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可拆式熱管換熱器畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(完整版)

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【正文】 由冷熱流體的四個(gè)進(jìn)出口溫度確定其對(duì)數(shù)平均溫差 Tm; ( 3)初步布置換熱管,根據(jù)無因次準(zhǔn)則方程計(jì)算總傳熱系數(shù) U。1 11 1 2 1()TT pdT UAN T U T T m c???? 39。39。39。12TTTT? ?? ? 39。 ( 2)計(jì)算熱管氣 氣換熱器的傳熱單元數(shù) NTU 和熱容流率的比值 min max/XX ( 3)按照熱管氣 氣換熱器中流體流動(dòng)類型,根據(jù) ? NTU 的計(jì)算公式計(jì)算預(yù)熱器的效能值 ? ; ( 4)根據(jù)冷熱流體的進(jìn)口溫度及最小熱容流率,按照公式求出換熱量 Q; ( 5)利用熱管氣 氣換熱器的熱平衡方程確定冷熱流體的出口溫度 39。原則上可以把熱管群看成是一塊流阻很小的“間壁”。 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(duì)于熱管氣 氣換熱器,一般總是以加熱段管外側(cè)的總表面積 1A 為計(jì)算基準(zhǔn)的, 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 30 故 : 10()fA A A?? (8) 因而對(duì)應(yīng)于 1A 的熱管氣 氣換熱 器總傳熱系數(shù) U 為 : 1 1 11 1 2 2 1 2 21111U A A AU A U A U U A??? ? ? (9) 將( 1)和( 2)式代入上式可得 : 111 1 1 1 110 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1222 2 2 2 222 0 2 0 2 2 2 2 2 2 211()1()wyf w y i i H P iwyH P i f w y i iA A A A ArrU U A A A A U A U AA A A A ArrU A U A A A A U A??? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ( 10) 式( 10)中并未考慮吸液芯導(dǎo)熱和管內(nèi)蒸汽流動(dòng)的影響。 一般情況下, Q 可以從冷、熱流體的熱平衡方程式中求出。 實(shí)驗(yàn)表明,簡略計(jì)算時(shí)可令 = = kW/( m178。用 rw 表示管壁熱阻,用 ry 表示污垢熱阻,其中δ y 為污垢層厚度,λ y 為污垢層導(dǎo)熱系數(shù),可得加熱段和冷卻段的傳熱系數(shù)。1T ; 已計(jì)算得出口溫度重新計(jì)算傳熱系數(shù),并重復(fù)計(jì)算步驟( 2)至( 5)。39。 39。熱管氣 氣換熱器內(nèi)傳熱效率是指兩流體的實(shí)際傳熱量與理論上可能的最大傳熱量(即兩流體逆流操作且傳熱面積無限大時(shí)的傳熱量,此時(shí) 39。1T 和 39。 熱管氣 氣換熱器計(jì)算得傳熱單元數(shù)法 傳熱單元數(shù)是反映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù),也是衡量熱管氣 氣換熱器傳熱能力的參數(shù)。 設(shè)計(jì)中考慮的問題有:合適的迎風(fēng)面風(fēng)速,風(fēng)速過高會(huì)導(dǎo)致壓力降過大和動(dòng)力消耗增加,風(fēng)速過低會(huì)導(dǎo)致管外膜傳熱系數(shù)降低,管子的傳熱能力得不到充分的發(fā)揮;熱管的管徑,厚度,以及翅片的間距,高度,厚度等參數(shù);冷流體及熱流體運(yùn)行參數(shù),包括流量,進(jìn)出口溫度等 [2930]。這個(gè)極限值是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過 。但對(duì)熱管傳熱熱阻來說,就熱管氣 氣 換熱器來說,在總的傳熱熱阻中,起控制作用的是管外兩側(cè)的放熱熱蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 22 阻。原來的文獻(xiàn)中認(rèn) 為水與碳鋼材料不相容,但水 碳鋼熱管換 熱器的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間甚至有超過 10 年的。熱管的工作溫度一般是指工作時(shí)熱管內(nèi)部工作液體的蒸汽溫度。此時(shí)管子的數(shù)量可能較少,但可靠程度和精密性要求卻相當(dāng)嚴(yán)格,可靠性占第一位,經(jīng)濟(jì)性則處于次要地位。這也與目前落后的設(shè)計(jì)方法有關(guān),傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段難以通過進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)計(jì)算來避免積灰。 ( 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。熱管氣 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。輻射傳遞的熱量增加得 尤為顯著。氣 氣換熱器所排出的煙氣的溫度也受到限制,既決定 于技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件,也決定于必須避免在氣 氣換熱器的金屬表面上結(jié)成水滴,因?yàn)樗? 滴會(huì)引起金屬壁的腐蝕,灰分也會(huì)粘在濕金屬壁上使之加速積垢。圖 (a)是 熱管氣 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 (b)是熱管氣 氣換熱器用于回收窯爐煙氣余熱來加熱空氣,得到的熱空氣作 為烘房熱源的流程示意圖。我國氣象衛(wèi)星也應(yīng)用了熱管 , 并獲得了預(yù)期效果。 (2)按功 能分: 氣 氣式換熱器、氣 液式換熱器、氣 汽式換熱器等。 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。熱管的布置可以是錯(cuò)列呈三角形的排列 , 也可以是順列呈正方形排列。 1981 年國內(nèi)第一臺(tái)試驗(yàn)性熱管換熱器運(yùn)行成功,各地相繼出現(xiàn)了各種不同類型的、 不同溫度范圍的氣 氣熱管換熱器和氣 液熱管換熱器,在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良 好的作用,并積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)。在 1290km 長的管線上,總共使用了 112,000 多根熱管。隨著熱管技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用范圍還在擴(kuò) 大。在日本的文章中描述了帶翅片熱管管束的空氣加熱器。并初次出現(xiàn)了柔性熱管和平板式的異形熱管。他采用一根不銹鋼管作殼體,鈉為工作介質(zhì), 并發(fā)表了管內(nèi)裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了有限的理論分析,同時(shí)提出了以銀和鋰作為熱管的工作介質(zhì)的觀點(diǎn)。 ( 10)對(duì)于含塵量較高的流體,熱管換熱器可以通過結(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題。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 11 ( 6)熱二極管與熱開關(guān)性能。 ( 2)優(yōu)良的等溫性。應(yīng)該 指出: 蒸汽腔內(nèi)的驅(qū)動(dòng)壓力要比蒸發(fā)段與冷卻段內(nèi)液體的飽和蒸汽壓差銷為小一些。此流動(dòng)是由蒸汽腔兩端的小壓差引起的。通過吸液芯材料和工作液體的傳導(dǎo)所產(chǎn)生的溫差是熱管熱流通路中的主要溫度梯度之一,它的大小取決于工作液體、吸液芯材料、吸液芯厚度以及徑向凈熱流量。熱管在冷、熱兩側(cè)均可裝設(shè)翅片,以強(qiáng)化傳熱。如果我國鍋爐的熱效率能夠提高 10%,節(jié)約的能耗則相當(dāng)于三峽水庫一年的發(fā) 電量,做好工業(yè)鍋爐及窯爐的節(jié)能工作對(duì)節(jié)約能源具有十分重要的意義。具有 極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫 度可控制等特點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)簡 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。熱管是一種具有高效傳熱性能的元件,它可利用很小的截面積遠(yuǎn)距離傳輸大熱量而無需外加動(dòng)力。熱管式換熱器具有傳輸能力大、均溫性能優(yōu)良、傳輸方向可逆、熱流密度可變、適應(yīng) 環(huán)境能力較強(qiáng)、組里損失較小等優(yōu)點(diǎn),所以熱管式換熱器能較大限度的回收利用余熱。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。將熱管散熱器的基板與晶閘管等大功率電力電子器件的管芯緊密接 觸,可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。 利用熱管氣 氣換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式氣 氣換熱器,一方面 ,能夠大大提高預(yù)熱 空氣進(jìn)入爐內(nèi)的溫度,降低煙氣溫度,從而大大提高鍋爐的熱 效率; 另一方面,熱管 氣 氣換熱器運(yùn)行壓降非常小,有時(shí)甚至不需要增加引風(fēng)機(jī)等設(shè)備,從而使得運(yùn)行費(fèi) 用大大降低。 熱管的工作原理 熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量,通過內(nèi)部相變傳熱過程,把熱量輸送 到冷卻段,從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。這個(gè)溫降可以從攝氏幾度到幾十度。蒸發(fā)段內(nèi)蒸汽的溫度比冷卻段內(nèi)的飽和溫度稍高一些,從而形成了兩端的溫度差。這是因?yàn)橐S一個(gè)邊界蒸發(fā)的過程,蒸發(fā)段內(nèi)液體的蒸汽壓力必須超過該處與之相對(duì)應(yīng)的 蒸汽壓力。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 ClausuisClapeyron 方程式可知,溫降亦很小, 因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。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); 熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí),熱管開始工作,當(dāng)熱源 溫度低于這一溫度時(shí),熱管就不傳熱。 ( 11)熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí),可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝 段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度,使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 12 1964 年 Grover 等人首次公開了他們的試驗(yàn)結(jié)果。 LosAlamos 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工作一直處于領(lǐng)先狀態(tài),其工作重點(diǎn)是衛(wèi)星上熱管的應(yīng)用研究。在能源日 趨緊張的情況下,它可以用來回 收工業(yè)排氣中的熱能。幾個(gè)典型的應(yīng)用如下: 美國阿拉斯加輸油管線工程采用熱管作輸油管線的支撐。 熱管應(yīng)用于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)釜,反應(yīng)釜的攪拌軸就是 一根熱管。 20世紀(jì) 80 年代初,國內(nèi)一些科研院所、高校及制造廠相繼開展了熱管氣 氣換熱器的試驗(yàn)研究。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。 熱管換熱器的技術(shù)優(yōu)勢 ( 1)熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開,在運(yùn)行過程中 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。 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 、圖 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 液熱管換熱器外形示意圖。我國在熱管換熱器方面的研制工作起步較早。 圖 15熱管氣 氣換熱器流程示意圖 ( a) 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 17 圖 15熱管氣 氣換熱器流程示意圖 ( b) 熱管氣 氣換熱器就象省煤器和蒸汽過熱器一樣已經(jīng)成了大型鍋爐整體中正常而 必要的一部分。燃料中含硫愈多, 在金屬壁上結(jié)成的水滴就會(huì)愈危險(xiǎn)。 由于水 碳鋼熱管的研制成功,使得氣 氣熱管換熱器的制造成本大幅降低,從而 促進(jìn)了熱管氣 氣換熱器的工業(yè)化應(yīng)用。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; ⑥熱管氣 氣換熱器具有很大的靈活性,可以根據(jù)不同的熱負(fù)荷和氣體的流量將幾 個(gè)熱管氣 氣換熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來 使用; ⑦明顯地提高了金屬壁溫,減輕了低溫 腐蝕; ⑧有效地防止了漏風(fēng),降低了引風(fēng)機(jī)的耗 電量; ⑨增強(qiáng)了換熱能力,余熱回收率 聞,提聞了鍋爐熱效率; ⑩明顯地減輕了受熱面積灰,不會(huì)出現(xiàn)堵煙現(xiàn)象而影響鍋爐正常 運(yùn)行; 流阻小,降低了換熱器運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力消耗。 熱管氣 氣換熱器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題 自七十年代以來,熱管換熱器用于回收各種廢氣的余熱已經(jīng)取得相當(dāng)大的成效,迄今已投入運(yùn)行的熱管換熱器已有好幾千臺(tái) 。 ( 3)露點(diǎn)腐蝕 雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點(diǎn)腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算,但由于受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算手段的限制,設(shè)計(jì)計(jì)算采用試算驗(yàn)證的方式進(jìn)行,難以做到各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化組合,從而造成熱管氣 氣換熱器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏離,導(dǎo)致露點(diǎn)腐蝕,導(dǎo)致熱管失效。在民用和一般工業(yè)中,管子數(shù)量相當(dāng)多 ( 已屬批量生產(chǎn)),這時(shí)經(jīng)濟(jì)性占了突出地位,如果價(jià)格昂貴,應(yīng)用也就失去意義。在良好的熱管工作時(shí),工質(zhì)必然在汽 液兩相狀態(tài)。 ( 3)工質(zhì)應(yīng)有良好的熱物理性質(zhì) 工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)用來說明工質(zhì)的物理性質(zhì)對(duì)熱管軸向傳熱能力的影響,用符號(hào) N1 表示,是一個(gè)有因次數(shù),單位是 W/m2 lfgeμhσρN ?1 ( 4)其他 ( 包括經(jīng)濟(jì)性、毒性、環(huán)境污染等) 滿足以上條件的工質(zhì)并不一定就是可采用的最好工質(zhì),還要考慮制作的安全性、 經(jīng)濟(jì)性和來源的難易程度等一系列問題。隨管徑的增 大,管外放熱系數(shù)要下降,熱阻要增大 ( 此項(xiàng)是熱管傳熱的主要熱阻 ),對(duì)傳熱 不利。 在這樣的條件下,蒸汽流動(dòng)可以被認(rèn)為是不可壓縮的流體流動(dòng)。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 23 熱管氣 氣換熱器的兩種基本計(jì)算方法是平均溫差法和傳熱單元數(shù)法,它們都能完成預(yù)熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。 熱流體和冷流體的傳熱單元數(shù) 1NTU 和 2NTU 各按下式定義計(jì)算: 39。39。39。39。12TTTT? ?? ? 對(duì)一定形式的熱管氣 氣換熱器,傳熱單元數(shù),傳熱效率,和兩相熱容量流率( pmc )間存在一定關(guān)系。 2. ? NTU 法用于熱管氣 氣換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算,其主要步驟為: ( 1)由熱管氣 氣換熱器的熱平衡方程求出待求的溫度值,進(jìn)而由公式計(jì)算出預(yù)熱器效能 ? ; ( 2)根據(jù)所選用的流動(dòng)類型以及 ? 和 min max/XX的數(shù)值,計(jì)算傳熱單元數(shù)NTU; 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 26 ( 3)初步確定換熱面的布置,并計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù) U 的數(shù)值; ( 4)再由 NTU 的定義式確定換熱 面積 A= minX NTU/U,同時(shí)核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動(dòng)阻力; ( 5)如果流動(dòng)
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