南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)作者：鄭俊偉學(xué)號(hào)：201090810系部：機(jī)械工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：過(guò)程裝備與控制工程題目：一種翅片管式熱管換熱器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)者：朱大勝副教授評(píng)閱者：2013年06月南京南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有很高的導(dǎo)熱性，由熱管元件組成的，利用熱管原理實(shí)現(xiàn)熱交換的換熱器稱之為熱管換熱器。由于其換熱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能效果顯著、設(shè)備運(yùn)行可靠性高、動(dòng)力消耗小等優(yōu)點(diǎn)，熱管換熱器越來(lái)越受到人們的重視。本文簡(jiǎn)要分析了熱管及熱管換熱器的工作原理和結(jié)構(gòu)，分析熱管換熱器的現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢(shì)，并指出熱管換熱器應(yīng)用過(guò)程中所存在的問(wèn)題，著重探討了熱管換熱器的設(shè)計(jì)，具體包括熱管元件設(shè)計(jì)、隔板密封的設(shè)計(jì)、管箱設(shè)計(jì)以及螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)等等。目前，它被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、動(dòng)力、電力、食品、造紙等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：熱管；熱管換熱器；設(shè)計(jì)計(jì)算；應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要TitleDesignofafintubetypeheatpipeexchangerAbstractHeatpipeisaheattransferdevicesdependonworkliquidintheoneselfinnerphasechangetoachievetheheattransfer,hasahighthermalconductivity.Bytheheatpipecomponents,theuseofheatpipeheatexchangerprincipletoachieveaheatexchangercalledheatpipeheatexchanger.Duetoitshighheattransferefficiency,simplestructure,energy-savingeffectisremarkable,highoperatingreliability,powerconsumption,etc,andtheheatpipeheatexchangerhasbeenpaidmoreandmoreattention.Thearticlebrieflyanalyzestheworkmechanismandstructureofheatpipeandheatpipeheatexchanger，analyzetheexistingheatpipeheatexchangerapplicationsandadvantages,andthattheapplicationprocessheatpipeheatexchangerintheproblems,focusedontheheatpipeheatexchangerdesign,specificincludethedesignofheatpipeelement,thedesignofdiaphragmseal,thedesignoftubebox,andboltedflangeconnectiondesignetc.Atpresent,itiswidelyusedinpetroleum,chemical,metallurgical,power,electricity,food,paperandotherfields.Keywords：Heatpipe；Heatpipeexchanger；Designcalculation；Applications南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）

目錄TOC\o"1-3"\h\u179第一章緒論 第一章緒論1.1熱管的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域熱管作為一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，其概念首先是由美國(guó)俄亥俄州通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的Gaugler于1944年在美國(guó)專(zhuān)利（US2350348）提出的。他當(dāng)時(shí)的想法是：液體先在某一位置上進(jìn)行吸熱蒸發(fā)，接著在它的下方某一位置進(jìn)行放熱后冷凝，不耗費(fèi)任何功從而使得放熱冷凝的液體再回到上方原來(lái)的位置繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，目的是使得熱量從這一位置傳到另一位置。Gaugler所提出的第一個(gè)專(zhuān)利是一個(gè)冷凍裝置，由于時(shí)代條件的限制，所以Gaugler當(dāng)時(shí)想出的發(fā)明未能得到應(yīng)用。1962年Trefethen向美國(guó)通用電氣公司提出報(bào)告，倡議在宇宙飛船上采用一種類(lèi)似于Gaugler所提出的傳熱元件。但因這種倡議未能經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，所以未能付諸實(shí)施。1963年美國(guó)Los-Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Grover[1]重新獨(dú)立發(fā)明了類(lèi)似于Gaugler提出的傳熱裝置，并進(jìn)行了性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)，并且公開(kāi)發(fā)表了第一篇有關(guān)傳熱元件的論文在美國(guó)《應(yīng)用物理》雜志上，并正式將這種傳熱裝置命名為熱管即“HeatPipe”，指出任何一種已知金屬的導(dǎo)熱率都不能超過(guò)它的導(dǎo)熱率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是得到了以一根不銹鋼為裝置的殼體，鈉為工作介質(zhì)，管內(nèi)安裝絲網(wǎng)吸液芯結(jié)構(gòu)的熱管。1965年Cotter首次總結(jié)出較為完整的熱管理論，這為以后的熱管理論的研究工作奠定了理論基礎(chǔ)。Katzoff于1966年首先發(fā)明有干道的熱管。干道的作用是為了給從冷凝段回流到蒸發(fā)段的液體提供一個(gè)壓力降較小的通道。大大地提高了熱管的傳輸能力。1967年至1968年在美國(guó)，應(yīng)用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應(yīng)用范圍涉及到空調(diào)、電子器件、核電機(jī)的冷卻等方面。并初次出現(xiàn)了柔性熱管和平板式的異形熱管。1969年，日本前蘇聯(lián)、的有關(guān)雜志均發(fā)表了有關(guān)熱管應(yīng)用和研究的文章。在日本的文章中已有描述帶翅片熱管管束的空氣加熱器。在能源日趨緊張的情況下，它可以用來(lái)回收工業(yè)排氣中的熱能。同年Turner和Bienert提出了用可變導(dǎo)熱管來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制。1980年美國(guó)Q-Dot公司生產(chǎn)了氣-液換熱的熱管廢熱鍋爐。日本帝人工程公司也成功地用熱管做成鍋爐給水預(yù)熱器。1984年Cotter較完整地提出了微型熱管的理論及展望[2]，為微型熱管的研究與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。提出的毛細(xì)泵回路capillarypumpedloops，CPL以及回路熱管系統(tǒng)（loopheatpipesystems，LHP）都因它們應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)靈活及在很小的溫度下可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳遞比常規(guī)熱管具有更大熱量的特點(diǎn)，從而使得整個(gè)熱管界都普遍關(guān)注它們，使得它們成為理論研究和應(yīng)用的特點(diǎn)[3]。1.2我國(guó)熱管及熱管換熱器的發(fā)展我國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，對(duì)熱管開(kāi)展了傳熱性能研究以及熱管在空間飛行器以及電子器件冷卻方面的應(yīng)用研究。在1972年，成功運(yùn)行了第一根鈉熱管，以后相繼研制成功各種介質(zhì)的熱管比如鈉、汞、水、氨、鋰、聯(lián)苯等，并且在應(yīng)用上取得了不錯(cuò)的成果。而在1980年，國(guó)內(nèi)成功運(yùn)行了第一臺(tái)試驗(yàn)性熱管換熱器，接著各地相繼出現(xiàn)了不同溫度范圍的、各種不同類(lèi)型的氣-氣熱管換熱器和氣-液熱管換熱器，并且在工業(yè)上的余熱回收方面發(fā)揮了良好的作用，并積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)[4]。由于我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，能源的綜合利用水平還比較低，因此自20世紀(jì)80年代初，我國(guó)的熱管研究及開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向能源的合理利用及節(jié)能，因此相繼開(kāi)發(fā)了各類(lèi)熱管產(chǎn)品，比如熱管余熱鍋爐、熱管氣-氣換熱器、高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器以及高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐等。在工業(yè)化方面的開(kāi)發(fā)應(yīng)用我國(guó)的熱管技術(shù)研究發(fā)展十分迅速，學(xué)術(shù)交流也非?；钴S，從1983年起已經(jīng)先后召開(kāi)了十一屆全國(guó)性的熱管會(huì)議。碳鋼-水熱管的相容性、中高溫?zé)峁艿难兄啤⒔鉀Q熱管的制造工藝、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設(shè)計(jì)方法等問(wèn)題，其研究成果陸續(xù)在石化、冶金、電力等行業(yè)推廣應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)千臺(tái)熱管氣-氣換熱器先后投入使用，取得了較好的使用效果。但也暴露了不少問(wèn)題，如熱管失效、低溫腐蝕、積灰、漏風(fēng)等，影響了熱管換熱器的進(jìn)一步推廣。因此，急需對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行細(xì)致分析與研究，完善熱管換熱器設(shè)計(jì)制造方法，提高熱管換熱器的使用效果和壽命。1.3本文主要內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)翅片管式熱管換熱器。從前兩節(jié)的內(nèi)容我們可以對(duì)熱管的發(fā)展歷程以及應(yīng)用有個(gè)大致的了解，并初步認(rèn)識(shí)了熱管換熱器。在接下來(lái)的幾個(gè)章節(jié)，將會(huì)對(duì)熱管換熱器的主要元件熱管進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，主要分析熱管的工作原理、熱管分類(lèi)以及基本特性等方面，并且對(duì)翅片管的工作原理以及組成進(jìn)行分析。另外也會(huì)對(duì)熱管換熱器的特點(diǎn)、分類(lèi)、設(shè)計(jì)方法以及存在的問(wèn)題做一個(gè)總結(jié)。最后在熱管換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要針對(duì)其工藝計(jì)算、設(shè)備結(jié)構(gòu)計(jì)算、元件參數(shù)的選擇做了一個(gè)合理構(gòu)建，并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)出了翅片管式熱管換熱器的基本模型。

第二章熱管的工作原理及應(yīng)用2.1熱管節(jié)能技術(shù)概述熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，其導(dǎo)熱性能是優(yōu)良導(dǎo)熱材料的幾倍、甚至上萬(wàn)倍，所以具有“超導(dǎo)熱體”之稱[5]。因其優(yōu)越的傳熱性能和技術(shù)特性，在工程中的應(yīng)用日益普及，不僅在余熱回收、節(jié)能方面取得了顯著效果，而且在傳統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)設(shè)備更新及電子元器件冷卻等方面先生出了非常強(qiáng)大的生命力。作為應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的工藝過(guò)程、設(shè)備狀況及控制管理系統(tǒng)都密切相關(guān)。國(guó)家關(guān)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年綱要明確提出：“十一五”期間實(shí)現(xiàn)單位生產(chǎn)總值能源消耗下降百分之二十的目標(biāo)。針對(duì)高能耗行業(yè)，如電解鋁、鐵合金、電石、燒堿、水泥、鋼鐵，凍土[6]等，是開(kāi)展節(jié)能減排工作的重點(diǎn)行業(yè)。熱管技術(shù)之所以能廣泛應(yīng)用于各節(jié)能領(lǐng)域，是因?yàn)榕c常規(guī)換熱技術(shù)相比，具有如下的重要特點(diǎn)。熱管換熱設(shè)備較常規(guī)設(shè)備更安全、可靠，可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行；熱管管壁的溫度可調(diào)性；冷熱段結(jié)構(gòu)和位置布置靈活；效率高。2.2熱管的工作原理熱管是一種充填了一定量的工作介質(zhì)的真空密封容器，內(nèi)部為真空的金屬管子,其內(nèi)壁貼著一層多孔性材料,稱為吸液芯,管內(nèi)裝適量的傳遞熱量的工作介質(zhì)。熱管的兩端分別是蒸發(fā)段和冷凝段,當(dāng)熱量傳入熱管蒸發(fā)段的時(shí)候，熱量將被工作介質(zhì)吸收并蒸發(fā)從而流向冷凝段，然后蒸汽在冷凝段被冷卻，并且釋放出汽化潛熱，冷凝后變成液體，然后在多孔吸液芯的毛細(xì)力或者重力的作用下返回蒸發(fā)段，如此反復(fù)循環(huán)，通過(guò)工作介質(zhì)的相變和傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱量的高效傳遞。簡(jiǎn)而言之，熱管工作的主要任務(wù)是從蒸發(fā)段吸收熱量，通過(guò)內(nèi)部相變傳熱過(guò)程，把熱量輸送到冷凝段，從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。完成這一轉(zhuǎn)移有六個(gè)同時(shí)發(fā)生而又相互聯(lián)系的主要過(guò)程,如圖2-1。圖2-1熱管的工作過(guò)程示意圖這六個(gè)相互聯(lián)系的主要過(guò)程是：(1)熱量首先從熱源通過(guò)熱管的管壁和充滿工作介質(zhì)的吸液芯傳送到液-汽分界面；(2)介質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面受熱蒸發(fā)；(3)蒸汽在蒸汽腔內(nèi)將會(huì)從蒸發(fā)段上升到冷凝段；(4)冷凝段內(nèi)分布的蒸汽在汽-液分界面上凝結(jié)；(5)熱量從汽－液分界面通過(guò)介質(zhì)、吸液芯以及管壁傳給冷源；(6)在吸液芯的內(nèi)部由于毛細(xì)作用使得冷凝后的工作介質(zhì)回流到蒸發(fā)段[7]。2.3熱管的分類(lèi)根據(jù)熱管結(jié)構(gòu)形式的不同，最主要的分為軸向熱管和徑向熱管[8]。(1)軸向熱管早期熱管都采用軸向熱管，在蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)被汽化并帶走潛熱，然后向冷凝段流去，最后受冷凝結(jié)成液體回流到蒸發(fā)段，并且放出潛熱，工質(zhì)通過(guò)吸液芯沿管長(zhǎng)方向流動(dòng)。(2)徑向熱管徑向熱管是指工質(zhì)是沿?zé)峁軓较蛄鲃?dòng)的。吸液芯緊貼在熱管的內(nèi)壁上，其內(nèi)部充滿工作介質(zhì)。在密閉真空管中工質(zhì)將會(huì)周而復(fù)始地進(jìn)行著受熱汽化和受冷冷凝的循環(huán)工作過(guò)程，從而源源不斷地將管外熱流體中的熱量傳遞給內(nèi)管中的冷流體[9]。同時(shí)，按不同的分類(lèi)方法，還可分為脈動(dòng)熱管、環(huán)路熱管和平板型熱管等不同種類(lèi)的熱管[10]。按熱管的功用劃分為傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開(kāi)關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等。按管殼與工作液體的組合方式劃分為銅-水熱管、碳鋼-水熱管、碳鋼復(fù)合-水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼-荼熱管、不銹鋼-鈉熱管。按照工作液體回流動(dòng)力區(qū)分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（又稱重力熱管）、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)力熱管、滲透熱管等。熱管外殼及工作液的種類(lèi)視其應(yīng)用情況而定。例如在1000℃以上高溫時(shí)，熱管內(nèi)部多用鉀、鈉等液態(tài)金屬；在-190℃時(shí)則多用液態(tài)氮等[11]。2.4熱管的基本特性熱管是依靠自身內(nèi)部工作介質(zhì)的相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。很高的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要是通過(guò)工作介質(zhì)的汽、液相變進(jìn)行傳熱，由于其熱阻很小，因此具有非常高的導(dǎo)熱能力。(2)優(yōu)良的等溫性。由于在熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，一定的飽和蒸汽溫度對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的飽和蒸汽壓力，當(dāng)飽和蒸汽從蒸發(fā)段上升向冷凝段時(shí)其所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，其溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。(3)恒溫特性(可控?zé)峁?。普通熱管的各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，但可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨輸入熱量的增加而降低、隨輸入熱量的減少而增加，這樣熱管在輸入熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。(4)熱流密度可變性。熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即可改變熱管的管內(nèi)蒸汽壓力和溫度。(5)熱開(kāi)關(guān)與熱二極管性能。熱開(kāi)關(guān)則是當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱，只有當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作；熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)。(6)環(huán)境的適應(yīng)性。因?yàn)闊峁艿男螤羁梢噪S著熱源和冷源的條件而變化，所以熱管可做成電機(jī)的轉(zhuǎn)軸燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，同時(shí)熱管既可用于空間，也可以用于地面[12~13]。(7)熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來(lái)調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開(kāi)最大的腐蝕區(qū)域。(8)對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過(guò)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(wèn)題。(9)熱管一般雖為圓柱形，但其尺寸和形狀可以多樣，若熱則冷端軟管連接尚可實(shí)現(xiàn)繞過(guò)障礙的曲折途徑的傳熱或長(zhǎng)距離的傳熱。(10)熱管不受熱源的限制，如火焰、電加熱、日光輻射都可作為熱管的熱源。(11)通過(guò)熱管可產(chǎn)生各種大小的熱流密度；通過(guò)材料的適當(dāng)選擇和組合，可用于從零下200℃到2000℃大幅度的溫度范圍[14]。

第三章熱管換熱器3.1概況由熱管管束和外殼等組成的換熱器稱為熱管換熱器。一般情況下，它有一個(gè)矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯(cuò)列呈三角形的排列，也可以是順列呈正方形排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分成兩個(gè)部分，形成熱流體與冷流體的通道。當(dāng)熱冷流體同時(shí)在各自的通道中流過(guò)時(shí)，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱量交換。熱管換熱器是一種高效傳熱的新型換熱器，在20世紀(jì)60年代首先被應(yīng)用于宇航技術(shù)中，最初被用于航天技術(shù)和核反應(yīng)堆，以解決向陽(yáng)面和背陰面受熱不均勻，70年代國(guó)外在電子、機(jī)械、石油、化工及煤化工等方面有了廣泛的應(yīng)用[15]。熱管換熱器主要由箱體、隔板、熱管等元件組成，其中熱管是其最關(guān)鍵的元件。熱管換熱器具有傳熱效率高、壓力損失小、工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、沒(méi)有摻混污染、有利于控制露點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前我國(guó)的熱管技術(shù)已日趨成熟，應(yīng)用面也在逐年的擴(kuò)大[16]。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(lái)越廣泛的重視，目前在計(jì)算機(jī)、雷達(dá)等高科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。3.2熱管換熱器的特點(diǎn)(1)熱管換熱器可以通過(guò)換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開(kāi)，在運(yùn)行過(guò)程中單根熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱器用于易然、易爆、腐蝕性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性。(2)熱管換熱器的冷、熱流體是完全分開(kāi)流動(dòng)的，因此可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的逆流換熱。冷、熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。(3)對(duì)于含塵量比較高的流體，熱管換熱器可以通過(guò)擴(kuò)展受熱面、結(jié)構(gòu)的變化等措施來(lái)解決換熱器的磨損和堵灰問(wèn)題。(4)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，每根熱管都是永久性密封的，沒(méi)有額外的能量消耗，從而大大提高了運(yùn)行的可靠性。(5)對(duì)于冷、熱氣流間溫差很?。ㄈ鐜资龋┑那闆r，也能得到一定的熱回收率。(6)由于冷、熱流體都在熱管外表面流過(guò)，所以容易用增加翅片的辦法來(lái)提高冷、熱流體與熱管表面的對(duì)流換熱。(7)每根熱管完全獨(dú)立，容易更換，每排的寬度及熱管外表面翅片的高度和間距可以根據(jù)性能要求及維修、清洗的要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇[17]。3.3熱管換熱器的分類(lèi)(1)按形式可分為:單管組合式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉(zhuǎn)式熱管換熱器等。(2)按功能可分為：氣-氣式熱管換熱器、氣-液式熱管換熱器、氣-汽式熱管換熱器等。根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)的熱管換熱器結(jié)構(gòu)以及外形形式有多種樣式，圖3-1、圖3-2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。圖3-1氣-氣熱管換熱器圖3-2氣-液熱管換熱器熱管換熱器是一種新型高效的換熱器，于70年代初才開(kāi)始作為節(jié)能設(shè)備應(yīng)用于工業(yè)中。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，但是其發(fā)展速度很快。本次設(shè)計(jì)的換熱器是氣—液式換熱器，屬于單管組合式熱管換熱器。熱流體為氣體，冷流體為液體。3.4熱管換熱器的設(shè)計(jì)方法熱管換熱器的設(shè)計(jì)方法正不斷改進(jìn)和完善，就目前情況大致可分為三類(lèi)：(1)常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算法熱管換熱器類(lèi)似于常規(guī)的間壁式熱交換器。兩種流體分別在熱管的兩端流過(guò)，原則上可以將熱管群視為一塊熱阻很小的“間壁”，冷流體通過(guò)“間壁”的一側(cè)不斷被加熱，熱流體通過(guò)“間壁”的另一側(cè)不斷冷卻，與通常的換熱器相似，熱管換熱器熱力計(jì)算也是基于傳熱方程和熱平衡方程。(2)離散型計(jì)算法這種分析法的出發(fā)點(diǎn)認(rèn)為熱量從熱流體到冷流體的傳遞不是連續(xù)通過(guò)壁面進(jìn)行的，而是通過(guò)若干熱管進(jìn)行傳遞，熱流體溫度從進(jìn)口降到出口是不連續(xù)的，呈階梯形變化；同樣冷流體溫度上升也是階梯形的，因而稱為“離散型”。(3)定壁溫計(jì)算法將熱管換熱器的每排熱管的壁溫都控制在煙氣露點(diǎn)溫度之上。這種設(shè)計(jì)方法是建立在管內(nèi)蒸汽溫度可調(diào)整的基礎(chǔ)之上的。3.5熱管換熱器存在的問(wèn)題當(dāng)然,與國(guó)外換熱器先進(jìn)制造工藝相比,我國(guó)換熱器制造技術(shù)還相當(dāng)落后,有待進(jìn)一步改進(jìn)。主要表現(xiàn)在:(1)相關(guān)科研人員對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)以及基礎(chǔ)理論的研究還是不夠重視，例如從傳熱與流動(dòng)的研究、基礎(chǔ)物性的研究、U型管在不同熱處理狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、無(wú)縫管對(duì)接接頭在繞管狀態(tài)下的應(yīng)變時(shí)效、加氫換熱器管箱端部螺紋的應(yīng)力分析和應(yīng)力測(cè)定等方面都有許多工作要做。(2)某些制造工藝尚需突破，例如螺旋板式換熱器的接觸焊、激光焊工藝、細(xì)管液壓脹管新途徑等。(3)另外在換熱器制造上，我國(guó)目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。要想使熱管換熱器的性能達(dá)到最佳，并且能夠應(yīng)用于更多場(chǎng)合，還需要解決以下多個(gè)問(wèn)題:(1)熱管的直徑、翅片高、翅片厚度等結(jié)構(gòu)尺寸的確定沒(méi)有準(zhǔn)確的依據(jù)，但是這些參數(shù)對(duì)熱管性能影響較大；(2)現(xiàn)在還不能夠能夠找到一種適合各種工作溫度的工質(zhì)，從而不影響換熱器的效率和可靠性；(3)灰塵較多的煙氣易加速熱管的磨損從而使熱管易積灰，降低熱管的換熱能力；(4)熱管散熱的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，工藝性能要求比較高，成本較高[18]。

第四章翅片管的原理和類(lèi)型4.1翅片管的工作原理翅片管，又叫鰭片管或肋片管，英文名字叫“FinTube”或”FinnedTube”,也有時(shí)叫做“ExtendedSurfaceTube”,即擴(kuò)展表面管。顧名思義，翅片管就是在原有的管子表面上（不論外表面還是內(nèi)表面）加工上了很多翅片，使原有的表面得到擴(kuò)展，而形成一種獨(dú)特的傳熱元件。4.2翅片管的組成翅片管是熱管換熱器的重要傳熱元件，其由基管和翅片組合而成，基管通常為圓管，也有扁平管和橢圓管。管內(nèi)、外流體通過(guò)管壁及翅片進(jìn)行熱交換，由于翅片擴(kuò)大了傳熱面積，使換熱得以改善。翅片類(lèi)型多種多樣，翅片可以各自加在每根單管上，也可以同時(shí)與數(shù)根管子相連接。4.3翅片管的類(lèi)型和選擇翅片管是翅片管式熱管換熱器中的重要部件。對(duì)翅片管的基本要求是：有良好的傳熱性能、耐溫性能、耐熱沖擊能力及耐腐蝕能力，易于清理塵垢，壓降較低等。翅片按其在管子上排列方式，可分縱向和徑向(橫向)翅片兩大類(lèi)。其它類(lèi)型都是這兩類(lèi)的變形，例如大螺旋角翅片管接近縱向，而螺紋管則接近橫向，可根據(jù)流體的流動(dòng)方向及換熱特點(diǎn)來(lái)選擇。肋片可在管內(nèi)、管外或內(nèi)外兼有。肋片管按制造方法不同可分為整體翅片、焊接翅片和機(jī)械連接翅片。是否需要加設(shè)翅片和應(yīng)加在哪一側(cè)以及翅片的型式和結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)根據(jù)管內(nèi)、外兩側(cè)流體傳熱性能進(jìn)行選擇。通常宜將翅片設(shè)在小側(cè)；當(dāng)兩側(cè)接近時(shí)，則宜在管內(nèi)、外兩側(cè)均加翅片，或外加翅片，內(nèi)加麻花鐵、螺旋體等擾動(dòng)元件。翅片管因其制造方法不同而使其在傳熱性能以及機(jī)械性能等方面有一定的差異。按制造方法分有焊接翅片、整體翅片、高頻焊翅片和機(jī)械連接翅片。焊接翅片采用氬弧焊或者釬焊等工藝制造，可使用與管子不一樣的材料。由于它的制造簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)且具有較好的傳熱和機(jī)械性能，故已在工業(yè)上廣為應(yīng)用。它的主要問(wèn)題是焊接工藝質(zhì)量。高頻焊翅片管是利用高頻發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電感應(yīng)，使管子表面與翅片接觸處產(chǎn)生高溫而部分熔化，再通過(guò)加壓使翅片與管子連成一體而成。這是一種較新的連接方式，因其無(wú)焊劑、無(wú)焊料、制造簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，正為用戶認(rèn)識(shí)和采用。整體翅片由鑄造、機(jī)械加工和軋制而成，管子翅片一體，沒(méi)有接觸熱阻，強(qiáng)度高，但要求翅片與管子同種材料。如低壓鍋爐的省煤器就是采用整體鑄造的翅片管。機(jī)械連接翅片管有繞片式、鑲片式、套片式與雙金屬軋片式等[19]。

第五章熱管換熱器工藝計(jì)算5.1熱管換熱器技術(shù)參數(shù)氣體介質(zhì)流量（kg/h） 30000氣體介質(zhì)進(jìn)口溫度（） 150氣體介質(zhì)出口溫度（） 50氣體介質(zhì)壓力（MPa） 7循環(huán)水入口溫度（） 20循環(huán)水出口溫度（） 40循環(huán)水壓力（MPa） 0.4結(jié)構(gòu)形式 并聯(lián)5.2熱管換熱器設(shè)計(jì)準(zhǔn)備換熱管的尺寸和形狀對(duì)傳熱有很大的影響，管徑越小，則單位體積設(shè)備的傳熱面積就會(huì)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)的要求較高。但制造會(huì)比較麻煩，且小管易結(jié)垢，不易機(jī)械清洗。因此對(duì)清潔的流體采用小管子為宜，但對(duì)粘度大或易結(jié)垢的液體管徑則應(yīng)取大些。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)度和緊湊型設(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，較大直徑并不總是很好，為了設(shè)計(jì)出更加優(yōu)化的熱管換熱器，我們應(yīng)該作出全面的選擇。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φ19mm×2mm和φ25mm×2.5mm兩種。5.3熱平衡方程這里所講到的熱平衡是指一個(gè)換熱設(shè)備中冷流體與熱流體之間的熱平衡，即：熱流體放出的熱量=冷流體得到的熱量傳熱過(guò)程中的熱損失有時(shí)也需要考慮在內(nèi)，即：熱流體放出的熱量=冷流體得到的熱量+熱損失一般情況下，熱損失需要小于5%，但是有些設(shè)備保溫良好，因此在設(shè)計(jì)中也可以忽略熱損失。熱平衡是能量守恒定律在傳熱過(guò)程中的具體應(yīng)用，熱平衡既是一個(gè)理念，也是一種方法。(5-1)，QUOTEQUOTE：熱流體與冷流體流量，QUOTE：熱流體與冷流體定壓比熱容QUOTE，QUOTE：熱流體入口及出口溫度QUOTE，：冷流體入口及出口溫度：散熱損失率，可取1%—5%(5-2)查表得，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE5.4選取迎風(fēng)面質(zhì)量流速如果在氣體側(cè)的允許阻力降很低時(shí)，則建議QUOTE在中間進(jìn)行選擇值；如果對(duì)氣體側(cè)的阻力降沒(méi)有特殊要求，則建議選擇默認(rèn)；如果擔(dān)心積灰比較嚴(yán)重，希望使氣流本身具有一定的自吹灰能力，建議選。在本次設(shè)計(jì)中，由于對(duì)氣體側(cè)的阻力降沒(méi)有特殊要求，所以可選取。迎風(fēng)面積：QUOTE(5-3)此次設(shè)計(jì)迎風(fēng)面形狀為正方形，QUOTE，QUOTE。5.5換熱管的排列形式在一個(gè)管束中，是至關(guān)重要的是翅片管排列方式的選取。熱管的排列形式主要有以下四種。圖5-1換熱管的排列形式等邊三角形排列用的最為普遍，因?yàn)楣茏拥拈g距都相等，所以在同一管板面積上可排列的管子數(shù)是最多的，便于管板的劃線與鉆孔。但是管間不易清洗，故適用于不結(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。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)該是連續(xù)的，而且要保證清洗通道。圖2-1中（a）和（d）兩種排列方式，在折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，但是流速符合要求即可，因此該設(shè)計(jì)中的熱管采用（a）排列方式。因?yàn)樵O(shè)備熱負(fù)荷較大，為了減少翅片管根數(shù)，所以選用較大直徑翅片管。QUOTEQUOTE該翅片管的基管外徑為，管壁厚QUOTE，翅片外徑為QUOTE（即翅片高度為QUOTE），翅片節(jié)距為QUOTE，翅片厚度為QUOTE。管子的排列形式為等邊三角形排列圖5-2熱管排列圖確定迎風(fēng)面上的翅片管根數(shù)和長(zhǎng)度:翅片管在迎風(fēng)面上可以擺放的根數(shù):QUOTE(5-4)迎風(fēng)面上基管傳熱面積：(5-5)取翅片管長(zhǎng)度為3.4，蒸發(fā)段QUOTE，冷凝段QUOTE。5.6翅化比5.6.1換熱系數(shù)氣體側(cè)平均溫度(5-6)查表得，氣體密度QUOTE氣體定壓比熱容QUOTE氣體導(dǎo)熱系數(shù)QUOTE氣體黏度QUOTE氣體普朗特準(zhǔn)數(shù)最窄截面積/迎風(fēng)面積:(5-7)QUOTE所謂最窄截面是指相鄰兩翅片管之間夾縫中的截面。所有翅片管束管外換熱系數(shù)的計(jì)算式都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出來(lái)的，實(shí)驗(yàn)中要考慮很多因素的影響，因而所得出的結(jié)果又叫實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。不同研究者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)得出形式上不同的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，但在同一條件下的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是相近的。我們的任務(wù)就是選擇信得過(guò)的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。這兒，推薦Briggs和Young的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。他們?cè)鴮?duì)十多種環(huán)形翅片管束進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，所有的實(shí)驗(yàn)管束都是叉排排列，管心距呈等邊三角形布置，其標(biāo)準(zhǔn)誤差在5%左右。下面只介紹對(duì)于高翅片管束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果： (5-8)QUOTE式中，，,：翅片外徑和基管直徑，單位都為；Y，H:翅片間隙和高度，單位都為；QUOTE,QUOTE和：流體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為；黏度系數(shù)，單位為；普朗特?cái)?shù)，常數(shù)。這些數(shù)值是根據(jù)流體溫度查流體物性表得到的。式中的QUOTE是流體在最窄截面處的質(zhì)量流速，單位是。由上式可知，影響換熱系數(shù)最大的因素是流速，與的0.718次方成正比。最窄截面積上質(zhì)量流速:(5-9)換熱系數(shù)QUOTE：(5-10)5.6.2翅化比翅化比是指光管表面（基管表面）在加裝翅片以后表面積擴(kuò)大的倍數(shù)，用“”來(lái)表示，即1米管長(zhǎng)的翅片數(shù)目：QUOTE(5-11)1米管長(zhǎng)的翅片面積：(5-12)QUOTE式中，：QUOTE翅片外徑；：基管直徑1米管長(zhǎng)上的裸管面積，即翅片之間的光管面積QUOTE：(5-13)1米管長(zhǎng)上的光管面積QUOTE：(5-14)翅化比QUOTE：(5-15)5.7翅片效率當(dāng)翅片被“根植”在基管表面上以后，然后在由管內(nèi)向管外傳熱的時(shí)候，熱量將會(huì)從翅片根部沿著翅片高度向外傳遞，同時(shí)通過(guò)對(duì)流換熱的方式將熱量不斷地傳遞給周?chē)牧黧w，因此其結(jié)果是沿著翅片的高度方向翅片溫度將會(huì)逐漸下降。如下圖所示?；艹崞瑲怏w溫度翅片溫度根部溫度溫度基管翅片氣體溫度翅片溫度根部溫度溫度圖5-3翅片管傳熱曲線圖沿翅片的高度方向翅片溫度將會(huì)逐漸下降，說(shuō)明周?chē)黧w溫度與翅片溫度的差值在慢慢的縮小，單位面積的換熱量也會(huì)逐漸縮小。最后翅片表面積對(duì)增強(qiáng)換熱的有效性也會(huì)逐漸下降。即翅片如果越高，那么其增加的面積就會(huì)對(duì)換熱的“貢獻(xiàn)”就越小。因此，有必要引入一個(gè)新的概念翅片效率。作為一個(gè)效率值來(lái)說(shuō)，我們都知道它小于1，所以翅片效率也是小于1的，這樣說(shuō)明即使增加1倍翅片的散熱面積，但是并不能增加1倍的散熱量，往往都是要打一個(gè)“折扣”的，而這個(gè)“折扣”就是我們所說(shuō)的翅片效率。通常情況下，翅片效率的數(shù)值不僅僅取決于翅片的形狀、高度、厚度、材質(zhì)，更重要地還是取決于管外換熱系數(shù)，并且計(jì)算它比較復(fù)雜而且費(fèi)時(shí)。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)翅片效率影響最大的是翅片高度，即翅片越高，那么翅片效率就會(huì)越低；另外，翅片材質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能也有一定的影響，比如鋁的導(dǎo)熱系數(shù)明顯的高于碳鋼，所以在其他條件都相同時(shí)，鋁翅片相比鋼翅片來(lái)說(shuō)，它的翅片效率更高。一般情況下都是直接從資料中查取翅片效率。取翅片效率翅片的有效性是指在加裝上翅片以后，以基管（光管）外表面為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)到底增加了多少倍。經(jīng)推導(dǎo)，有下列關(guān)系式：(5-16)此處，：以光管外表面積為基準(zhǔn)的對(duì)流換熱系數(shù)，它代表加裝翅片以后的總效果；QUOTE：翅片外表面的對(duì)流換熱系數(shù)；QUOTE，QUOTE，表示翅片間隙處的裸管面積，翅片面積和原光管面積。因?yàn)镼UOTE<<QUOTE，故上式可簡(jiǎn)化為：(5-17)以基管外表面為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)：(5-18)傳熱系數(shù)：(5-19)為小于1的系數(shù)，為了設(shè)計(jì)安全，一般情況可取0.8至0.9。主要考慮：管面的污垢和積灰是一項(xiàng)附加的熱阻，可使總熱阻增加，使換熱系數(shù)有所下降。此外系數(shù)也考慮了管內(nèi)熱阻及管壁熱阻的影響。一般，值可按下表5-1選?。罕?-1值選用表管內(nèi)為水時(shí)的單相對(duì)流時(shí)管外有積灰管外無(wú)積灰管內(nèi)為水的相變時(shí)（沸騰和凝結(jié)）管外有積灰查表得，QUOTE。5.8傳熱平均溫差傳熱溫差指的是換熱器中熱流體和冷流體之間的溫度差，即(5-20)因?yàn)檠負(fù)Q熱面積或流程是變化的，并不是一個(gè)常數(shù)，因而傳熱公式中的指的是平均傳熱溫差。在換熱器設(shè)計(jì)中，總是希望傳熱溫差越大越好。因?yàn)楦鶕?jù)傳熱公式，在相同的傳熱量及傳熱系數(shù)的情況下，越大則需要的傳熱面積就越小，設(shè)備的金屬耗量及一次投資就越小，使設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和緊湊性得以提高。在換熱過(guò)程中有兩種傳熱方式，即冷熱流體逆流和冷熱流體順流，因?yàn)槟媪鲹Q熱效果較好，所以本換熱器選用逆流形式。逆流時(shí)，圖5-4逆流換熱曲線由上圖可見(jiàn)，在不同的傳熱面積上，冷熱流體的溫度是不同的。為了求出傳熱溫差，需要計(jì)算量曲線之間的面積平均值。即QUOTE(5-21)對(duì)于本設(shè)備來(lái)說(shuō)，被加熱的水從翅片管束的下部流向上部，而熱流體從前面流向后面，實(shí)際上是一種特殊的流動(dòng)方式，被稱為“逆向交叉流”。大多數(shù)翅片管換熱器，都屬于這種流動(dòng)方式。而對(duì)于計(jì)算來(lái)說(shuō)，雖有些許影響，但在以后計(jì)算換熱面積時(shí)，選用較大面積安全系數(shù)就統(tǒng)一加以考慮了。所以在計(jì)算平均溫差時(shí)依然用逆流公式計(jì)算。熱流體：冷流體：QUOTE，QUOTE5.9傳熱面積(5-22)(5-23)5.10熱管總根數(shù)和間隔單只管的傳熱面積：(5-24)管子總根數(shù)：(5-25)縱向管排數(shù)：(5-26)間隔：(5-27)圖5-5縱向管子間隔5.11壓力降阻力即壓力降，由Robinson和Briggs對(duì)十多種環(huán)形翅片管束進(jìn)行等溫條件下的流動(dòng)阻力測(cè)試得到經(jīng)驗(yàn)公式：(5-28)式中，是縱向管排數(shù)，是摩擦系數(shù)，是一個(gè)無(wú)因次數(shù)。對(duì)于按等邊三角形排列的管束，由下面的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算：(5-29)由上式可見(jiàn)，影響翅片管束壓力降的主要因素是：流速和管間距。流速Q(mào)UOTE與的2－0.316=1.684次方成正比；而管間距幾乎與QUOTE成反比。所以，為了降低阻力，可以選用較大管間距的換熱管并且同時(shí)降低流體的流速。式中，，，，。代入摩擦系數(shù)公式得：，再將其代入壓力降公式中，得。其中，N=4，則每排壓力降為15.5Pa。

第六章熱管元件設(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，內(nèi)徑。其制造流程如下圖6-1所示：翅片管制備翅片管制備吸液芯制作及清洗管殼機(jī)械加工及清洗↓吸液芯制作及清洗管殼機(jī)械加工及清洗↓↓吸液芯插入管殼貼緊吸液芯插入管殼貼緊組裝焊接↓組裝焊接上下端蓋加工及清洗→上下端蓋加工及清洗真空檢漏↓真空檢漏真空除氣↓真空除氣工作液體預(yù)處理抽真空灌夜↓工作液體預(yù)處理抽真空灌夜←↓封口切割封口切割↓測(cè)試測(cè)試組裝殼體加工↓組裝殼體加工管板加工→←管板加工圖6-1熱管制造流程圖6.1熱管工作溫度的選擇熱管工作溫度是指在正常工作狀態(tài)下熱管蒸汽腔中蒸汽的溫度。作為傳熱元件的熱管能在-200到2000的溫度內(nèi)工作，在此溫度范圍內(nèi)可有多種工質(zhì)可供選擇，而這些工質(zhì)都有它自己工作的溫度范圍，該溫度范圍必須在所選工質(zhì)的凝固點(diǎn)和臨界點(diǎn)之間。由前可知:氣體側(cè)平均溫度液體側(cè)溫度故熱管的工作溫度為:(6-1)6.2熱管工質(zhì)的選擇熱管是依靠殼體內(nèi)工作流體（工質(zhì)）的相變來(lái)傳遞熱量的。因此工質(zhì)的各種物理性能必然對(duì)于熱管的工作特性也就具有重要的影響。工質(zhì)的選擇除考慮工作溫度的適應(yīng)范圍外，還應(yīng)考慮下面幾個(gè)問(wèn)題：(1)熱管材質(zhì)與工質(zhì)間的相容性以及工質(zhì)的熱穩(wěn)定性。因?yàn)楣べ|(zhì)與材質(zhì)間萬(wàn)一發(fā)生不相容將會(huì)導(dǎo)致熱管的性能變壞甚至失效。因此，在工作溫度范圍內(nèi)要求工質(zhì)必須具有良好的熱穩(wěn)定性，即分解反應(yīng)、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和不發(fā)生變質(zhì)，不產(chǎn)生凝結(jié)氣體和沉淀物等。(2)工質(zhì)的熱物理性質(zhì)。包括：①汽化潛熱高；②導(dǎo)熱系數(shù)大；③粘度低；④表面張力系數(shù)大；⑤潤(rùn)濕能力高；⑥沸點(diǎn)適當(dāng)。(3)安全及經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于以傳熱為主的熱管，盡量不采用易燃、易爆和有毒的工質(zhì)，否則一旦管殼燒壞或發(fā)生泄露將會(huì)造成嚴(yán)重后果。熱管的成本也是考慮的重要因素，盡管熱管中所用工質(zhì)數(shù)量較少，但由它所確定的管殼及管芯材料對(duì)熱管的成本影響很大。根據(jù)以上的選擇原則，本次設(shè)計(jì)采用水作為熱管的工質(zhì)。因?yàn)樗臒嵛锢硇阅堋踩缘榷己芎?，且價(jià)廉易得，其工作溫度范圍：30-200℃。固然碳鋼-水重力式熱管雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格更便宜，但是應(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，使得熱管中的氫氣濃度不斷升高，從而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。6.3熱管材料的選擇殼體材料首先應(yīng)滿足與工作液體的相容性要求，另外殼體材料還應(yīng)滿足在工作溫度下的強(qiáng)度及剛度要求。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Q245(GB713)的碳素鋼為管材,其在100條件下,熱管最大允許工作壓力為:(6-2)經(jīng)查表得:水在100時(shí)的飽和蒸汽壓為,即,故選用壁厚為0.0035m的碳素鋼是合理的,在此狀態(tài)下,熱管工作是安全帶的。6.4熱管長(zhǎng)度的校核熱管換熱器中的熱管長(zhǎng)度比(蒸發(fā)段與冷凝段長(zhǎng)度之比)有：(1)流通長(zhǎng)度比；(2)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度比；(3)安全長(zhǎng)度比?；诳紤]強(qiáng)化熱管外換熱系數(shù)和降低熱管束阻力的對(duì)立因素綜合選擇的迎風(fēng)質(zhì)量流速的保證條件，此是流通長(zhǎng)度比；基于熱管總傳熱熱阻最小，即熱管單位表面積相應(yīng)的傳熱量最大的保證條件，此是經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度比；基于根據(jù)許用蒸氣溫度來(lái)核算蒸發(fā)段吸熱與冷凝段放熱基本平衡的保證條件，此是安全長(zhǎng)度比?；谝陨显瓌t，流通長(zhǎng)度比和經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度比要小于安全長(zhǎng)度比，才能保證設(shè)備安全。(1)流通長(zhǎng)度比:(6-3)(2)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度比:(6-4)(3)安全長(zhǎng)度比:(6-5)綜上知:,即是熱管長(zhǎng)度比在經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度比與安全長(zhǎng)度比之間,故熱管工作安全且經(jīng)濟(jì)合理。6.5熱管傳熱極限的影響熱管雖然具有很強(qiáng)的傳熱能力，但熱負(fù)荷也不可能無(wú)限制地加大,事實(shí)上熱管的工作能力有許多因素制約著。也可以認(rèn)為，許多的傳熱極限存在熱管的傳熱過(guò)程中，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、流體黏度、毛細(xì)力、蒸汽壓力、聲速及冷凝等，另外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)。若以熱管的工作溫度為分析依據(jù)，則可得到如圖6-2所示的熱管最大傳熱極限示意圖。最大傳熱量粘性極限攜帶極限冷凝極限毛細(xì)極限聲速極限冷凍啟動(dòng)極限連續(xù)流動(dòng)極限操作極限T最大傳熱量粘性極限攜帶極限冷凝極限毛細(xì)極限聲速極限冷凍啟動(dòng)極限連續(xù)流動(dòng)極限操作極限T圖6-2熱管的傳熱極限由上圖可知，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)程中必須把各個(gè)因素都考慮進(jìn)去，才能使熱管發(fā)揮其最大功效。在本次設(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以及攜帶極限。第七章熱管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.1隔板密封所謂隔板密封是指冷、熱氣流通道的密封裝置，由于熱管換熱器—般是由帶翅片的熱管組成的，當(dāng)帶翅片的熱管穿過(guò)中央隔板時(shí)，翅片管與管板之間的密封便成了熱管換熱器的一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)。由于管子很多，管距一般比較小，且要便于拆卸，因此這種密封技術(shù)具有其特殊性，給設(shè)計(jì)帶來(lái)一些困難。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，密封的要求也不相同。氣、液以及不允許相混的氣、氣之間的密封屬于嚴(yán)格要求的密封；一般用于廢熱回收的空氣預(yù)熱器則屬于一般性密封。在考慮密封結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮制造成本，所以對(duì)于一般性密封，可以采用較簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)，這樣有利于提高工效和降低成本。熱管本次設(shè)計(jì)采用單管板式密封結(jié)構(gòu)，圖7-1所示是一種單管板的密封結(jié)構(gòu),其允許熱管雙面均帶有翅片[20]。熱管隔板螺紋套環(huán)密封圈隔板螺紋套環(huán)密封圈圖7-1單管板密封結(jié)構(gòu)示意螺紋套環(huán)是它的關(guān)鍵部件，套環(huán)焊接在熱管上。在熱管換熱器的隔板上面開(kāi)有凹槽,上面放有密封圈。另外隔板上的通孔上需要加工有與套環(huán)相配合的螺紋。這樣安裝時(shí)可將熱管旋入管板,當(dāng)擰緊螺紋套環(huán)時(shí),套環(huán)即可壓緊密封圈,最終可達(dá)到理想的密封效果。而減輕套環(huán)的重量是將套環(huán)下部?jī)?nèi)孔擴(kuò)大的目的。該單管板密封結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是制造方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及利于傳熱。對(duì)熱管來(lái)說(shuō)，熱管上的套環(huán)對(duì)它起到了很好的固定作用。而且只需配備一些簡(jiǎn)單的專(zhuān)用工具,即可方便地從換熱器的頂部單獨(dú)拆裝任何一根需要更換的熱管,因此這很適用于需要經(jīng)常更換熱管的場(chǎng)合。7.2翅片管的選擇熱管換熱器所采用的管子一般均為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的無(wú)縫管。長(zhǎng)度則視實(shí)際需要而定，一般在1-6m的范圍內(nèi)，其外徑尺寸通常為20-50mm。低溫?zé)峁軗Q熱器的管材在國(guó)外大多采用銅、鋁作原料。采用有色金屬作管材時(shí)主要是為了滿足與工作液體相容性的要求。由于熱管換熱器在很多場(chǎng)合被用來(lái)回收煙氣的余熱，因而對(duì)于以水為工作液體的熱管換熱器，大多采用復(fù)合鋼管。這是為了保證管子的強(qiáng)度、剛度以及抗腐蝕性能，所謂復(fù)合鋼管一般指內(nèi)部為銅管外部為鋼管的復(fù)合管，銅管可保證滿足和水相容的要求，銅管外面復(fù)合的鋼管，可以保證管子的強(qiáng)度、剛度以及抗腐蝕的能力。ФDb×δ翅片管PФDb×δ翅片管PT基管圖7-2翅片管示意圖翅片管的表示方法：其中，：翅片管；：基管外徑和厚度；：翅片外徑，mm；P：翅片節(jié)距，mm；：翅片厚，mm；：基管材質(zhì)；：翅片材質(zhì)。對(duì)于本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，直接選取。該翅片管的基管外徑為38mm，管壁厚3.5mm，翅片外徑為70mm（即翅片高度為16mm），翅片節(jié)距為6mm，翅片厚度為1mm。材料采用Q235-B。7.3管箱設(shè)計(jì)管箱尺寸可以根據(jù)翅片管束來(lái)確定，這里只對(duì)管箱壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了安全起見(jiàn)采用極限計(jì)算法，即在管箱中假設(shè)所有管箱壁都承受最大壓強(qiáng)。對(duì)于本次設(shè)計(jì)給定的參數(shù)來(lái)說(shuō)，QUOTE。按《GB150-1998鋼制壓力容器》對(duì)稱矩形截面容器來(lái)計(jì)算換熱器管箱壁厚。方形容器應(yīng)力分布如右圖所示：圖7-3方形容器應(yīng)力分布短邊側(cè)板側(cè)板點(diǎn)和點(diǎn)的薄膜應(yīng)力按下式計(jì)算：(7-1)側(cè)板點(diǎn)和點(diǎn)的彎曲應(yīng)力分別按下式計(jì)算：(7-2)(7-3)應(yīng)力校核：(7-4)(7-5)(7-6)長(zhǎng)邊側(cè)板側(cè)板QUOTE點(diǎn)和QUOTE點(diǎn)的薄膜應(yīng)力按下式計(jì)算：(7-7)側(cè)板QUOTE點(diǎn)和QUOTE點(diǎn)的彎曲應(yīng)力分別按下式計(jì)算：(7-8)(7-9)應(yīng)力校核：(7-10)(7-11)式中，QUOTE，QUOTE：短邊，長(zhǎng)邊側(cè)板厚，mm；：為板截面或板與加強(qiáng)件組合截面中性軸至該截面內(nèi)表面的距離或截面中性軸至該截面外表面的距離，分別代入在內(nèi)外表面的彎曲應(yīng)力計(jì)算中，mm；：矩形容器短邊內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度，mm；：矩形容器長(zhǎng)邊內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度，mm；：板截面的計(jì)算慣性矩，；：焊接接頭系數(shù)；將數(shù)據(jù)代入上述公式中，得板厚為30mm，為了安全起見(jiàn)，所有管箱板厚度都采用30mm。上管箱采用整體式鑄造，鑄出法蘭邊后打孔。設(shè)計(jì)圖如下：壁厚30mm壁厚30mm圖7-4上管箱下管箱采用板材拼接形式，設(shè)計(jì)圖如下：圖7-5下管箱示意圖圖7-6下管箱的左示意圖7.4螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)由于本此熱管換熱器的法蘭不是標(biāo)準(zhǔn)法蘭，所以要獨(dú)立設(shè)計(jì)。螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)關(guān)鍵要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是保證連接處“緊密不漏”；二是法蘭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度及剛度，不至于因受力而遭到破壞。實(shí)際應(yīng)用中，螺栓法蘭連接很少因強(qiáng)度不夠而破壞，大多因密封性能不良而導(dǎo)致泄漏。因此密封設(shè)計(jì)是法蘭連接中的重要環(huán)節(jié)。本次設(shè)計(jì)也只對(duì)密封性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。7.4.1墊片選擇墊片是螺栓法蘭連接的核心，密封效果的好壞主要取決于墊片的密封性能。根據(jù)初始?jí)毫l件和介質(zhì)類(lèi)型，查墊片選用表可選擇相應(yīng)的墊片。7.4.2壓緊面的選擇壓緊面主要應(yīng)根據(jù)工藝條件、密封口徑以及墊片等進(jìn)行選擇。本次換熱器設(shè)計(jì)選擇全平面式。7.4.3螺栓設(shè)計(jì)根據(jù)密封所需的壓緊力大小計(jì)算螺栓載荷，選擇合適的螺栓材料，計(jì)算螺栓直徑與個(gè)數(shù)，按螺紋和螺栓標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓尺寸，最后檢驗(yàn)螺栓間距。墊片壓緊力：已知墊片材料的性能及墊片的計(jì)算密封寬度，就可計(jì)算出一定直徑和壓力下墊片所需的壓緊力。預(yù)緊時(shí)需要的壓緊力按下式計(jì)算：(7-12)其中，QUOTE：墊片有效密封寬度，；，則；QUOTE：墊片壓緊力作用中心圓計(jì)算直徑，；QUOTE：墊片壓力比，常數(shù)。工作最小壓力：(7-13)預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：(7-14)(7-15)預(yù)緊狀態(tài)下螺栓所需載荷面積：(7-16)操作狀態(tài)下：(7-17)根據(jù)螺栓直徑公式：QUOTE(7-18)QUOTE(7-19)設(shè)QUOTE，則可得QUOTE圖7-7方形法蘭視圖7.5隔板設(shè)計(jì)在管箱中間的部位要設(shè)置隔板，隔板起著兩個(gè)主要作用：另一個(gè)作用就是起固定管束的作用；一個(gè)是將流經(jīng)冷凝段和蒸發(fā)段的冷熱流體相隔開(kāi)來(lái)，防止其混合。因?yàn)槌崞苁┻^(guò)隔板，所以隔板上的孔的直徑要大于等于翅片外徑，而孔的分布則要和管束的排列方式一致。板厚可與管箱一致?？紤]到折流板的固定問(wèn)題，因此還要在隔板上開(kāi)折流板槽，便于固定折流板。如下圖所示：圖7-8隔板示意圖7.6管板與熱管的連接由于本次設(shè)計(jì)給定的參數(shù)來(lái)說(shuō)，QUOTE。因此為減小熱管的振動(dòng)和沖擊力，在熱管與管板的連接采用彈簧減震。彈簧是一種彈性元件，由于材料的彈性和彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它具有多次重復(fù)地隨外載荷的大小而做相應(yīng)的彈性變形，卸載后立即恢復(fù)原狀的特性。很多機(jī)械正是利用彈簧的這一特點(diǎn)來(lái)滿足特殊要求的。墊圈彈簧螺母墊圈墊圈彈簧螺母墊圈圖7-9熱管與下管板連接示意圖7.7其他結(jié)構(gòu)考慮到要充分利用熱管換熱面積，因此在上管箱中需要設(shè)置兩道折流板，這樣使液體能夠與熱管充分接觸，目的是達(dá)到更好的換熱效果。此外，為了防止液體過(guò)早的流出管箱，因此在液體的出口處應(yīng)該再加一道折流板[21]。本次設(shè)計(jì)中