高磊热管换热器的设计.docx

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高磊热管换热器的设计

毕业设计论文

姓名：

学号：

学院：

专业：

热能动力工程

题目：

热管换热器的设计

指导教师：

讲师

2014年6月

摘要

热管式高效的传热元件，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

Abstract

Heatpipeisahighlyefficientheattransfercomponents,itisafastheattospreadfromonepointtoanotherpointofthedevice,consistingoftheheatpipecomponents,theuseoftheprincipleofheatpipeheatexchangerforthermalexchangecalledtheheatpipeheatexchanger.Becauseofitssimplestructure,strongcontrol,heatexchanger,highefficiency,powerconsumption,etc,andheatpipeheatexchangermoreandmoreattention,isverygoodprospectheattransferequipment.Atpresent,itiswidelyusedinpower,chemical,metallurgy,electricpower,computersandotherfields.Inthispaper,thedevelopmentofheatpipeheatexchangerstatus,trends,applicationsanddesignhadabriefdiscussion,focusedonthedesignofheatpipeheatexchanger.Heatpipeheatexchangerinthediscussionofthedesignprocess,mainlyforthethermalcalculation,equipment,structuralcalculations,componentselectionofparametersmadeareasonableconstructionanddesigncombinedwiththeactualsituationoftheairheatpipeheatexchangerpreheatingthebasicmodel.

Keywords:

Heatpipe;Heatpipeheatexchanger;Structuralparameters;Designcalculation

第1章绪论

1.1课题背景及意义

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器,换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。

换热器的热性能不仅与自身的几何形状和材料有关，而且还取决于进行热交换，热状态介质的热力学性质。

节能换热器过程中能量损失包括两个方面：

首先，功率促进流体流动的消耗量到达有些速度；其次，温度热传递不可逆的损失。

在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低,吸收热量。

在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。

目前，换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中被广泛使用。

随着我国工业的不断发展,对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益增强。

换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器也相继问世。

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，由于它具有超常的热传导能力，而且几乎没有热损耗，因此它被称作传热超导体，其导热系数为铜的数千倍。

热管传热技术于六十年代初期由美国的科学家发明，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。

1.1.1热管工作原理

其大致原理为:

热管外部有一个形成真空的密闭管壳,真空度为1.3×10—1.3×10pa，沿管子内壁有毛细结构材料，管子内补充有一定量的工作液体。

管内的工作液体在热管的一端吸收热量后蒸发汽化，在微小的压强差下流向热管的另一端，向外部释放热量，于是又冷凝成液体，借助毛细结构材料抽力返回，再次吸热、汽化、传输、放热、冷凝过程，从而实现热量从热管一端到另一端的传递。

1.1.2热管的基本特性

（1）很高的导热性。

热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的传热能力导热能力。

（2）优良的等温性。

热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。

（3）热流密度可变性。

热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即可改变热管的管内蒸汽压力和温度，这样即可以改变热流密度。

（4）热流方向的可逆性。

一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。

（5）恒温特性。

普通热管的各部分热阻基本上不随着热量的变化而变化，但可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。

（6）热二极管与热开关性能。

热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。

（7）环境的适应性。

热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。

1.1.3热管技术的应用及进展

热管是一种高效的传热元件，热管技术研究的重心已经从理论研究转移到应用研究，热管的应用已经由航天转向地面，由工业转向民用。

当前，热管在太阳能利用、笔记本电脑CPU的冷却以及大功率晶体管的冷却、化工、冶金、动力等领域的应用都取得了良好效果，热管在这些领域的应用，将进一步促进新型热管技术的开发和应用。

特别指出的是,热管技术在太阳能方面的应用市场前景尤为广阔。

目前太阳能热管发电装置、太阳能热管热水器等产品已经得到了较为广泛的应用。

最近几年来，热管技术以其独特的性能，在各方面发展都十分迅速。

热管研究和应用的领域也在不断拓宽，特别是微型热管技术的出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板的冷却、核电工程中的应用得到了极大的发展。

毋庸置疑，21世纪热管技术必将朝着更高效、更普及、微型化、大规模化的方向发展。

1.2热管换热器

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。

一般情况下，它有一个矩形的外壳，在矩形外壳中布满了带翅片的热管，热管的布置可以是错列呈三角形的排列，也可以是顺列呈正方形排列。

在矩形壳体内部的中央有一块隔板把壳体分成两个部分，形成热流体与冷流体的通道。

当热冷流体同时在各自的通道中流过时，热管就将热流体的热量传给了冷流体，实现了两种流体的热量交换。

热管换热器是由美国发明的，最初被用于航天技术和核反应堆，以解决向阳面和背阴面受热不均匀。

它是一种新型的换热器，于70年代初才开始应用于工业中作为节能设备。

虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。

热管换热器的最大特点是：

结构简单、换热效率高，在传递相

同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器，换热流体通过换热器时的压力损失也比其他换热器小，因而动力消耗也小。

热管换热器的这些特点正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。

20世纪90年代被用于民用空调，由于其优越的导热性，受到越来越广泛的重视，目前在计算机、雷达等高科技领域被广泛应用。

1.2.1热管换热器的基本特性

（1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。

热管换热器用于易然、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。

（2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。

冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。

（3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。

（4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。

热管是借助于工质液体的汽、液相变来传递热量，热阻小，导热能力强。

因为这种相变传热方式相变潜热大，所以它的传热能力一般比以显热方式的传热能力大几个数量级，有人把热管这种良好的导热性称之为“超导热性”。

如1k水在常压下的汽化潜热量2257．1kJ／kg几乎相当于5．4kg水从0℃加热到100℃水所需的总热量。

所以说t热管在小温差下能具有很大的传热能力。

当导热环节成为强化传热的关键时．利捌热管会收到良好的效果。

如航天技术中的温度控制，电子器件及铸模的冷却，导出化学反应器中的反应热。

在热管的工作循环中工作液体的蒸发和蒸汽的凝结过程分别在蒸发段与凝结段进行，如忽略蒸汽流动所需要的微小压差，则热管内部应处于一个相平衡状态，而工质的相变过程具有极严格的饱和压力和饱和温度间的依变关系，所以理论上热管两端的温度是相等的。

由于必须有微小的压差推动蒸汽由蒸发段向凝结段流动，不可避免地使蒸发段与凝结段间存在一定温差，但是根据Clausuis-Clapeyron方程，对应于微小压差的温差很小。

即与其他传热方式相比它，热管能在低温差下传递热量，是十分理想的等温元件。

利用热管的等温性能，可以制成各种形式的热管均温炉、黑体炉，也可以用于铸模的均热。

这样通过改变蒸发段与凝结段的外表面积，可以将集中的热流分散，作为优良的散热器来冷却其他方法难以冷却的高热流密度部件，如用于电子计算机元件、变压器、内燃机等的冷却散热；还可以把分散的热流集中使用，如用于高功率密度的热离子换能器、温差电池、太阳能集热器。

有吸液芯的热管能仅靠毛细力工作，热管水平放置或失重，则受热段成为蒸发段，另一端则为冷凝段，热管内的传热方向可以逆转。

可以将热管传热方向可以逆转的特点用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可以用于先放热后吸热的化学反应器及空调余热利用装置。

利用热管工质凝固点温度值．把热管制成传热系统中的温度开关。

只有热源能使热管工作温度高于工质凝固点时，热管才投入运行，当热管工作温度低于工质凝固点时，热管自动停止工作。

热阻可控热管的恒温特性；

在热管内充入一定量的不凝气体，热管工作时，不凝气体压至冷凝端形成无效区，这一不凝气体无效区的大小随加热量的增加而变小，而保持热管工作温度基本不变。

可控热管已经成功地应用丁空间飞行器和化学反应器的温度控制。

热管可以适用于各种介质、各种类型的热源，热管的形状町以随喾热源的条件而变化，可以在低温差下向较远传热。

1.2.2热管换热器分类

（1）按形式分:

整体式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器等。

（2）按功能分：

气-气式换热器、气-液式换热器、气-汽式换热器等。

根据具体工况设计的热管换热器结构及外形形式多样，图1-3、图1-4分别为应用最为广泛的气-气热管换热器外形示意图和气-液热管换热器外形示意图。

图1-3气-气热管换热器

图1-4气-液热管换热器

图1-3：

热管气-气换热器是单管组合式热管换热器中的一种气-气热管换热器，也是目前应用最为广泛的一种余热回收设备,它利用锅炉、加热炉等排烟余热预热炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，还可以减轻对环境的污染。

图1-5：

是热管气-气换热器用于回收锅炉烟气余热，得到的热空气用于锅炉助燃的流程示意图

图1-5热管气-气换热器流程示意图

热管气-气换热器综合起来有如下一些特点：

①传热性能高。

由于热管气-气换热器的加热段和冷凝段都有带翅片，大大扩展了换热表面，因此，其传热系数比普通光管气-气换热器的要大好多倍。

②对数平均温差大。

由于热管气-气换热器可以方便地做到冷流体与热流体的纯逆向流动，这样在相同的进、出口温度条件下，就可以产生最大的对数平均温差。

③传热量大。

由于热管气-气换热器的传热系数和对数平均温差大，因此，传热量就大。

④体积小、重量轻、结构紧凑。

由于热管气-气换热器所传输的热量大，因此在传输同样的热量情况下，热管气-气换热器就显得体积小、重量轻、结构非常紧凑，因而金属的消耗量小，占地面积也就大大减少。

热管气-气换热器这一独特的优点就使其在余热回收等应用领域开辟了广阔的天地。

⑤便于拆装、检查和更换。

热管气-气换热器是由许多根独立的换热元件-热管按着一定的排列方式组成的。

因此更换部分热管不会影响热管气-气换热器整体的正常工作。

⑥热管气-气换热器具有很大的灵活性。

可以根据不同的热负荷和气体的流量将几个热管气-气换热器串联或并联起来使用。

热管换热器的优点；

热管换热器的兴起与发展和世界能源形势密切相关。

能源是国民经济的重要物质基础，随着工业的迅速发展，能源需求的矛盾日益尖锐，因此世界各国大力发展节能技术，余热利用引起了越来越多的关注。

我国能源消费居世界第三位，但燃料利用率不到30％，能源短缺制约着国民经济的发展。

根据我国“能源要以开发和节约并重，近期内把节能放在优先地位”的方针，余热的回收及利用在节能工作中占有重要的地位。

我国的余热资源丰富，大量的工业余热没有得到充分的利用，冶金炉和工业窑炉的排烟温度多在200～1300℃之间，排烟热损失占供热量的30～50％。

工业锅炉的排烟温度在200～250℃左右，每年损失的燃料折合标准煤达2000万吨左右。

在电力工业中，不少电站锅炉排烟温度可高达160--180℃左右。

由此可见，其中存在着巨大的节能潜力。

采用合适的技术措施，回收这些余热是节约能源和提高能源的利用率的重要途径。

在回收余热时，由于烟气的温度水平较低，换热器冷、热流体的对数平均温差较小，所以需要较大的换热面积，金属消耗量大，设备投资施工费用大。

而且由于烟气在换热器内流程长，流动阻力较大，引风机，耗电增大。

此外，在低温余热回收中常常出现低温腐蚀。

所以，在80年代前一般认为回收250℃以下的余热在经济上是不合算的。

在余热回收及利用的领域中，热管换热器与常规换热器相比有着独特的优点，所以得到了广泛的应用。

一，冷热流体两侧的换热面可以自由布置，热管换热器传热性能好。

在热管换热器中，冷、热流体都在热管的外表面流动，冷、热流两侧的换热面可以自由布置，可以在热管的一侧或两侧布置肋片强化传热，与常规换热器相比，热管换热器具有较高的传热系数。

常规管板式和蛇形管式换热器只能布置成交叉流的形式，热管换热器的冷、热流体可以布置成纯逆流形式，具有较高的对数平均温差。

所以热管换热器传热性能好，重量轻，体积小。

更适用于温度、流量、流体性质相差悬殊的两种流体间的传热。

最具代表性是气．气热管换热器，这种换热器的两种流体都是气体。

由于可以在蒸发段和冷凝段热管外表面同时加翅片，使肋化比达到8～10，克服了气体换热系数小的缺点，从而大大强化了整个气．气换热过程，在同样的空间里可以布置比管式换热器大2～3倍的换热面。

其中的热管空气预热器，解决了低温受热面的腐蚀、回转式空气预热器的漏风问题，在热能工程中得到了成功的应用

二、流动阻力损失小由于热管换热器传热性能好，换热面小，所以流体流过的热管排数少，流动阻力损失相应减小。

回收余热时送、引风机的功率增加不多

有利于已有设备的节能改造。

三、抗低温腐蚀性能好

回收烟气余热是有一定限制的，即排烟温度不能过低。

当排烟温度过低，换热器金属壁面温度低于烟气露点时，换热设备会发生低温酸腐蚀。

低温腐蚀是在低温余热回收中必然出现的问题。

根据传热学得到烟气侧壁温。

四、二次间壁换热特性；

常规间壁换热器只要有一处损坏，冷、热两种换热流体就会相通而发生泄露，必须停车检修。

热管换热器是二次间壁换热，即使单根热管破坏，冷、热两种换热流体也不可能相混，无须停车检修，保证了现代化、连续大生产实现安全、可靠及长周期运行，对于易燃、易爆、有毒、有害流体的加热或余热回收有特殊的意义。

在高炉设备的风口、渣口、反应设备的中间换热、催化裂化的连续取热、重要生产中的余热回收等过程中．必将代替传统换热设备而取得显著的经济效益。

五、挠性热管和分离式热管换热器可以在热源、热汇分隔较远的情况下

进行高效传热，分隔的距离可以从几米到上百米。

六、热管换热器运行时表面近于等温，用它来保持恒温环境是很理想的。

七、热管换热器结构简单、无运动部件，不需要外加动力，安装布置方便，维修工作量小。

综上所述．热管换热器是一种理想的用于余热回收的换热设备，可以成功地解决常规换热器存在的传热性能差、磨损、腐蚀、堵灰及泄露等难题，提高了系统的可靠性和经济效益，有着十分广阔的发展前景。

1.2.3热管式换热器与其它类型换热器比较

表1-1各种换热器比较

备注：

表中括弧中的数字表示品质因数，最好为5，最差为0；总计因数越高，其综合性能越优良.

1.2.4热管换热器技术展望

近年来，热管换热器热加工工艺模拟不断向广度、深度拓展，其技术发展趋势是：

（1）宏观-中观-微观已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸，轮廓的宏观尺度模拟（mm-m级）进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟（毫米量级）及微观尺度模拟（微米量级）阶段。

（2）单-分散-耦合集成模拟功能已由单一的物理场模拟普遍进入到多种物理场相互耦合集成的阶段，以真实模拟复杂的热加工过程。

（3）共性、通用-专用、特性由于普通铸造、冲压、锻造工艺模拟的日益成熟及商业软件的出现，热管换热器研究工作的重点和前沿已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。

主要方向一是解决特种热加工工艺（如压铸、金属型铸造、楔横轧等）模拟及工艺优化问题；二是解决加工件的缺陷（混晶、回弹、热裂、冷裂、变形等）消除问题。

（4）重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究主要有：

热管换热器热加工基础理论、缺陷形成机理及判据、新的数理模型、新的算法、前后处理等基础性研究及物理模拟与精确测试技术等。

（5）重视集成技术，使热管换热器工艺模拟成为先进制造系统的重要组成部分包括：

在并行环境下，与产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成，与零件加工制造系统集成，与零件的安全可靠性能实现集成。

1.3换热器应用前景及研究进展

1.3.1我国换热器市场规模

图1-6我国换热器产业市场规模图

图1-6我国换热器产业市场规模图

基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。

预计到2010年年底，我国换热器的市场需求将达到500亿元。

其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模在150亿元；电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右；船舶工业换热器市场规模在40亿元以上；机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。

另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。

预计2010年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10～15%左右的速度增长。

到2015年，我国换热器产业规模将突破880亿元；到2020年我国换热器产业规模有望达到1500亿元。

1.3.2国际市场换热器发展情况

图1-7国际换热器分布图

国际换热器产业的总市场规模在500亿美元左右。

其中，欧盟和美国这两大市场的规模约占200亿美元左右，占据全球换热器市场近40%的份额。

而世界换器市场新的增长点主要集中于中国、俄罗斯、巴西、印度以及快速发展的东南亚

市场，其中，“金砖四国”约占全球换热器市场近30%的份额。

图1-8国际换热器分布图

1.3.3我国换热器研究进展及存在的问题

我国换热器产业虽然起步较晚，但经过10多年的发展，也取得了较大进展。

尤其最近几年来，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。

如兰石换热设备公司板式换热器成功进入国内核电建设项目常规岛和核岛领域，并陆续将板式换热器用于大乙烯项目、钛白粉生产线等领域。

四平巨元瀚洋板式换热器公司也成功进入大亚湾二期岭澳核电站的常规岛和核岛领域。

当然,与国外换热器先进制造工艺相比,我国换热器制造技术还相当落后,有待进一步改进。

主要表现在:

（1）相关科研人员对基础理论和基础技术的研究不够重视，例如从基础物性（尤其是热物性）的研究、传热与流动的研究（钎焊板式换热器冷凝与蒸发，缠绕管式换热器和板翅式换热器多股介质的传热与流动）,U型管在不同热处理状态的应力腐蚀试验、无缝管对接接头在绕管状态下的应变时效、加氢换热器管箱端部螺纹的应力分析和应力测定等方面都有许多工作要做。

（2）某些制造工艺尚需突破，例如螺旋板式换热器碳钢定距柱的接触焊、板式换热器（含板壳式换热器）的激光焊工艺、细管液压胀管新途径等。

（3）另外在换热器制造上，我国目前还以仿制为主，虽然在整体制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片压制方面与发达国家还有一定的差距。

第2章确定设计方案

2.1选择换热器类型

根据题意，本设计中宜选用热管式换热器。

由于热管换热器与其他换热器比较：

具有热平均温差大，传热性能高；布置灵活、结构紧凑，可以改变热管根数任意组合，增大换热面积，故可用较少的热管保证热量的传递；工作安全可靠，即使其中一根发生故障，也不影响整个换热器的工作；检修方便、维修量少、操控性强等优点。

因此热管换热器被广泛应用于余热的回收，尤其在工业生产中，各种热力设备的排烟、排气、排水、排渣等，凡是有