3熱管研究現狀 2266881.4本文設計內容和計算方法 212725第二章鍋爐選型、改造及熱力計算 48042第三章熱管及熱管換熱器 193771第四章熱管及熱管換熱器的設計計算 2449734.1熱管換熱器的設計計算 24229344.2熱管基本參數 25260604.3熱管結構設計 27211964.4熱管傳熱計算 2835444.5阻力計算 31291154.6安全校核 3230056第五章熱管換熱器的安裝與加工 35207555.1熱管的選擇 35276335.2熱管的預處理 35112365.3重力熱管的傳熱加強方法 36112185.4熱管管內工質充液量 38226275.5熱管換熱器管內排布 38190905.6熱管的端蓋 39219075.7熱管換熱器內熱管安裝角度 40297805.8熱管換熱器的隔板密封 40275075.9熱管換熱器管箱 425089第六章總結 4321483參考文獻 4511479附錄 46PAGEI設計總說明本次設計的主要內容是一臺熱管式空氣預熱器，布置在燃氣蒸汽鍋爐的尾部受熱面。將它用于充分回收煙氣余熱，降低排煙溫度，提升熱空氣溫度，減少燃料消耗，優化燃燒條件，從整體上提高鍋爐效率。這個舉動能在能源綜合利用上更進一步。燃氣蒸汽鍋爐是雙鍋筒縱置式結構。爐膛在鍋爐的左側，上、下鍋筒之間的對流受熱面在鍋爐的右側。爐膛由前墻（內有傾斜墻），后墻和側墻。鍋爐的尾部受熱面布置有節能-冷凝一體器，空氣預熱器。鍋爐爐膛配置兩臺燃燒器，在前墻上下布置。在進行設計熱管式空氣預熱器之前，先設計總體鍋爐，對鍋爐總體進行熱力計算。燃氣蒸汽鍋爐原燃料是燃煤，后進行改造成為燃氣鍋爐。原鍋爐排煙溫度為180℃，給水溫度102℃，熱空氣溫度120℃，燃料消耗量為0.4238kg/s。熱管式空氣預熱器內的熱管采用的是兩相閉式熱虹吸管。熱管管殼材料使用是碳鋼，管內工作液體是水。部件采用立式布置，管箱上部分是空氣通道，下部分是煙氣通道，逆流布置。熱管式空氣預熱器的計算分為：結構計算，傳熱計算，阻力計算和壁溫計算。本次設計采用的是φ51×4.5，煙氣側長度1.38m，空氣側長度1m，對總能量1365Kw進行充分余熱回收。單根熱管攜帶熱量是3685W，熱管管束為371根，管束排布是正三角形錯列布置，熱管隊型是24×16。在校核計算中用到了兩種校核方法，雙重保證熱管的安全工作。第一種校核法是通過校核單根熱管的攜帶熱量極限。以工作溫度為150℃為定性溫度，查詢飽和水和飽和蒸汽的物性，通過公式算出單根熱管的最大極限攜帶熱量是8273.4W，遠大于設計中的單根熱管的攜帶熱量。第二種是計算管內最小直徑校核，同樣是以150℃為定性溫度查詢相關物性參數，算出的最小管內直徑是21.7，設計熱管的管內直徑是42mm。兩種校核方法的準確保證了熱管是可以安全工作的。其次校核的是熱管強度。以250℃為定性溫度查詢飽和壓力，計算出熱管最小壁厚是0.91mm，設計中的熱管壁厚是4.5mm。經過校核計算后，證明這次設計的熱管式空氣預熱器是符合設計要求，可以安全工作的。關鍵詞：燃氣鍋爐，熱管，熱管換熱器，設計，應用－PAGE1－畢業設計說明書第一章緒論1.1研究背景和意義伴隨著一次能源的不斷地開發利用，能源資源缺少成為了不可忽視的問題。從近些年的數據來看，全球能源消耗量增長迅速，能源消耗量逐年大量增加，能源利用率低成為主要關注問題之一。而余熱回收技術可以對改善能源的回收再利用起到很好的效果。余熱回收技術的實現主要通過換熱器來實現。目前余熱回收技術還不是很成熟，仍舊有著一些技術上的障礙需要去突破。如果采用常規的換熱器回收能量，會有能源回收效率低，回收設備的成本投資金額高，回本期間長，流體通道容易引發堵塞等諸多問題。而重力熱管換熱器的出現，對于常規換熱器來說，是一個技術上的突破。它具有結構簡單，制作方便，傳熱性能好等特點。在工業應用上，這種裝置被廣泛使用。重力熱管是依靠自身重力，無需其他輔助動力裝置的一種傳熱元件。因為其內部的結構簡單，造價金額較低，工藝流程不繁瑣，傳熱效率高等優點在工業中推廣應用迅速。如今在電力工業，化工以及石油化工，輕紡工業及動力工程等領域都有著以重力熱管為技術核心的技術產品使用。正因為其在多數領域中的使用，這促使著重力熱管的研究得到深層次的開發研究。本次設計內容將以熱管式空氣預熱器為重點內容。以鍋爐設計中的相關數據為參照，將熱管換熱器的設計分為三部分：重力熱管的結構計算，重力熱管的傳熱計算，重力熱管的阻力計算，最后是校核計算，確保熱管能夠安全工作。之后以重力熱管的相關數據，設計熱管換熱器的外殼和其中零部件。1.2熱管換熱器研究現狀熱管換熱器的應用首先是被應用與醫療設備中，Nole-Baghban和Majideian通過先設計換熱器的結構，后進行數值模擬計算，在眾多工質中選擇甲醇為管內工作液體，在保證一定的環境參數下，設計出了氣-氣熱管換熱器。Meskimmon設計的環保式熱管換熱器，以水為管內工作液體，被應用于節能暖通。將原先的制冷劑，用水來代替，并用以于其他傳統制冷劑換熱器進行實驗對比。研究后通過數據對比發現如果管內工作液體使用水，則相較于其他制冷劑，換熱效率提高了18%。程冉冉在研究低，中溫熱管換熱器內部流場形態隨肋片間的間距變化規律中，得出結論：肋片間距為6mm，肋高為13mm，橫向管間距為70mm，縱向管間距為65mm，高溫煙氣入口速度為2.5m/s時，熱管換熱器的工作性能能達到最優化。在研究中中低溫熱管換熱器中，肋片傾斜角對于熱管換熱器的性能影響中，高賀軒的研究表明，當冷凝段的冷卻介質的熱阻和出口溫度隨著肋片的傾斜角的增大而增大。當冷凝段肋片傾斜角為10°時，熱管換熱器的綜合性能達到最優。1.3熱管研究現狀重力熱管是熱管換熱器中的核心組件。熱管換熱器的工作性能對于其內部的熱管管束有著很強的依賴性。正因為如此，國內外很多學者對于重力熱管的性能研發進行大量研究與優化。PatrikNemec對玻璃重力熱管中的各種工質的工作狀態進行可視化研究。他利用高速攝像機對管內工作液體的流態進行拍攝，解釋了在熱管工作過中的熱管內出現的工質沸騰、氣泡形態及管內蒸汽上升至冷凝段散發熱量凝結回流等物理現象。重力熱管的傳熱性能不止取決于其管內工作液體，還依靠熱管的管徑大小及內部結構等因素。AzzolinMarco等人研究了低質量條件下，管內內徑為3.4mm，工質為R134a的管內水平和垂直流動的對流冷凝現象。在相同條件下，因為重力作用使水平管內的液膜厚度減小，工質垂直向下流動的冷凝換熱系數只有水平的一半。1.4本文設計內容和計算方法本次設計內容有兩部分：一部分是鍋爐總體設計，一部分是熱管及熱管換熱器的設計。鍋爐總體設計中內容包含：燃燒機計算，熱平衡及燃料消耗計算，爐膛熱力計算，燃盡室熱力計算，第一鍋爐管束熱力計算，第二鍋爐管束熱力計算，節能-冷凝器熱力計算，空氣預熱器熱力計算和熱力校核。熱管及熱管換熱器的設計內容包括：熱管結構計算，傳熱計算，阻力計算，熱力校核和熱管換熱器的結構計算。具體步驟如下流程圖所示：

第二章鍋爐選型、改造及熱力計算2.1鍋爐選型雙鍋筒縱置式鍋爐的形式頗多，可以根據鍋爐與爐膛布置的相對位置不同，分為兩類：D型和O型。“D”型鍋爐的爐膛與縱置雙鍋筒和連接期間的管束組成的對流受熱面煙道平行設計，各處一側。爐膛四壁均布置水冷壁管，其中一側的水冷壁管直接引入上鍋筒，形成爐頂，從側面看就像“D”形狀?！癘”型鍋爐的爐膛在前，鍋爐對流管束在后，從正面看，處于雙鍋筒之間的鍋爐對流管束呈現出“O”形狀?！癘”型鍋爐，相較于“D”型鍋爐，在受熱面布置上更加自由和舒展，且可以制造大容量、高參數的鍋爐。雖然“O”型燃煤鍋爐的爐膛改造為燃油燃氣鍋爐的步驟比“D”型略微麻煩，但符合燃燒天然氣的火焰特征。在選擇鍋爐產品型式時，“D”型燃油燃氣鍋爐的容量最大可達40t/h，而“O”型可以制造比“D”型鍋爐更大容量，更高參數的鍋爐。所以在本次設計中選擇“O”型雙鍋筒縱置式鍋爐為放置熱管式空氣預熱器的鍋爐。具體鍋爐結構可看下圖。2.2鍋爐改造在鍋爐改造上，因為“D”型的容量最大可達40t/h而“O”型可改造為容量更大的鍋爐，所以“D”型燃煤鍋爐改造為燃油燃氣鍋爐的步驟比“O”型鍋爐改造較簡單。以下是“O”型鍋爐的改造步驟：在進行燃煤鍋爐改造成燃氣鍋爐時需要對鍋爐的結構特征和具體改造步驟進行充分考慮，盡量減小步驟，減輕工作量。根據國家標準，SZL“O”型鍋爐改為燃油燃氣鍋爐SZS“O”型。將煤斗拆除，保留原先的鏈條爐排，并且只在鏈條爐排上鋪設耐火磚，用耐火水泥將磚壓實，組成燃油燃氣鍋爐的干爐底。爐膛內燃燒器的布置比較靈活。燃燒器可以在前墻布置，也可以布置在兩側墻上面。如果布置在爐膛前墻上時，爐膛內的火焰充滿度較比較差，但是操作檢修方便，管線和風道容易布置得合情合理。在前墻布置時，需要拆除后拱管，用來保證爐膛內有足夠的火焰伸展長度。在鍋爐開始準備進行燃油或者燃氣前，應該先把對流管束內的煙灰清理干凈，將鍋爐爐膛內水管表面的煤灰處理干凈；同時將水側的水垢清理干凈，用來提高鍋爐受熱面的傳熱能力。正、負壓燃燒的燃油燃氣鍋爐應特別注意密封性。具體燃煤鍋爐改造成燃氣鍋爐結構可看下圖。2.3鍋爐熱力計算1.燃燒計算鍋爐原始設計熱力參數：額定蒸發量D=130t/h過熱蒸汽壓力Pgr=2.45Mpa過熱蒸汽溫度tgr=400℃給水溫度tgs=102℃熱空氣溫度trk=120℃排煙溫度tpy=180℃鍋爐原燃料特性：應用基含碳量Cy=49.48%應用基含氫量Hy=3.74%應用基含氧量Oy=6.59%應用基含氮量Ny=0.92%應用基含硫量Sy=0.73%應用基水份Wy=6.5%應用基灰份Ay=32.04%可燃劑揮發份Vr=32.4%應用基低位發熱量Qydw=21000kj/kg理論空氣量：VV0=5.195m3/kg燃燒產物計算：理論二氧化碳和二氧化硫的體積（VRO2）VRO2=VSO2+VCO2=1.866VRO2=0.928m3/kg理論氮氣體積（V0N2）VV0N2=4.111m3/kg理論水蒸氣體積（V0H2O）VV0H2O=0.579m3/kg理論煙氣量（V0y）VV0y=6.338m3/kg過量空氣系數（a）過量空氣系數（ɑ）是實際供給的氧量與燃燒過程的實際消耗的氧量比值。由于爐墻和穿墻處不嚴密，并且鍋爐經常負壓運行，導致煙道沿程均有空氣漏出，因此計算中需要考慮的漏風系數。根據ɑ的值的大小與燃燒方法及燃料的性質有關，一般對煤炭來說ɑ=1.15～1.35。選擇爐膛的過量空氣系數ɑ=1.2，考慮漏風系數Δa=0.1，得到ɑ=1.3。實際煙氣量（Vy）當ɑ>1時，所產生的煙氣量中，還需增加過剩的空氣量以及過量空氣帶入的水蒸氣量，即為實際煙氣量。VVy=6.939m3/kg實際干煙氣量：VVgy=6.338m3/kg體積份額三原子氣體體積份額：rrRO2=13.4%水蒸氣體積份額：rrH2O=8.7%氮氣體積份額：rrN2=77.9%8.焓值計算實際燃燒產物（煙氣）的焓由理論燃燒煙氣焓（I0y）、過量空氣的焓（（a-1）I0K）以及飛灰焓（Ifh）三個部分組成。I各個溫度段的焓值如下表4-1所示：表4-1煙氣焓溫表（爐膛）煙氣或空氣溫度（℃）理論煙氣焓（kj/kg）理論空氣焓（kj/kg）理論煙氣焓增(kj/kg)爐膛=1.3Iy△Iy40032452814.528464193109150041153553.748865313135860050014310.618866671135870059115090.879387630120280068505870.089388832120290078056654.49970100531244100087757459.68970112961244110097508285.649801255112601200107309111.619801381112601300117329937.58102215106133914001275510789.52102216444133915001376511636.27102717762130216001479212483.01102719065130217001582513334.95103620422132418001686114181.70103621745132419001791415049.22104423109135020001895815921.94104424459135021002002116789.47106125819135722002108217662.191061271761357表4-2煙氣焓溫表（燃盡室，第一鍋爐管束）煙氣或空氣溫度（℃）理論煙氣焓（kj/kg）理論空氣焓（kj/kg）理論煙氣焓增(kj/kg)燃盡室第一鍋爐管束=1.35=1.45Iy△IyIy△Iy40032452814.52846433411273416119950041153553.74886549111804615125660050014310.61886667111805846125670059115090.87938788412417102131980068505870.08938912512418393131990078056654.4997010386128497121364表4-3煙氣焓溫表（第二鍋爐管束，省煤器）煙氣或空氣溫度（℃）理論煙氣焓（kj/kg）理論空氣焓（kj/kg）理論煙氣焓增(kj/kg)第二鍋爐管束省煤器=1.55=1.65Iy△IyIy△Iy20015781383.36798238712062525.5981275.97530023992092.45846362512713834.7301343.49140032452814.52846489712715178.2221343.49150041153553.74886620213326557.1161407.32660050014310.61886753313327964.4421407.326表4-4煙氣焓溫表（空氣預熱器）煙氣或空氣溫度（℃）理論煙氣焓（kj/kg）理論空氣焓（kj/kg）理論煙氣焓增(kj/kg)空氣預熱器=1.75Iy△Iy40015781383.367982663.9351345.58550023992092.458464043.9751415.69960032452814.528465459.6741415.69970041153553.748866912.4891483.0142.鍋爐熱平衡及燃燒計算鍋爐輸入熱量：Qr鍋爐有效利用熱：Q=D其中：h”gr是過熱蒸汽焓，按過熱蒸汽溫度為400℃，過熱蒸汽溫度為2.45MPa，查表得出值為：3240.79kj/kg。h下表4-5為鍋爐內各種損失：表4-5鍋爐內各種損失排煙損失化學未完全燃燒損失物理未完全燃燒損失散熱損失灰渣損失q2q3q4q5q66.60.0584所以鍋爐效率：η則實際燃料消耗量為：B=100?計算燃料消耗量為：Bj3.鍋爐爐膛熱力計算爐膛校核熱力計算的步驟如下：1.算出輻射受熱面積2.計算出1kg燃料帶入爐膛的有效熱量Q1，再根據焓溫表查出理論燃燒溫度θ0（℃），T0（K）3.假設爐膛出口溫度θ”1，根據焓溫表查出出口煙氣焓I”，算出煙氣平均熱容量Vc和爐膛系統黑度a14.計算波爾茨曼準則數Bo，求出Bo（1/a1+m），根據公式算出無因次煙氣溫度θ”l，再算出爐膛出口絕對煙氣溫度T″1，出口溫度θ″1計算出的爐膛出口煙氣溫度與假設值相差不大于±100℃。1kg燃料帶入爐膛有效熱量：Q1查焓溫表得出理論燃燒溫度：θ0=2268.029假定爐膛出口溫度是1100℃，查表的出口煙氣焓：I”=9748.965煙氣平均熱容量：Vc=Q爐膛系統黑度：

a波爾茨曼準則數：B參量：B無因次出口溫度：θ其中，k和p是查表得，k是0.6465，p是0.2345計算爐膛出口絕對溫度：T”計算爐膛出口溫度：θ”校核誤差：Δθ=計算結果符合誤差范圍，后面將進行燃盡室熱力計算。4.燃盡室熱力計算燃盡室是一個基本上不布置受熱面的煙道空間。它為從爐膛出來的煙氣創造了一定溫度的較大空間以增加煙氣停留時間，使煙氣中的可燃物繼續燃盡，減少不完全燃燒損失。燃盡室采用的校核計算方法，步驟和校核差值與爐膛相同。假設燃盡室煙氣出口溫度為880℃，則煙氣出口絕對溫度是1153K，查焓溫表得煙氣出口焓是7609.24kj/kg煙氣平均熱容量：V燃盡室系統黑度：

a波爾茨曼準則數：B參量：B無因次溫度：θ燃盡室出口溫度：θ誤差校核計算：?θ誤差符合范圍值，后面將進行對流受熱面的熱力計算。5.對流受熱面熱力計算工業鍋爐對流受熱面的傳熱計算呢，常采用校核計算方法，即根據受熱面的結構特ing，燃料燃燒計算和熱平衡計算的數據，煙氣入口溫度，工質入口溫度，求出受熱面的吸熱量，煙氣和工質出口溫度。校核計算步驟如下；1.預估出口煙氣溫度θ”，查焓溫表得出出口煙氣焓H”，用熱平衡方程式求出煙氣放熱量Qrp2.根據給定的出口工質溫度t”，查出受熱面出口工質焓h”3.根據進出口的煙氣溫度，工質溫度，得平均溫差?t4.計算煙氣和工質的平均流速，確定對流和輻射放熱系數a，選取有效系數ψ，求出傳熱系數K5.按傳熱方程式計算出傳熱量Qer6.校核加熱的出口煙氣溫度是否合理?對有減溫器的鍋爐對流管束，省煤器及空氣預熱器?Q煙氣從燃盡室出來后，折入第一對流管束煙道，順序橫向掠過第一，第二對流管束，最后在鍋爐后墻左側排出，進入尾部受熱面—省煤器，空氣預熱器，最后排出。第一鍋爐對流管束熱力計算：預估出口煙溫為530℃，查焓溫表得出出口煙氣焓為4375.94kj/kg煙氣放熱量：Qrp平均溫差：Δ煙氣流速：ω傳熱系數：K=傳熱量：Q校核誤差值：?校核誤差值符合范圍，接下去計算第二鍋爐對流管束熱力計算。第二鍋爐對流管束：預估出口煙溫為396.43℃，查焓溫表得出出口煙氣焓為3213.87kj/kg煙氣放熱量：Qrp平均溫差：Δ煙氣流速：ω傳熱系數：K=傳熱量：Q校核誤差值：?校核誤差值符合范圍，接下去計算省煤器熱力計算。省煤器熱力計算：預估出口煙溫為250.26℃，查焓溫表得出出口煙氣焓為1990.22kj/kg煙氣放熱量：Qrp平均溫差：Δ煙氣流速：ω傳熱系數：K=傳熱量：Q校核誤差值：?校核誤差值符合范圍，接下去計算空氣預熱器熱力計算?？諝忸A熱器熱力計算：出口煙溫給定180℃，查焓溫表得出口煙氣焓為1418.04kj/kg煙氣放熱量：Qrp平均溫差：Δ煙氣流速：ω空氣流速：ω傳熱系數：K=傳熱量：Q校核誤差值：?符合校準誤差值，后進行鍋爐總體熱力計算。鍋爐總體熱平衡校核計算：表2-5鍋爐各部分吸熱量爐膛輻射吸熱量燃盡室對流吸熱量第一鍋爐管束對流吸熱量第二鍋爐管束對流吸熱量省煤器對流吸熱量QlQrjQygQegQsm12642.261480.153086.651176.191175.53煙氣邊總有效吸熱量：Q工質邊總有效吸熱量：Q相對誤差：Q計算結果符合要求，熱力計算結束。－PAGE1－第三章熱管及熱管換熱器3.1熱管的分類隨著熱管的技術研發和工業應用不斷開拓，熱管的分類依據也開始變得多種多樣，下面將介紹是幾種常規的分類依據：按照熱管的工作溫度：可分為低溫熱管，常溫熱管，中溫熱管，高溫熱管等等。按照管內工作液體回流動力：可分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（重力熱管）、重力輔助熱管、旋轉熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。按照管殼材料與管內工質液體的組合方式劃分：可分為銅-氟利昂-11、低碳鋼-氨、碳鋼-萘、不銹鋼-聯苯，鎢-銀等等。按照結構形式區分：可分為普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等等。按照熱管的功用進行劃分：可分為傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。3.2熱管的工作原理熱管工作原理圖如圖3-1所示，熱管中的基礎構件有管殼，吸液芯和端蓋。在放入適量的工質之前，需要先將管內抽氣，達到微負壓狀態，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體加以密封。熱管的一段為蒸發段。則另一段為冷凝段。在工業設計過程中，可以根據需求在蒸發段和冷凝段中間布置絕熱段。當熱流體經過蒸發段時，管中液體吸收熱量蒸發汽化，通過管內壓差流向冷凝段。蒸汽在冷凝段釋放熱量后冷凝成液體，在毛細力的作用下經過絕熱段，最后流回蒸發段。經過上述過程不斷的重復，熱量從蒸發段傳向冷凝段，便是熱管工作原理。熱量在熱管的管內移動過程中，包含了以下六個彼此影響的主要流程：熱量從熱流體經過的熱管管壁和充滿工質的吸熱芯傳遞到工質蒸發表層；液體在蒸發段內的工質表層上蒸發；蒸汽從蒸發段流向冷凝段；蒸汽在冷凝段內凝結；熱量從蒸汽釋放，通過吸液芯和管壁傳給冷源；在冷凝段內有蒸汽凝結的液體在毛細作用下經過絕對段，流回蒸發段。圖3-2展示的是熱管管內汽-液交界面形狀、蒸汽質量流量m、壓力以及管壁溫度Tw和管內蒸汽溫度Tv沿管長的變化趨勢。在圖1-2其中，ΔPc是毛細壓力水頭，是熱管內部工質循環工作的推動力。ΔPv是蒸汽從蒸發段流向冷凝段的壓力損失。ΔPl是冷凝液體從冷凝段流回蒸發段的壓力損失。ΔPg是重力場對液體流動引起的壓力損失。所以，是熱管正常工作的必要條件。3.3熱管相容性及壽命熱管的相容性是指熱管在預期設計壽命內，管內工質與管殼材料不發生顯著化學反應或物理性質變化。即使工質與管殼發生變化，但其影響不足以影響熱管的正常工作性能。相容性對于熱管的工作壽命和傳熱性能有著非常大的影響。只有熱管具有較好的相容性，才能保證長期的工作壽命，穩定的傳熱性能?？偨Y起來有以下三方面能影響到熱管的相容性：產生不凝性氣體：由于工作液體與管殼材料發生化學反應或電化學反應，產生不凝性氣體。在熱管工作時，該氣體被蒸汽流擠壓到冷凝段聚集起來形成氣塞，從而導致有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能減小。工作液體物性惡化：管內有機液體在一定的溫度下，會發生分解反應。這主要是由有機工質的性質不穩定，或與管殼材料發生化學反應，使工質改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機工作液體容易發生該類不相容現象。管殼材料的腐蝕、溶解：工質在管殼內連續流動，同時存在著溫差、雜質等影響因素，使管殼材料發生溶解和腐蝕，導致流動阻力增大，使得熱管傳熱性能降低。當管殼被腐蝕后，引起強度下降，甚至引起管殼材料穿孔，使熱管失去工作性能。合理的選擇熱管管材、管內工作液體、吸液芯的結構等方法可以提高熱管的工作壽命，在其工作溫度范圍內能常吃保持穩定有效的傳熱效率。3.4熱管換熱器的定義在管箱內部由帶翅片的熱管管束組成的換熱器稱為熱管換熱器。典型的熱管換熱器它是由一個矩形的外殼，內部布滿了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯列布置，也可以是順列布置。在管箱殼體內部的中間有一塊隔板將殼體分為兩個上下部分。一個是高溫流體的通道，另外一個是低溫流體的通道。當兩列流體在管道通過時，高溫流體的熱量帶到熱管蒸發段內工質。管內工質蒸發汽化，向凝結段飛升。凝結段的汽體散發熱量給管外的冷流體。因此，當高溫、低溫流體在各自通過管道時，通過殼體內熱管的熱量傳遞，從而完成熱交換。3.5熱管換熱器的分類目前已經開發出多種多樣的熱管換熱器，如熱管省煤器，熱管空氣預熱器，熱管蒸汽發生器等等。雖然熱管換熱器的名稱形式多種多樣，但它們的工作原理是大徑相同的，都是基于熱管技術開發原理為了特定的工作環境而生產出不同的熱管換熱器。對于不同的熱管換熱器，我們可以根據下述的分類方式去進行分類：按照經過換熱器不同種類的流體進行分類，分為：氣-氣式，氣-液式，組合式；按照熱管換熱器內部結構進行分類，分為：一體式，分離式和組合式；按照熱管換熱器的工作性能進行分類，可分為：加熱型和冷卻型。3.6熱管換熱器的優點熱管換熱器相較于其他換熱器的優點：換熱效率高安全性，可靠性高無任何外加動力強化傳熱方便防積、堵灰能力熱管壁溫的可調性布置靈活除此之外，熱管換熱器還具備受傳熱極限約束少，熱流密度可控制變化，高溫、低溫流體完全隔離，不會有相互傳染污染，密封可靠簡單等優點。3.7熱管換熱器設計中存在的的問題盡管熱管換熱器相較于其他類型的換熱器有著很多的優點，但其在設計中存在一些問題。特定管殼材料和使用溫度的工質研究熱管結構參數設計和確定解決如何減少熱管肋片積灰和煙氣對熱管的磨損解決如何減少腐蝕性煙氣對于熱管的損耗解決高溫熱管的開發難點

第四章熱管及熱管換熱器的設計計算4.1熱管換熱器的設計計算1.冷熱流體參數熱流體參數煙氣入口溫度t1’=250.26℃煙氣出口溫度t1”=75℃煙氣流量V1=6.61kg/s=23774.95kg/h煙氣密度ρ1=1.087kg/m3煙氣的定壓比熱Cp1=1.09kj/（kg?℃）=0.26kcal/（kg?℃）單位時間內煙氣放出的熱量Q1：QQ冷流體參數空氣入口溫度t’2=25℃空氣流量V2=3.74kg/s=13471.32kg/h空氣密度ρ2=1.19kg/m3空氣的定壓比熱Cp2=1.005kj/（kg?℃）=0.24kcal/（kg?℃）煙氣的放熱量Q1與空氣的吸熱量Q2之間的關系如下：Q=式中，Q是熱管換熱器的傳熱量，Q’1是煙氣對環境的散熱量，Q’2是空氣對環境的散熱量。Q’1+Q’2約為Q1的1~5%，既：Q計算中，取Q2=0.99Q1，則：Q所以：tt"4.2熱管基本參數1.工質熱管管內工作溫度由下式計算為:t=可以根據表1-1中的內容,選擇水為本次設計中的工作液體2.管殼材料在表3-1常用熱管的工作溫度范圍與典型的工作介質及其兼容管殼材料中，對應常溫熱管一行中水的一行可以看到水與銅，碳鋼的兼容性是合適的。雖然水與銅的兼容性相較于碳鋼是較好的，但由于銅的最大工作溫度只有200℃，而碳鋼最大工作溫度是300℃左右。且碳鋼的強度比銅大，價格比單銅管或者銅剛復合管低。所以可以選用碳鋼作為熱管的管殼材料。4.熱管，肋片的結構選擇熱管的管徑與單管傳熱量、傳熱極限以及強度因素有關。熱管直徑越大，單管的傳熱量和傳熱極限就越高，在形同壁厚的條件下強度就越低。具體的管徑選擇,可以在常用鋼管管徑和壁厚數值表中使用.所以，在這次的設計中，選擇采用φ51×4.5為中心管的尺寸。肋片有不同的制造方法，可以將其劃分為整體肋片管，機械連接肋片和焊片管。在這次的設計中，選用機械連接肋片中的繞片式（螺旋肋片）。這種肋片制作方法優點在于制造成本較低。肋片參數的分析確定具體如下：1.肋高lf：肋片的高度與熱管的傳熱能力和肋片效率有很大的關系。肋片高速越高，熱管的傳熱能力越大，而肋片的效率就減小。按照經驗取法，可以選擇肋高為中心管外徑一半。所以：lf肋片外徑：df=2.肋厚δf：肋厚取決于磨損、腐蝕、制造工藝等因素。肋厚一般去0.3~1.2mm。考慮到，煙氣腐蝕情況嚴重，所以選擇肋片厚度為1.2mm。3.肋節距Sf：肋片的節距主要由換熱面積或者熱阻決定。相較于干凈的流體，像水，空氣等，骯臟流體，像煙氣的肋節距可以選擇數值稍微大一點。所以，煙氣側選10mm，空氣側選8mm。4.肋化比β：肋化比是表肋化后管外表面積的擴展程序的參數。肋化比的具體公式是：β當肋環的肋高為熱管外徑的一半時，β可以用以下公式算出：β因為在設計過程中，肋高為肋外徑一半，可以使用上述第二種公式，所以肋化比數值是：煙氣側肋化比β=8.77空氣側肋化比β=10.71因此，翅片的主要參數如下表所示：表4-3翅片主要參數管外徑d0/mm管內徑di/mm肋片外徑df/mm肋片厚度δ/mm肋節距Sf/mm肋片高度lf/mm肋化比蒸發段51421021.21025.58.77冷凝段51421021.2825.510.714.3熱管結構設計1.進出口質量流速計算根據熱管傳熱，腐蝕和降壓要求，選取煙氣側的迎面質量流速是：Go1=3kg/（m2·s）而空氣側的迎面質量流速的公式是GG要想算出最窄截面処質量流速，需要先算出橫向管節距離，縱向管節距離和氣流阻斷系數。橫向管節距：S縱向管節距：對于正三角形叉排：S煙氣側氣流阻斷系數：ψ空氣測氣流阻斷系數：ψ則最窄界面處質量流速計算煙氣側：G空氣側：G2.熱管蒸發段和冷凝段的長度確定根據流體流動阻力，冷熱流體的進、出口溫度的數值綜合考慮，決定：熱管的尺寸為：蒸發段l1=1.38m冷凝段l2=1m絕熱段la=0.02m熱管總長L=2.4m3.進口界面尺寸煙氣側迎風面積：F空氣測迎風面積：F熱管每排單管數：N熱管每排換熱面積：F=4.4熱管傳熱計算1.基本參數取熱、冷流體進出口溫度的平均值為定性溫度煙氣定性溫度：t空氣定性溫度：t則冷、熱流體的物性參數是：煙氣：煙氣密度：ρ煙氣比熱：C煙氣導熱系數：k煙氣動力粘度：μ煙氣普蘭特數：Pr=0.6空氣：空氣密度：ρ空氣比熱：C空氣導熱系數：k空氣動力粘度：μ空氣普蘭特數：Pr=0.62.熱管管外換熱系數（以中心管為基準）：煙氣：?空氣：?中心管加上肋片后，傳熱系數得到了強化。肋化后，以之前肋化前面積為基準的折算換熱系數是中心管換熱系數h01，肋片效率ηf1和肋化比β1的乘積。即：?熱管管外換熱系數（以中心管加翅片為基準）：煙氣側：?空氣側：?3.熱管管壁熱阻熱管管外熱阻是由對流換熱熱阻、污垢熱阻和接觸熱阻組成。公式為R公式中的Rs1是流體側的污垢熱阻，也可以使用ε來替換。ε是有垢表面換熱系數與清潔表面換熱系數之比。煙氣側管外換熱系數（接觸系數ξ取0.1，ε1取0.85）：R空氣側管外換熱系數（接觸系數ξ取0.1，ε2取0.98）：R熱管管內熱阻是由蒸發段和凝結段的管壁導熱熱阻，管內工質沸騰、凝結換熱系數，蒸汽流動熱阻組成的。圖中，R1是蒸發段管壁導熱熱阻，RR2是管內工質沸騰換熱熱阻，RR3是管內蒸汽流動熱阻，可忽略不計R4是管內工質凝結換熱熱阻，RR5是冷凝段管壁導熱熱阻，R因此，熱管管內熱阻R=R1+R2+R3+R4+R5。因為R3數值過小，可以忽略不計，所以：R=蒸發段管內熱阻：R冷凝段管內熱阻：R蒸發段和冷凝段的總熱阻：RR總熱阻：R4.5單管傳輸功率在計算單管傳輸功率之前，要先計算出對數平均溫差。對數平均溫差：Δ單管傳輸功率：Q熱管根數：N=熱管排數取N1=15排4.6阻力計算熱管式換熱器的兩側流體阻力會同時影響到引、送風機的功率，所以兩側的流動阻力是衡量其節能和經濟性的一個重要指標。煙氣側流動阻力系數：f空氣側流動阻力系數：fs1=煙氣側流動阻力：Δ空氣側流動阻力：Δ4.7安全校核1.熱管關內液體工作溫度首排工作溫度：t末排工作溫度：t加熱側最低璧溫：t首排工作溫度符合水的工作溫度范圍，因此水是作為熱管內工作溫度是合適的。加熱側最低壁溫高于水蒸氣露點溫度（50℃），所以熱管換熱器適合熱管工作環境。熱管安全性校核分為兩種方式進去校核，一種是算出熱管極限傳熱值，對單根熱管的傳熱量進行校核。如果極限熱值大于設計的單根熱管傳熱量，那幫助熱管是可以安全進行工作的。計算極限熱量Qent的公式如下：Q其中，CBo=將工作溫度150℃作爲定性溫度，查得飽和水和飽和蒸汽的物性參數：密度ρ=917kg/m3表面張力σ=0.0487N/m汽化潛熱r=2113.746kj/kg飽和蒸汽密度ρv=2.584kg/m3Bo=CQ因爲Qent另一種是校核最小管內直徑校核，其公式為：d取Qent=1.5則d所以管內最小直徑校核正確，熱管可以安全工作。2.熱管強度校核熱管管殼的厚度由強度決定，應滿足壁厚能夠滿足管內工作壓力，最小壁厚由下式確定：δ式中，P是最大工作壓力，取250℃時的飽和壓力為39.77kgf/cm2di是熱管內徑，為26mmσ是許用應力，取12.6kgf/mm2C是腐蝕余量，取0.5mmδmin計算得：δmin所以當熱管管內工質溫度達到250℃時，壁厚4.5mm大于允許的最小壁厚。所以所設計的熱管換熱器是可以安全工作的。

第五章熱管換熱器的安裝與加工5.1熱管的選擇本次設計的熱管換熱器主要是在鍋爐余熱回收系統中使用，換熱器的布置不會有很大的限制，所以選擇立式布置，熱管選擇使用重力熱管。重力熱管結構簡單，制作方便，傳熱性能好，且在鍋爐余熱回收應用中技術較成熟，可以使用以重力熱管為管束的熱管換熱器。5.2熱管的預處理在熱管的設計計算中，因為工作溫度環境計算出的結果是250攝氏度以下，所以選擇了使用水為管內工作液體。之后根據水的兼容性，和銅和碳鋼之間的綜合性考量，選擇使用碳鋼-水熱管作熱管的管殼材料和管內工作液體。但是純碳鋼和水在高溫下會發生一些化學反應，會對熱管的傳熱工作產生一定的影響。Fe+23Fe+4Fe鐵跟水在高溫環境下會產生不凝性氣體-氫氣，產生的氫氣會在密度作用下往熱管的冷凝段上升，會占用冷凝段的換熱面積，導致熱管無法正常工作。并且為了防止氫氣溶于鋼中形成氫分子，造成氫脆導致熱管破裂的現象產生，需要對熱管管內進行一些預處理。1.熱管管壁內鍍銅在之前的比較中提及過，銅的強度、價格相較于碳鋼不是很適合作為熱管材質，但在兼容性的選擇上銅比碳鋼更適合水。所以可以使用化學鍍銅的操作彌補碳鋼的缺點?；瘜W鍍銅能夠做到銅鍍在熱管管內表面，操作簡單方便，相較于純銅制熱管來說又價格便宜，因此用化學鍍銅的方法去提高碳鋼-水熱管的穩定性是最好的辦法了?；瘜W鍍銅本質上是氧化還原反應。通過還原反應使活潑性比銅好的元素作為還原劑，讓銅離子析出固定在表面上，達到化學鍍銅的效果?；瘜W鍍銅的優點在于它的使用范圍廣汎，鍍層密度均勻，性能穩定。作為對碳鋼-水熱管內壁的預處理方法非常好用。2.在熱管頂部加裝不凝性氣體排放裝置，頂部安裝氫氣吸收裝置氫氣在碳鋼-水熱管中屬于主要防范氣體，可以選擇在熱管頂部開口加裝氣體排放裝飾或者氫氣吸收裝置，但這對于保持熱官使用壽命和正常工作來說并不合適。因爲如果不對熱管內壁進行鍍銅操作的話，還是會有Fe（OH）2和Fe3O4在熱管內部生成出來，增加管壁厚度，增加熱阻系數。在保證碳鋼-水熱管工作壽命和工作穩定時，相較于在熱管頂部加裝不凝結氣體排放裝飾或是氫氣吸收裝置，管壁內鍍銅是最有效的預處理方式。5.3重力熱管的傳熱加強方法為了降低熱阻，增加傳熱量，現有一些很有借鑒意義的措施：1.在管內開設微槽道在關內開設微槽道意義在于增加換熱面積。根據有關文獻指出，在管內增加微槽道的換熱系數比光滑管內壁增加55%，充液量下限提高，最大熱流密度降低。2.在管內增加抑泡裝置可以在管內防止開孔抑泡管或者銅制抑泡彈簧起來抑制起泡的作用。開孔抑泡管的作用是，當氣泡在蒸發段形成向上流動時，抑泡管可以對氣泡的脫離起到抑制作用，迫使氣泡呈橢圓狀生長。當氣泡從孔中逸出時，加大了泡底微膜面積并且增加了微層蒸發時間，使得蒸發段傳熱得到強化。放置抑泡彈簧的作為是，當工質被加熱，彈簧被氣泡山下振動時，可使管內無法出現較大氣泡，彈簧表面可以短暫留住氣泡。因為銅良好的導熱性，也可以使工質內溫度分布平均，避免出現局部過熱的情況出現。3.放置溢流同心導管溢流同心導管布置在冷凝段一側。具體工作原理是蒸汽向上流動過程中，通過各階段的氣孔開始凝結，水珠通過溢流環的環縫流向喇叭狀的饋液歡，之后流向絕熱段，最后流回蒸發段。這樣可以做到減少了汽液之間的相互作用，增加了熱管的傳熱極限，蒸發段和冷凝段的傳熱系數大幅度提高。4.采用人工珠化，促進珠狀凝結蒸汽在表面凝結有兩種方式：珠狀凝結和膜裝凝結。珠狀凝形成的熱阻非常微小，因此可以忽略不計，換熱系數比膜狀凝結高出許多倍。因此我們可以采用促化劑，像硅油，油酸等，人工促進蒸汽凝結成珠狀凝結。5.4熱管管內工質充液量重力熱管內充液量一般較大。儅工作液體蒸汽汽化重新凝結后，液體流向底部時，仍舊有部分液體存留在蒸發段底部，形成液池。當熱流量增加時，液體蒸發過快，下降液膜蒸發量增大，導致蒸發段底部相較于之前的液池有局部干涸的情況產生。當充液量過小時，蒸發段底部會出干涸的情況，導致熱管無法工作。Streltsov在以努賽爾的豎壁冷凝理論解為基礎，認為蒸汽在冷凝段凝結后，液體從冷凝段向絕熱段下滑，液膜從零向下逐漸加厚，在絕熱段時液膜厚度一致，最后在蒸發段積存時液膜厚度重新變成零。而液膜的蒸發過程可以看作是液膜凝結的逆過程。在這個理論基礎上，建立了重力熱管的充液量與熱流量的公式：G=（這個公式可以幫助我們計算出熱管管內最小充液量，避免蒸發段底部出現完成干涸情況的出現。但充液量過大會影響到傳熱效果。關于管內最佳充液量，很多學者認為管內工質液體V’=20%~30%是合適的。所以確定管內充液量是0.5kg。5.5熱管換熱器管內排布熱管換熱器內的熱管安裝有兩種方式，一種是叉排，一種是順排。叉排的優點在于它的氣流擾動大，溫度邊界層薄，換熱充分，積灰少，但流動阻力較大。在壓降允許的條件下，優先使用叉排，可減少熱管根數和排數。當允許的壓降值很小時，可以考慮使用順排。這次設計中采用的是正三角叉排。5.6熱管的端蓋熱管的端蓋具有很多種類，因此它與熱管的連接方式也會因為熱管的結構形式產生不同的變化。圖5-6中的幾種端蓋以及它們與熱管的連接方式，端蓋的外圓尺寸可以比熱管內徑稍微少一點。將端蓋與熱管配合后，管殼突出的部分可以使用氬弧焊來熔焊，不需要填加焊條，焊口可以光滑平整。圖5-7是另一種端蓋的結構形式。充液管與端蓋的焊接口在熱管內部。這樣做可以保證在熱管制造好后，不會有殘留剩下的液體污染管內。5.7熱管換熱器內熱管安裝角度熱管的安裝應該有一定的傾斜角，這樣是為了方便灰塵的掉落和管內流動液體凝結完成后重新流回蒸發段。按照我國的標準，熱管的傾斜角不應該低于10度。在相關的論文中研究出，當各種工況不變石，傾斜角在20至40度時，傾斜角對重力熱管的效果最好，會獲得較好的傳熱效果。5.8熱管換熱器的隔板密封熱管換熱器的隔板可以將熱、冷流體有效分隔開，保證兩股流體之間不會有很大的影響，而且可以起到固定熱管的作用。其中可以使用折流板，提高傳熱的效果。隔板密封指的是冷熱流體通道之間的密封裝置。這可以用來保重兩股流體之間不會受到相互影響。因為熱管數量很多，熱管之間的管距比較小，所以這種特殊的密封技術給設計帶來了一些困難。根據使用的場合不同，熱管的密封技術要求也會隨之有一定的變化。圖5-8是常用于氣-氣熱管換熱器的熱管和隔板的連接形式。這種結構是在隔板上開一個孔徑大于熱管外徑的孔，熱管穿過孔后，將兩片套環固定在熱管和隔板之間，并用卡環固定。因為分開的套環和固定用的卡環是分開的，所以氣封性不是很好?，F在有一種方法可以改進，就是將整體的套環固定在隔板上，然后熱管穿過套環，之后再將卡環或者一些密封涂料澆筑在熱管外圍。雖然密封性得到改善，但操作上還是有一定難度。圖5-9是適用于對于密封要求較高的結構形式。圖中的套管可以適用在煙氣側或者空氣側。首先先將套管與隔板固定住，之后將不帶有肋片的熱管放入套管內?？梢栽跓峁芡獗砻嬖黾游⒉?，減少接觸面積，讓熱管更容易地進入套管?？梢赃x在套管內增加導熱性好的油脂物品，提升熱管的導熱性。圖5-10內的結構常用于大型熱管空氣預熱器。這種結構采用了特制的套圈。刨面圖如圖中所示。套圈的外圓下部兩側呈現球面，與隔板的孔口使用球面密封，也可以使用錐面密封。熱管可以穿過套圈放置。等熱管擺放在固定位置后，使用熔融金屬澆筑在套圈內圈，使其內圈填充密封。這種方法類似于隔板的澆鑄工藝。但相較于隔板澆鑄工藝，這種方法省去了模板，加工流程較方便，熱管拆卸靈活。5.9熱管換熱器管箱熱管換熱器的管箱總體體積為2800x1680x2200（單位為mm）。根據計算設計的數值進行稍微放大處理，方便安裝。煙氣與空氣采用逆流的方式進行布置，且冷流體在上，熱流體在下，以便為與達到更好的換熱效果。

第六章總結本次設計的重點內容在于熱管式空氣預熱器。先是對鍋爐整體進行熱力計算，設計出的鍋爐熱力校核誤差在0.23%，符合計算誤差。熱管換熱器內部的熱管總體長度是2.4m，蒸發段為1.38m，冷凝段為1m，絕熱段為0.02m。熱管使用種類的是重力熱管。單根熱管的攜帶熱量為5954.03W，熱管總熱阻在0.033℃/W。最后在校核熱管上通過熱管最大攜帶熱量，管內最小直徑的校核方法和最小管壁的校核方法保證了熱管的安全工作。在熱管換熱器的安裝上，采用立式放置。在將熱管放置換熱器內部時，先預先進行化學預處理。采用化學鍍銅的方法提升熱管的相容性。后可以選擇在熱管內部放置抑泡裝置等技術方法強化重力熱管的傳熱性能。熱管管束排布方式選擇使用正三角形叉排方式，增加換熱面積，傳熱能力提高。熱管的安裝角度選擇在25度，可以增加管內凝結液體從冷凝段向蒸發段回流的速度，減少時間，增加效率。換熱器內的管板使用的是折流板。在管板密封選擇上使用的是常用于氣-氣熱管換熱器的同心密封環。在熱管穿過孔徑比熱管外徑稍大的控后，先后使用兩片套環和卡環將其固定，減少冷熱流體之間的