燃气锅炉烟气余热利用换热器设计及热力计算
摘 要
热管是高效的传热元件,它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由热 管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之为热管换热器。由于其结构简 单、可操控性强、换热效率高、动力消耗小等优点，热管换热器越来越受到人们的重 视，是一种应用前景非常好的换热设备。目前，它被广泛应用于动力、化工、冶金、 电力、计算机等领域。本文就热管换热器的发展现状、趋势、应用及设计做了一个简 要的论述，着重探讨了热管换热器的设计。在讨论热管换热器的设计过程中，主要针 对其热力计算、设备结构计算、元件参数的选择做了一个合理构建，并结合实际情况 设计出了空气预热热管式换热器基本模型。
关键词：热管；热管换热器；结构参数；设计计算
目录
1 绪论
1.1 热管及热管换热器的概述
热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体
的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有 极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温 度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管等大功率电力电子器件的管芯紧密接 触，可直接将管芯的热量快速导出。
热管传热技术于六十年代初期由美国的科学家发明 [1] ，它是利用封闭工作腔内工 质的相变循环进行热量传输，因而具有传输热量大及传输效率高等特点。随着热管制 造成本的降低，尤其是九十年代前后随着水碳钢热管相容性问题的解决，热管凭借其 巨大的传热能力，被广泛应用于石油、化工、食品、造纸、冶金等领域的余热回收系 统中。热管气-气换热器是最能体现热管优越性的热管换热器产品，它正在逐步取代 传统的管壳式换热器。热管气-气换热器是目前应用最广泛的一种气-气换热器。
我国的能源短缺问题日趋严重，节能已被提到了重要的议事日程。大量的工业锅 炉和各种窑炉、加热炉所排放的高温烟气，用热管气-气换热器进行余热回收，所得
到的高温空气可用于助燃或干燥，因此应用前景非常广阔。据有关报道称，我国三分 之二的能源被锅炉吞噬，而我国工业锅炉的实际运行效率只有 65%左右，工业发达国 家的燃煤工业锅炉运行热效率达 85%，因此，提高工业锅炉的热效率，节能潜力十分 巨大。如果我国锅炉的热效率能够提高 10%，节约的能耗则相当于三峡水库一年的发 电量，做好工业锅炉及窑炉的节能工作对节约能源具有十分重要的意义[2~6]。
利用热管气-气换热器代替传统的管壳式气-气换热器，一方面,能够大大提高预热 空气进入炉内的温度，降低烟气温度，从而大大提高锅炉的热效率；另一方面，热管 气-气换热器运行压降非常小，有时甚至不需要增加引风机等设备，从而使得运行费 用大大降低。
1.2 热管及其应用
热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发
与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意 改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的换热器具有传热效率 高、结构紧凑、流体压降小等优点。由于其特殊的传热特性可控制管壁温度，避免露 点腐蚀。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行
业中进行余热回收以及综合利用工艺过程中的热能，已取得了显著的经济效益[7]。 重
力热管因其简单的结构及经济的成本得到了广泛的应用，其工作原理是：热管受热侧 吸收废气热量，并将热量传给管内工质(液态)，工质吸热后以蒸发与沸腾的形式转变 为蒸汽，蒸汽在压差作用下上升至放热侧，同时凝结成液体放出汽化潜热，热量传给 放热侧的冷流体，冷凝液体依靠重力回流到受热侧。由于热管内部抽成真空，所以工 质极易蒸发与沸腾，热管起动迅速。热管在冷、热两侧均可装设翅片，以强化传热。
1 绪论...................................................................................................................................... 1
1.1 热管及热管换热器的概述.......................................................................................... 1
1.2 热管及其应用............................................................................................................. 1
1.2.1 热管的工作原理................................................................................................ 2
1.2.2 热管的基本特性............................................................................................... 4
1.2.3 热管的发展历程及应用领域.............................................................................. 5
1.2.4 热管换热器....................................................................................................... 8
1.2.4.1 热管换热器的技术优势............................................................................. 8
1.2.4.2 热管换热器分类....................................................................................... 8
1.2.4.3 热管式换热器与其它类型换热器比较...................................................... 13
1.2.4.4 热管换热器技术展望.............................................................................. 13
1.2.5 换热器应用前景及研究进展............................................................................ 14
1.2.5.1 我国换热器市场规模.............................................................................. 14
1.2.5.2 国际市场换热器发展情况....................................................................... 15
1.2.5.3 我国换热器研究进展及存在的问题......................................................... 15
1.3 热管气-气换热器设计中应注意的问题....................................................................... 16
2 热管气-气换热器的计算理论及方法..................................................................................... 18
2.1 热管的材料及工作温度.............................................................................................. 18
2.2 热管的强度与最大传热功率...................................................................................... 19
2.3 热管气-气换热器的设计计算方法.............................................................................. 20
2.3.1 热管气-气换热器换热计算的平均温差法......................................................... 21
2.3.2 热管气-气换热器计算的传热单元数法............................................................ 22
2.4 总换热系数的求解理论及方法................................................................................... 23
2.4.1 换热准则方程及冷热侧对流换热系数.............................................................. 26
2.4.2 流体流动中的压力损失................................................................................... 28
2.5 热管气-气换热器的离散计算法理论.......................................................................... 32
2.6 热管气-气换热器的定壁温计算法理论....................................................................... 37
3 确定设计方案...................................................................................................................... 39
3.1 选择换热器类型........................................................................................................ 39
3.2 热管的设计............................................................................................................... 39
3.3 热管换热器的设计计算方法...................................................................................... 40
4 热管换热器设计准备........................................................................................................... 41
4.1 换热管的排列形式.................................................................................................... 41
4.2 设计步骤.................................................................................................................. 42
4.3 确定原始数据........................................................................................................... 42
4.4 符号说明.................................................................................................................. 43
4.5 标注说明.................................................................................................................. 45
5 热管换热器工艺计算........................................................................................................... 46
5.1 计算总传热量 Q........................................................................................................ 46
′
5.2 求空气侧出口温度 t2
............................................................................................... 46
5.3 确定迎风面宽度 B 及热管列数 n ............................................................................... 48
5.4 求透过系数 ζ ........................................................................................................... 48
5.5 求换热系数 h ............................................................................................................ 50
5.6 求翅化比 β 和翅化效率 η .......................................................................................... 50
5.7 求单根热管的热阻 R 和对数平均温度 ∆Tm ，确定单根热管的热通量 q....................... 51
5.8 求热管的排数 m ....................................................................................................... 52
5.9 求总热管数 N .......................................................................................................... 52
5.10 求耗散系数 ξ1,ξ2 ，确定压力损失 ∆P1, ∆P2 .............................................................. 52
5.11 计算净自由容积 NFV 和烟气侧与空气侧当量直径 D1, D2 ....................................... 53
5.12 C 语言运行结果....................................................................................................... 53
6 热管的设计......................................................................................................................... 55
6.1 热管工作温度的选择................................................................................................. 55
6.3 热管材料的选择........................................................................................................ 57
7.2 筒体的设计温度、压力选择...................................................................................... 60
7.2.1 筒体厚度的计算............................................................................................. 60
7.3 椭圆形堵头的设计.................................................................................................... 60
7.4 容器法兰的选择........................................................................................................ 61
7.5 开孔补强.................................................................................................................. 63
7.6 隔板的设计............................................................................................................... 63
7.6.1 隔板的厚度确定............................................................................................. 63
7.6.2 隔板管孔直径的确定..................................................................................... 63
7.6.3 隔板与壳体和热管的连接方式....................................................................... 63
8 结论.................................................................................................................................... 65 参考文献................................................................................................................................ 66 致 谢................................................................................................................................ 68 附录....................................................................................................................................... 69 外文原文................................................................................................................................ 76 外文 1.............................................................................................................................. 76
外文 2.............................................................................................................................. 83 外文译文................................................................................................................................ 94 译文 1.............................................................................................................................. 94
译文 2............................................................................................................................ 108
参考文献
[1] Jie Z, Yan R, Hong ZL, Kang Z. Performance evaluation of heat pipe heat exchanger[A]. THIRD INTERNATIONAL CONFERENCE ON KNOWLEDGE DISCOVERY AND DATA MINING[C],2010:11-15. [2] 董其伍,张 等.换热器[M].北京:化学工业出版社(第一版),2009:349—351.
[3] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社(第一版),2000:5—6.
[4] 李永赞,胡明辅, 李勇.热管技术 的研究进展及其工 程应用[J].应用能源 技术,2008,(6):45—
48.
[5] 马永 昌.热管 技术的原 理应用与 发展 [A].2008 年中 国电工技 术学会电 力电子 学会第十 一届 学术
年会论文集[C],2008.
[6] 董其伍,张 等编.换热器[M].北京:化学工业出版社(第一版),2009:351—358.
[7] 罗林,陈如冰,姚寿广.热管技术在动力工程中的应用[J].华东船舶工业学院学报,2003， (3):55—57.
[8] 徐彬.无机热传导热管空气预热器在加热炉的应用[J].石油炼制与化工,2004,(5):16—18. [9] 李亭寒,华诚生等.热管设计与应用[M].北京:化学工业出版社(第一版),1987:252—255.
[10] 黄庆军 , 任 俊 超 , 苏 是 等 . 中 国 换 热 器 产 业 现 状 及 发 展 趋 势 [J]. 石 油 和 化 工 设
备,2010,13(1):5—8.
[11] 陈永东.我国换热器的技术进展[A].第二届全国换热器学术会议论文集[C]，2002:6—9. [12] 巩爱真,张爱群.气-气热管换热器的传热计算[J].炼油设计,1989,19(1):18-21.
[13] 董其伍,张 . 换热器[M].北京:化学工业出版社(第一版),2009:369.
[14] Zhang Jie, Ren Yan, Zhang Lihong, Liang Huimin. Analysis of Influencing
Factors of Heat
Transfer Performance of Heat Pipe Heat Exchanger[J]. Energy and
Environment
Technology,2009:37-40.
[15] 方彬，白文彬.锅炉和窑炉节能热管换热器[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社(第一
版),1985:155.
[16] 夏清,陈常贵.化工原理(上)[M].天津:天津大学出版社,2005:330.
[17] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社(第一版),2000:194.
[18] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社(第一版),2000:410-411. [19] 秦叔经，叶文邦.换热器[M].北京：化学工业出版社，2003:364-364. 44 / 44
[20] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社(第一版),2000:132-133.
[21] 刁 玉 玮 , 王 立 业 , 喻 健 良 . 化 工 设 备 机 械 基 础 [M]. 大 连 : 大 连 理 工 大 学 出 版 社 ( 第 六 版),2006:311.
[22] 董其伍,张 等编.换热器[M].北京:化学工业出版社(第一版),2009:350.
[23] 刁 玉 玮 , 王 立 业 , 喻 健 良 . 化 工 设 备 机 械 基 础 [M]. 大 连 : 大 连 理 工 大 学 出 版 社 ( 第 六 版),2006:47.
[24] 秦叔经，叶文邦.换热器[M].北京：化学工业出版社，2003.364-364.
[25] 董大勤，袁凤隐．压力容器设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2006．
