分離式熱管計(jì)算書(shū)

1、分離式熱管計(jì)算書(shū)兩相流分離式熱管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括工質(zhì)的選擇、蒸發(fā)器設(shè)計(jì)、冷凝器設(shè)計(jì)、溶液泵的選型以及連接管路的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用于回收小型鍋爐排氣余熱，對(duì)入爐助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱.原始數(shù)據(jù)有：工質(zhì)的選擇確定熱管工質(zhì)需要考慮很多的因素，其中最重要的是溫度因素。任何一種工質(zhì)都有它自己可以工作的溫度范圍，其下限是工質(zhì)的凝固點(diǎn)，上限是熱力學(xué)臨界點(diǎn)。應(yīng)避免接近凝固點(diǎn)及臨界點(diǎn)附近工作。因?yàn)榻谀厅c(diǎn)時(shí)，工質(zhì)的飽和蒸汽壓力及密度均很低，蒸汽流動(dòng)速度大，造成大的蒸汽壓降，或出現(xiàn)粘性限、聲速限及攜帶限，一般使最低工作溫度下的飽和蒸汽壓不低于001大氣壓.相反，在接近臨界點(diǎn)時(shí)，工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)將大大下降，又因出現(xiàn)過(guò)

2、高壓力，對(duì)可靠性及管殼強(qiáng)度均有更高要求。工業(yè)上常常應(yīng)用水為熱管的工質(zhì)，對(duì)于水，凝固點(diǎn)為0c（1個(gè)大氣壓下），臨界點(diǎn)為374。15c.但實(shí)際上，工質(zhì)工作的合適的溫度范圍要小得多，主要考慮的是，在熱管的工作溫度范圍內(nèi)，工質(zhì)要具有合適的壓力。壓力值的上限受管殼強(qiáng)度的限制.幾種常用工質(zhì)的工作溫度范圍工質(zhì)熔點(diǎn)（K）沸點(diǎn)（K）臨界溫度（K）臨界壓力（公2斤/厘米）工作溫度范圍（K）氨195.0239.7405.3115210340氟利昂21138.2262。1451。752170400水273.2373。2647。4224。4303500乙醇155。9351。7513.180283410工業(yè)排煙一般都為中

3、高溫范圍的煙氣，高溫條件下熱管系統(tǒng)只能選取金屬作為工質(zhì).中溫范圍（550700K）最難選，比如汞雖然可適用于中溫范圍，但有毒，制造麻煩，而且長(zhǎng)期相容性問(wèn)題還無(wú)肯定結(jié)論。本文設(shè)計(jì)熱管工作溫度為180C,選擇水作為系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)工質(zhì).蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)計(jì)算1)熱管元件的基本選擇(1)熱管形式：碳鋼一水兩相流分離式熱管，加緩蝕劑(2)熱管的幾何尺寸基管外直徑do=20mm；壁厚6w=5mm；翅片形式：環(huán)形平翅片；翅片外徑df=40mm；翅片高度H=10mm；翅片厚度6f=5mm;翅片間距Y=20mm.選擇套片管形式的圓形翅片管，翅片選10號(hào)鋼。管孔按一定規(guī)律沖壓的整張翅片(鋁片或銅片)套裝在傳熱管束上，

4、并經(jīng)脹管后使其接觸良好，即形成套片管傳熱元件.這種脹管的質(zhì)量較好，傳熱管變形均勻，接觸熱阻小，還可省去液壓脹管后的清洗和干燥工序。它適合于大批量生產(chǎn)，而且組裝靈活，可以使用鋁翅片，自重較輕，故應(yīng)用日益廣泛。2)換熱器的基本結(jié)構(gòu)(1)管束的排列方式由于有引風(fēng)機(jī)，本設(shè)計(jì)選用正三角形錯(cuò)排方式布管。選用正三角形錯(cuò)列方式布管：橫向節(jié)距s11.3df48mm縱向節(jié)距s2s141.6mm2(2)迎風(fēng)面積及熱管長(zhǎng)度流體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下通過(guò)換熱器正面的流速稱為迎面流速u(mài)。(m/s)。熱管換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一條重要的原則，即把迎面風(fēng)速(標(biāo)況)限制在23m/s的范圍內(nèi)，風(fēng)速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致壓力降過(guò)大而動(dòng)力消耗增加，風(fēng)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)

5、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。排煙側(cè)迎風(fēng)速度u013m/s排煙側(cè)側(cè)迎風(fēng)面積Ao1010.742m23600uo1煙道寬度B.Ao；0.86m2單根管長(zhǎng)度(在煙道寬度這種保留20%裕量以滿足安裝要求)le=0.8B=0.68m；(3)第一排管子數(shù)N1=B/s1=14排數(shù)27排總管數(shù)365根(4)元件加熱段外光管面積Fo,eFoed0le0.04324m2o,ee3)熱管的翅化比及換熱器氣流阻斷系數(shù)翅化比：i2(df/2)2-(do/2)2dof/doY(1-f/Y7.13由熱管和管上翅片遮蓋的通風(fēng)面積占迎風(fēng)面積的比例可用氣流阻斷系數(shù)表示：d0(2Ht/Y)10.521S1

6、傳熱計(jì)算(1)排氣側(cè)熱物性參數(shù)及放熱量選取換熱器出口的排氣溫度t1'=190C(考慮了當(dāng)爐子在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，排氣溫度降低引起t；向下波動(dòng)應(yīng)留的安全裕量)排氣平均溫度tm1(t't'')/2=245C以tm1為定性溫度插曲煙氣的熱物性參數(shù)密度10.6571kg/m3比熱Cp11.11kJ/(kg?C)p導(dǎo)熱系數(shù)10.04404W/(mC)粘度12.635105kg(ms)排氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度01=1。295kg/m3排氣熱量_.'''_._QoM1cpi(t1t1)/3600351.4KW煙氣側(cè)最窄截面流速01V01/360019.28

7、m/s(4)換熱系數(shù)計(jì)算采用Briggs公式0.296Nuf0.1378Re0.718P1/3彳Re1Ujd-0.384496171_Cp11Pr1-0.66371Nu1106.871Nu1235.43W/(m1leB(12)C)dO2)熱管元件的熱阻計(jì)算(1)翅片效率和翅化表面總效率翅片效率ff(Jf/r。)設(shè)定熱管工作溫度tv為180C,管壁溫度tp與蒸汽溫度tv接近，以tv查低碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)入v=49。8W/(m-C)(H、3/2/x0.5f)(二),fA,，'、Af(rfr°),f)22.5mmr"r02.04查附錄J效率曲線圖得:fi0.87翅片總效率40(

8、d2d2)2dfff/Y2df(1f/Y)o,e22(d2dr2)0.7662式中，dr為翅根直徑，在此即為2d2J/丫2df(1f/Y)d。(2)單只熱管分熱阻計(jì)算外對(duì)流熱阻Ri11eo,ed01e0.03945C/WR21ln(d0/di)0.002372C/W2le內(nèi)沸騰熱阻設(shè)定管內(nèi)兩相流的平均蒸汽含量為0.2,總質(zhì)量流量為1.24Kg/So平均流速m=gml/pS=0.79m/s雷諾數(shù)(Re)v-l=pv-Lmmd"pvm=230140.80.4(Nu)ca=(Re)v-1(Pr)vm=76。43Martinelli無(wú)因次參數(shù)r/、/10.9/0.1/、0.5Xii=(1-x

9、)/x(Jv)(v/i)=0.4126沸騰準(zhǔn)則數(shù)Bo0.4=q/(rgm1)0.4=7.834*10-4q0.4一-0.4,2故得Bo(Nu)pr/(Nu)ca=exp2.35-0.266lnX11-0.0255(lnX11)=203。46-0.4(Nu)pr=10。97(Nu)caBoe2516W/(m2)_1R30.004594C/Wedile污垢熱阻取R40.000086oC/W單根管總熱阻Rt4RRj0.09064C/Wji3)傳熱溫差取換熱武器為逆流流型t1t1t210c"'。一t2t1t2120ctmaxt2120c對(duì)數(shù)平均溫差t1mt2,t/2、Koe49.44

10、W/(m2-C)RtFo,e單管平均傳熱量QsKo,eFo,etmax1195.8W熱管空氣預(yù)熱器的總傳熱量QtQtKo,eNjFo,etim352.3KW108.4CIn2t14)傳熱系數(shù)K和傳熱量Qs計(jì)算傳熱系數(shù)以加熱段外光管面積Foe為基準(zhǔn)o,e蒸發(fā)器外側(cè)流阻計(jì)算2fsnGmax,N/m22fsoc/d0Gmax-0.316/s1、-0.927/s1、0.51537.86()()()drs3oVomax3600l'B(1-),kg/(m2s)式中，l'為流通計(jì)算高度，對(duì)熱流體l'=le=0o68m計(jì)算給出:一一一.2、Gmax=10o13kg/(ms),fs0o9

11、95P2099N/m2引風(fēng)機(jī)功率增量PV，PU一(取電動(dòng)機(jī)效率p0.9)10003600p=6。7KW蒸發(fā)器各項(xiàng)參數(shù)部件部件參數(shù)型式碳鋼一水，加緩蝕劑基管外徑20mm壁厚5mm翅片型式套片管形式的圓形翅片管，材料為10號(hào)鋼翅片外徑40mm翅片高度10mm翅片厚度5mm翅片間距20mm管束排列方式正三角形錯(cuò)列橫向節(jié)距48mm縱向節(jié)距41.6mm熱管長(zhǎng)度0.68m第一排管數(shù)14總排數(shù)27總管子數(shù)365總換熱量352.3KW引風(fēng)機(jī)功率增量6.7KW冷凝器的設(shè)計(jì)由于冷凝器與蒸發(fā)器計(jì)算步驟類似，因此本設(shè)計(jì)省略其冷凝器設(shè)計(jì)步驟,將關(guān)于冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算的各有關(guān)參數(shù)列于表2.2中。冷凝器器各項(xiàng)參數(shù)部件部件參數(shù)型

12、式碳鋼一水，加緩蝕劑基管外徑25mm壁厚4mm翅片型式套片管形式的圓形翅片管，材料為10號(hào)鋼翅片外徑53mm翅片高度14mm翅片厚度5mm翅片間距6mm管束排列方式正三角形錯(cuò)列橫向節(jié)距58mm縱向節(jié)距50mm熱管長(zhǎng)度0o69m第一排管數(shù)10總排數(shù)22總管子數(shù)231空氣進(jìn)口溫度20c空氣出口溫度170c空氣流量8082m3/h總換熱量348.7KW引風(fēng)機(jī)功率增量5。5KW連接管路的設(shè)計(jì)由于水作為系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)導(dǎo)致管路內(nèi)壓力較高，所以選擇壓力配管用的碳素鋼管STPG,材料的需用應(yīng)力6為38Ib/in2經(jīng)濟(jì)的管內(nèi)流速標(biāo)準(zhǔn)值流體種類條件流速m/s高粘性液體泵吸入口0.060.15泵排出口0。150.6

13、凝縮性氣體飽和蒸汽1530過(guò)熱蒸汽3060液體管的總質(zhì)量流量為1。24Kg/s,則管路的直徑為d(gm/4)選擇泵吸入口前的管品&中的液體流速為0。15m/s,則d1=181mm取此段管長(zhǎng)為20m選擇泵排出摳的管路中的液體流速為0。4m/s,則d2=111mm取此段管長(zhǎng)為50m蒸汽含量為002時(shí)的氣液兩相流管路的直徑為dJ(0.8gm/水0.2gm/汽)/4)取管內(nèi)氣液兩相流體的流速為15m/s,則d3114mm取此段管長(zhǎng)75m管壁厚6取5。5mm,以181mm內(nèi)徑為例，其外徑為190mm,可承受的管內(nèi)壓力為P=1750(6-2.45)/d*"1000=1。06Kg/mm2=

14、1。06x107Pa180c的飽和水蒸氣壓力為1。02X106Pa,因此所選管滿足安全要求溶液泵的選型熱管系統(tǒng)中若出現(xiàn)雜質(zhì)或不凝性氣體，整個(gè)系統(tǒng)的換熱性能會(huì)受到大幅度惡化，因此系統(tǒng)在充入工質(zhì)前必須進(jìn)行抽真空，而且系統(tǒng)工作時(shí)必須保持密封性良好。鑒于系統(tǒng)密封性的要求，兩相流分離式熱管系統(tǒng)中的溶液泵選擇磁力循環(huán)泵這種泵傳動(dòng)時(shí)沒(méi)有動(dòng)密封件，密封性能十分出色.1)求系統(tǒng)摩擦損失壓頭h=入(l/d)(u2/2g)式中，入為管道摩擦阻力系數(shù)，l為管道長(zhǎng),d為管道內(nèi)徑，u為管道中流體流速,g為重力加速度。取圓管的臨界雷諾數(shù)Recr=2000,則Re2000時(shí)，流動(dòng)視為紊流。紊流的管道摩擦阻力系數(shù)為_(kāi)._.0.250.3164/Re(1)泵前的液體管路h1Re=156936>2000h1=0o001m(2)泵后的液體管路h2Re=418497>2000h2=0.028m蒸發(fā)器各管路h3