热管式热交换器设计说明讲解

本科毕业设计说明书 热管式热交换器（烟气余热回收空气预热器） Heat pipe heat exchanger (flue gas heat recovery air preheater) 摘 要 热管是一种依靠管内工质的蒸发，凝结和循环流动而传递热量的部件。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。热管换热器最大的特点是：结构简单，传热效率高、动力消耗小。其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。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。 关键词：热管；热管热交换器；设计计算； ABSTRAC Rely on heat pipe is a pipe working fluid evaporation, condensation and recycling the flow of heat transfer member. Components of the heat pipe, heat pipe principle the use of heat exchange heat exchanger called the heat pipe heat exchanger. Heat pipe heat exchanger biggest feature is: simple structure, high heat transfer efficiency, power consumption is small. Which more and more people's attention, is a very good application prospects heat transfer equipment. Currently, it is widely used in power, chemical, metallurgy, electric power, computers and other fields. In this paper, the development of heat pipe heat exchanger status, trends, application and design to make a brief discussion, focused on the heat pipe heat exchanger design. In discussing the heat pipe heat exchanger design process, mainly for thermal calculation, equipment, structural calculations, component selection of parameters made a reasonable construction. Key words：Heat pipe；Heat pipe heat exchanger；Design calculations； 目 录 第一章 绪论 …………………………………………………………………………………1 第一节 热管及热管换热器概述 …………………………………………………………1 第二节 热管及其应用 ……………………………………………………………………3 1.2.1热管的构造原理………………………………………………………3 1.2.2热管的工作原理 ……………………………………………………………7 1.2.3热管的基本特性………………………………………………………………8 1.2.4热管分类………………………………………………………………………8 1.2.5热管技术………………………………………………………………………9 1.2.6热管技术特点…………………………………………………………………10 第二章 热管换热器…………………………………………………………………………12 第一节 热管换热器技术优势……………………………………………………………12 第二节 热管换热器的分类………………………………………………………………12 第三 节换热器应用前景…………………………………………………………………14 第三章 热管气-气换热器设计中应注意的问题 …………………………………………16 第四章 热管气-气换热器设计步骤 ………………………………………………………17 第一节 计算步骤 ………………………………………………………………………17 第二节 符号说明 ………………………………………………………………………19 第三节标注说明 ………………………………………………………………………20 致谢 …………………………………………………………………………………………22 参考文献 ……………………………………………………………………………………23 附录 …………………………………………………………………………………………25 外文资料及翻译…………………………………………………………………………35 任务书 ………………………………………………………………………………………55

第一章 绪论

1 第一章 绪论 第一节 热管的发展及现状 在现有的传热元件中，热管是我们所知的最高效的传热元件之一，它能将大量热量通过其特别小的截面积远距离地传输而不需要外加动力。热管的原理首先是由美国的俄亥俄州通用发动机公司（The General Motors Corporation,Ohio,U.S.A）的R.S.Gaugler于1994年在美国专利（No.2350348）中提出的。他当时正在研究冷冻问题，他设想有一装置由封闭的管子组成，在管内液体吸热蒸发后与该下方的某一位置放热冷凝，在无任何外加动力的前提下，冷凝液体借助管内的毛细力吸液芯所产生的毛细力回到上方继续吸收热量蒸发，如此循环，达到热量从一处传输到另一处的目的。然而他的想法当时并没有被通用发动机公司所采纳应用。 1962年L.Trefethen再次提出类似于Gaugler的传热元件并用于宇航飞船，但是因为这种建议并未经过实验证明，也没能付诸实施。1963年美国的Los Alamos的国家实验室的G.M.Grover重新独立发明了类似于Gaugler所提出的传热元件，并进行了性能测试实验，在美国《应用物理》杂志上公开发表了一篇论文，并正式将此传热元件命名为热管“Heat Pipe”,指出他的热导率已远远超过任何一种已知的金属，得出了以钠为工作液体，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯的热管实验的结果。美国的Los Alamos国家实验室在热管理论以及热管在空间技术方面的应用领先地位。1965年Cotter首次提出了比较完整的热管理论，为以后的热管理论的研究奠定了基础。1967年的一根不锈钢-水热管首次被送入地球卫星轨道，并运行成功，从此吸引了很多科学技术工作人员热衷于热管研究，前西德、意大利、荷兰、英国、前苏联、法国及日本等国均开展了大量的研究工作，使得热管技术得到了很快的发展。 Katzoff在1966年发明了有干道的热管。干道的作用：为了给从冷凝段回流到蒸发段的液体提供了一个压力降较小的通道，从而大大的提高了热管的传输能力。 1969年前苏联和日本的有关杂志都发表了热管应用研究方面的文章。在日本的有关文章中已有描述带翅片热管束的空气加热器，在能源日益紧张的情况下，它可被用来回收工业排气中的热能。同时Turner和Bienert都提出了用可变热导管来实现恒温控制。Gray研究了一种新型热管——旋转热管，这些发明均是热管技术的重大进展。 1970年，美国出现供应热管商品的部门，热管的应用从宇航方面扩大到地面。在热管发展史上值得一提的是，在横穿阿拉斯加输油管线工程中的应用，用热管作为管线的支撑，来保证地面的永冻层，以满足工程需要。该工程共使用112000余根热管，单根热管的长度约为9～23m。 1974年以后，热管在节约能源方面和新能源开发方面的研究得到了充分的重视，用由热管组成换热器来回收废热，并将其用于工业中以节约能源。美国和日本在这方面取得的进展最为显著。 第一章 绪论 2 1980年，美国Q-Dot公司生产了热管废热锅炉，同时日本帝人工程公司也成功的用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀的问题。之后，各国的热管换热器研究及制作工作迅猛展开，分离式、回转式等新的结构形式相继出现，并日趋大型化、工业化。 1984年，Cotter比较完整的提出了微型热管的理论及展望，从而为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。毛细泵回路CPL(Capillary pumped loops)和回路热管系统LHP(Loop heat pipe systems)因其结构灵活、应用面广、在很小温差下可远距离传递热量，较常规热管能传递更大的热量的特点，引起了整个热管界的普遍关注，并成为理论研究和应用研究的热点。 70年代以来，热管技术的飞速发展，各国的高等院校、科研机构、公司及厂矿都开展了多方面的开发及应用研究，国际间、地区间和各国自身的热管技术交流活动日趋频繁，1973年，在德国斯图加特（Stuttgart）召开了第一届国际热管会议，1976年，在意大利的哥伦比亚(Bologna)召开了第二届国际热管会议，此后1981年在英国伦敦(London)， 1987在法国格林贝尔(Gernoble)，1984年在日本筑波(Tuskuba),1990年在前苏联明斯克(Minsk)，1992年在中国北京，1995年在美国西墨西哥州(Albuquerque)，1997年在德国斯图加特（Stuttgart），1999年在日本东京（Tokyo）分别召开了第四到十一届国际热管会议。除此之外，中国和日本双方从1985年到1994年分别召开了四届双边和多边热管技术研讨会议，1996年，在澳大利亚墨尔本(Melbourner)召开了多边会议正式规范热管技术研讨会议。 我国自70年代开始，开展了热管的传热性能研究和热管在电子器件冷却器和空间飞行器方面的应用研究。由于我国是一个发展中的国家，能源综合利用水平比较低，为此自80年代初，我国的热管研究及开发的重点转向节能和能源的合理利用，相继开发了热管余热锅炉、热管气-气换热器、高温热管热风炉、高温热管蒸汽发生器等各类热管产品。由于碳钢-水两相闭式热虹吸管的价格低廉、结构简单、制造方便，易于在工业中推广应用，碳钢-水相容性的基本解决，使得此类热管得到广泛的应用，我国热管技术工业化应用的开发研究工作发展很迅速，学术交流活动也很活跃，从1983年起，已先后召开了六届全国性热管会议，具体日期和地点见表1-1. 表1-1 全国热管会议情况一览表 全国热管会议届数 召开日期 召开地点 第一届 1983年 哈尔滨 第二届 1988年 湖南大庸 第三届 1991年 四川都江堰 第四届 1994年 黑龙江牡丹江 第五届 1996年 江苏无锡 第六届 1998年 福建邵武