1、第一章第二章第三章第四章熱管換熱器課程設(shè)計說明書目錄概述設(shè)計背景國內(nèi)外熱管的應(yīng)用本設(shè)計主要研究的內(nèi)容第一章概述在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它可將大 量的熱量通過其很小的截面積遠距離的傳輸而無需外加動力。最近幾年來熱管技 術(shù)飛快進展，應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷地拓寬。第二章設(shè)計背景能源工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是實現(xiàn)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)，世界各國都把 成立靠得住安、全的、穩(wěn)固的能源供給保障體系作為國民經(jīng)濟的戰(zhàn)略問題之一。隨著經(jīng) 濟的高速增加和人民生活水平的不斷提高，世界各國對能源的需求量急劇增加。1997年全 世界一次能源消費量(不包括生物能)己超過130億噸標煤，其中石油占，天

2、然氣占23%， 煤炭占，核電占。我國是世界上能源蘊藏和能源生產(chǎn)大國，我國的一次能源生產(chǎn)居世界 第三位，但人均能源占有量僅為世界人均值的36%左右。節(jié)約天然資源和一次能源消費已 成為考慮一切技術(shù)方案的前提。因此，精雕細刻地研究節(jié)能理論和技術(shù)，是具有重大而深遠 的意義的。尤其是我國加入WTO后，加速工業(yè)管理體制從計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)軌的進程， 此后企業(yè)將以其生產(chǎn)本錢低廉從而造成低本錢降能耗而在競爭中取勝，無疑是相當重要的。第二章國內(nèi)外熱管的應(yīng)用熱管的原理第一是由美國俄亥俄州通用發(fā)動機公司(The GeneralMotors Corporation,Ohio,U. S. A)的.Gauler 于 1

3、942 年在美國專利中提出的。1962 年再次提出類似于Gauler的傳熱元件用于宇宙飛船，但因這種建議并未通過實 驗證明，亦未能付諸實施。1965年Cotter第一次提出了較完整的熱管理論，為以后的熱管理論的研究 工作奠定了基礎(chǔ)。Katzoff于1966年發(fā)明了有干道的熱管。干道的作用是為了給從冷凝段回 到蒸發(fā)段的液體提供一個壓力降較小的通道，大大地提高了熱管的傳輸能力。1969年的蘇聯(lián)和日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了熱管應(yīng)用研究方面的文章。在日 本的文章中已有描述帶翅片熱管制的空氣加熱器，在能源日趨緊張的情形下，可 用來回下班業(yè)排氣中的熱能。同時Turner和Bienenl提出了用可變熱導熱管來

4、實現(xiàn)恒溫控制。Gray研究了一種新型熱管一一旋轉(zhuǎn)熱管，這些發(fā)明都是熱管技 術(shù)的重大進展。1970年在美國出現(xiàn)了供給商品熱管的部門，熱管的應(yīng)用從宇航擴大到了地 面。在熱管進展史上值得一提的是在橫穿阿拉斯加輸油管線工程中，應(yīng)用熱管作 為管線的支撐，保證地面的永凍層，以知足工程需要。該工程共利用了 112000 余根熱管，單根熱管的長度為923m。1974年以后，熱管在節(jié)約能源和新能源開發(fā)方面的研究取得了充分的重視， 用熱管組成換熱器來回收廢熱，并將其用于工業(yè)以節(jié)約能源。美國和日本在這方 面所取得的進展最為顯著。1980年美國QDot公司生產(chǎn)了熱管廢熱鍋爐，日本帝人工程公司也成功地 用熱管做成鍋爐給

5、水預(yù)熱器，解決了排煙的露點侵蝕問題。以后，各國的熱管換 熱器研制工作迅猛展開，回轉(zhuǎn)式、分離式等新的結(jié)構(gòu)型式接踵出現(xiàn)，并日趨工業(yè) 化、大型化。我國自70年代開始，開展了熱管的傳熱性能研究和熱管在電子器件冷卻及 空間飛行器方面的應(yīng)用研究。由于我國是一個進展中的國家，能源的綜合利用水 平較低，因此自80年代初我國的熱管研究及開發(fā)的重點轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源的合理 利用，接踵開發(fā)了熱管氣一氣換熱器、熱管余熱鍋爐、高溫熱管蒸汽發(fā)生器、高 溫熱管熱風爐等各類熱管產(chǎn)品。由于碳鋼一水兩相閉式熱管的結(jié)構(gòu)簡單、價錢低 廉、制造方便，易于在工業(yè)中推行應(yīng)用，碳鋼一水相容性的大體解決，使得此類 熱管得以普遍的應(yīng)用。我國的熱管技

6、術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)研究進展迅速，學術(shù)交 流活動也十分活躍，從1983年起前后召開了六屆全國性的熱管會議。我區(qū)煤炭儲量豐碩，能源的綜合利用水平較低，因此我區(qū)熱管研究及開發(fā)的 重點為節(jié)能及能源的合理利用，在煤化工及煤轉(zhuǎn)油行業(yè)應(yīng)用較多。隨著科學技術(shù)水平的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷拓寬。新能 源的開發(fā)，電子裝置芯片冷卻、筆記本電腦CPU冷卻和大功率晶體管、可控硅元 件、電路控制板等的冷卻，化工、動力、冶金、玻璃、輕工、陶瓷等領(lǐng)域的高效 傳熱傳質(zhì)設(shè)備的開發(fā)，都將增進熱管技術(shù)的進一步進展。第四章本設(shè)計主要研究的內(nèi)容一、設(shè)計題目 重力熱管式換熱器原始資料(1)、煙氣入口溫度250C(2)、煙氣出

7、口溫度180 C(3)、空氣入口溫度20C(4)、煙氣流量5000Nm3/H(5)、空氣流量4000Nm3/H三、設(shè)計流程、熱管原件的大體選擇、熱管型式：碳鋼一水熱虹吸管，加緩蝕劑、熱管的幾何尺寸：光管外徑d0= 32 mm ；壁厚8。= 3 mm ；翅片型式：螺旋式翅片翅片長度lf = 15 m ；翅片外徑df = 62 m ； 翅片厚度8f = m ；翅片間距Y = 4 m ； 翅片節(jié)距8f = 8f + Y = m ；每米管長的翅片數(shù)nf = -1=業(yè)00 = 1928f%2翅片管為20號無縫鋼管繞制高頻焊翅片，翅片材料為10號鋼，冷熱流體側(cè)的翅片 幾何、結(jié)構(gòu)相同；熱管換熱器管子排列形式

8、為等邊三角形，如圖：、煙氣的定性溫度T橫向管子中心距ST = 80mm ； SL = ST = 80mm、計算傳熱量Qtc=tc +Qc_= 20 + 130.399X3600= 110.13 OCth =fth + th-42221 Vc p f Cc4000 x 1.007x 1.293250 +180 =215 C2查的定性溫度下煙氣的參數(shù)為:定壓比熱容ch = kJ/kgc ；p密度 p h = kg/m3； f導熱系數(shù)人 h = x 10-2 W/m c ； fx 10-6 kg/m- s；普朗特數(shù)Prh =、煙氣放出熱量QhQh = Vh p h - ch (th - th ) =

9、 XXX(250 -180)=h =(假設(shè)標況下，P 取為1.295 kg/m 3。)、熱管傳至冷空氣側(cè)的熱量Qc 考慮煙氣側(cè)有3%的熱損，故：Qc = X G - 3%) = kW、冷空氣側(cè)實際取得的熱量Qc考慮冷側(cè)3%的熱損，故：Qc= x G 3% )= kW、冷空氣出口溫度t2c及對數(shù)平均溫差A(yù)t、冷空氣的出口溫度t2cm P 12 c = ti c +Qc/(VcCf Cc )=110.13CQc“130.399 x 3600tc = tc +-_= 20 +2 i Vc p c Cc4000 x 1.007x 1.293用試算法求出cc = 1.007kJ kg % ；p、空氣側(cè)定

10、性溫度及參數(shù)空氣側(cè)的定性溫度tc = tc 12 = 20；110 = 65C f 22查得65C時空氣的物性參數(shù)為：定壓比熱容 cP = 1.007 kJ kgcp c = 1.0445kg / m3密度 f導熱系數(shù)人 c = 2.93 X10 -2 w / m oc f黏度 R fc= x 10-6 kg/mc ；Prh =普朗特數(shù)、對數(shù)平均溫差A(yù) t mAt At(180 - 20)-(250 -110)12 = c也一180 -20 )= At 2)(4)、肯定迎風面積A紂及迎風面管排數(shù)BA t =mln1250 110 )設(shè)冷熱側(cè)迎風面積相等，熱管幾何尺寸及翅片參數(shù)亦相等、煙氣側(cè)迎風

11、面積Aexh,空氣側(cè)迎風面積Aexc, Vh 5000Ah =0.694m 2 ；wh2 x 3600NA Vc 4000Ac = = 0.56m 2ex Wc2 x 3600N、迎風面寬度E假設(shè)迎風面寬度= m，則lhAh0.694=ex = 0.8675mEh 0.8lcAcx_ 0.56 EC 5T=0.7m ；=35 mm ；=m ；s中距離板厚la = 32 mm，預(yù)留安裝段l熱管兀件總長度l = lh+ lc+ l + 2l已采用迎面橫向管子中心距ST = 80mm，因此迎面管排的管子數(shù)B：B = E =竺=10（5）、ST 0.08求總傳熱系數(shù)UH管制最小流通截面積NFANFAh

12、 = （ST - d 0 ）-2（lf. nf ）-B -1 h=知08 - 0.032)-(2x 0.015 x 0.0012 x192)x 10 x 0.8675 = 0.356m2 ；NFAc= I!st - d0)2(lf.8f. nf )- B -1 c=Rd.08 - 0.032)-(2 x 0.015 x 0.0012 x 192)x 10 x 0.7 = 0.29m 2、流體最大質(zhì)量流速Gmax熱側(cè)：Gh = f:f =max NFAh5000 x 1.2950.356=18.188 x103kg / m2 - h冷側(cè)：Vc -p cGc = f_fmaxNFAc4000 x

13、1.293029=17.834 x103 kg / m2 - h 3熱側(cè)：Re h = Gmax- d0 =f p hf、求Ref18.188 x 10A3 x 0.03225.0565 x 10人(-6)x3600 =Gc . d _ 17.834 x 10?3 x0.032 冷側(cè)：Rec = my 0 - 20.35 x 10A (- 6)x 3600 IP cf、求流體的換熱系數(shù)hfNuf = 0.137 - Re().6338 Pr3人h ()_/ 4.1345 x10-2i熱側(cè)：hh = 0.137-f Reh 0-6338Prh 七=0.137 x x 64520.6338 x 0

14、.6673f d f0.0320,-人c ( ),”。(-2.93x 10-2冷側(cè)：hc = 0.137 -f - Rec 人6338 Vprc 七=0.137 xx 77900.6338 x 0.6953f d f0.0320、求翅片效率熱側(cè)：16 +15r=1.94，故取工=2 ；16 r07 2hh. 2 x 40.17lhf trf =0.015 xf、=0.56 ；48 x 0.0012；冷側(cè)：7 2hc2 x 32.53 八lc f = 0.015 x=0.46 ；f ,、:入-8f57x0.0012由圖371查得，門f h=，門f c =、求每米長熱管管外總表面積ah 每米長熱管

15、的翅片表面積Af為：Af =2 x4 Cd 2 - d 2)+兀 df .8fx1x nf=2x：x(0.0622 0.0322)+兀 x0.062x0.0012 x 1x 192 = 0.8954m2 ；每米長翅片間管表面積Ar為：Ar =兀 d0 G - nf8f )= 3.14x 0.032x (1 -192x0.0012) = 0.0774m2 ；每米熱管管外總表面積ah為：Ah = Af + Ar = 0.8954 + 0.0774 = 0.9728m 2、求管外有效換熱系數(shù)hffehh (Ah + 門 h Ah) 40.17 x(0.0774 + 0.87 x 0.8954)熱側(cè)：

16、hh = rf_=35.36 W / m2 CfeAh0.9728；h冷側(cè)：hc = f A *； A)= 32.53 X&0774 + 0庭954)= 29.84 w / m2 -CfeAch0.9728、求污垢熱阻ry及管壁熱阻七查換熱器原理與設(shè)計附錄D,取值熱側(cè)：rh = 0.000086m2 .。/ wy冷側(cè)：rc = 0.000086m2-C/w y金屬管壁熱阻：5rh = w =w人hw0003 = 0.000063m 2c / W48rcw0003 = 0.000053m2 c /W 57、求總傳熱系數(shù)UH1 Ah Ah + 2rh h + rh h +U hh w Ah y A

17、hH fewyAh 1h +Ahihcfe因為各部份面積比與單位長度上的面積比相等，h%p = h、p = 5810W / 2c)故可將相應(yīng)的數(shù)值代入上式，并取70.032 + 0.026 , lh = nxx 0.8675 = 0.079m 2A. = n d - lh = n x 0.026 x 0.8675 = 0.071m210.9728 x 0.8675+ 2 x 0.000063 xUH 35.360.0790.9728 x 0.867510.9728 x 0.86751+ 0.000086 x+ 2 xx+0.972858100.07129.840.071=0.067m 2 c

18、/ W所以，U = 14.86w/Cm2 *c)(6)、求加熱側(cè)總傳熱面積AHh134.4323 x10人3, Qc . Ah = 60.4m 2H UH - At14.86 x 149.78（7）、求所需熱管數(shù)n、Ahn = hAh lh60.40.9728 x 0.8675=71.6 根，取n = 72根（8）、求換熱器縱深排數(shù)mm = = - = 7.2 排，取m = 8 排B 10排列方式:管子總數(shù)n = 10 x 4 + 9 x 4 = 76根（9）、求通過熱管換熱管的壓力降、求換熱器的凈自由容積陷Vn n ( 一)NFV = 0.866 S S - d 2 - d 2 - d2 庵

19、 nL T 4 04 f 0 f f兀 x4兀K ()=0.866 x 0.082 - _ x 0.0322 - _ x 峪.0622 - 0.0322 人 0.0012 x192 44.23 x10-3 m3 / m、求當量直徑Dev熱側(cè):Dhev4 NFV4 x4.23 x (-3)= 20.050.9728 x 0.8675x 10 - 3 m冷側(cè):Dcev4 NFV4 x4.23 x (-3) = 24.850.9728 x 0.7x 10 - 3 m、求Ref熱側(cè):Reh =f maxfp hf20.05 x10-3 x 18.188 x10325.0565 x10-6=4043冷側(cè)

20、:Recf24.85 x10-3 x17.834 x10320.35 x10-6=6049、求摩擦系數(shù)f熱側(cè)：f h = 1.92妃eh ）0.145 = 0.576 f冷側(cè)：fc =1.92妃ec ）。.145 = 0.543 f、求平均管壁溫度twQh熱側(cè)：th = th LA一 = 215-138.59 x10335.36 x 0.9728 x 76 x 0.8675=153.9七fe h冷側(cè)：tcQc=tc = 65 +f hc - Ac -n134.4323 x10329.84 x 0.9728 x 76 x 0.7=152.1cfe h、求壁溫下的流體黏度Rw熱側(cè)：r h = 22

21、.45 x 10-6kg /(m s)冷側(cè)：rc = 24.1 x 10 -6 kg / (m s )、求通過換熱器的壓降A(chǔ)Pfh (7h ) L 熱側(cè)：APh = J2 g Dh -phc ev fW14 ( Dh )0.4 (.max181882 x 0.08 x 0.866 x 80.576 x21.3 x 107 x 20.05 x10-3 x 0.72835冷側(cè)：APc-f Gc I, L.max2 g Dc -pcc ev f0.543x2178432 x 0.08 x 0.866 x 81.3 x 107 x 24.85 x10-3 x 1.0445(10)、SLX STJ(25

22、.0565 x10-6、0.6)-0-14 ( 20.05 x 10-3 )0.422.45 x 10-6 J、-0.14,八 、0.4,DcevS LX STJ0.6(20.35 x 10-6)0.1424.1x10-6 J求熱管的第一排的管內(nèi)流體溫度tv求Ref熱側(cè):Re hf=Gq=18188 x 0.032= 6134=mRh o _ 26.355 x10-6 x 3600 =fX 0.08 J(24.85 x10-3)0.4X 0.08 J=159 Pa= 91Pa冷側(cè):Recf=G 電=17.834 x103 x 0.032 = 7093=mRTc 0 22.35 x10-6 x

23、3600 =f、求hf熱側(cè)：總 ()。( )4.425x10-21hh = 0.137 Reh6338.(th七=0.137xx61340.6338x0.6673fd f0.0320=41.5w / m2 oc冷側(cè)：hc = 0.137 .匕Rec ).6338 .fd f00.137 x 3.275x10-2 x 70930.6338 x 0.687：0.032=34.1w / m 2 七熱側(cè):冷側(cè):門=0.87I = 0.91、求hfe熱側(cè)：hh冷側(cè)：hcfhh (Ah + 門 h Ah)41.5 x(0.0774 + 0.87 x 0.8954)-f 一匚f一J = 36.53w/m2 cAh hhf(A +門； A) = 34.1 x(0.0774 + 0.91x0.8954)= 31 22 七Ac0.9728. W ch0.9728、求U H1AhAhAh-= + rh . + rh .一h +h = 0.03Uhhhw Ahy Ahhh AhHfewyHP i1AcAcAc+ rc h + rc h + h=0.035U c =hcw Acy Achc AcHfewyHP i=33.14