【正文】 最后式（ 11）可寫為： 111 1 1 1121 2 1 1 2221 1 12 2 2 21 1 1 1wyw y H P i H P iwywyA A A ArrU U A A U A U AA A ArrA A U A? ? ? ? ? ?? ? ? (14) 如果熱管氣 氣換熱器的冷、熱流體的隔板放在熱管的中央，此時冷側和熱側管外總面積相等（冷熱側翅片參數(shù)相同時），若冷流體是干凈的空氣，則上式可簡化成為 : 111 1 1121 1 1 11 1 1 1 12 2wyw y H P H P iA A ArrU U A A U U A U??? ? ? ? ? ????? (15) 式（ 15）常被用來計算熱管氣 氣換熱器的總傳熱系數(shù)。 加熱段的傳熱方程為： 1 1 1()vQ U A T T?? (3) 冷卻段的傳熱方程為： 2 2 2()vQ U A T T?? (4) 將上式整理后可得： 1 11v QTTUA?? (5) 2 22v QTTUA?? (6) 兩式相加消去 vT 后，可得： 121 1 2 211TTQU A U A??? (7) 對于熱管氣 氣換熱器，一般總是以加熱段管外側的總表面積 1A 為計算基準的， 故 : 10()fA A A?? (8) 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 28 111 1 1 11 0 1 0 1 1 1 1 1 1 11 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (1) 對于冷卻段，有 222 2 2 22 0 2 0 2 2 2 2 2 2 21 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (2) 式中的 1A 和 2A 分別為加熱段和冷卻段的管外總表面積， A0， A0， 2 分別為加熱段和冷卻段翅片間光管表面積； 1fA 和 2fA 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積； 1U 和 2U 分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準的傳熱系數(shù)。 總換熱系數(shù)的求解理論及方法 如圖 是熱管氣 氣換熱器的換熱示意簡圖，高溫煙氣流過隔板的一側，將熱量 傳給帶有翅片的熱管，并通過熱管將熱量傳至空氣側。對于逆流操作的熱管氣 氣換熱器為： 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 25 ? ?? ?1111 1 11 e x p ( 1 )1 e x p ( 1 )N T U RR N T U R? ??? ? ?? ?2222 2 21 e x p ( 1 )1 e x p ( 1 )N T U RR N T U R? ??? 其中： 112()()ppmcR mc? 221()()ppmcR mc? 利用 NTU 和 ?的關系式和熱量衡算式，可較方便的進行傳熱計算，特別是對已有熱管氣 氣換熱器傳熱性能進行核算，課避免試算或減少試算的次數(shù)。111 39。2T = 39。1T 分別為熱流體的進出口溫 度， 39。139。設計計算是設計一個新的氣 氣換熱器，要求確定氣 氣換熱器所需的換熱面積；而校核計算是是對已有的氣 氣換熱器進行校核，以確定氣 氣換熱器的流體出口溫度和換熱量。這樣軸向溫度梯度很小，并可忽略不計。 對熱管的強度來說，在其他條件相同的情況下，管徑越小，所能承受的管內壓力就越 高，管徑小些有利。 熱管的強度與最大傳熱功率 熱管的設計計算通常按以下 3個步驟 進行 :根據(jù)一定的蒸汽速度 確定熱管的直徑 。據(jù)此，所選擇的熱管工作液體熔點應低于熱管的工作溫度，而臨界點必須高 于熱管的工作溫度，熱管才有可能正常工作。故此時的熱管設計應注意經濟性，應盡量采用價廉易得且傳輸性能好的工作 液體；不采用吸液芯，完全依靠重力 回流； 對管壁則盡可能采用廉價金屬 碳鋼。 3. 熱管氣 _氣換熱器的計算理論及方法 熱管氣 氣換熱器是由若干獨立傳熱的熱管按一定的排列方式所組成，目前的工業(yè)應用場合，均采用重力式熱管作傳熱元件，所以熱管氣 氣換熱器的工藝設計計算內容包括重力式熱管，以及以重力式熱管作傳熱元件的氣 氣換熱器兩個部分的設計計 算。特別是工藝簡單、成本低廉的碳鋼 水熱 管的問世，更為熱管換熱器在余熱回收方面的應用開辟了十分廣闊的前景。 總之，熱管氣 氣換熱器與管殼式預熱器相比，有很多優(yōu)點，主要體現(xiàn)在傳熱性能 好、結構簡單、緊湊、投資小、運行費用低和流動阻力小等方面。熱管氣 氣換熱器綜合起來有如下一些特點 : ①傳熱性能高。從氣 氣換熱器中排出的容許溫度決 定于必須使 金屬壁溫度高于煙氣露點的條件。熱管氣 氣換熱器的應用簡化并加速了燃料的烘干工程，減少了低值 燃料和濕燃料的著火困難，并且擴大了這些燃料經濟燃燒的可能。南京工業(yè)大學于 1973 年就開始了這方面研制工作，并和南京煉油廠共同完成了國內第一臺熱管換熱 器。 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 15 圖 13氣 氣熱管換熱器 圖 14氣 液熱官換熱器 熱管式換熱器是一種新型的換熱器，于 70 年代初才開始應用于工業(yè)中作為節(jié)能 設備。熱管換熱 器用于易然、易爆、腐蝕性強的流體換熱場合具有很高的可靠性。當熱冷流體同時 在各自的通道中流過時，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實現(xiàn)了兩種流體的熱量交換。主要目的是解決熱管的制造工藝、碳鋼 水熱管的相容性、中高溫熱 管的研制、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設計方法等問題，其研究成果陸續(xù)在石化、 冶金、電力等行業(yè)推廣應用。當反應釜中的反應溫度達不到熱管啟動溫度時，熱管不工作，一旦溫度上升到熱管工作溫度時，熱管便 通過釜內的吸熱片把熱量傳到釜外，通過散熱片散入空間，從而使得釜內反應溫度保 持恒定。這條管線穿過寒冷的凍土地帶，夏天凍土融化，使得管線下陷，引起管線破裂。同年特納核比恩特提出了 “ 可變導熱管 ” 作為恒溫控制使用。 1967 年一根不銹鋼 水熱管首次在空間運轉成功。此后英國原子能實驗室開始了類似的以鈉和其它物質作為工作介質的熱管研究工作。 熱管的發(fā)展歷程及應用領域 熱管作為一種具有高導熱性能的傳熱裝置，其概念首先是由美國通用發(fā)動機公司的 Gaugler 于 1944 年提出的。 （ 7）環(huán)境的適應性。 （ 3） 熱流密度可變性。同樣，為了保持連續(xù)凝結，正在冷凝中的蒸汽壓力必須超過該處與之對應 的液體的蒸汽壓力。蒸發(fā)段與冷卻段之間這個溫 差常?？勺鳛闊峁芄ぷ鞒晒εc否的一個判據(jù)。 熱量傳遞到液一汽分界面附近以后，液體就 可能蒸發(fā)，與液體蒸發(fā)的同時，由于從表面離開的液體質量使液一汽交界面縮回到吸液芯里面，形成一個凹形的彎月面 (如圖 ),這個彎月面的形狀對熱管工作性能有決定性影響。完成這一轉移有 6個同時發(fā)生而又相互關聯(lián)的主要過 程 ，如圖 。 熱管及其應用 熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，它通 過在全封閉真空管內工質的蒸發(fā) 與凝結來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意 改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點。 熱管是一種具有極高導熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內的液體 的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效 果。本文就熱管換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢、應用及設計做了一個簡 要的論述，著重探討了熱管換熱器的設計。 本設計包含三方面的內容。余熱回收是合理利用能源、節(jié)約能源、提高能源利用率等方面不可忽視的問題。 二零一三年六月 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 6 摘要 熱管是高效 的傳熱元件，它是一種能快速將熱能從一點傳至另一點的裝置，由熱 管元件組成的，利用 熱管原理實現(xiàn)熱交換的換熱器稱之為熱管換熱器。 Design calculation 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 7 1. 緒 論 熱管及熱管換熱器的概述 熱管是一種具有極高導熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內的液體 的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。據(jù)有關報道稱，我國三分 之二的能源被鍋爐吞噬，而我國工業(yè)鍋爐的實際運行效率只有65%左右，工業(yè)發(fā)達國 家的燃煤工業(yè)鍋 爐運行熱效率達 85%，因此，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，節(jié)能潛力十分 巨大。由于熱管內部抽成真空，所以工 質極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動迅速。在多孔吸液芯的情況下，對流傳熱是很小的，因為要產生有實際意義的對流流動，毛細孔顯得太小了。 圖 12 熱管的汽一液交界面 當蒸發(fā)段里的液體一旦因吸收了汽化潛熱并蒸發(fā)時，蒸汽就開始通過熱管的蒸汽腔向冷卻段流動。當蒸汽流過蒸發(fā)段和絕熱段時，由于粘滯效應和速度效應使得壓力不斷下降（在絕熱段 只有粘滯效應），一旦到達冷卻段，蒸汽就開始在液體一吸液芯表面上凝結，減速流 動使部分動能轉化為靜壓能，從而使得在流體運動的方向上壓力有所回升。熱管內部主要靠工作液體 的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此 具有很高的傳熱能力導熱能力。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 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，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的 恒溫特性。冷熱流體均在管外流動，由于管外流動的換熱系數(shù) 遠高于管內流動的換熱系 數(shù)，用于品位較低的熱能回收場合非常經濟。 1963 年 LosAlamos 科學實驗室的 Grover 在他的專利中正式提出熱管的命名，該裝置基本上與 Gaugler 的專利相類似。 1967 年至 1968 年，美國應用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應用范圍涉及到空調、電子器件、核電機的冷卻等方面。 1969 年，蘇聯(lián)、日本的有關雜志均發(fā)表了有關熱管應用研究的文章。低溫熱管在通信聯(lián)絡中冷卻紅外線傳感器、參量放 大器； 在醫(yī)學方面可用作低溫手術刀，進行眼睛和腫瘤的手術。其熱管的設計使用壽命可 達 30 年，滿足整個管線工程的要求。在 1972 年，第一根鈉熱管運行成功，以后相繼研制成功氨、水、鈉、汞、聯(lián)苯等各種介質的熱管，并在應用上取得了一定的 進展。一般情況下，它有一個矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人 們的重視，是一種應用前 景非常好的換熱設備。 熱管換熱器分類 (1)按形 式分 :整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉式熱管換熱器等。 1976 年 12 月 7日，在衛(wèi)星上首次應用熱管取得了成功。 熱管氣 氣換熱器是目前應用最為廣泛的一種余熱回收設備 ,它利用鍋爐、加熱爐 等排煙余熱預熱爐內的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對環(huán)境的污 染，因此，熱管氣 氣換熱器在余熱回收利用中得到非常廣泛的應用。 傳統(tǒng)的氣 氣換熱器的缺點是過于笨重，愈提高煙氣冷卻程度或者空氣的加熱溫 度，氣 氣換熱器就愈加笨重。在這些地方，煙氣與水或蒸汽 的溫度差將會增加，因而經過受熱面?zhèn)鬟^的熱量也就增加了。熱管氣 氣換熱器這一獨特的優(yōu)點就使 其在余熱回收等應用領域開辟了廣闊的 天地； ⑤便于拆裝、檢查和更換。 （ 4）重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎性研究 主要有：熱管換熱器熱加工基礎理論、缺陷形成機理及判據(jù)、新的數(shù)理模型、 新的算法、前后處理等基礎性研究及物理模擬與精確測試技術等。速度較小時 ,熱管翅片上易積灰 ,使熱管換熱能力下降 ,嚴重時堵塞換熱器 ,使其失效。在某些場合下要求相當苛刻，例如宇航、軍工中就是如此。一般應考慮以下一些原則 : 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 21 （ 1）質應適應熱管的工作溫度區(qū) 在指定的設計條件下，冷源和熱源的溫度是已知的，換熱條件也是明確的，因而熱管本身的工作溫度范圍可以通過一般的傳熱公式計算出來。目前還沒有完整的理論來計算材料的相容性，但是確定材料相容性的 試驗研究結果已相當多。因此增大管徑是有利的。 管徑計算的一個基本原則是管內蒸汽速度不超過一定的極限 值。 熱管氣 氣換熱器的設計計算方法 熱管氣 氣換熱器設計計算的主要任務在于求取總傳熱系數(shù) U，然后根據(jù)平均溫差 ΔT 及熱負荷 Q求得總傳熱面積 A，從而定出管子根數(shù) N。 （ 3）根據(jù)熱管氣 氣換熱器的結構，計算相應工作條件下的傳熱系數(shù) U的數(shù) 值； （ 4）從已知的 UA和 A1由傳熱方程求出換熱量 Q (假設出口溫度下的計算 值 ）； 蘭州理工大學石油化工學院畢業(yè)設計（論文） 24 （ 5）再由熱管氣 氣換熱器熱平衡方程計算出冷熱流體的出口溫 度值； 以新計算出的出口溫度作為假設溫度值，重復以上步驟 （ 2)至（ 5)， 直至前后兩次計算值的誤差小于給定數(shù)值為止，一般相對誤差應