【正文】 以上的選擇原則，本設(shè)計(jì)采用水作為熱管的工質(zhì)。因?yàn)樗臒嵛锢硇阅?、安全性等都很好，且價(jià)廉易得，其工作溫度范圍：30200176。C。固然碳鋼水重力式熱管雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但應(yīng)注意的是，碳鋼和水在一定的條件下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，熱管中的氫氣濃度不斷升高，在熱管的冷凝段形成不凝性氣區(qū)，導(dǎo)致熱管傳熱能力下降甚至失效。而目前國(guó)內(nèi)解決的辦法是通過(guò)在工質(zhì)水中加入一定劑量的鈍化劑來(lái)減緩可凝性氣體的產(chǎn)生，其主要機(jī)理是：鈍化劑本身作為強(qiáng) 氧化劑使金屬表面鈍化形成一層致密的氧化物薄膜，從而減輕金屬與水的反應(yīng)這 就大大提高了碳鋼水熱管的壽命，保證了其功效的正常發(fā)揮。熱管工質(zhì)選擇與熱管的材質(zhì)以及封口焊接材料的性質(zhì)密切相關(guān)，因?yàn)椴馁|(zhì)與工質(zhì)間存在相容與否的問(wèn)題。除此之外，殼體材料應(yīng)當(dāng)滿足耐高溫高壓、耐腐蝕性等極端條件，并且要具備良好的導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性以及價(jià)廉易得。因此本設(shè)計(jì)選用鋼號(hào)為20G(GB 816386)的碳素鋼為管材,其在 200℃條件下, 。熱管最大允許工作壓力為:經(jīng)查表得:水在 160℃時(shí)的飽和蒸汽壓為P = 105Pa ,即[P] P,故選用壁厚為 的鋼材是合理的,在此狀態(tài)下,熱管工作是安全帶的。 熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法熱管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的主要任務(wù)在于求取透過(guò)系數(shù)ζ 、換熱系數(shù)h1,h2，然后根據(jù)平均溫差m ΔT 及單個(gè)熱管熱阻 R 求得單根熱管熱通量 q，在結(jié)合總傳熱負(fù)荷 Q，從而定出管子根數(shù)n。設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題有：（1）合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致壓力降過(guò)大和動(dòng)力消耗增加，風(fēng)速過(guò)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。一般而言，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的迎面流體風(fēng)速在2～3m/s,工作狀態(tài)下的流體風(fēng)速在一般限制在6～10m/s。（2）熱管的管徑，厚度，以及翅片的間距，高度，厚度等參數(shù)以及腐蝕性會(huì)影響流體的流動(dòng)。（3）冷流體及熱流體運(yùn)行參數(shù)，包括流量，進(jìn)出口溫度等。熱管換熱器常用的的兩種基本計(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。設(shè)計(jì)計(jì)算是設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器，要求確定換熱器所需的換熱面積；而校核計(jì)算是是對(duì)已有的氣氣換熱器進(jìn)行校核，以確定換熱器的流體出口溫度和換熱量。通常由于設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)冷熱流體的進(jìn)出口溫度差比較容易得到，對(duì)數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進(jìn)行計(jì)算；而校核計(jì)算時(shí)由于熱管換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱管換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。熱管的傳熱能力雖然很大，但也不可能無(wú)限地加大熱負(fù)荷,事實(shí)上有許多因素制約著熱管的工作能力。換言之，熱管的傳熱存在著一系列的傳熱極限，限制熱管傳熱能力的因素主要有:管內(nèi)蒸汽流通截面的大小、毛細(xì)力、聲速、流體黏度、蒸汽壓力及冷凝等，這些傳熱極限與熱管尺寸、形狀、工作介質(zhì)、吸液芯結(jié)構(gòu)、工作溫度等有關(guān)，限制熱管傳熱量的類型是由該熱管在某工作溫度下各傳熱極限的最小值所決定的。熱管的傳熱受到一些因素的限制，即它具有一定的傳熱極限，超出這些極限的限制，熱管就會(huì)散失傳熱的能力。因此，在熱管的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)把各個(gè)因素都考慮進(jìn)去，才能使熱管發(fā)揮其最大功效。在本設(shè)計(jì)中，由于采用無(wú)吸液芯重力熱管，故對(duì)熱管傳熱傳熱影響較大的極限是聲速極限和攜帶極限。換熱管的尺寸和形狀對(duì)傳熱有很大影響，管徑越小，單位體積設(shè)備的傳熱面積就越大，這意味著設(shè)備越緊湊，體積則越小，對(duì)流傳熱系數(shù)較高。但制造麻煩，且小管易結(jié)垢，不易機(jī)械清洗。因此對(duì)清潔的流體小管子為宜，對(duì)粘度大或易結(jié)垢的液體管徑則可取大些。熱管、熱管長(zhǎng)度、熱管間距和直徑、翅片結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器壓降影響很大。熱管直徑的選擇應(yīng)在中等直徑范圍，增加管長(zhǎng)和減少管間距將有助于提高傳熱系數(shù)。翅片間距的選擇應(yīng)盡可能確保在流體邊界的兩個(gè)以上相鄰翅片表面流動(dòng)層厚度的一個(gè)較小取值范圍。翅片厚度，翅片高度和間距也會(huì)影響熱管的壓降。翅片厚度的選擇應(yīng)該盡可能取較小的值，翅片高度的最優(yōu)值，應(yīng)采取有關(guān)的熱管外徑的一半。熱管直徑大小對(duì)換熱面積，壓力損失，壓力強(qiáng)度，緊湊型設(shè)備有直接影響。熱管直徑的選擇應(yīng)該為被鎖定的線性框架中等直徑，較大直徑不總是很好，為了設(shè)計(jì)出更加優(yōu)化的熱管換熱器，我們應(yīng)該全面考慮作出的選擇。目前我國(guó)熱管式換熱器設(shè)計(jì)中，大多采用的無(wú)縫碳鋼管規(guī)格多為 19mmX2mm 。換熱器一般用光管，這樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但對(duì)流傳熱系數(shù)較低。 熱管的排列形式等邊三角形排列用的最為普遍，因?yàn)楣茏娱g距都相等，所以在同一管板面積上可排列的管子數(shù)最多，便于管板的劃線和鉆孔。但管間不易清洗，適用于不結(jié)垢或可用化學(xué)方法清洗污垢以及允許壓強(qiáng)較高的工況。TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)殼程需要機(jī)械清洗時(shí)，不得采用三角形形式。在殼程需要進(jìn)行機(jī)械清洗時(shí)，一般采用正方形排列，管間通道沿整個(gè)管束應(yīng)該是流板間距相同的情況下，其流通截面要比（b)和（c)兩種的小，有利于提高流速， 因此該設(shè)計(jì)中的熱管采用（c)排列方式。 設(shè)計(jì)步驟（1）計(jì)算總傳熱量Q；（2）求空氣側(cè)出口溫度 ；（3）確定迎風(fēng)面寬度B 及熱管列數(shù)n ；（4）求透過(guò)系數(shù)ζ 及空氣側(cè)和煙氣側(cè)的最高流速u1 ,u2；（5）求空氣側(cè)和煙氣側(cè)的雷諾數(shù)Re1,Re2 并確定兩側(cè)的換熱系數(shù) , ；（6）求單個(gè)熱管的翅片數(shù)并確定翅化比β 和兩側(cè)的翅化效率 ；（7）求單根熱管的熱阻R 和對(duì)數(shù)平均溫度m ΔT ，確定單根熱管的熱通量 q；（8）求總熱管數(shù)N ；（9）求熱管的排數(shù)m ；（10）求空氣側(cè)和煙氣側(cè)的耗散系數(shù) ，確定兩側(cè)壓力損失 ；（11）計(jì)算凈自由容積NFV 和煙氣側(cè)與空氣側(cè)當(dāng)量直徑 確定原始數(shù)據(jù)物性參數(shù)：換熱功率Q=475kw煙氣出口溫度： = 150176。C空氣流量為=煙氣流量(標(biāo)況) ：:空氣入口溫度： = 20176。C外形尺寸(如圖53)：熱管橫向間距：熱管縱向間距：光管內(nèi)徑：=20mm光管外徑：=25mm翅片高度：=熱管有效長(zhǎng)度：,)翅片厚度：翅距: 單位長(zhǎng)度上翅片數(shù)：= 圖53 外形尺寸 符號(hào)說(shuō)明，： 煙氣進(jìn)出口溫度，℃，：空氣進(jìn)出口溫度，℃：定性溫度下氣體定壓比熱容，KJ / (kg ?k )：定性溫度下氣體導(dǎo)熱系數(shù)，w/ (m?k )：定性溫度下氣體運(yùn)動(dòng)黏度，m2 s：定性溫度下普郎特常量：標(biāo)況下氣體的密度，：煙氣放出熱量，：透過(guò)系數(shù) ：翅化效率 ：入口寬度，m ：翅化比: 單根熱管熱阻：氣體的對(duì)流換熱系數(shù)：對(duì)數(shù)平均溫度，176。C：?jiǎn)胃鶡峁軅鳠崃浚?J：鋼鐵導(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)，w/ (m?k )：換熱器凈自由容積，m3：容積當(dāng)量直徑，m：通過(guò)換熱器的壓降，Pa：氣體側(cè)耗散系數(shù) 標(biāo)注說(shuō)明下標(biāo)1：煙氣側(cè)下標(biāo)2：空氣側(cè)6熱管換熱器工藝計(jì)算設(shè)空氣出口溫度=176℃，則=()=98℃，根據(jù)干空氣的物理性質(zhì)得： ， ∵, 即 ∴, 與假設(shè)溫度相差一度，假設(shè)正確∴取空氣出口溫度=176℃，對(duì)于煙氣側(cè)，由，設(shè)煙氣入口溫度 39。=℃，則℃查附表得，由∴℃，假設(shè)值與計(jì)算值相差℃內(nèi)∴取煙氣入口溫度℃查表得：， ， , ， 熱管氣氣換熱器最大流速計(jì)算令空氣側(cè)入口速度 , 透過(guò)系數(shù)φ===∴ 最大速度==空氣的體積流量= =179。/s 迎風(fēng)面積=∴迎風(fēng)側(cè)寬度=∵橫向間距∴列數(shù)列，取7列煙氣側(cè)寬度 ， 煙氣入口處速度m/s ，高溫?zé)煔饬鬟^(guò)隔板的一側(cè)，將熱量傳給帶有翅片的熱管，并通過(guò)熱管將熱量傳至空氣側(cè)。高溫?zé)煔庋亓鲃?dòng)方向不斷被冷卻，低溫的空氣沿流動(dòng)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(jì)算方法相似。， TcTvThQ 熱管的溫度分布示意圖空氣側(cè):， ， （h為對(duì)流換熱系數(shù)） 同理對(duì)于煙氣： 單位長(zhǎng)度翅片數(shù)：.86，取143個(gè), 翅片幾何參數(shù)示意圖 （） 查表得：碳鋼的金屬固體導(dǎo)熱系數(shù) ∴翅化效率 ∴單根熱管的總熱阻熱阻 ：∵ ℃∴單根熱管換熱功率kW∴所需總的熱管數(shù)，取根∴熱管排數(shù),取排 , ，∵，∴ ∴鋼管外徑=25mm ，鋼管內(nèi)徑=20mm ， 翅高=㎜，翅厚 ， 翅距， 單位長(zhǎng)度翅片數(shù)= 鋼管橫向間距 ， 縱向間距，熱管總長(zhǎng)m(吸熱和散熱端各長(zhǎng)1米,)煙氣的平均溫度：℃空氣的平均溫度：℃煙氣與空氣的平均溫度：℃由查干飽和水蒸氣的物理性質(zhì)表得： 在時(shí)20鋼管的許用應(yīng)力由壁厚計(jì)算公式其中=1，由計(jì)算得s=熱管壁厚腐蝕余量c取1=+1=熱管校核合格7．熱管的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是無(wú)吸液芯重力熱管，由前可知 ：熱管蒸發(fā)段，冷凝段，外徑=25mm，內(nèi)徑=20mm。其制造流程如下圖 71 所示：圖71 熱管制造流程圖8. 設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力容器用材的主要選擇依據(jù)[23]：⑴容器的使用條件，如溫度、壓力、介質(zhì)、操作條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；⑵材料的力學(xué)性能；⑶材料的耐腐蝕性能，包括選材，防腐蝕結(jié)構(gòu)、防腐蝕襯里、腐蝕裕量、條件控制等；⑷材料的加工性能，如可焊性、冷熱加工成型性等；⑸材料的價(jià)格及來(lái)源；⑹同一工程設(shè)計(jì)中用材應(yīng)盡量統(tǒng)一。在本設(shè)計(jì)中:材料為20G(GB816386)碳鋼。使用溫度范圍:0350℃。設(shè)計(jì)壓力為:≤。殼體鋼板厚度:≤20mm。8. 2熱管的堵頭設(shè)計(jì)計(jì)算封接是熱管制作的最后一道工序，因?yàn)橐谡婵盏那闆r下把熱管與充裝系統(tǒng)斷開(kāi)并封閉，封接后無(wú)法直接檢查封頭口是否泄露，而只能從熱管的性能好壞來(lái)判斷，所以封接是一道很重要的工序。小直徑熱管一般都采用平板封頭，封頭的厚度按下式計(jì)算（K：與端蓋形式有關(guān)的系數(shù)，），本設(shè)計(jì)中K 。堵頭選擇鑄造堵頭，堵頭(見(jiàn)圖81)，堵頭(見(jiàn)圖82)圖81 堵頭圖82 堵頭隔板最小厚度的規(guī)定：⑴ 用于石油及要求嚴(yán)格的工藝過(guò)程的換熱器，在脹接管子的區(qū)域，任何隔板的總厚度減去腐蝕裕量后不應(yīng)小于管子的外徑。；⑵ 用于工業(yè)及一般中等程度的工藝過(guò)程的換熱器，在脹接管子的區(qū)域內(nèi)，任何隔板的總厚度減去腐蝕裕量后， 和更小外徑的管子不得小于管子外徑的3/4； 的管子，； 的管子。 的管子,；⑶ 用于化工過(guò)程的換熱器，除符合上面⑵以外，還應(yīng)在不包括腐蝕裕量在內(nèi)的隔板總厚度。在本設(shè)計(jì)中，筒體直徑較大，如果隔板厚度太小則容易失穩(wěn)，又考慮到隔板最小厚度的規(guī)定要求。管子外徑為25mm 時(shí)，管孔直徑為26mm,允許偏差為：0+。 隔板與殼體和熱管的連接方式隔板與殼體的連接依照換熱器的結(jié)構(gòu)形式分為可拆連接及不可拆連接，由于煙氣與碳鋼管的集灰由清灰管予以清理，并在底部設(shè)計(jì)有清灰出口；所以本設(shè)計(jì)采用可拆式的連接方式。根據(jù)兩端隔板的外側(cè)面連接形式又可分為隔板與殼體焊接和不焊接兩種，本設(shè)計(jì)采用不焊接形式，與殼體的空隙部分由棉繩填充，且隔板采用兩種形式：（1）端部；（2）中部?jī)煞N以便于熱管安裝，如圖83 所示。隔板與殼體的安裝方式是通過(guò)角鋼打孔用螺栓連接，并將管子再每推入一條隔板，就安裝一排78根熱管。圖83 隔板采用的兩種形式9．連接方式本換熱器設(shè)計(jì)采用可拆式，上下箱體用M8螺栓連接，螺栓總數(shù)為196，GB578286。焊接是一種不可拆卸的永久性的連接方式，與螺栓連接、鍵連接、銷連接、鉚接、粘接等連接方式有本質(zhì)區(qū)別。焊接是一種藝術(shù)，也是一門獨(dú)立學(xué)科。焊接廣泛應(yīng)用于航空、能源、造船、化工、建筑、交通等工業(yè)部門，它是鍋爐與壓力容器等過(guò)程設(shè)備制造的基本加工方法。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則：（1） 首先考慮接頭的工作介質(zhì)和工作條件，以保證有足夠的強(qiáng)度和氣密性。（2） 大型結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能減少焊接的預(yù)熱和焊后熱處理。（3） 盡量設(shè)法減少焊接的變形和應(yīng)力，如不同厚度的材料焊接時(shí)，應(yīng)盡量采用等厚度的接頭形式。（4） 焊接方法應(yīng)盡量采用先進(jìn)的半自動(dòng)焊和自動(dòng)焊，焊縫也盡可能采用直線。（5） 光潔度有嚴(yán)格要求的焊縫，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開(kāi)有光潔度要求的位置。（6） 焊接接頭的連接應(yīng)盡可能采用較高的靜載荷及疲勞強(qiáng)度形式。（7） 應(yīng)避免焊縫過(guò)于集中，以減少應(yīng)力集中和接頭變形。（8） 兩種膨脹系數(shù)不同的材料焊接時(shí)，為了避免由于熱脹冷縮程度的不同而引起的泄漏，常把帶膨脹系數(shù)的包在外面。箱體的焊接包括角鐵與鋼板之間的焊接，焊接方式主要是角焊。在鋼板之間的焊接中因有強(qiáng)度要求我們采用連續(xù)焊。角鐵與側(cè)板的焊接一般采用手工電弧焊，也廣泛采用惰性氣體保護(hù)焊，在此選擇其焊接方式為手工電弧焊。角鐵是沸騰鋼，側(cè)板是鎮(zhèn)靜鋼，兩者都是中碳鋼，焊接性能較差，所以要預(yù)熱。余熱有利于減低中碳鋼熱影響區(qū)的最高硬度，防止產(chǎn)生裂紋。焊條選用堿性焊條，焊后熱處理溫度為600500攝氏度，以消除殘余應(yīng)力。而在其他焊接中，大部分采取V型焊縫。箱體上的加強(qiáng)筋采用點(diǎn)焊方式，由于現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，有些焊區(qū)可根據(jù)條件進(jìn)行焊接。、堵頭的焊接工藝工業(yè)熱管的真空封口是熱管制造技術(shù)中的最后一道工序，也是最重要的一道工序，真空封口技術(shù)要求在保證高真空狀態(tài)下切斷充液管，并永久的封死管口，封口過(guò)程中不允許有任何氣體漏入管內(nèi)，管口不允許慢性漏氣，并要求能承受一定