【正文】 由冷熱流體的四個進(jìn)出口溫度確定其對數(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類型，根據(jù) ? NTU 的計算公式計算預(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（論文） 30 故 : 10()fA A A?? (8) 因而對應(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。 實驗表明，簡略計算時可令 = = 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 ； 已計算得出口溫度重新計算傳熱系數(shù)，并重復(fù)計算步驟（ 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的傳熱量，此時 39。1T 和 39。 熱管氣 氣換熱器計算得傳熱單元數(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)計中考慮的問題有：合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過高會導(dǎo)致壓力降過大和動力消耗增加，風(fēng)速過低會導(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)；冷流體及熱流體運行參數(shù)，包括流量，進(jìn)出口溫度等 [2930]。這個極限值是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過 。但對熱管傳熱熱阻來說，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（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 熱器的實際運行時間甚至有超過 10 年的。熱管的工作溫度一般是指工作時熱管內(nèi)部工作液體的蒸汽溫度。此時管子的數(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)計方法有關(guān)，傳統(tǒng)的設(shè)計手段難以通過進(jìn)行精確的設(shè)計計算來避免積灰。 （ 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現(xiàn)集成。熱管氣 氣換熱器是由許多根獨立的換熱元件 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，因為水 滴會引起金屬壁的腐蝕，灰分也會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)第一臺試驗性熱管換熱器運行成功，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。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)吸液芯的熱管實驗結(jié)果，進(jìn)行了有限的理論分析，同時提出了以銀和鋰作為熱管的工作介質(zhì)的觀點。 （ 10）對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（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。由于其結(jié)構(gòu)簡 單、可操控性強(qiáng)、換熱效率高、動力消耗小等優(yōu)點，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，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)用于動力、化工、冶金、 電力、計算機(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 氣換熱器運行壓降非常小，有時甚至不需要增加引風(fēng)機(jī)等設(shè)備，從而使得運行費 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，從而實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。這個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。這是因為要維一個邊界蒸發(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方向流動，而不允許 向相反的方向 流動； 熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當(dāng)熱源 溫度低于這一溫度時，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，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（論文） 12 1964 年 Grover 等人首次公開了他們的試驗結(jié)果。 LosAlamos 科學(xué)實驗室的工作一直處于領(lǐng)先狀態(tài)，其工作重點是衛(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，在運行過程中 單根熱管因為磨損、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時基本不影響換熱器運行。 根據(jù)具體工況設(shè)計的熱管換熱 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（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)成的水滴就會愈危險。 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，不會出現(xiàn)堵煙現(xiàn)象而影響鍋爐正常 運行； 流阻小，降低了換熱器運行時的動力消耗。 熱管氣 氣換熱器設(shè)計中應(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，迄今已投入運行的熱管換熱器已有好幾千臺 。 （ 3）露點腐蝕 雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計計算，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計計算手段的限制，設(shè)計計算采用試算驗證的方式進(jìn)行，難以做到各項參數(shù)的優(yōu)化組合，從而造成熱管氣 氣換熱器的實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)的偏離，導(dǎo)致露點腐蝕，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)），這時經(jīng)濟(jì)性占了突出地位，如果價格昂貴，應(yīng)用也就失去意義。在良好的熱管工作時，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)對熱管軸向傳熱能力的影響，用符號 N1 表示，是一個有因次數(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 （ 此項是熱管傳熱的主要熱阻 )，對傳熱 不利。 在這樣的條件下，蒸汽流動可以被認(rèn)為是不可壓縮的流體流動。 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 熱管氣 氣換熱器的兩種基本計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)計計算和校核計算。 熱流體和冷流體的傳熱單元數(shù) 1NTU 和 2NTU 各按下式定義計算： 39。39。39。39。12TTTT? ?? ? 對一定形式的熱管氣 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)計計算，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)而由公式計算出預(yù)熱器效能 ? ； （ 2）根據(jù)所選用的流動類型以及 ? 和 min max/XX的數(shù)值，計算傳熱單元數(shù)NTU； 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 （ 3）初步確定換熱面的布置，并計算出相應(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，同時核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動阻力； （ 5）如果流動