热管热力学计算书

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1、第一章设备预算1、设备参数项次参数名称单位数值备注设计参数烟气侧进口温度355客户给定出口温度145客户给定烟气流量Nm/h6799客户给定烟气压力Pa 计算后,建议压力烟气成分按标准烟气、粉尘多空气侧进口温度0出口温度客户要求,300以上空气流量Nm/h6440计算值,受出口温度影响空气压力Pa 计算后,建议压力空气成分按标准空气外形尺寸长mm实际应有出入宽mm实际应有出入高mm实际应有出入接口烟气侧Mmmm空气侧Mmmm关键元件参数烟气侧基管mm25中标后附详细图纸翅片高mm12.5翅片厚mm1.2螺距mm15有效长度mm965空气侧基管mm25中标后附详细图纸翅片高mm12.5翅片厚mm

2、1螺距mm8有效长度mm935横向间距mm62纵深间距mm54纵深排数排排布形式正三角设备重量及报价热管kg主机报价：管板kg壳体kg附件kg支撑槽钢kg外包装kg合计第二章 工程热力学计算设计参数及要求：空气温度：tc1=0；tc2=220；烟气温度：th1=355；th2=145烟气流量：qh=10000Nm3/h；根据设计经验,无机高效热管定型为:热管253烟气侧长度0.965m；空气侧长度0.935m；工艺连接长度为0.1m；烟气侧螺距为Ph=15mm；翅片高=12.5mm；翅片厚=1.2mm；空气侧螺距为Pc=8mm；翅片高=12.5mm；翅片厚=1 mm；横向间距ST=0.062m

3、；纵深间距:SL=0.054m；煤气侧单位长度翅片数片；空气侧单位长度翅片数片；换热计算确定传热元件计算换热量计算传热量烟气定性温度查得定性温度下烟气的参数：定压比热1.1095kJ/kg；密度：0.687kg/;粘度：26.35510kg/。普朗特数：0.66烟气放热量Qh热管传到空气侧的热量考虑烟气侧有3热损,故：Qc302.313293.23kW。空气侧实际获得热量考虑冷侧3热损,故：293.2313284.43kW。空气流量出口温度; 空气流量：q=6440Nm3/h；估计空气出口温度为：定性温度kg；粘度：。导热系数：普朗特数：0.692求得空气出口温度为：估计偏差：2%可视为满足数

4、学回归。计算对数平均温差确定迎风面积和迎风面管排数B热管烟气侧长度：取标准迎面风速；烟气侧迎实际迎面风速=2.42m/s 求总传热系数管束最小流通截面积NFA：；最大质量流速；求；求流体给热系数求翅片效率查图得：。冷侧：查图得：求热管管外总表面积加热段热管表面积翅片表面积为：其中,d00.025m,df0.050m。翅片间光管表面积Ahr为：m2。加热段热管管外总表面积Ah为：。冷却段管外表面积Ac翅片表面积单位长度翅片间光管表面积Acr为：m2；段热管管外总表面积AC；管外有效给热系数侧：壁热阻rw和污垢热阻热侧：0.03045,其中,；冷侧可忽略不计。金属管壁热阻：,；,求总传热系数,；,

5、；由其中:只有第一项与最后一项对实际设计起关键作用,其他均不属于同一数量级。得：5求理论加热侧总传热面积标准换热量取Q=302.3+284.43/2=293.4KW;6所需热管数n7实际采用数量n0工程换热效率取0.8得到根据纵深排布关系错排；得到实际用量为：1625支8换热器纵深排数m 即:13支管与12支管各65排；9具体纵深方向排放关系：；10求通过热管换热器的压力降换热器的净自由容积NFV求容积当量直径D；3求4求摩擦系数f平均管壁温度；求壁温下的流体动力黏度热侧：冷侧：求通过换热器的压降11结论在压力允许条件下：选择热管数量为1625支；列数为：13、12的正三角叉排；纵深排数：13

6、列为65排、12列为65排；纵深方向长度约L=7000mm；实际还要有6个左右的支撑管；热管几何尺寸基管：253 20#GB3087翅片: 12.51.2、12.51 Q195-BF GB700翅片高:热侧12.5mm 冷侧12.5mm螺距:热侧15mm冷侧 8mm排布关系迎风面积：热侧0.778m2 冷侧热侧0.75m2横向节距：0.062m纵深节距:0.054m纵深排布关系:13 管板厚度确定开孔数量:813个；开孔间距:30mm；开孔尺寸:三角形排布D=62mm；开孔焊接总周长:8.17m；极限使用温度:t=600；根据：得：计算：钢板厚度取15mm已经考虑腐蚀裕量1.5mm工作原理特点

7、本空气预热器采用高级无效热管作为传热换热元件,具有体积小,换热效率高,资金回收期短,寿命长等无法比拟的特色。无机高效热管表现在：啟動迅速、傳熱速度快：自元件一端加熱,數秒鐘就可將熱量傳遞到另一端。熱阻小、均溫性好：無機高效熱管主要是通過腔體內部的無機介質來實現傳熱過程,傳熱能力遠高於金屬材料,沿無機高效熱管軸向溫差趨於零,從而使無機高效熱管的表面溫度趨於一致。導熱係數高：當量導熱係數為6.8MW/m.,是純銀的3.2萬倍。傳熱能力大：軸向熱流密度27.2MW / m2,徑向熱流密度15.8kW / m2適用溫度範圍廣：介質適用溫度範圍-301100,具備批量生產的元件壁溫範圍-30350。工作

8、壓力低：工作時無機高效熱管內腔壓力低,不會發生高溫爆管。相容性好：無機高效熱管介質自身能夠有效抑制氫、氧的產生,與常用金屬材料不發生化學反應。使用壽命長：無機高效熱管介質自身消降速率持續11萬小時,可使無機高效熱管長期穩定運行。經大量實踐證明,無機高效熱管介質與多種金屬如銅、鋁、碳鋼和不銹鋼及非金屬具有良好的相容性,不產生不凝性氣體,使用壽命長。设备运行原理空气掠过翅片型热管管束,高温烟气也连续的流过热管管束,在热管的吸热段与放热段进行热量的交换。其主要传热原理实质是无机高效热管的工作原理的放大。无机高效热管技术简介：热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发

9、明的一种称为热管的传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业,自从被引入散热器制造行业,使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式,采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机,同样可以得到满意效果,使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决,开辟了散热行业新天地。 从热力学的角度看,为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在的时候,就必然出现热从高温处向低温处传递的现象

10、。从热传递的三种方式：辐射、对流、传导,其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管部是被抽成负压状态,充入适当的液体,这种液体沸点低,容易挥发。管壁有吸液芯,其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端,另外一段为冷凝端,当热管一段受热时,毛细管中的液体迅速蒸发,蒸气在微小的压力差下流向另外一端,并且释放出热量,重新凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段,如此循环不止,热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的,热量可以被源源不断地传导开来。 热管的基本工作典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成,将管抽成13P

11、a的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段,另一端为冷凝段,根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己,热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的过程中,包含了以下六个相互关联的主要过程：热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液汽分界面；液体在蒸发段的液汽分界面上蒸发；蒸汽腔的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；蒸汽在冷凝段的汽液分界面上凝结：热量从汽液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：在吸

12、液芯由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。热管的基本特性热管是依靠自身部工作液体相变来实现传热的传热元件,具有以下基本特性。很高的导热性热管部主要靠工作液体的汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比,单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然,高导热性也是相对而言的,温差总是存在的,可能违反热力学第二定律,并且热管的传热能力受到各种因素的限制,存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强,径向并无太大的改善。优良的等温性热管腔的蒸汽是处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,根据热力学中的方程式可知,温降亦很小,

13、因而热管具有优良的等温性。热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,或者热管可以较大的传热面积输入热量,而以较小的冷却面积输出热量,这样即可以改变热流密度,解决一些其他方法难以解决的传热难题。热流方向酌可逆性一根水平放置的有芯热管,由于其部循环动力是毛细力,因此任意一端受热就可作为蒸发段,而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平,也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关,所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动；热

14、开关则是当热源温度高于某一温度时,热管开始工作,当热源温度低于这一温度时,热管就不传热。恒温特性普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变,因此当加热量变化时,热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管可变导热管,使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加,这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下,蒸汽温度变化极小,实现温度的控制,这就是热管的恒温特性。环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化,热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等,热管也可做成分离式的,以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面,也可用于空间。上图表示了

15、热管管汽-液交界面形状,蒸气质量流量,压力以及管壁温度 T w 和管蒸气温度 T v 沿管长的变化趋势.沿整个热管长度,汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。Pc毛细压头是热管部工作液体循环的推动力,用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降 Pv,冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降Pl和重力场对液体流动的压力降。因此, Pc Pl + P v + Pg是热管正常工作的必要备件。由于热管的用途、种类和型式较多,再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处,故而对热管的分类也很多,常用的分类方法有以下几种。按照热管管工作温度区分热管可分为低温热管、常温热管、中温热管

16、250450、高温热管等。按照工作液体回流动力区分热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。按管壳与工作液体的组合方式划分可分为铜水热管、碳钢。水热管、铜钢复合水热管、铝丙酮热管、碳钢荣热管、不锈钢钠热管等等。按结构形式区分可分为普通热管、分离式热管、毛纫泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。按热管的功用划分可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。热管的相容性及寿命热管的相容性是指热管在预期的设计寿命,管工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化,或有变化但不足以影响热管的工作性能。

17、相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管,才能保证稳定的传热性能,长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢水热管正是通过化学处理的方法,有效地解决了碳钢与水的化学反应问题,才使得碳钢水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业规模推广使用。影响热管寿命的因素很多,归结起来,造成效管不相容的主要形式有以下三方面,即：产生不凝性气体：工作液体热物性恶化：管壳材料的腐蚀、溶解。产生不凝性气体由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反应,产生不凝性气体,在热管工作时,该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞,从而使有效冷凝面积减小,热阻增大,传热性能恶化,传热能力降低甚至失效

18、。工作液体物性恶化有机工作介质在一定温度下,会逐渐发生分解,这主要是由于有机工作液体的性质不稳定,或与壳体材料发生化学反应,使工作介质改变其物理性能,如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。管壳材料的腐蚀、溶解、工作液体在管壳连续流动,同时存在着温差、杂质等因素,使管壳材料发生溶解和腐蚀,流动阻力增大,使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后,引起强度下降,甚至引起管壳的腐蚀穿孔,使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。热管制造1热管零部件及其加工热管的主要零部件为管壳、端盖、吸液芯、腰板四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。2管壳热管的管壳大多为金属无缝钢管,根据不

19、同需要可以采用不同材料,如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形,也可以是异型的,如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm,甚至更大。长度可以从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。3端盖热管的端盖具有多种结构形式,它与热管舶连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳。配合后,管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分,不必再填焊条,焊口光滑乎整质量容易保证。旋压封头是国外常采用的一种形式,旋压封头是在旋压机上直接旋压而成,这种端盖形式外型美观,强度好、省材省工

20、,是一种良好的端盖形式。4 吸液芯结构吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展,各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作,下面对一些典型的结构作出简赂的介绍。1管芯型式一个性能优良的管芯应具有：足够大的毛细抽吸压力,或较小的管芯有效孔径。较小的液体流动阻力,即有较高的渗透率。良好的传热特性,即有小的径向热阻。良好的工艺重复性及可靠性,制造简单,价格合理。管芯的构造型式大致可分为以下几类：紧贴管壁的单层及多层网芯此类管芯多层网的网层之间应尽量紧贴,网与管壁之间亦应贴合良好,网层数有l至4层或更多,各层网的目数可相同或不同

21、若网层多,则液体流通截面大,阻力小,但径向热阻大；用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加如在近壁因数层用粗孔网,表面一层用细孔网,这样可由表面细孔网提供较大的毛细抽吸压力,通道的粗孔网使流动阻力较小,但并不能改善径向热胆大的缺点网芯式结构的管芯可得到较高的毛细力和较告的毛细提升高度,但因渗透率较低,液体回流阻力较大,热管的轴向传热能力受到限制此外其径向热阻较大,工艺重复性差又不能适应管道弯曲的情况,故在细长热管中逐渐由其它管芯取代。烧结粉末管芯由一定目数的金属粉末烧结在管壁面而形成与管壁一体的烧结粉末管芯,也有用金属丝网烧结在管壁面上的管芯此种管芯有较高的毛细抽吸力,并较改善了径向热阻,克服了网

22、芯工艺重复性差的缺点,但因其渗透率较差,故轴向传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的小。轴向槽道式管芯在管壳壁开轴向细槽以提供毛细压头及液体国流通道,槽的截面形状可为矩形,梯形,圆形及变截面槽道,槽道式管芯虽然毛细压头较小,但液体流动阻力甚小,因此可达到较高的轴向传热能力,径向热阻较小,工艺重复性良好,可获得精确幼儿何参数,因而可较正确地计算毛细限,此种管子弯曲后性能基本不变,但由于其抗重力工作能力极差,不适于倾斜工作对于空间的零重力条件则是非常适用的,因此广泛用于空间飞行器。组合管芯一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率为了有高的毛细抽吸力,就要选用更细的网成金属粉末,但它仍的渗透率较差,组合多层网虽然在这方面有所提高,可是其径向热阴大组合管芯跃能兼顾毛细力和渗透率,从而能获得高的轴向传热能力,而且大多数管芯的径向热阻甚小它基本上把管芯分成两部分一部分起毛细抽吸作用,另一部分起液体回流通道作用。17 / 17