【文章內(nèi)容簡介】 ，在其他條件相同的情況下，管徑越小，所能承受的管內(nèi)壓力就越 高，管徑小些有利。從以上看來，管徑越小，熱管換熱器的性能越好。但管徑的大小 還直接影響了管內(nèi)流通面積的大小，從而影響著熱管的幾項傳熱極限。受流通截面影 響最為顯著的傳熱極限有兩個，一個是聲速極限，另一個是攜帶極限。在熱管的加熱 段如果增加輸入的熱量超過一定值時，工質(zhì)蒸汽流在加熱段的出口處達到音速，便出現(xiàn)蒸汽流動的阻塞現(xiàn)象，由此現(xiàn)象產(chǎn)生的傳熱量的界限稱為音速極限（聲速限）。管徑計算的一個基本原則是管內(nèi)蒸汽速度不超過一定的極限值。在這樣的條件下，蒸汽流動可以被認為是不可壓縮的流體流動。這樣軸向溫度梯度很小，并可忽略不計。否則，在高馬赫數(shù)下蒸汽 流動的可壓縮性將不可忽略。一般來說，一根熱管所要傳遞的最大軸向熱流量Qmax是已知的。如果又限定它的 ，則有式中：Av是蒸汽流道的面積，dv為蒸汽腔直徑，Qmax為最大軸向熱流量。熱管氣氣換熱器一般采用的是重力式水碳鋼熱管，換熱器設(shè)計計算后只對工質(zhì)的工作溫度進行校核。熱管氣氣換熱器設(shè)計計算的主要任務(wù)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。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，進出口溫度等[2930]。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。設(shè)計計算是設(shè)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。通常由于設(shè)計計算時冷熱流體的進出口溫度差比較易于得到，對數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進行計算；而校核計算時由于熱管氣氣換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱管氣氣換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進行計算。1平均溫差法進行熱管氣氣換熱器設(shè)計計算的步驟為：（1）由已知條件，從熱管氣氣換熱器熱平衡方程計算出冷熱流體進出口溫度 中待求的那一個溫度；（2）由冷熱流體的四個進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。（4）從傳熱方程求出所需的換熱面積A，并核算熱管氣氣換熱器冷熱流體的流動阻力；（5）如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計不合理，則應(yīng)改變設(shè)計方案重新計算。，其主要步驟為：（1）首先假定一個流體的出口溫度，按熱平衡方程求出流體的另一個出口溫度；（2）由四個進出口溫度計算出對數(shù)平均溫差A(yù) Tm。（3）根據(jù)熱管氣氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計算相應(yīng)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(shè)出口溫度下的計算值）；（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(shè)溫度值，重復(fù)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(yīng)控在1%。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)。熱流體和冷流體的傳熱單元數(shù)和各按下式定義計算：式中和分別為熱流體的進出口溫度，和分別為冷流體的進出口溫度，和分別為微元傳熱面兩側(cè)的熱流體和冷流體溫度，U為平均傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，和分別為熱流體和冷流體的水當(dāng)量。由定義式可知：在設(shè)計熱管氣氣換熱器時，換熱要求越高，則所需傳熱面積越大，傳熱單元數(shù)也越大，對操作中的熱管氣氣換熱器，傳熱單元數(shù)越大，表明其性能越好。采用傳熱單元數(shù)法計算換熱過程，還必須引入傳熱效率的概念。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=或=）的比值。熱流體和冷流體的傳熱效率分別為：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（）間存在一定關(guān)系。對于逆流操作的熱管氣氣換熱器為：其中：利用NTU和的關(guān)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)。1. NTU法進行熱管氣氣換熱器校核計算得主要步驟為：（1）由熱管氣氣換熱器的進口溫度和假定出口溫度來確定物性參數(shù)，計算熱管氣氣換熱器的傳熱系數(shù)U。（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（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和；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）。 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的數(shù)值，計算傳熱單元數(shù)NTU；（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=NTU/U，同時核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動阻力；（5）如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計不合理，則應(yīng)改變設(shè)計方案重新計算。 是熱管氣氣換熱器的換熱示意簡圖，高溫?zé)煔饬鬟^隔板的一側(cè)，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(cè)。高溫?zé)煔庋亓鲃臃较虿粩啾焕鋮s，低溫的空氣沿流動方向不斷被加熱。原則上可以把熱管群看成是一塊流阻很小的“間壁”。因而熱管氣氣換熱器與常規(guī)間壁式換熱器的計算方法相似。 所示，用下標(biāo)h 表示加熱段，下標(biāo)c 表示冷卻段。對于加熱段，熱流體溫度為，Tv 代表管內(nèi)介質(zhì)蒸汽溫度；對于換熱管，在加熱段和冷卻段的管內(nèi)蒸汽溫度基本相等，冷流體溫度為 。用rw 表示管壁熱阻，用ry 表示污垢熱阻，其中δy 為污垢層厚度，λy 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)。圖31 熱管的溫度分布示意圖對于加熱段，有 (1)對于冷卻段，有 (2)式中的 和 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；和 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；和 分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。加熱段的傳熱方程為： (3)冷卻段的傳熱方程為： (4)將上式整理后可得： (5) (6)兩式相加消去 后，可得： (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 為計算基準(zhǔn)的，故: (8) (1)對于冷卻段，有 (2)式中的 和 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；和 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；和 分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。加熱段的傳熱方程為： (3)冷卻段的傳熱方程為： (4)將上式整理后可得： (5) (6)兩式相加消去 后，可得： (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 為計算基準(zhǔn)的，故: (8) (1)對于冷卻段，有 (2)式中的 和 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；和 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；和 分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。加熱段的傳熱方程為： (3)冷卻段的傳熱方程為： (4)將上式整理后可得： (5) (6)兩式相加消去 后，可得： (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 為計算基準(zhǔn)的，故: (8)因而對應(yīng)于 的熱管氣氣換熱器總傳熱系數(shù)U 為: (9)將（1）和（2）式代入上式可得: （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。在考慮吸液芯的情況下，蒸發(fā)段的管內(nèi)傳熱系數(shù)應(yīng)包括吸液芯的導(dǎo)熱和表面蒸發(fā)兩項，同樣在冷凝段也應(yīng)包括表面冷凝和吸液芯導(dǎo)熱兩項。在不計吸液芯和蒸汽流動所造成的熱阻的情況下。式（10）就具有如下的形式： （11）式中的為以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)的熱管內(nèi)部蒸發(fā)傳熱系數(shù)， 為以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)的熱管內(nèi)部冷凝傳熱系數(shù)。實驗表明，簡略計算時可令= = kW/（m178。.K），再令 （12） （13）其中的、分別為加熱段和冷卻段管外的有效給熱系數(shù)。最后式（11）可寫為： (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(cè)和熱側(cè)管外總面積相等（冷熱側(cè)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: (15)式（15）常被用來計算熱管氣氣換熱器的總傳熱系數(shù)。在解決了熱管氣氣換熱器的總傳熱系數(shù)U 之后，就可寫出熱管氣氣換熱器的總傳熱方程式為: (16)式中的Q 為熱管氣氣換熱器總傳熱量，U 為熱管氣氣換熱器的總傳熱系數(shù)，為熱管氣氣換熱器加熱段管外總面積，ΔTm 為熱管氣氣換熱器的對數(shù)平均溫差。一般情況下，Q 可以從冷、熱流體的熱平衡方程式中求出。從式（15）求出U，分別代入式（16），可求出Ah。 若已知熱管加熱段單位長度的總表面積Ah，就可得所需熱管的總長度，從而求得熱管的根數(shù)。對于橫向掠過光管或光管管束的給熱系數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)方程式為 （17）對叉排管束c=，對順排管束c=； Nu 數(shù)、Pr 數(shù)及Re 數(shù)定義如下： (18)式中的do 為光管外徑， 為流體橫向掠過管束的最大流速，λf 為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，為流體的定壓比熱，ρf 為流體的密度，μf 為流體的動力粘度。顯然流體橫向流過光管管束和橫向流過翅片管束的流動情況存在著很大的差異，因而對帶翅片的熱管氣氣換熱器管外側(cè)給熱系數(shù)應(yīng)以流體橫向流過翅片管束的給熱系數(shù)來代替U0 更為合理。求的準(zhǔn)則方程一般具有如下形式： (19)式中的c1 和c2 為常數(shù)，其大小和肋片的幾何形狀有關(guān)，Briggs 和Young 綜合給出下列實驗方程為： (19)式中的 為翅片間距與翅片高度之比， 為翅片間距與翅片厚度之比。和δf, lf 所示,由式（19）可得:圖22 翅片幾何參數(shù)示意圖 (20)式中： （21）其中為流體最大質(zhì)量流速，μf 為流體動力粘度。 （22）式中的ρf 為標(biāo)況下流體的密度, 為標(biāo)況下流體的體積流量,NFA 為管束的最小流通面積。 （23）式中ST 為與氣流垂直方向的管間距（中心距）, 為單位管長的翅片數(shù)。L 為熱管長度，為迎氣流方向的管子數(shù)。式（23）的適用范圍為：＜（/lf ）＜。 45＜（/δf）＜80。與工業(yè)上實際使用的熱管氣氣換熱器對比，以（）式計算的偏大。南京化工學(xué)院試驗所得的公式為[1] （24）上式適用范圍：熱氣流溫度240~380℃ 。Ref=6000~14000。 以表達的U 計算式為： （25）式中： (26) (27) 公式，即: (28)式中的ΔP 為壓力降（Pa）。 f 為摩擦系數(shù)。Gmax 為流體最大質(zhì)量流速(kg/)。Lf為沿氣流方向的長度（m）。 gc 為重力換算系數(shù)，Dev 為容積當(dāng)量直徑(m),ρf 為流體密度（kg/m3）。 μf 為流體粘度()。 μw 為壁溫下的流體粘度()。 ST 為管束橫向節(jié)距（m）,SL 為管束縱向節(jié)距（管間距）（m）。Gunter 推薦對光管和翅片管在湍流區(qū)的摩擦系數(shù)為: （29）式中： （30） （31）其中NFV 為流體流動凈自由容積（m3）,Au 為單位長度摩擦面積（m2）,而 （32）式中的df 為翅片外徑（m），d0 為光管外徑（m），δf 為翅片厚度（m），nf 為單位管長的翅片數(shù)（m1），SL 為翅片管縱向間距（m），ST 為翅片管橫向間距（m）。 對螺旋翅片管作了試驗，對Dunter 公式進行了修正，即 （31）并推薦： （32）當(dāng)管束為等邊三角形排列時，ST=SL，式（）與式（）具有相同的形式。式（）所得的f 值比式（）所得值小。使用時可根據(jù)實際情況參照實驗值確定。對于圓片形翅片管 （33）式中的Nn 為沿流動方向的管排數(shù)。 （34）一般在設(shè)計前應(yīng)已知以下參數(shù)：煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量V0,1(m3/s)、空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量V0,2 (m3/s)、煙氣的入口溫度，煙氣的出口溫度（這一溫度一般應(yīng)高于該煙氣在管壁上產(chǎn)生露點腐蝕的溫度）；空氣側(cè)的入口溫度及熱管有關(guān)參數(shù)：管材、管內(nèi)工質(zhì)、翅片參數(shù)、管子的排列方式、排列尺寸、管子幾何參數(shù)。計算傳熱量Q，空氣出口溫度和對數(shù)平均溫差ΔTm。煙氣放出的熱量： （35）冷氣流吸收熱量：式中的η為散熱損失率，一般η=6~10%（包括加熱段和冷卻段）；求冷氣流出口溫度：求對數(shù)平均溫差ΔTm：確定迎風(fēng)面積Aex,1 及迎風(fēng)面管排數(shù)Nm。~，已知冷、熱流體的體積流量V，則Aex,1為：式中的 為熱流體的體積流量（標(biāo)況下），w1 為標(biāo)況下的迎面風(fēng)速， A1 ex 為氣氣換熱器煙氣側(cè)的迎風(fēng)面積，同理:如果規(guī)定了加熱側(cè)的管長L1，就可求得迎風(fēng)面的寬度為：式中的B 為迎風(fēng)面寬度； L1 為加熱側(cè)的熱管長度。從而求得迎風(fēng)面管子的根數(shù)N，即：式中的ST 為