熱管換熱器的設(shè)計(jì)

1、電力畢業(yè)設(shè)計(jì)論文姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院:專(zhuān)業(yè)：熱能動(dòng)力工程題目：熱管換熱器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：進(jìn)見(jiàn)2014年6月摘要熱管式高效的傳熱元件，它是一種能快速將熱能從一點(diǎn)傳至另一點(diǎn)的裝置，由熱管元件組成的，利用熱管原理實(shí)現(xiàn)熱交換的換熱器稱(chēng)之熱管換熱器。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操控性強(qiáng)、換熱效率高、動(dòng)力消耗小等優(yōu)點(diǎn)，熱管換熱器越來(lái)越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的的換熱設(shè)備.目前，它被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力、化工、冶金、電力、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。本文就熱管換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀，趨勢(shì)，應(yīng)用及設(shè)計(jì)做了一個(gè)簡(jiǎn)要的論述，著重探討了熱管換熱器的設(shè)計(jì)。在討論熱管換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要針對(duì)其熱力計(jì)算，設(shè)備結(jié)構(gòu)計(jì)算，元件參數(shù)的選擇做了一個(gè)合理

2、構(gòu)建，并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)出了空氣預(yù)熱管式換熱器基本模型。關(guān)鍵詞：熱管；熱管換熱器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計(jì)計(jì)算AbstractHeatpipeisahighlyefficientheattransfercomponents,itisafastheattospreadfromonepointtoanotherpointofthedevice,consistingoftheheatpipecomponentstheuseoftheprincipleofheatpipeheatexchangerforthermalexchangecalledtheheatpipeheatexchangerBecauseofi

3、tssimplestructure,strongcontrol,heatexchanger,highefficiency,powerconsumption,etc,andheatpipeheatexchangermoreandmoreattention,isverygoodprospectheattransferequipment.Atpresentitiswidelyusedinpower,chemical,metallurgy,electricpower,computersandotherfieldsInthispaper,thedevelopmentofheatpipeheatexcha

4、ngerstatustrends,applicationsanddesignhadabriefdiscussion,focusedonthedesignofheatpipeheatexchangesHeatpipeheatexchangerinthediscussionofthedesignprocess,mainlyforthethermalcalculation,equipment,structuralcalculations,componentselectionofparametersmadeareasonableconstructionanddesigncombinedwiththea

5、ctualsituationoftheairheatpipeheatexchangerpreheatingthebasicmodel.Keywords:Heatpipe;Heatpipeheatexchanger；Structuralparameters;Designcalculation目錄 TOC o 1-5 h z 摘要I HYPERLINK l bookmark6 o Current Document AbstractII HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第1章緒論1 HYPERLINK l bookmark12 o Current

6、Document 1。1課題背景及意義1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1。1。1熱管工作原理1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 熱管的基本特性2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 熱管技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1。2熱管換熱器3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1。2.1熱管換熱器的基本特性3 HYPERLIN

7、K l bookmark24 o Current Document o2熱管換熱器分類(lèi)4 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 1。2。3熱管式換熱器與其它類(lèi)型換熱器比較8 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1.2.4熱管換熱器技術(shù)展望8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1。3換熱器應(yīng)用前景及研究進(jìn)展9 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1。3.1我國(guó)換熱器市場(chǎng)規(guī)模9 HYPERLINK l boo

8、kmark34 o Current Document 。2國(guó)際市場(chǎng)換熱器發(fā)展情況9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1。3.3我國(guó)換熱器研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第2章確定設(shè)計(jì)方案12 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.1選擇換熱器類(lèi)型12 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2。2熱管的設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l bookmark44 o Curren

9、t Document 2。3熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法12 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 第3章熱管換熱器設(shè)計(jì)準(zhǔn)備14 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 第4章熱管設(shè)計(jì)15 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 4。1熱管工作溫度的選擇15 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 熱管傳熱極限的影響16 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 第5章設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)

10、計(jì)17 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 5。1材料的選擇17 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 筒體的設(shè)計(jì)溫度、壓力選擇17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 橢圓形封頭的設(shè)計(jì)17 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 容器法蘭的選擇17 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 管板的設(shè)計(jì)計(jì)算17 HYPERLINK l bookmark68 o Curr

11、ent Document 5。5.1管板的厚度計(jì)算17 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 5。5.2管板管孔直徑的確定18 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 5。5。3管板與殼體的連接18 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 5.5。4管板與管子的連接18 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 第6章附件的選取20 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 6。

12、1液面計(jì)的選擇20 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 6。3壓力儀表的選取20 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 6。4流量測(cè)量?jī)x表20結(jié)論21致謝22參考文獻(xiàn)23 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 附錄25第1章緒論1。1課題背景及意義換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱(chēng)熱交換器，換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。換熱器的熱性能不僅與自身的幾何形狀和材料有關(guān)，而且還取決于進(jìn)行熱

13、交換，熱狀態(tài)介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。節(jié)能換熱器過(guò)程中能量損失包括兩個(gè)方面：首先，功率促進(jìn)流體流動(dòng)的消耗量到達(dá)有些速度；其次，溫度熱傳遞不可逆的損失。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。目前，換熱器在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中被廣泛使用。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開(kāi)發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益增強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器也相繼問(wèn)世.熱管是高效的傳熱元件，它是一種能快

14、速將熱能從一點(diǎn)傳至另一點(diǎn)的裝置，由于它具有超常的熱傳導(dǎo)能力，而且?guī)缀鯖](méi)有熱損耗，因此它被稱(chēng)作傳熱超導(dǎo)體，其導(dǎo)熱系數(shù)為銅的數(shù)千倍。熱管傳熱技術(shù)于六十年代初期由美國(guó)的科學(xué)家發(fā)明，它是利用封閉工作腔內(nèi)工質(zhì)的相變循環(huán)進(jìn)行熱量傳輸，因而具有傳輸熱量大及傳輸效率高等特點(diǎn)。隨著熱管制造成本的降低，尤其是九十年代前后隨著水碳鋼熱管相容性問(wèn)題的解決，熱管憑借其巨大的傳熱能力，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、造紙、冶金等領(lǐng)域的余熱回收系統(tǒng)中。1.1.1熱管工作原理圖1-1熱管工作原理圖其大致原理為：熱管外部有一個(gè)形成真空的密閉管殼，真空度為1.3x10-13X10pa,沿管子內(nèi)壁有毛細(xì)結(jié)構(gòu)材料，管子內(nèi)補(bǔ)充有一定量的

15、工作液體.管內(nèi)的工作液體在熱管的一端吸收熱量后蒸發(fā)汽化，在微小的壓強(qiáng)差下流向熱管的另一端，向外部釋放熱量，于是又冷凝成液體，借助毛細(xì)結(jié)構(gòu)材料抽力返回，再次吸熱、汽化、傳輸、放熱、冷凝過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)熱量從熱管一端到另一端的傳遞。1。1。2熱管的基本特性(1)很高的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的傳熱能力導(dǎo)熱能力.(2)優(yōu)良的等溫性.熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。(3)熱流密度可變性。熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加

16、熱面積，即可改變熱管的管內(nèi)蒸汽壓力和溫度，這樣即可以改變熱流密度。(4)熱流方向的可逆性.一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。(5)恒溫特性。普通熱管的各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，但可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。(6)熱二極管與熱開(kāi)關(guān)性能。熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)；熱開(kāi)關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度

17、時(shí)，熱管就不傳熱。(7)環(huán)境的適應(yīng)性。熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機(jī)的轉(zhuǎn)軸燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的以適應(yīng)長(zhǎng)距離或冷熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場(chǎng))，也可用于空間(無(wú)重力場(chǎng))。1.1.3熱管技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展熱管是一種高效的傳熱元件，熱管技術(shù)研究的重心已經(jīng)從理論研究轉(zhuǎn)移到應(yīng)用研究，熱管的應(yīng)用已經(jīng)由航天轉(zhuǎn)向地面，由工業(yè)轉(zhuǎn)向民用。當(dāng)前，熱管在太陽(yáng)能利用、筆記本電腦CPU勺冷卻以及大功率晶體管的冷卻、化工、冶金、動(dòng)力等領(lǐng)域的應(yīng)用都取得了良好效果，熱管在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，將進(jìn)一步促進(jìn)新型熱管技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。特別指出的是，熱管技術(shù)

18、在太陽(yáng)能方面的應(yīng)用市場(chǎng)前景尤為廣闊。目前太陽(yáng)能熱管發(fā)電裝置、太陽(yáng)能熱管熱水器等產(chǎn)品已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。最近幾年來(lái)，熱管技術(shù)以其獨(dú)特的性能，在各方面發(fā)展都十分迅速.熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷拓寬，特別是微型熱管技術(shù)的出現(xiàn)，使得熱管在醫(yī)療手術(shù)、電子裝置芯片、筆記本電腦CPU的冷卻、電路控制板的冷卻、核電工程中的應(yīng)用得到了極大的發(fā)展。毋庸置疑，21世紀(jì)熱管技術(shù)必將朝著更高效、更普及、微型化、大規(guī)?；姆较虬l(fā)展。1。2熱管換熱器由熱管元件組成的，利用熱管原理實(shí)現(xiàn)熱交換的換熱器稱(chēng)之為熱管換熱器.一般情況下，它有一個(gè)矩形的外殼，在矩形外殼中布滿(mǎn)了帶翅片的熱管，熱管的布置可以是錯(cuò)列呈三角形的排列，也

19、可以是順列呈正方形排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分成兩個(gè)部分，形成熱流體與冷流體的通道.當(dāng)熱冷流體同時(shí)在各自的通道中流過(guò)時(shí)，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱量交換.熱管換熱器是由美國(guó)發(fā)明的，最初被用于航天技術(shù)和核反應(yīng)堆，以解決向陽(yáng)面和背陰面受熱不均勻。它是一種新型的換熱器，于70年代初才開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能設(shè)備.雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的最大特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類(lèi)型的換熱器，換熱流體通過(guò)換熱器時(shí)的壓力損失也比其他換熱器小，因而動(dòng)力消耗也小。熱管換熱器的這些特點(diǎn)

20、正越來(lái)越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。20世紀(jì)90年代被用于民用空調(diào)，由于其優(yōu)越的導(dǎo)熱性，受到越來(lái)越廣泛的重視，目前在計(jì)算機(jī)、雷達(dá)等高科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。1。2.1熱管換熱器的基本特性(1)熱管換熱器可以通過(guò)換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開(kāi)，在運(yùn)行過(guò)程中單根熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱器用于易然、易爆、腐蝕性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性.(2)熱管換熱器的冷、熱流體完全分開(kāi)流動(dòng)，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的逆流換熱。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。(3)對(duì)

21、于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問(wèn)題。(4)熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來(lái)調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開(kāi)最大的腐蝕區(qū)域.熱管是借助于工質(zhì)液體的汽、液相變來(lái)傳遞熱量，熱阻小，導(dǎo)熱能力強(qiáng)。因?yàn)檫@種相變傳熱方式相變潛熱大，所以它的傳熱能力一般比以顯熱方式的傳熱能力大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，有人把熱管這種良好的導(dǎo)熱性稱(chēng)之為“超導(dǎo)熱性”。如1k水在常壓下的汽化潛熱量2257.1kJ/kg幾乎相當(dāng)于5.4kg水從0c加熱到100c水所需的總熱量。所以說(shuō)t熱管在小溫差下能具有很大的傳熱能力。當(dāng)導(dǎo)熱環(huán)節(jié)成為強(qiáng)化傳

22、熱的關(guān)鍵時(shí).利捌熱管會(huì)收到良好的效果。如航天技術(shù)中的溫度控制，電子器件及鑄模的冷卻，導(dǎo)出化學(xué)反應(yīng)器中的反應(yīng)熱。在熱管的工作循環(huán)中工作液體的蒸發(fā)和蒸汽的凝結(jié)過(guò)程分別在蒸發(fā)段與凝結(jié)段進(jìn)行，如忽略蒸汽流動(dòng)所需要的微小壓差，則熱管內(nèi)部應(yīng)處于一個(gè)相平衡狀態(tài)，而工質(zhì)的相變過(guò)程具有極嚴(yán)格的飽和壓力和飽和溫度間的依變關(guān)系，所以理論上熱管兩端的溫度是相等的。由于必須有微小的壓差推動(dòng)蒸汽由蒸發(fā)段向凝結(jié)段流動(dòng)，不可避免地使蒸發(fā)段與凝結(jié)段問(wèn)存在一定溫差，但是根據(jù)Clausuis-Clapeyron方程，對(duì)應(yīng)于微小壓差的溫差很小。即與其他傳熱方式相比它，熱管能在低溫差下傳遞熱量，是十分理想的等溫元件。利用熱管的等溫性能

23、，可以制成各種形式的熱管均溫爐、黑體爐，也可以用于鑄模的均熱。這樣通過(guò)改變蒸發(fā)段與凝結(jié)段的外表面積，可以將集中的熱流分散，作為優(yōu)良的散熱器來(lái)冷卻其他方法難以冷卻的高熱流密度部件，如用于電子計(jì)算機(jī)元件、變壓器、內(nèi)燃機(jī)等的冷卻散熱；還可以把分散的熱流集中使用，如用于高功率密度的熱離子換能器、溫差電池、太陽(yáng)能集熱器。有吸液芯的熱管能僅靠毛細(xì)力工作，熱管水平放置或失重，則受熱段成為蒸發(fā)段，另一端則為冷凝段，熱管內(nèi)的傳熱方向可以逆轉(zhuǎn)。可以將熱管傳熱方向可以逆轉(zhuǎn)的特點(diǎn)用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可以用于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)器及空調(diào)余熱利用裝置。利用熱管工質(zhì)凝固點(diǎn)溫度值.把熱管制成傳熱系統(tǒng)中

24、的溫度開(kāi)關(guān)。只有熱源能使熱管工作溫度高于工質(zhì)凝固點(diǎn)時(shí)，熱管才投入運(yùn)行，當(dāng)熱管工作溫度低于工質(zhì)凝固點(diǎn)時(shí)，熱管自動(dòng)停止工作。熱阻可控?zé)峁艿暮銣靥匦?；在熱管?nèi)充入一定量的不凝氣體，熱管工作時(shí)，不凝氣體壓至冷凝端形成無(wú)效區(qū)，這一不凝氣體無(wú)效區(qū)的大小隨加熱量的增加而變小，而保持熱管工作溫度基本不變?？煽?zé)峁芤呀?jīng)成功地應(yīng)用丁空間飛行器和化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制。熱管可以適用于各種介質(zhì)、各種類(lèi)型的熱源，熱管的形狀町以隨售熱源的條件而變化，可以在低溫差下向較遠(yuǎn)傳熱。1.2.2熱管換熱器分類(lèi)(1)按形式分：整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉(zhuǎn)式熱管換熱器等。(2)按功能分：氣一氣式換熱器、氣一液式換熱器、氣-汽

25、式換熱器等。根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)的熱管換熱器結(jié)構(gòu)及外形形式多樣，圖1-3、圖14分別為應(yīng)用最為廣泛的氣-氣熱管換熱器外形示意圖和氣一液熱管換熱器外形示意圖。圖1-3氣-氣熱管換熱器熱氣體出口圖14氣一液熱管換熱器4液體入口攝管 克體被木他后的凈液體甜口隔楨禽氣體入口圖1-3：熱管氣一氣換熱器是單管組合式熱管換熱器中的一種氣-氣熱管換熱器，也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種余熱回收設(shè)備，它利用鍋爐、加熱爐等排煙余熱預(yù)熱爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對(duì)環(huán)境的污染。圖15:是熱管氣一氣換熱器用于回收鍋爐煙氣余熱，得到的熱空氣用于鍋爐助燃的流程示意圖圖1-5熱管氣一氣換熱器流程示意圖熱管氣一氣

26、換熱器綜合起來(lái)有如下一些特點(diǎn)：傳熱性能高.由于熱管氣一氣換熱器的加熱段和冷凝段都有帶翅片，大大擴(kuò)展了換熱表面，因此，其傳熱系數(shù)比普通光管氣一氣換熱器的要大好多倍。對(duì)數(shù)平均溫差大。由于熱管氣一氣換熱器可以方便地做到冷流體與熱流體的純逆向流動(dòng)，這樣在相同的進(jìn)、出口溫度條件下，就可以產(chǎn)生最大的對(duì)數(shù)平均溫差。傳熱量大。由于熱管氣一氣換熱器的傳熱系數(shù)和對(duì)數(shù)平均溫差大，因此，傳熱量就大。體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊.由于熱管氣一氣換熱器所傳輸?shù)臒崃看螅虼嗽趥鬏斖瑯拥臒崃壳闆r下，熱管氣一氣換熱器就顯得體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)非常緊湊，因而金屬的消耗量小，占地面積也就大大減少。熱管氣一氣換熱器這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)就使其在

27、余熱回收等應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的天地.便于拆裝、檢查和更換。熱管氣一氣換熱器是由許多根獨(dú)立的換熱元件-熱管按著一定的排列方式組成的。因此更換部分熱管不會(huì)影響熱管氣-氣換熱器整體的正常工作。熱管氣-氣換熱器具有很大的靈活性?？梢愿鶕?jù)不同的熱負(fù)荷和氣體的流量將幾個(gè)熱管氣一氣換熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)使用.熱管換熱器的優(yōu)點(diǎn)；熱管換熱器的興起與發(fā)展和世界能源形勢(shì)密切相關(guān)。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源需求的矛盾日益尖銳，因此世界各國(guó)大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)，余熱利用引起了越來(lái)越多的關(guān)注。我國(guó)能源消費(fèi)居世界第三位，但燃料利用率不到30%,能源短缺制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。根據(jù)我國(guó)“能源要以開(kāi)發(fā)和節(jié)約

28、并重，近期內(nèi)把節(jié)能放在優(yōu)先地位”的方針，余熱的回收及利用在節(jié)能工作中占有重要的地位。我國(guó)的余熱資源豐富，大量的工業(yè)余熱沒(méi)有得到充分的利用，冶金爐和工業(yè)窯爐的排煙溫度多在2001300c之間，排煙熱損失占供熱量的3050%。工業(yè)鍋爐白排煙溫度在200250c左右，每年損失的燃料折合標(biāo)準(zhǔn)煤達(dá)2000萬(wàn)噸左右。在電力工業(yè)中，不少電站鍋爐排煙溫度可高達(dá)160180c左右.由此可見(jiàn)，其中存在著巨大的節(jié)能潛力。采用合適的技術(shù)措施，回收這些余熱是節(jié)約能源和提高能源的利用率的重要途徑.在回收余熱時(shí)，由于煙氣的溫度水平較低，換熱器冷、熱流體的對(duì)數(shù)平均溫差較小，所以需要較大的換熱面積，金屬消耗量大，設(shè)備投資施工費(fèi)

29、用大。而且由于煙氣在換熱器內(nèi)流程長(zhǎng)，流動(dòng)阻力較大，引風(fēng)機(jī)，耗電增大。此外，在低溫余熱回收中常常出現(xiàn)低溫腐蝕。所以，在80年代前一般認(rèn)為回收250c以下的余熱在經(jīng)濟(jì)上是不合算的.在余熱回收及利用的領(lǐng)域中，熱管換熱器與常規(guī)換熱器相比有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用。一，冷熱流體兩側(cè)的換熱面可以自由布置，熱管換熱器傳熱性能好.在熱管換熱器中，冷、熱流體都在熱管的外表面流動(dòng)，冷、熱流兩側(cè)的換熱面可以自由布置，可以在熱管的一側(cè)或兩側(cè)布置肋片強(qiáng)化傳熱，與常規(guī)換熱器相比，熱管換熱器具有較高的傳熱系數(shù)。常規(guī)管板式和蛇形管式換熱器只能布置成交叉流的形式，熱管換熱器的冷、熱流體可以布置成純逆流形式，具有較高的

30、對(duì)數(shù)平均溫差。所以熱管換熱器傳熱性能好，重量輕，體積小。更適用于溫度、流量、流體性質(zhì)相差懸殊的兩種流體間的傳熱。最具代表性是氣.氣熱管換熱器，這種換熱器的兩種流體都是氣體。由于可以在蒸發(fā)段和冷凝段熱管外表面同時(shí)加翅片，使肋化比達(dá)到810,克服了氣體換熱系數(shù)小的缺點(diǎn)，從而大大強(qiáng)化了整個(gè)氣.氣換熱過(guò)程，在同樣的空間里可以布置比管式換熱器大23倍的換熱面。其中的熱管空氣預(yù)熱器，解決了低溫受熱面的腐蝕、回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)問(wèn)題，在熱能工程中得到了成功的應(yīng)用二、流動(dòng)阻力損失小由于熱管換熱器傳熱性能好，換熱面小，所以流體流過(guò)的熱管排數(shù)少，流動(dòng)阻力損失相應(yīng)減小。回收余熱時(shí)送、引風(fēng)機(jī)的功率增加不多有利于已有

31、設(shè)備的節(jié)能改造.三、抗低溫腐蝕性能好圖1-5傳熱溫度分布回收煙氣余熱是有一定限制的，即排煙溫度不能過(guò)低。當(dāng)排煙溫度過(guò)低，換熱器金屬壁面溫度低于煙氣露點(diǎn)時(shí)，換熱設(shè)備會(huì)發(fā)生低溫酸腐蝕。低溫腐蝕是在低溫余熱回收中必然出現(xiàn)的問(wèn)題。根據(jù)傳熱學(xué)得到煙氣側(cè)壁溫。四、二次間壁換熱特性；常規(guī)間壁換熱器只要有一處損壞，冷、熱兩種換熱流體就會(huì)相通而發(fā)生泄露必須停車(chē)檢修.熱管換熱器是二次間壁換熱，即使單根熱管破壞，冷、熱兩種換熱流體也不可能相混，無(wú)須停車(chē)檢修，保證了現(xiàn)代化、連續(xù)大生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)安全、可靠及長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)于易燃、易爆、有毒、有害流體的加熱或余熱回收有特殊的意義。在高爐設(shè)備的風(fēng)口、渣口、反應(yīng)設(shè)備的中間換熱、催化

32、裂化的連續(xù)取熱、重要生產(chǎn)中的余熱回收等過(guò)程中.必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)換熱設(shè)備而取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益.五、撓性熱管和分離式熱管換熱器可以在熱源、熱匯分隔較遠(yuǎn)的情況下進(jìn)行高效傳熱，分隔的距離可以從幾米到上百米。六、熱管換熱器運(yùn)行時(shí)表面近于等溫，用它來(lái)保持恒溫環(huán)境是很理想的。七、熱管換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，不需要外加動(dòng)力，安裝布置方便，維修工作量小.綜上所述.熱管換熱器是一種理想的用于余熱回收的換熱設(shè)備，可以成功地解決常規(guī)換熱器存在的傳熱性能差、磨損、腐蝕、堵灰及泄露等難題，提高了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，有著十分廣闊的發(fā)展前景。1。2。3熱管式換熱器與其它類(lèi)型換熱器比較表11各種換熱器比較備注：表中括弧中的

33、數(shù)字表示品質(zhì)因數(shù)，最好為5,最差為0;總計(jì)因數(shù)越高，其綜合性能越優(yōu)良.1.2.4熱管換熱器技術(shù)展望近年來(lái)，熱管換熱器熱加工工藝模擬不斷向廣度、深度拓展，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是（1）宏觀一中觀-微觀已普遍由建立在溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、變形場(chǎng)基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測(cè)形狀、尺寸，輪廓的宏觀尺度模擬（mm-m級(jí)）進(jìn)入到以預(yù)測(cè)組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度模擬（毫米量級(jí)）及微觀尺度模擬（微米量級(jí)）階段。（2）單一分散-耦合集成模擬功能已由單一的物理場(chǎng)模擬普遍進(jìn)入到多種物理場(chǎng)相互耦合集成的階段，以真實(shí)模擬復(fù)雜的熱加工過(guò)程.（3）共性、通用一專(zhuān)用、特性由于普通鑄造、沖壓、鍛造工藝模擬的日益成熟及商業(yè)軟件的出現(xiàn)，熱管換熱器研究

34、工作的重點(diǎn)和前沿已由共性通用問(wèn)題轉(zhuǎn)向難度更大的專(zhuān)用特性問(wèn)題。主要方向一是解決特種熱加工工藝（如壓鑄、金屬型鑄造、楔橫軋等）模擬及工藝優(yōu)化問(wèn)題；二是解決加工件的缺陷（混晶、回彈、熱裂、冷裂、變形等）消除問(wèn)題。(4)重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎(chǔ)性研究主要有：熱管換熱器熱加工基礎(chǔ)理論、缺陷形成機(jī)理及判據(jù)、新的數(shù)理模型、新的算法、前后處理等基礎(chǔ)性研究及物理模擬與精確測(cè)試技術(shù)等。(5)重視集成技術(shù)，使熱管換熱器工藝模擬成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分包括：在并行環(huán)境下，與產(chǎn)品、模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)集成，與零件加工制造系統(tǒng)集成，與零件的安全可靠性能實(shí)現(xiàn)集成.1。3換熱器應(yīng)用前景及研究進(jìn)展1。3

35、.1我國(guó)換熱器市場(chǎng)規(guī)模單位1億元T6OO140020.00?o12D0100015 0Q%000W 口?！癠6001005.OO?b2007200S2009 2010E 2O11E 2012E 201SE 2011E 2015E 2020E圖1-6我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模圖基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對(duì)換熱器穩(wěn)定的需求增長(zhǎng)，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2010年年底，我國(guó)換熱器的市場(chǎng)需求將達(dá)到500億元。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場(chǎng)，具市場(chǎng)規(guī)模在150億元；電力冶金領(lǐng)域換熱器市場(chǎng)規(guī)模在80億元左右；船舶工業(yè)換熱器市場(chǎng)規(guī)模在40億

36、元以上；機(jī)械工業(yè)換熱器市場(chǎng)規(guī)模約為40億元；集中供暖行業(yè)換熱器市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)30億元，食品工業(yè)也有近30億元的市場(chǎng).另外，航天飛行器、半導(dǎo)體器件、核電常規(guī)島核島、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏發(fā)電多晶硅生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要大量的專(zhuān)業(yè)換熱器，這些市場(chǎng)約有130億元的規(guī)模。預(yù)計(jì)2010年至2020年期間，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均1015流右的速度增長(zhǎng).到2015年，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破880億元；到2020年我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到1500億元。2國(guó)際市場(chǎng)換熱器發(fā)展情況圖1-7國(guó)際換熱器分布圖國(guó)際換熱器產(chǎn)業(yè)的總市場(chǎng)規(guī)模在500億美元左右。其中，歐盟和美國(guó)這兩大市場(chǎng)的規(guī)模約占200億美元左右，占據(jù)全球換熱

37、器市場(chǎng)近40%的份額.而世界換器市場(chǎng)新的增長(zhǎng)點(diǎn)主要集中于中國(guó)、俄羅斯、巴西、印度以及快速發(fā)展的東南亞市場(chǎng)，其中，“金磚四國(guó)”約占全球換熱器市場(chǎng)近30%勺份額。圖18國(guó)際換熱器分布圖1.3.3我國(guó)換熱器研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，也取得了較大進(jìn)展。尤其最近幾年來(lái)，大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起.如蘭石換熱設(shè)備公司板式換熱器成功進(jìn)入國(guó)內(nèi)核電建設(shè)項(xiàng)目常規(guī)島和核島領(lǐng)域，并陸續(xù)將板式換熱器用于大乙烯項(xiàng)目、鈦白粉生產(chǎn)線(xiàn)等領(lǐng)域。四平巨元瀚洋板式換熱器公司也成功進(jìn)入大亞灣二期嶺澳核電站的常規(guī)島和核島領(lǐng)域.

38、當(dāng)然，與國(guó)外換熱器先進(jìn)制造工藝相比，我國(guó)換熱器制造技術(shù)還相當(dāng)落后，有待進(jìn)一步改進(jìn)。主要表現(xiàn)在：（1）相關(guān)科研人員對(duì)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)技術(shù)的研究不夠重視，例如從基礎(chǔ)物性（尤其是熱物性）的研究、傳熱與流動(dòng)的研究（釬焊板式換熱器冷凝與蒸發(fā),纏繞管式換熱器和板翅式換熱器多股介質(zhì)的傳熱與流動(dòng)），U型管在不同熱處理狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、無(wú)縫管對(duì)接接頭在繞管狀態(tài)下的應(yīng)變時(shí)效、加氫換熱器管箱端部螺紋的應(yīng)力分析和應(yīng)力測(cè)定等方面都有許多工作要做。（2）某些制造工藝尚需突破,例如螺旋板式換熱器碳鋼定距柱的接觸焊、板式換熱器（含板殼式換熱器）的激光焊工藝、細(xì)管液壓脹管新途徑等。（3）另外在換熱器制造上，我國(guó)目前還以仿制為主

39、，雖然在整體制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。第2章確定設(shè)計(jì)方案2。1選擇換熱器類(lèi)型根據(jù)題意，本設(shè)計(jì)中直選用熱管式換熱器。由于熱管換熱器與其他換熱器比較具有熱平均溫差大，傳熱性能高；布置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊，可以改變熱管根數(shù)任意組合,增大換熱面積，故可用較少的熱管保證熱量的傳遞；工作安全可靠，即使其中一根發(fā)生故障，也不影響整個(gè)換熱器的工作；檢修方便、維修量少、操控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此熱管換熱器被廣泛應(yīng)用于余熱的回收，尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，各種熱力設(shè)備的排煙、排氣、排水、排渣等，凡是有余熱可回收的地方都可以應(yīng)用。2.2熱管的設(shè)計(jì)熱管的設(shè)計(jì)主要包括：管殼的設(shè)計(jì)、工作介

40、質(zhì)選擇、吸濾芯材料選擇、中間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算等（熱管的主要參數(shù)見(jiàn)表21）。其中熱管直徑、熱管長(zhǎng)度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)（翅片間距、翅片高度、翅片厚度）決定翅片效率和翅化比，對(duì)熱管換熱器的傳熱及流阻性能影響較大，并涉及換熱器的緊湊性、投資和運(yùn)行費(fèi)用在設(shè)計(jì)熱管時(shí)所依據(jù)的都是經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)煙氣的流量、溫度一定時(shí)，如何確定熱管的直徑、翅片高度、翅片厚度、翅片間距、熱管管間距、熱管長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸并沒(méi)有準(zhǔn)確的依據(jù)。這也影響了熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用.表.1熱管換熱器用熱奢玉要參數(shù)使用場(chǎng)合整數(shù)蠢數(shù)空調(diào)及一般行業(yè)工業(yè)大型裝立普注管長(zhǎng)/mm610-48803000-6000LL210nm名為有色金屬煙氣側(cè)期片節(jié)距，-位