熱管熱力學計算書

第一章設備預算1、設備參數(shù)項次參數(shù)名稱單位數(shù)值備注進口溫度°C355客戶給定煙出口溫度°C145客戶給定氣煙氣流量Nm/h6799客戶給定設側(cè)煙氣壓力Pa計算后，建議壓力煙氣成分按標準煙氣、粉塵多進口溫度C0數(shù)空出口溫度C客戶要求，300C以上氣空氣流量Nm/h6440計算值，受出口溫度影響側(cè)空氣壓力Pa計算后，建議壓力空氣成分按標準空氣夕卜長mm實際應有出入形寬mm實際應有出入寸高mm實際應有出入接煙氣側(cè)MmXmm口空氣側(cè)MmXmm基管mm?25煙翅片高mm12.5氣翅片厚mm1.2中標后附詳細圖紙側(cè)螺距mm15有效長度mm965基管mm?25元空翅片高mm12.5件氣翅片厚mm1中標后附詳細圖紙參側(cè)螺距mm8有效長度mm935橫向間距mm62縱深間距mm54縱深排數(shù)排排布形式正三角設熱管kg主機報價：備管板kg重殼體kg量附件kg及支撐槽鋼kg報外包裝kg合計第二章工程熱力學計算設計參數(shù)及要求：空氣溫度：t=0°C；t=220°C；c1 c2煙氣溫度：t=355；t=145°Ch1 h2煙氣流量：q=10000Nm3/h；根據(jù)設計經(jīng)驗,無機高效熱管定型為:熱管?25X3(GB3087)煙氣側(cè)長度0.965m；空氣側(cè)長度0.935m；工藝連接長度為0.lm；煙氣側(cè)螺距為P=15mm；翅片高lhh=12.5mm；翅片厚［加=1.2mm；h空氣側(cè)螺距為Pc=8mm；翅片高lhc=12.5mm；翅片厚5fc=1mm；橫向間距S=0.062m；縱深間距:S=0.054m；TL煤氣側(cè)單位長度翅片數(shù)n=67片；空氣側(cè)單位長度翅片數(shù)n=125片;fn fn換熱計算(確定傳熱元件)計算換熱量計算傳熱量Qth+th煙氣定性溫度th=t亠=250Cf2查得定性溫度下煙氣的參數(shù)：定壓比熱CP=1.1095kJ/kg-oC；密度：Ph=0.687kg/m3;粘度：號=26.355x10-6kg/(m-s)。導熱系數(shù)：九h=4.425x10-2w/(m?s)f普朗特數(shù)：Prh=0.66煙氣放熱量QhQ=V?ph?Chx(th-th)=6799x0.687x1.1095x(355-145)/3600hhfp1 2=302.3kw熱管傳到空氣側(cè)的熱量考慮煙氣側(cè)有3％熱損，故：Qc=302.3(1—3%)=293.23kW?？諝鈧?cè)實際獲得熱量Q〃

考慮冷側(cè)3％熱損，故：Qc=293.23x(l—3%)=284.43kW。⑤空氣流量出口溫度;空氣流量：q=6440Nm3/h；估計空氣出口溫度為：tc二158°C2tc+tc2定性溫度f寸=79C定壓比熱：Cc=1.009kJ/(kg?C);p密度：pc=1kg/m3；f粘度：卩c=21.1x10-6kg/(m-s)。導熱系數(shù)：九c=3.05x10-2w/(m-k)f普朗特數(shù)：Prh=0.692換熱關系：Qc1=Vc-pc-CC—tc)/3600h f p2 1求得空氣出口溫度為：tc1=157.6C2158估計偏差：屮=( —1)x100%=0.64%V2%157.6可視為滿足數(shù)學回歸。計算對數(shù)平均溫差Atm對數(shù)平均溫差：At二A；_At2=182.77m,(At)ln—y

IAt丿2確定迎風面積Aex和迎風面管排數(shù)B熱管煙氣側(cè)長度：l=0.965mh①取標準迎面風速w=2.5m/s；NVh②煙氣側(cè)迎煙氣側(cè)迎風面積：Ah=一=0.755m2exwN③迎風寬度：Eh斗二0965二0.78mh④迎風寬度上熱管數(shù)量：B= =12.6取13支;S⑤實際迎風寬度：Ehi二0.062x13二0.806m⑥實際迎風面積:Ahi二0.806x0.965二0.778m2ex⑦實際迎面風速wN'=2.42m/s(4)求總傳熱系數(shù)UH管束最小流通截面積NFA：熱側(cè):NFAh=「(S-d)-2(/-5-n)1-/-B=0.44m2；L T 0 hh fh fh」h冷側(cè):NFAc=「(S-d)-2(l-5-n)1-1-B=0.414m2L T 0 hc fc fc」c最大質(zhì)量流速G最大質(zhì)量流速GmaxVh?Oh熱側(cè)：Gh二ff=10.6157x103kg/(m2-h)；max NFAhVc-Oc冷側(cè):Gc=-f f二15.5556x103kg/(m2-h)max NFAcRe求fGh-d熱側(cè)：Reh=-maxf=2797；f 卩hfGC-d冷側(cè):Rec=max'0=5144f卩Cf求流體給熱系數(shù)hf熱側(cè)：冷側(cè)：=33.35w/(m2-s)hh=0.137x^L(Reh》638熱側(cè)：冷側(cè)：=33.35w/(m2-s)0=34.27w/(m2-s)he=0.137x鑒Ge=34.27w/(m2-s)f df求翅片效率n熱側(cè)：查圖得=0.425fh?(Gh}-L熱側(cè):AP= maxx2-g?Dh-pheVf2hC=0.472冷側(cè)：耳廠治;k.SwfC查圖得:nf=0.94(、4huh

甘w丿-0.14x0.4xS)

slJT0.6求熱管管外總表面積加熱段熱管表面積翅片表面積Afh為:>xl=0.2m2hA=<2x一fh、兀C2一>xl=0.2m2hA=<2x一fh、4f0 f其中，d0=0.025m,df=0.050m。翅片間光管表面積Ahr為：A=兀?d-1(1-5-Nh)=0.076血。hr0hff加熱段熱管管外總表面積Ah為：A=A+A=0.276m2。hfhhr②冷卻段管外表面積AcA翅片表面積fcAfc2x—(d2-d2)+—-d0 fc?5fcxn=0.4596m2單位長度翅片間光管表面積Acr為：A=—?d-1(1-5-Nc)=0.069m2；cr 0c ff段熱管管外總表面積AC；

A=A+A=0.528m2cfccrh管外有效給熱系數(shù)fe側(cè)：熱側(cè)：hhfe冷側(cè)：h熱側(cè)：hhfe冷側(cè)：hCfehhCA+九h?A) ( )d=32.14W/(m2?K丿hrhc(ACrc?A) ( )ffc=32.51W/(m2?K丿r壁熱阻rw和污垢熱阻y熱側(cè)55rh熱側(cè)55rh===(=QD000057?m2/W/Wkkyw0.03045yw，其=5=0.0015mk=4.926x10-2w/(m?k)y冷側(cè)可忽略不計。金屬管壁熱阻：khw=48W/(m-k)5=0.000057m2?oC/W=khw=48W/(m-k)5=0.000057m2?oC/W=5w=0.000057m2?oC/Wwrkh=0.000063 wrkc=0.000053ww，ww求總傳熱系數(shù)UHAh=k-d-1=0.06m2,Ac=n-d-1=0.058m2；ihiCAh=兀W-d-1=0.076m2,Ac=k-dWh-1=0.074m2cA=0.276m2；A=0.528m2hChh=hc=5810W/(m2?°C)HPHPAhA1A~ +rhh+rh h+ ?h+ ?一h+rc h+rch+ hAh yA hh Ah hc Ac wAc yA1AUhhw由HfehchHPiHPihcAcfec其中：只有第一項與最后一項對實際設計起關鍵作用,其他均不屬于同一數(shù)量級。得：U=16.16W/(m?K)H

Ah（5）求理論加熱側(cè)總傳熱面積H標準換熱量取Q=（302.3+284.43）/2=293.4KW;Ah= =358m2hU-AtHm（6）所需熱管數(shù)nN二A二1297根h（7）實際采用數(shù)量n0工程換熱效率取0.8得到NN= =1622根00.8根據(jù)縱深排布關系13錯排12得到實際用量為：1625支（8）換熱器縱深排數(shù)m1625m= =6513+12即:13支管與12支管各65排TOC\o"1-5"\h\z（9）具體縱深方向排放關系：1313 13；12121210）求通過熱管換熱器的壓力降換熱器的凈自由容積NFV熱側(cè):NFV熱側(cè):NFVh-Nf=0.866S-S-d2- (d2-d2)5LT202f0f=16.68x10-4m3/m\o"CurrentDocument"兀 兀冷側(cè)：NFVc=0.866S-S-d2-(d2-d2)5-NLT202f0ff=15.8x10-4m3/m求容積當量直徑D；熱側(cè)：Dh=4NFVh=24.2x10-3m2；eVAh4NFVC冷側(cè)：De= =11.96x10-3m2；eVAe3)求Ref

Dh?Gh熱側(cè)：Rehl=eV max=9.7X106TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"f ?hTDC c冷側(cè):ReCi二eJmax二8.8X106f ?Cf4)求摩擦系數(shù)ffh=1.92(Rehi>°?145=0.1effc=1.92(ReC1L145=0.19ef平均管壁溫度熱側(cè)：th=th- =173C；wfhh-A-Nfeh冷側(cè)：tc=tc+ Q=76C；wfhc-A-Nfeh求壁溫下的流體動力黏度卩w熱側(cè)：卩h=23.27x10-6kg/(m-s)w冷側(cè)：卩c=20.6x10-6kg/(m-s)w求通過換熱器的壓降Apf?(Gh1?L熱側(cè)：Af?(Gh1?L熱側(cè)：AP=」皿x2?g?Dh?pheVff?(Gc)-L冷狽9:AP=—c max2-g?Dc-pceVf電］-°?14(Dh)0.4X<ST?(S)0.6X —L<ST丿=157.3Pa(、4cUcw丿-0.14(Dc)—<ST?0.40.6=1000Pa11)結(jié)論在壓力允許條件下：選擇熱管數(shù)量為1625支；列數(shù)為：13、12的正三角叉排；縱深排數(shù)：13列為65排、12列為65排縱深方向長度約L=7000mm；實際還要有6個左右的支撐管；熱管幾何尺寸基管：?25X3 20# GB3087翅片：12.5X1.2、12.5X1 Q195-BF GB700翅片高：熱側(cè)12.5mm 冷側(cè)12.5mm螺距：熱側(cè)15mm 冷側(cè)8mm排布關系迎風面積：熱側(cè)0.778m2 冷側(cè)熱側(cè)0.75m2橫向節(jié)距：0.062m縱深節(jié)距:0.054m縱深排布關系：13(12)管板厚度確定開孔數(shù)量：813個；開孔間距：30mm；開孔尺寸:三角形排布D=62mm；開孔焊接總周長:8.17m；極限使用溫度:t=600°C；N<丄[t]根據(jù)：AStNxS得：5'k得：t計算：鋼板厚度6取15mm(已經(jīng)考慮腐蝕裕量1.5mm)工作原理特點本空氣預熱器采用高級無效熱管作為傳熱換熱元件，具有體積小，換熱效率高資金回收期短，壽命長等無法比擬的特色。無機高效熱管表現(xiàn)在：啟動迅速、傳熱速度快：自元件一端加熱，數(shù)秒鐘就可將熱量傳遞到另一端。熱阻小、均溫性好：無機高效熱管主要是通過腔體內(nèi)部的無機介質(zhì)來實現(xiàn)傳熱過程，傳熱能力遠高於金屬材料，沿無機高效熱管軸向溫差趨於零，從而使無機高效熱管的表面溫度趨於一致。導熱係數(shù)高：當量導熱係數(shù)為6.8MW/m.°C，是純銀的3.2萬倍。傳熱能力大：軸向熱流密度27.2MW/m2,徑向熱流密度15.8kW/m2適用溫度範圍廣：介質(zhì)適用溫度範圍-30?1100C，具備批量生產(chǎn)的元件壁溫範圍-30?350C。工作壓力低：工作時無機高效熱管內(nèi)腔壓力低，不會發(fā)生高溫爆管。相容性好：無機高效熱管介質(zhì)自身能夠有效抑制氫、氧的產(chǎn)生，與常用金屬材料不發(fā)生化學反應。使用壽命長：無機高效熱管介質(zhì)自身消降速率持續(xù)11萬小時，可使無機高效熱管長期穩(wěn)定運行。經(jīng)大量實踐證明，無機高效熱管介質(zhì)與多種金屬如銅、鋁、碳鋼和不銹鋼及非金屬具有良好的相容性，不產(chǎn)生不凝性氣體，使用壽命長。設備運行原理空氣掠過翅片型熱管管束，高溫煙氣也連續(xù)的流過熱管管束，在熱管的吸熱段與放熱段進行熱量的交換。其主要傳熱原理實質(zhì)是無機高效熱管的工作原理的放大。無機高效熱管技術簡介：熱管技術是1963年美國LosAlamos國家實驗室的G.M.Grover發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術以前被廣泛應用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決，開辟了散熱行業(yè)新天地。

Section從熱力學的角度看，為什么熱管會擁有如此良好的導熱能力呢？物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。從熱傳遞的三種方式：輻射、對流、傳導，其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w，這種液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端，當熱管一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。熱管的基本工作典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3X(10-110-4)Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己，熱量由熱管的一端傳至另一端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關聯(lián)的主要過程：熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到(液 汽)分界面；液體在蒸發(fā)段內(nèi)的(液 汽)分界面上蒸發(fā)；蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽.液分界面上凝結(jié)：熱量從(汽 液)分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。熱管的基本特性熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。很高的導熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。當然，高導熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓姡瑥较虿o太大的改善(徑向熱管除外)。優(yōu)良的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。熱流密度可變性熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。熱流方向酌可逆性一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱的化學反應器及其他裝置。熱二極管與熱開關性能熱管可做成熱二極管或熱開關，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。恒溫特性(可控熱管)普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因此當加熱量變化時，熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)展了另一種熱管——可變導熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。環(huán)境的適應性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉(zhuǎn)軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應長距離或沖熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面（重力場），也可用于空間（無重力場）。 ［瑤上圖表示了熱管管內(nèi)汽-液交界面形狀，蒸氣質(zhì)量流量，壓力以及管壁溫度Tw和管內(nèi)蒸氣溫度Tv沿管長的變化趨勢?沿整個熱管長度，汽-液交界處的汽相與液相之間的靜壓差都與該處的局部毛細壓差相平衡。Pc（毛細壓頭一是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動力，用來克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力降△Pv,冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段的壓力降Pl和重力場對液體流動的壓力降（APg可以是正值,是負值或為零，視熱管在重力場中的位置而定）。因此，△Pc三API+△Pv+△Pg是熱管正常工作的必要備件。由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對熱管的分類也很多，常用的分類方法有以下幾種。（1） 按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分熱管可分為低溫熱管（一2730°C）、常溫熱管（0—250°C）、中溫熱管［250 450°C）、高溫熱管（450—1000°C）等。（2）按照工作液體回流動力區(qū)分 熱管可分為有芯熱管、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、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。按管殼與工作液體的組合方式劃分(這是一種習慣的劃分方法)可分為銅一水熱管、碳鋼。水熱管、銅鋼復合一水熱管、鋁一丙酮熱管、碳鋼?榮熱管、不銹鋼．鈉熱管等等。按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分 可分為普通熱管、分離式熱管、毛紉泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。按熱管的功用劃分 可分為傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。熱管的相容性及壽命熱管的相容性是指熱管在預期的設計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學反應或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容性在熱管的應用中具有重要的意義。只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業(yè)應用的可能性。碳鋼－水熱管正是通過化學處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學反應問題，才使得碳鋼一水熱管這種高性能、長壽命、低成本的熱管得以在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。影響熱管壽命的因素很多，歸結(jié)起來，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：產(chǎn)生不凝性氣體：工作液體熱物性惡化：管殼材料的腐蝕、溶解。產(chǎn)生不凝性氣體由于工作液體與管完材料發(fā)生化學反應或電化學反應，產(chǎn)生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到?jīng)_凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。工作液體物性惡化 有機工作介質(zhì)在一定溫度下，會逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有機工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與殼體材料發(fā)生化學反應，使工作介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機工作液體易發(fā)生該類不相容現(xiàn)象。管殼材料的腐蝕、溶解、工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動，同時存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當管殼被腐蝕后，引起強度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。這類現(xiàn)象常發(fā)生在堿金屬高溫熱管中。熱管制造熱管零部件及其加工熱管的主要零部件為管殼、端蓋(封頭)、吸液芯、腰板(連接密封件)四部分。不同類型的熱管對這些零部件有不同的要求。管殼熱管的管殼大多為金屬無縫鋼管，根據(jù)不同需要可以采用不同材料，如銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。管子可以是標準圓形，也可以是異型的，如橢圓形、正方形、矩形、扁平形、波紋管等。管徑可以從2mm到200mm，甚至更大。長度可以從幾毫米到l00米以上。低溫熱管換熱器的管材在國外大多采用銅、鋁作為原料。采用有色金屬作管材主要是為了滿足與工作液體相容性的要求。端蓋熱管的端蓋具有多種結(jié)構(gòu)形式，它與熱管舶連接方式也因結(jié)構(gòu)形式而異。端蓋外圓尺寸可稍小于管殼。配合后，管殼的突出部分可作為氬弧焊的熔焊部分，不必再填焊條，焊口光滑乎整質(zhì)量容易保證。旋壓封頭是國內(nèi)外常采用的一種形式，旋壓封頭是在旋壓機上直接旋壓而成，這種端蓋形式外型美觀，強度好、省材省工，是一種良好的端蓋形式。吸液芯結(jié)構(gòu)吸液芯是熱管的一