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热管空气预热器强化传热技术应用

晨怡热管 2009-9-17 12:15:44

摘 要
热管是一种新型高效的传热元件,在60年代首先被用于宇航技术中,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,用热管组成的换热器在工业领域应用得到重视。
热管空气预热器是一种新型的节能设备,它利用烟气的余热来加热进炉的空气,对于提高锅炉的热效率,节省燃料具有重要的作用。它与管式预热器,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。
论文在分析热管强化传热的机理上,以400t/h锅炉空气预热器为设计对象,进行了热管空气预热器设计,并对热管空气预热器的工作特点进行系统的分析。论文不仅在理论上进一步探讨了强化传热的方法,而且对实际工程应用有一定的指导意义。


关键词:强化传热,热管,热管空气预热器
Abstract
The heat pipe is one kind of new highly effective heat transfer part, first uses in the 60's in the astronavigation technology, the 70's overseas also in the electron, the machinery, the petroleum, aspects and so on chemical industry had the widespread application. In recent years, because the energy is short, composes the heat interchanger with the heat pipe to obtain in the industry domain application takes.
The heat pipe air pre-heater is one kind of new energy conservation equipment, it heats up the stove using the haze afterheat the air, regarding enhances the boiler the thermal efficiency, saves the fuel to have the vital role. It with the tubular pre-heater, the rotation type pre-heater and so on other type pre-heater compares, has the volume to be young, the quality is light, efficiency high characteristic.
The paper in analyzes the heat pipe to strengthen the heat transfer on the mechanism, take the 400t/h boiler air pre-heater as the design object, has carried on the heat pipe air pre-heater design, and carries on the system to the heat pipe air pre-heater work characteristic the analysis. Not only the paper further has theoretically discussed the strengthened heat transfer method, moreover has certain guiding sense to the actual project application.
Key word: Strengthened heat transfer, heat pipe, heat pipe air pre-heater

 

 

 

 

 

 

 

 

 


目 录
第一章 强化传热机理 1
1.1强化传热的必要性 1
1.2强化传热的途径 1
第二章  热管空气预热器 5
2.1  热管的工作原理 5
2.2  热管的结构与类型 7
2.3 热管的特性 10
2.4 热管的传热极限 12
2.5  热管空气预热器 13
第三章  热管热交换器的设计和计算方法 16
3.1  热管热交换器的传热计算 16
3.2  热管换热器的流动阻力计算 23
3.3  热管热交换器的热管工作安全性校验 25
第四章  热管空气预热器的热力设计 28
4.1设计原则 28
4.2设计原始数据 28
4.3结构计算 28
4.4 传热计算 30
4.5 流阻计算 34
4.6 安全性校核 35
第五章 结论 37
参考文献 38
 
第一章 强化传热机理
1.1强化传热的必要性
只要存在着温度差,热量就会自发地由高温传向低温,因此热传递过程是自然界中基本的物理过程之一。它广泛见诸如动力、化工、冶金、航天、空调、制冷、机械、轻纺、建筑等部门。大至单机功率为 130 万千瓦的汽轮发电机组,小至微电子器件的冷却都与传 热过程密切相关。
热传递过程可以分为导热、对流换热和辐射换热等三种基本方式,它们各自有不同的 传热规律,实际中遇到的传热问题都常常是几种传热方式同时起作用。实现热量由冷流体传给热流体的设备就称之为换热器。它是上述工业部门广泛应用的一种通用设备,以电厂为例,如果把锅炉也看作换热设备,则再加上冷凝器,除氧器,高、低压加热器等换热设备,换热器的投资约占整个电厂投资的 70%。在炼油企业中四分之一的设备投资用于各种各样的换热器;换热器的重量占设备总重量的 20%,在制冷设备中蒸发器、冷凝器的重量也要占整个机组重量的30%~40%。由于换热器在工业部门中的重要性,因此从节能的角度出发,为了进一步减小换热器的体积,减轻重量和金属消耗,减少换热器消耗的功率,并使换热器能够在较低温差下工作,必须用各种办法来增强换热器内的传热。因此最近十几年来,强化传热技术受到了工业界的广泛重视,得到了十分迅速的发展,并且取得了显著的经济效果。如美国通用油品公司将该公司电厂汽轮机冷凝器中采用的普通铜管用单头螺旋槽管代替,由于螺旋槽管强化传热的效果,使冷凝器的管子长度减少了44%,数目减少了15%,重量减轻了27%,总传热面积节约30%,投资节省了10万美元。又如用我们研制的椭圆矩形翅片管代替圆形翅片管制作的空冷器,其传热系数可以提高 30%,而空气侧的流动阻力可以降低 50%。这种
空冷器已在我国石化行业和火电厂得到广泛应用,取得了明显的经济效益。
1.2强化传热的途径
从传热学中我们知道换热器中的传热量可用下式计算,即
Q=KFΔT                                          (1.1)
式(1.1)中:
K-传热系数[W/( •K)]
F-传热面积[ ],
ΔT-冷热液体的平均温差[K],
从(1.1)式可以看出,欲增加传热量Q,可用增加k、F或ΔT来实现。下面我们对此分别加以讨论。
1. 增加冷热液体的平均温差ΔT
在换热器中冷热液体的流动方式有四种,即顺流、逆流、交叉流、混合流。在冷热流体进出口温度相同时,逆流的平均温差ΔT 最大,顺流时ΔT 最小,因此为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。当然可以用增加冷热流体进出口温度的差别来增加ΔT。 比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求,则可采用氟里昂来进行冷却,这时平均温差ΔT 就会显著增加。但是在一般的工业设备中,冷热流体的种类和温度的选择常常受到生产工艺过程的限制,不能随意变动;而且这里还存在一个经济性的问题,如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质,当压力为15.86× Pa 时,相应的饱和温度为437K,若为了增加ΔT,采用更高温度的饱和水蒸气,则其饱和压力亦相应提高,此时饱和温度每增高2.5K,相应压力就要上升 Pa。压力增加后换热器设备的壁厚必须增加,从而使设备庞大,笨重,金属消耗量大大增加,虽然可采用矿物油,联苯等作为加热工质,但选择的余地并不大。
综上所述,用增加平均温差ΔT的办法来增加传热只能适用于个别情况。
2. 扩大换热面积F
扩大换热面积是常用的一种增强换热量的有效方法,如采用小管径。管径越小,耐压越高,而且在金属重量相同的情况下,表面积也越大。采用各种形状的肋片管来增加传热面积其效果就更佳了。这里应特别注意的是肋片(扩展表面)要加在换热系数小的一侧,否则会达不到增强传热的效果。
一些新型的紧凑式换热器,如板式和板翅式换热器,同管壳式换热器相比,在单位体积内可布置的换热面积多得多。如管壳式换热器在 1  体积内仅能布置换热面积 150  左右。而在板式换热器中则可达1500 ,板翅式换热器中更可达5000 ,因此在后两种换热器中其传热量要大得多。这就是它们在制冷、石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因。当然紧凑式的板式结构对高温、高压工况就不宜应用。
对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面,如普通肋片管、销钉管、鳍片管,虽然它们扩展的程度不如板式结构高,但效果仍然是显著的。
采用扩展表面后,如果几何参数选择合适还可同时提高换热器的传热系数,这样增强传热的效果就更好了。值得注意的是,采用扩展面常会使流动阻力增加,金属消耗增加,因此在应用时应进行技术经济比较。
3. 提高传热系数k
提高传热系数 k 是强化传热的最重要的的途径,且在换热面积和平均温差给定时,是增加换热量的唯一途径。当管壁较薄时从传热学中我们知道,传热系数k可用下式计算:
                                      (1.2)
 
(1.2)式中:
 —热液体和管壁之间的对流换热系数W/(㎡.℃)。
 —冷流体和管壁之间的对流换热系数W/(㎡.℃)。
δ—管壁的厚度(m)。
λ—管壁的导热系数。W/(㎡.℃)
一般讲金属壁很薄,导热系数很大,δ/λ可以忽略。因此传热系数k可以近似写成:
 。由此可知欲增加k,就必须增加 和 ,但当 和 相差较大时,
增加它们之中较小的一个最有效。要想增加对流换热系数,就需根据对流换热的特点,采用不同的强化方法。我国学者过增元院士在研究对流换热强化时,提出了著名的场协同理论。该理论指出要获得高的对流换热系数的主要途径有:
1)提高流体速度场和温度场的均匀性;
2)改变速度矢量和热流矢量的夹角,使两矢量的方向尽量一致;
根据上述理论,目前强化传热技术有两类:一类是耗功强化传热技术,一类是无功强化传热技术。前者需要应用外部能量来达到强化传热的目的,如机械搅拌法、振动法、静电场法等。后者不需外部能量,如表面特殊处理法、粗糙表面法、强化元件法、添加剂法等。
由于强化传热的方法很多,因此在应用强化传热技术时,我们应遵循以下原则:
1)首先应根据工程上的要求,确定强化传热的目的,如减小换热器的体积和重量;提高现有换热器的换热量;减少换热器的阻力,以降低换热器的动力消耗等。因为目的不同,采用的方法也不同,与此同时确定技术上的具体要求。
2)根据各种强化方法的特点和上述要求,确定应采用哪一类的强化手段。
3)对拟采用的强化方法从制造工艺,安全运行,维修方便和技术经济性等方面进行具体比较和计算,最后选定强化的具体技术措施。
只有按上述步骤才能使强化传热达到最佳的经济效益。

 

 

 

 

 


第二章  热管空气预热器
热管是一种新型高效的传热元件,在60年代首先被用于宇航技术中,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,用热管组成的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,它利用烟气的余热来加热进炉的空气,对于提高锅炉的热效率,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,受到各方面的广泛重视。
2.1  热管的工作原理
热管和热虹吸(也称重力式热管)在某些方面是相似的,因此在讨论热管之前,先介绍热虹吸管的工作机理,热虹吸管如图2-1所示。向管内注入少量的液体,然后抽空管内的空气,并将管壳密封,加热管的下端(热端)使液体吸热蒸发,蒸汽流向管子的上端(冷端),并在该处放热冷凝,冷凝液在重力的作用下回流到热端,再吸热蒸发。如此循环。由于汽化潜热大,所以在极小的温差下就能把大量热量从管的一端传至另一端。这种结构具有很高的导热性能,但冷凝液必须在重力的作用下才能回流到热端,即热端要处于最低位置。

 

 

 

 

 

热管在结构上与虹吸管相似,只是热管内壁上装有管芯,又称吸液芯(如用几层细丝网制成),靠毛细力把冷凝液回流到热端,如图2-2所示。热管热端的位置不受限制,因而热管可在任何方位下使用。
图2-3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,吸液芯浸满了液相工质,热管其余空间则容纳着气相工质。外热源在蒸发段把热量加进去,使该段工质蒸发。由此造成的压差把蒸汽从蒸发段驱送的冷凝段,在这里蒸汽进行凝结,并把汽化潜热放出来。蒸发消耗液相工质,而毛细压力把凝结下来的液相工质有送回到蒸发段,重新进行蒸发。这样热管连续不断的把汽化潜热从蒸发段传送到冷凝段,而不烧干吸液芯。只要工质流动通道不被堵塞,并维持足够大的毛细压力,这个过程就将继续进行下去。
 

2.2  热管的结构与类型
2.2.1热管的结构
典型的热管包括壳体,工质和吸液芯三部分,在三者之间选择一个最适宜的组合时,必然会出现一些矛盾。下面讨论选择的基本原则。
1、壳体
壳体的作用是把工质与外界隔开,因此要防漏,耐压,并能向工质传热以及把工质热量传出。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,价廉也是一个很重要的条件。实用上多采用碳钢,不锈钢,铜铝镍等材料。壳体的形状和长度视需要而定。
2、工质
工质是热管中热能的工作物质。它应满足以下要求:
1) 在要求的工作范围内能产生相变,并具有适合的饱和压力。
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) 低黏度和高表面张力。
为确定一种适宜的工质,重要的是考虑工质运行的温度范围。表3.1给出了热管常用的工质与使用的温度范围,可根据需要自行选择。

 

 


表2.1热管的工作液与使用的温度范围
工作液 熔点  ) 工作温度范围(℃)
氦氮氨氟利昂—11戊烷氟利昂—13丙酮甲醇乙醇庚烷水导热姆—A汞铯钾钠锂银 -272-210-78-111-129.75-35-95-98-112-90012-39296298179960 -269-169-332428485764789810025736167077489213402212 -271—-269-203—-160-60—100-40—120-20—120-10—1000—12010—1300—1300—15030—320150—395250—650450—900500—1000600—12001000—18001800—2300
3、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) 与工质有优良的润滑性。
4) 易于加工与内壁很好的吻合。
基于以上这些要求,已经研制出许多类型的吸液芯结构。
2.2.2热管的类型
热管的种类繁多,通常按工作温度,工质回流方式和热管形状不同进行分类。
1、按工作温度分类
按工作温度,热管可以分为以下五类:
1) 极低温热管,工作温度低于-200℃;
2) 低温热管,工作温度一般为-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℃
2、 按工质回流原理分类
按工质的回流原理分类,热管可以分为以下几类:
(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。它既可以用于无重力场的空间,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,又称重力吸管
它是依靠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。但它只能在重力场中,且只能自下而上传热。
(3)旋转热管
热管绕自身轴线旋转,热管内腔成锥形,加热段设在锥形腔的大头,冷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离回流到加热段。
3、工质回流的其他方法
依靠静电体积力使工质回流的电流体动力热管;依靠磁体体积力使液体回流的磁流体动力热管;依靠渗透膜两边的浓度差进行渗透使工质回流的渗透热管等。
4、按热管的形状分类
按热管的形状可以分为管形,板形,室形,L形,可弯曲形等。
2.2.3 热管材料的组合化学相容性
设计热管时,除根据热管的工作温度范围,选择壳体,吸液芯和工质的合理组合外,还必须考虑热管材料与工质的化学相容性问题。
若工质与热管材料组合化学不相容,会引起一下不良后果:
1.发生化学或电化学反应,生成固体沉淀物,这将导致吸液芯堵塞或产生局部过热点;
2.产生不凝结气体,使热管性能急剧恶化。
各种温度范围内,工质与不同材料组合的化学相容性的详细情况可参考有关文献。
2.3 热管的特性
1、极好的导热性
热管利用了两个换热能力极强的相变传热过程(蒸发和凝结)和一个阻力极小的流动过程,而具有极好的导热性能。这是由于相变传热只需要极小的温差,同时传递的是潜热。一般潜热传递的热量比显热传递的热量大几个数量级,因此在极小的温差下热管可以传输极大的热量。(如图2.4)

     热管传热的另一个特点是它对管长的敏感性极小。对于实心金属棒,其轴向导热热阻 而热管的总内热阻 随长度L的增加不会有很大的改变,在上图中,用近似并行于L轴的虚线2表示。该两直线的交点决定了热管的最小长度 ,称为热管的最低限度长度。当L< 时,金属棒的热阻小于热管的热阻,采用热管是不合适的。但当L>L 时,热管的热阻就小于金属棒的热阻,且L越大,采用热管就越有利。这是应用热管时应注意的问题。
2、良好的均温性
热管内的蒸汽处于汽液两相共存状态,是饱和蒸汽。此饱和蒸汽从蒸发段流向凝结段所产生的压降甚微,所以沿蒸汽流动的方向的温降也小,这就使热管具有良好的均温性。对于直径为25×2mm,长度为1-2m的铜水热管,当传输功率为1-2kw时实测蒸发,凝结两段蒸汽空间的温度差仅为1-2℃。因此以均温为目的的热管,其传输功率应尽可能的减小,以使压降和温降趋于0。热管的均温性已在均温炉和宇航飞行器中得到了应用,另外也可以通过热管来均衡如机床的温度场,减少机床的热变形,提高机床的加工精度等。
3、热流方向可逆
热管的蒸发段和凝结段内部结构并无不同,因此一根有芯热管水平放置或处于失重状态时,任何一端受热,则该段称为加热段,另一端向外散热就成为冷却段。若要改变热流方向,无须变更热管的位置。热管的这种热流方向的可逆性为某些特殊场合的应用提供了方便。如用于室内的空调。在冬天换气时热管式空调器利用排出室外的热空气加热从室外吸入的新鲜冷空气;由于热管传热方向的可逆性,夏天吸入的新鲜空气又被排往室外的冷空气冷却。同一设备两种用途,自动适应环境的变化。
4、热流密度可变
在热管稳定工作时,由于热管本身不发热,不蓄热,不耗热,所以加热段吸收的热量 应等于冷却段放出的热量 若加热段的换热面积为 ,冷却段的换热面积为 ,则它们的热流密度分别为 则
 
由此可知只要改变换热面积F 即可改变热管加热段和冷却段的热流密度。
利用热管的上述性质,加大热管的换热面积可以把分散的热流密度收集起来变为高热流密度供用户使用。热管太阳能集热器就是应用这一原理制成的。
5、适应性较强
与其他换热元件相比,热管有较强的适应性。
(一)热源不受限制
高温烟气,燃烧火焰,电能太阳能都能作为热源。
(二)热管的形状不受限制
形状可以随热源,冷源的条件及应用条件的需要而改变。出圆管外,还可以制成针状,板状等。电机转轴,手术刀,钻头本身就可以制成热管。
(三)适用的温度范围广
只要材料和工质选择适当,可用于-200~2000℃较大幅度的范围。
(四)适用多种场合
既可以用于地面(有重力场),又可以用于空间,即便在失重状态下,吸液芯的毛细力作用仍可使工质回流,正常工作。
(五)结构简单
热管无须外加辅助设备,无运动部件和噪声,结构简单,紧凑,质量轻。
2.4 热管的传热极限
热管虽然是一种较好的传热元件,但其传热能力还受到其内部物理过程的限制,即热管的传热量有个限度。对于典型的有芯热管,其传热能力将受到以下四种限制:
1.毛细极限
热管正常工作时,吸液芯产生的毛细力一定要能够克服蒸汽的流动阻力和凝结液的回流阻力(若有重力的作用,还要考虑重力引起的阻力)。如果热管内蒸汽和凝结液的流动阻力超过毛细结构所能提供的最大毛细力时,凝结液的回流量将小于蒸发量,蒸发段的吸液芯将被烧干,热管的正常工作遭受破坏。由吸液芯提供的最大毛细力所能达到的传热量就称为毛细极限。
2.声速极限
热管正常工作且蒸汽流速较慢时,蒸汽的流动可以当作不可压缩流体处理。随着传热量的增大,蒸发段和凝结段的蒸汽压差也增大,蒸汽流速也增大。虽然热管一般是等截面的,但由于沿蒸发段长度蒸汽量不断增加,蒸汽速度在蒸发段的出口截面上最大可达到当地声速。再增大传热量,蒸汽将发生类似于拉伐尔喷嘴的阻塞流动,热管的正常工作将被破坏。因此蒸发段出口截面的蒸汽速度达到当地声速时所对应的传热量称为声速极限。
3.携带极限
热管内蒸汽和凝结液是反向流动的,蒸汽的流动惯性力会在汽,液界面上对凝结液产生剪切作用,而凝结液依靠毛细力的作用抵抗蒸汽流动的剪切力来维持流动。这种反向流动的相互作用,在液体表面上引起细波。随着两种流体的相对速度的增大,在液体表面上细波的波幅亦逐渐增大,以至在波峰上可能产生液滴,蒸汽摄取液滴并将其携带到凝结段,这就是热管内产生的携带现象。
将液滴从液体表面上拉下并使这些液滴加速,需要消耗能量,从而增加了凝结液和蒸汽的压力损失。同时携带的液滴并不参与相变,即不参加传热过程,因此这中携带将使传热量下降。当携带达到一定程度时,蒸发段的毛细吸液芯将干涸,这时的传热量就是热管的携带极限。
4.沸腾极限
当加热段的径向热流增加时,吸液芯内的工质沸腾产生的气泡会堵塞毛细孔并阻碍凝结回流,从而使蒸发段得不到充分冷却而导致壁温升高,乃至发生烧毁现象。吸液芯中沸腾产生的气泡能顺利排出时的最大径向热流就是沸腾极限。
2.5  热管空气预热器
由若干根热管组装起来,就成了热管换热器如图2.5。因为热管可以近乎等温工作(也就是温降很小)。故热管换热器的效率可以很高。
在动力工程和余热回收中应用最广的热管换热器是热管空气预热器,热管省煤器,热管蒸发器。
热管空气预热器是常见的气-气式换热器,如图所示,它利用工业炉窑或锅炉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而且还减轻了对环境的污染。由于气-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。典型的空气预热器,其形状一般为长方体,主要部件为管束,外壳和隔板。热管的蒸发段和冷凝段被隔板隔开。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,其主要作用是密封流道,以防止两种流体相互渗透。热管的热化系数一般为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,肋片间距可取小点。热管管束一般为错列布置,如图2.6所示。这样可以使放热系数提高。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。另外还可以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的多。
热管热水预热器(即省煤器),是一种常见的气-液式换热器。他通常利用排烟的余热来加热给水。由于给水侧的热阻比烟气侧低得多,因而热管热水预热器的给水侧一般不予肋化。
 
  图2.6肋片管束的排列

 

 

 

 

 

 

 

第三章  热管热交换器的设计和计算方法
3.1  热管热交换器的传热计算
1、传热计算的基本方程
热管热交换器的传热计算基本方程式仍为传热方程式,传热计算中所采用的传热面积F可以是光管外表面积或热管加热段管外总面积或加热段光管外表面积,因而就有相应的传热系数。常用的以加热段光管为基准者居多。平均温差 ,应根据冷流体的流向以及它们各自是否有横向的混合,通过计算或有关图表中查得。
传热量Q应取为热流体放热量 与冷流体吸热量 之算术平均值,即
Q=                                       (3.1)
2、热管元件各传热环节热阻
典型的吸液芯热管的传热过程可以分解成以下各种传热环节,并构成总的热阻。
(1)环境热源与热管加热段外壁间的换热,热阻为 ,热阻 之值随换热条件的不同而异,因而应分清对流换热,辐射换热还是复合换热,是受迫对流还是自然对流,热管外壁是带肋还是光管,热管外壁与热源的固体壁面有无直接接触等有关问题,采用相应的计算公式。
①对流换热时
如果热源与外壁间换热为受迫对流或自然对流换热,则
 ℃/W                                   (3.2)
此时,如果热管外壁带肋,则
 ,℃/W                            (3.3)
以上两式中  ——热源与加热段外壁间对流换热系数,W/(㎡.℃);
            ——加热段(即蒸发段)总外表面积,㎡;
            ——加热段光管外直径,m;
            ——加热段肋化比;
            ——加热段肋壁的总效率。
②辐射换热时
如果热管的加热段(或冷却段)处于真空条件下的高温(或低温)壳体内,则热管与壳体间的换热为单一的辐射换热。它们的辐射换热量为:
Q=5.67 ,W                     (3.4)
辐射热阻为
 = ,℃/W            (3.5)
式中 , ——分别为热源及热管加热段外壁,K;
当 为冷却段外壁温度时,上两式中 , 应互换位置;
 ——相当于发射率
 =                                    (3.6)
 , ——分别为热源壳体及热管加热段(或冷却段)换热面积,㎡;   ——分别为热源壳体内壁及热管加热段(或冷却段)外壁黑度。
③复合换热时
热管外壁与外界的换热常常可能是两种或两种以上传热方式同时存在的复合换热,则可按传热学基本方法求取。
(2)热管加热段管壁的导热,热阻为
一般可按圆筒壁导热热阻式计算,即
 =                           (3.7)
式中 ——加热段管壁导热系数,W/(m.℃);
      , ——分别为加热段管壁内、外径,㎜。
(3)热管蒸发段吸液芯—液体组合层的传热,热阻为
蒸发段吸液芯—液体组合层的传热较为复杂。对于在低热流下的水及有机液体,以及液态金属工质,可认为依靠导热方式来传递。此时,热阻 为
 = ,℃/W                (3.8)
式中 ——蒸发段管壁厚,㎜
    ——蒸发段管芯层厚,㎜
     ——吸液芯—液体组合层的当量导热系数,W/(m.℃)。因为这是通过固体的吸液芯和液体工质的复杂导热过程,其值随吸液芯的形式不同而异。
(4)蒸发段液—汽界面的相变换热,热阻为
 = ,℃/W                            (3.9)
式中 ——与 相平衡的蒸汽饱和压力,Pa;
     ——蒸发段液—汽界面处蒸汽温度,K;
      ——工质的汽化潜热,J/(kg.K);
    R——工质的气体常数,J/(kg.K);
     ——蒸汽腔直径,m。
(5)从蒸发段到凝结段蒸汽流动传热,热阻为
由于蒸发段到凝结段之间存在汽相压差 ,根据饱和蒸汽压力与温度间对应的关系,因而两段间存在相应的温度差 从而可导得蒸汽流动热阻为
 =  ,℃/W                         (3.10)
式中 ——热管的平均工作温度K
     ——与 相应的蒸汽饱和压力,Pa;
    Q——传热量,W。
(6)凝结段汽—液界面蒸汽的相变换热,热阻为
 ,℃/W                        (3.11)
式中 ——凝结段汽—液界面处蒸汽温度,K;
       ——与 相平衡的蒸汽饱和压力,Pa。
(7)凝结段吸液芯—液体组合层的传热,热阻为
与 情况相似,在认为依靠导热来传热时, 为
 = ,℃/W              (3.12)
式中 ——凝结段管壁厚,㎜;
     ——凝结段管芯层厚,㎜;
     ——凝结段管壁的外径,㎜。
(8)凝结段管壁的导热,热阻为
类似与 ,它的计算式为
 =                          (3.13)
式中 ——凝结段管壁的导热系数,W/(m.℃);
     , ——分别为凝结段管壁的内、外径,㎜。
(9)冷却段外壁与环境冷源间的换热,热阻为
 的计算与 相同。在对流换热带肋时, 为
  ,℃/W                         (3.14)
式中 ——冷源与冷却段(冷凝段)外壁间的对流换热系数,W/(m.℃);
     ——冷却段光管外直径,m; 
     ——冷却段肋化比;
     ——冷却段肋壁总效率。
辐射换热时,只要把其中的有关参数改为在冷却段条件下即可。
(10)从加热段至冷却段管壁的轴向导热,热阻为
因加热段和冷却段管壁间存在温差,必有部分热量沿绝热段管壁传递。若绝热段绝热良好,此沿管壁的轴向导热可按一维计算。
 ,℃/W                          (3.15)
式中 ——管壁材料导热系数,W/(m.℃);
对于薄壁长型热管,这一热阻较大,轴向导热量很小,故可忽略。
(11)通过吸液芯轴向导热,热阻为
由于吸液芯的轴向热流通道比管壁更小,热阻更大,故导热量也可忽略。将以上各项热阻描绘成一条传热电路时,则如图所示是一条串并联线路。由于 为轴向导热热阻,故为并联。这两部分一般很小故忽略这两部分导热量时热管的传热总热阻为

 

 

 

 


 

3、对流换热系数的计算
流体横掠管束时的平均对流换热系数,将与热管元件的外部形状,管束排列方式及管间距密切相关。
当流体横掠光管管束时,可用下表所列的准则方程式计算。
符号:
 ——管道长度,m;
 ——流体平均温度,℃
 ——流体平均绝对温度,K
 ——壁面绝对温度,K;
 ——流体动力粘度,N•S/㎡以流体平均温度为定性温度
 ——以壁温为定性温度的流体动力粘度,N•S/㎡

 

 


序号 状态 准则方程 定型尺寸 适用范围
1 圆管层流   内径    
2 湍流  式中 流体被加热时,n=0.4     流体被冷却时,n=0.3 当量直径   ,  光滑管道 不大
3      光滑管道
4 过度区    气体2100 
5     液体
6     
当流体横掠翅片管束时,对于横掠圆芯管外环形管束可按下式计算
  (3.16)
式中 ——分别为翅片外径和翅根直径;
    Y,H, ——分别为翅片的间距,高度,厚度,m
     ——按流体的平均温度取值;
     ——最小流通截面处的质量流速,㎏/(㎡•h)

对于横掠圆芯管外矩形翅片管束,可用下式计算
          (3.17)
4、传热系数的计算
由于采用的基准面积不同,所得传热系数值差异很大。常以加热段光管外表面积 为基准传热系数 较多,可按下式计算:
 ,㎡•℃/W                                                     (3.18)
式中 相当于 ,㎡•℃/W,其中, 为蒸发段换热面的清洁度用以考虑因表面结垢而造成的热阻增加,对于灰分不多的烟气,取 =0.5-0.65。
 相当于 ,㎡•℃/W。
 , 相当于 及 ,㎡•℃/W。
因为实际测量中,常常是测量换热系数 ,而不是单独的去测定 及 或 及 。
 相当于 ,㎡•℃/W
 相当于 ,㎡•℃/W
其中 为凝结段换热面的清洁度。由于蒸汽流动的传热热阻与其他各项热阻相比,一般相当小,故在式中未包含此项热阻。
3.2  热管换热器的流动阻力计算
热管换热器的流动阻力计算是指热管外的流体通过热管管束时的流动阻力计算。正如其他的热交换器设计一样,这也是检验设计是否合理的标准之一,同时可用它来计算所需流体机械的功率与容量。显然,流动阻力的大小与流体流速关系最为密切,还与热管元件外形,管束排列及间距大小有关。
1)流体横掠光滑管束
 ,N/㎡                         (3.19)
式中 ——最小流通截面处质量流速,㎏/(㎡•s);
      ——流动方向的管排数;
      ——修正系数
      ——流体密度。
2)流体横掠错排翅片管束
(1)流体横掠错排圆芯管——环形翅片管束
有K•K•Robinson和D•E•Briggs提出下列公式:
 ,N/㎡                              (3.20)
摩擦系数
              (3.21)
式中 ——管束三角形排列的三角形斜边长,m;
     ——翅根直径,m。
该式使用条件是:Re=2000-5000;  =1.8-4.6; 及 =42.85-114.3㎜;
管子外径 =18.6-41.0㎜;翅片管直径 =40-65㎜翅片间距s=3.11-4.03片/厘米。
(2)流体横掠错排圆芯管——矩形翅片管束
  ,N/㎡                             (3.22)
式中摩擦系数 。

3.3  热管热交换器的热管工作安全性校验
为了保证热管工作安全可靠,在热管热交换器中,应作以下工作安全性校验;
1) 热管工作温度核算
这里要核算热管平均工作温度 、热管可能达到的最高工作温度 和热管可能达到的最低工作温度 。
由前述热阻分析可得,热管元件蒸发段总热阻 为
 ,℃/W                        (3.23)
凝结段总热阻为
 ,℃/W                        (3.24)
则总热阻 为
 ,℃/W                     (3.25)
设 分别为热、冷流体进出该排热管束的平均温度,℃; 为热管平均工作温度,℃。则由热平衡可得单支热管的传热量 为
 ,W/支                       (3.26)
从而得热管平均工作温度 为
 ,℃                            (3.27)
由此求得热管工作温度应处于流体的液、固凝结点和液汽临界点之间。不过分的接近那一点,以保证热管工作循环正常进行。
更为重要的是,热管工作温度下的饱和压力(即工作压力)必须小于管材的许用压力。实用上常常用不同材料组合的热管的本身许用温度 来限制其工作温度,即
可能达到的最高工作温度  最高许用温度 ;
可能达到的最低工作温度 最低许用温度 ,如对钢铜复合管—水热管,  ;铜—水热管, ;碳钢—水热管, 。
 及 可按下两式计算:
 ,℃                             (3.28)
 ,℃                              (3.29)
式中 ——分别为热流体的进、出口温度,℃;
     ——分别为首排热管及末排热管的单管传热量,W。
显然,热管只能工作在 的温度范围内。
2)单管热负荷的计算
单根热管的最大传热量 必须小于热管的工作极限。对于吸液芯热管,毛细极限是主要的性能限制,应使 
 (毛细极限时)
对于热虹吸管(重力热管),携带极限为主要性能限制,应使
 (携带极限时)
 可按下式计算:
                                     (3.30)                           
式中 热、冷流体的最大端部温差,℃。
垂直两相闭式热虹吸管达携带极限时的最大热流量 可用下式计算:
 ,W                (3.31)
式中 ——邦德数Bo的函数,
Bo——称为邦德数,为无因次管径,其值为
Bo                                 (3.32)
                                (3.33)
 ——分别为液、汽密度, ;
 ——表面张力,
对于斜置的两相闭式热虹吸管,则
 ,W              (3.34)
3)壁温计算
热管加热段的最低壁温 至少应大于管外气流的水蒸气露点 ,即 ,以避免积灰、结垢及严重的低温腐蚀。 可按下式计算:
                                   (3.35)
设计计算中,以上三项如不能满足,则应调整设计参数,重新设计。

 

 

 

 

 

第四章  热管空气预热器的热力设计
4.1设计原则
热管空气预热器的热力设计可按常规的间壁式热交换器的设计方法进行计算。要注意的是,热管空气预热器的设计是在给定的热管元件基础上进行的,因此在设计之前必须选定热管元件。选择热管元件时,主要根据已知的流体工作温度估计热管的工作温度,使设计后的热管工作温度在安全数值范围内。对于热管形式,应考虑使用场合的不同选择合适的形式。如用于余热回收时,可多考虑应用结构简单,性能优良、工作可靠的两相闭式热虹吸管。
4.2设计原始数据
设计对象:400t/h锅炉的空气预热器
1) 排气流量:
2) 排气进口温度:
3) 空气流量:
4) 空气进口温度:
4.3结构计算
4.3.1热管元件的基本选择
(1)热管形式:碳钢—水热虹吸管,加缓蚀剂。
(2)热管的几何尺寸(根据目前国内生产情况选用)
基管外直径  ㎜;
壁厚   ㎜;
翅片形式:环型平翅片;
翅片外径   ㎜;
翅片高度  H=12.5㎜;
翅片厚度   ㎜;
翅片间距  Y=6㎜。
翅片管为20号无缝钢管绕制高频焊翅片,翅片材料为10号钢。热冷流体侧的翅片几何结构相同。
4.3.2换热器基本结构
(1)管束的排列方式
选用正三角形错排方式布管:
横向节距   ㎜;
纵向节距   56.3㎜(对于错排管束,3排留一吹灰通道)。
(2)迎风面积及热管长度
选择排气侧迎风速度 
选择空气侧迎风速度 
排气侧迎风面积  ㎡
空气侧迎风面积  =73.04㎡
为便于与外部烟风管道连接并保证气流的均流性,希望每侧迎风截面大体上构成正方形或接近正方形。取换热器宽度为B=8m则
排气侧高 
空气侧高 
中间隔板厚 
预留安装段  (上下各预留 )
热管元件总长度 
(3)第一排热管数
 支
(4)元件加热段外光管面积
 
3)热管元件的翅化比及换热器气流的阻断系数
翅化比 :
 
 
由热管和管上翅片遮盖的通风面积占迎风面积的比例可用气流阻断系数 来表示:
 6
 
4.4 传热计算
4.4.1管束的换热计算
(1)排气侧热物性参数及放热量
选取换热器出口的排气温度 (考虑了当炉子在低负荷下运行时,排气温度降低引起 向下波动应留的安全余量)。
排气平均温度 
以 为定性温度查取排气热物性(以在大气压力 下烟气的热物性,烟气成分 为例)
密度  ;比热  ;
导热系数  ;粘度 
排气在标准状况下的密度 
排气热量 
(2)空气侧温升及热物性参数
取预热器散热损失系数 
空气吸热量 
标准状况下空气密度 
以 温度范围内的平均温度取空气比热 
空气出口温度 
空气平均温度 
以 为定性温度得空气热物性参数:
 ;  
 ; 
(3)最窄截面流速
排气侧  
空气侧  
(4)换热系数计算
 
 , ;
 ,
 ,
 
 
4.4.2热管元件的热阻计算
(1)翅片效率 和翅化表面总效率
翅片效率 
热管工作温度估计值  管壁温度 与蒸汽温度 接近,以 查低碳钢导热系数 。
 
 , ,
 
查效率曲线图得 
翅片总效率
可将 表示为
 
 
式中  为翅根直径,在此即为 。
(2)单支热管分热阻计算
取 
 
取 
 
因重力热管无吸液芯,故将 合并成 ,  合并成
取 
 
取 
 
 
取 
 
(3)单支热管总热阻 及热阻成分
总热阻 
热阻成分
 
4.4.4传热温差
(1)端温差,换热器为逆流流型:
 
 
 
(2)对数平均温差
 
4)传热系数K及传热量
计算传热系数以加热段外光管面积 为基础。
 
单管的平均传热量为:
 
单管可能的最大传热量
 
4.4.5热管数N及排数
热管空气预热器的总传热量
 
由此可得计算热管数
 支
按正三角形排列布置,得奇数管排( )共65排偶数管排( =122)共64排,总共排数 排。
实际热管数  支
4.5 流阻计算
两换热侧流阻
 
 
 
式中 为流通计算高度,对热流体 冷流体 。
计算得出:
 ,
 ,
 
4.6 安全性校核
1)热管工作温度
 =153.97℃
 =74.10℃( )
 =234.13℃( )
 在74.10℃—234.13℃之间工作温度符合使用要求
2)热管携带极限计算
 
Bo
 
以 为定性温度查水蒸气饱和水物性可得
 ;
 ; 
计算得:
 ,工作安全。
加热侧最低壁温
 =116.07℃ 
 ; ;
 (烟气中的水蒸气露点)
以上三方面的核算表明此设计符合安全性要求。

 

 

 

 

 

 

 

第五章 结论
    通过热管传热机理和热管空气预热器的设计计算的分析,可以看出热管式空预器具有多方面的优越性: 
     1、 传热效率高,在热管的吸、放热段均可根据需要采用翅片强化传热,增大换热面积,弥补气体换热系数低的弱点,因此整套设备重量轻、体积小。
     2、 空气和烟气可以逆流换热,换热效率高;烟气和空气都在管外流动,流动阻力较小。
     3、有效避免烟气和空气的串流,每根热管都是相对独立密封件,中间由隔板密封严格分隔,密封可靠,即使某根或几根损坏或失效,也不会影响其它热管工作,不会产生漏风漏灰现象。
     4 、有效防止酸露点腐蚀,通过调整热管根数或热管吸热段与放热段的传热面积比,可控制管壁温度,有效防止烟气露点腐蚀,使热管式空预器可以适应低温烟气余热回收的技术要求。
     5 、有效地防止积灰,通过调整热管布局结构,控制烟气流速,提高管壁温度等措施,达到自清灰的目的,因此,热管式空预器不需要经常清灰,且清灰方便。
     6 、在烟道末端有可能发生低温酸露点腐蚀的空预器热管表面,喷涂0.5~0.8mm厚防腐涂层材料,以增强热管的防腐性能,如此处理后的热管较同类产品寿命可提高2倍以上,使用更安全。    
     7 、 节能经济效益  燃气锅炉配用热管式空预器,可以将排烟温度降低到100℃烟气酸露点的极限温度,提高锅炉热效率5~10%,提高炉膛燃烧温度,改善锅炉燃烧状况,降低空气过量系数。以4T/h燃气锅炉为例,按最低节能率5%计算,每小时可节约燃气16 ,全年节约燃气11.6万 ,年节约燃气费32万元以上。节能项目的经济效益和社会效益都非常显著,因而具有很好的应用前景。
   鉴于热管式换热器的多方面优点,随着科技的不断发展,可以预见,热管式换热器将会在工业领域得到广泛应用。

参考文献
《电厂锅炉原理》 王金枝、程新华、丁立新主编;王树群副主编。中国电力出版社。
《传热学》 章熙民、任泽霈编著;梅飞鸣、陈钟颀主审中国建筑工业出版社。
《实用锅炉手册》 林宗虎、徐通模主编,化学工业出版社。
《空气预热器原理与计算》 章成骏主编同济大学出版社。
《换热器设计手册》 化学工业出版社。
《热交换器原理与设计》 东南大学出版社。

责任编辑: banye 参与评论
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