论文总字数：16239字

摘 要

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。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换热设备。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、热管结构尺寸的选择，经济合理性等进行着重讨论，根据所计算数据设计了一个完整的热管换热器模型。

关键词：热管 热管换热器 设计计算

Abstract

Heat pipe is a highly efficient heat transfer components, it is a fast heat to spread from one point to another point of the device, consisting of the heat pipe components, the use of the principle of heat pipe heat exchanger for thermal exchange called the heat pipe heat exchanger. Because of its simple structure,strong control, heat exchanger, high efficiency, power consumption, etc, and heat pipe heat exchanger more and more attention, is a very good prospect heat transfer equipment. In this paper, the development of heat pipe heat exchanger status, trends, applications and design had a brief discussion, focused on the design of heat pipe heat exchanger.Heat pipe heat exchanger in the discussion of the design process, mainly for the thermal calculation, equipment, reasonable economy, and so on.Then design combined with the actual situation of the air heat pipe heat exchanger preheating the basic model.

Key words: Heat pipe; Heat pipe heat exchanger; Design calculation

目 录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

符号说明 Ⅴ

第一章 绪 论 1

1.1研究背景 1

1.2热管的工作原理 1

1.2.1工作原理 1

1.2.2热管换热器与其他常用换热器的比较 2

第二章 热管的应用及发展 3

2.1空气预热器 3

2.2热管技术的几点应用 3

2.2.1热管技术在工业锅炉中的应用 3

2.2.2热管技术在核电工程中的应用 3

2.3热管研究的技术进展 4

2.4国内外热管技术的发展和应用情况 4

第三章 余热回收系统 6

3.1余热回收系统的意义 6

3.2烟气余热回收装置应用概况 6

3.3热管技术开发中存在的问题 7

3.4结 论 7

第四章 热管换热器的热力计算 8

4.1热管原件的基本选择 8

4.2计算烟气流量 9

4.3确定对数平均温差 11

4.4确定迎风面积 及迎风面管排数B 11

4.5求总传热系数 12

4.6求加热侧总传热面积ew 16

4.7求所需热管数n、 16

4.8求换热器纵深排数m 17

4.9求通过热管换热管的压力降 17

4.10求热管的第一排管子的工作温度 19

4.11求末排管子工作温度 21

4.12强度校核 24

第五章 经济性校核 25

5.1设备总投资 25

5.2设备电耗 25

5.3年节约费用 25

5.4成本回收时间 26

第六章 结论与展望 27

致 谢 30

主要符号表

上标

下标

第一章 绪 论

1.1 研究背景

能源是经济社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件。20世纪90年代以来，能源供求之问的矛盾不断加大，为保证GDP年均增长8%，面临能源供应保持每年递增4%左右的压力。基于当今世界能源存储与消耗的形势以及环境保护等方面的迫切要求，节能问题更显突出^[1] 。

热管是一种利用密闭管内工质相变来传递热量的高效传热元件，由它组成的换热器具有换热能力强、管壁温度便于调节等特点。近些年，由于热管技术的不断完善，热管式空气预热器在电站锅炉上得到了较多的应用，取得了一定的设计经验和实践经验^[2]。

自80年代至今，热管式空气预热器已在冶金、化工行业中得到了广泛的应用，如高炉热风炉、炼油炉的余热回收等。近年来，已在小容量电站锅炉中得到了一定程度的使用，据不完全统计，国内已有8座电站锅炉使用了热管式空预器，容量在130t/h—410t/h之间。在这些电站锅炉中一般都安装在原有空气预热器的前部，起到提高进风温度的作用，目前还没有完全取代原有空气预热器的实例。但在锅炉设计中采用热管元件取代原有空预器是势所必然，在美国已有在大型锅炉中使用这类空预器的实例（福斯特一惠勒公司生产）。当然，在完全取代的方案中还有很多问题要解决。目前已在670t/h锅炉上实施改装的方案^[3,4]。

1.2 热管的工作原理

1.2.1 工作原理

热管式空气预热器一般都斜放在烟、风道内。烟道侧位置底，风道侧位置高。当烟气流经热管式空气预热器的烟气通道时，将烟气的热量传给热管上的鳍片及管壁上，经热管壁传入管内水中，使管内的水连续不断的加热，又因管内空间为真空状态，所以水在低温下即可沸腾蒸发，蒸发后产生的汽体顺管壁向上流动，充满热管上部无水空间(即空气侧)，使空气侧管壁从内向外传热。当送风机出口冷空气进入热管式空气预热器的空气侧通道时，将通过热管上的鳍片和管壁带走大量热量，使空气得到预热，使热管的鳍片和管壁温度下降，由于管壁温度的降低使管内的水蒸汽冷凝成水流回到下部烟气侧重新加热蒸发。通过加热、冷却、再加热、再冷却，使管内水周而复始的循环来达到降低排烟温度和加热空气的作用^[5]。

图1-1 热管结构及工作原理示意图

1.2.2热管换热器与其他常用换热器的比较

传统的热回收装置为转轮式换热器，它是通过排风与新风交替逆向流过转轮来传递热量。排风由一侧的入口吸入，将所含部分冷（热）量传递给转轮;而新风从另一侧吸入，转轮以15 r/min或20 r/min的转速旋转，将积蓄在转轮上的冷（热）量传递给新风^[6]。在同样的换热效率下，与转轮式换热器相比，热管换热器具有以下优点:1）结构紧凑，安全可靠。转轮换热器是由机械动力，通过传动设备使转轮转动来工作的。受到机械设备本身寿命的限制。维修率较高，寿命较短。而热管换热器本身不存在运动部件，因此使用寿命较长。并且相对于转轮换热器，热管换热器体积小，便于安装。2）节能。转轮换热器转轮转动需要消耗一定的机械能（电能），而热管换热器是通过工质的汽液态转换来实行热交换的，不需要消耗额外的能源。3）无空气污染。转轮换热器在热交换过程中，新、排风两种介质通过转轮交替转换，不能避免交叉污染。而热管换热器新、排风互不接触，无交叉污染。目前的热交换器还有显热和全热回收两种形式^[7]。

第二章 热管的应用及发展

2.1空气预热器

空气预热器是广泛应用于石油、化工、能源领域的重要节能装置。热管在空气预热器上的应用已十分成熟，并表现出其非凡的优点。陈军等^[8]总结了热管空气预热器在石化行业的应用情况，特别是热管空气预热器在炼油厂燃用高硫分渣油减压炉烟气余热回收的应用。表明热管换热器能在石化行业的一些恶劣工况下安全、可靠、高效地运行。选用热管空气预热器，不仅能降低排烟温度，提高整台炉子的热效率，而且提高了燃烧用空气的温度，保证了火焰的稳定，且提高了燃烧效率，使炉膛烟气温度有所上升。 由于石油化工领域常见介质具有易燃易爆的特点，对防止和抑制爆炸、隔爆、阻燃等的研究一直是世界范围内的热门课题。大连理工大学喻建良等^[9-10]开展了对抑爆抑燃机理和方法的研究，对火焰的淬息机理、爆炸波传播特性以及爆燃过程中热传导的特点展开了详细分析并取得了一定进展，并尝试采用热管制成新型阻燃隔爆装置。

2.2热管技术的几点应用

2.2.1热管技术在工业锅炉中的应用

热管技术在锅炉尾部的应用可以提高运行效率，减少管壁磨损与漏风，有效避免低温腐蚀和堵灰问题^[11] 。如热管省煤器中烟气侧热管采用焊接翅片来增加换热面积以达到强化换热的目的，相同传热负荷下管子数大大减少，烟气流通面积增大，流速减小，管壁磨损大大减轻了。另外热管省煤器水侧通过水套管与烟气侧分离开，某根热管因飞灰磨损而损坏也不会影响整台省煤器的安全运行。如沈阳东陵区热力公司1997年为长青锅炉房安装了4台热管省煤器和热管空气预热器，通过测试，锅炉排烟温度降低了134.7℃,给水温度提高4.8℃,锅炉效率提高11.74%^[12]虽然国内在开发应用上取得了一些成果，但还需要进一步改善设计、降低成本做好规模生产。

2.2.2热管技术在核电工程中的应用

当前对于这方面应用的热管研究工作还不多，作为空间核电源使用的热管要求极高，如何更好地提高热管在这种特殊条件下的传热性能，有待于更深的研究。②用于事故条件下的安全壳体保护，堆芯失冷是核反应堆的重大事故，高温高压冷却剂大量流失释放出来的高温蒸汽将引起安全壳超温超压，并有可能破裂造成严重后果。Razzaque, Sugawara, Asahi和Li Lanchao等^[13]提出了运用热管的停堆释热保护方案。③热管用于核废料的冷却，对于用热管排出核废料衰变热已进行了初步研究。用热管将核废料贮存库的热量向地层外散出^[14]，既提高了岩石的干燥度，又可在相同的贮存面积内在较低温度下贮存更多的废料。④核反应堆的蒸汽发生器是核电厂一、二回路的枢纽，蒸汽发生器传热管一旦破损，对核电厂安全将构成威胁^[15]。当然由于核电工程的复杂性，涉及的技术问题很多，还有待于更深入的研究。

2.3热管研究的技术进展

随着现代测量手段的不断发展，对局部情况进行测量已成为可能。采用粒子成像速度仪、激光多普勒测速、高速摄影、激光全息干涉、红外热成像仪等先进的高精度测量技术，可得到热管内局部的更确切信息，这对进一步认识热管传热特性细节，揭示其本质很有价值。以上技术作为非接触式的测量手段，具有精度高、重复性好、动态响应快、测量范围宽等优点，因而在流场、湍流、传质、传热、流型、燃烧等方面获得了越来越广泛的应用^[16,17]

目前计算机模拟技术已成为工程研究中十分重要的手段，但在对热管的研究中，由于热管内部流动与传热机理十分复杂，包含有复杂的气液藕合流动问题和气液相变传热问题，其内在的机理认识仍需深入研究，因而对其进行模型化与数值模拟十分困难。国外许多研究人员在这方面开展了大量工作^[18-23]，我国的李亭寒等^[24-25]也在热管数值模拟方面取得一些进展。

A. Fiche:等^[26]利用人工神经网络研究回路热管的脉动传热特性，还有研究人员通过热力学理论分析对热管内部传热及流动的热力学嫡增理论以及耗散特性展开研究^[27-28]。这些理论的应用有助于提升热管研究的理论水平，更深入地分析热管的机理，促进热管技术的开发和应用。

2.4国内外热管技术的发展和应用情况

大容量的余热回收、融化道路积雪(防冻)、地下电力电缆的冷却、地下煤气化的冷却以及地热开发利用和保持永久冻土层的稳定等领域都要求热管的大型甚至超大型化^[29]。据报道,20世纪末世界最大的热管直径达300 mm,长度达100m。英国研制开发了一种由4500根16m的热虹吸管( 单管功率达20 kW )组成的大型热管空气预热器。日本制成40m和100m长的热管用于道路融雪和地下电缆的冷却。美国制造的直径33.8 mm、长24m 的热管在西佛吉尼亚道路融雪上应用。美国阿拉斯加有600多千米的输油管需要架设在地面之上。为防止夏季冻土化解使地面下沉以及冬季再次冰冻使地面拱起造成输油管道支架及输油管破裂,要求保持永久冻土层的稳定。为此采用约10万支9.4-20.1m的液氨碳钢重力热管, 每根支架支柱内壁两侧插入两支重力热管。冬季把地下热量排入大气,使支柱下土壤冻结范围扩大而又结实,保证支柱基础稳定。夏季因重力热管的二极管性能,热管上部冷凝段外热源(大气)的温度接近或超过下部蒸发段外热源(土壤)的温度时, 热管自动停止工作, 不会使大气热量传入冻土层内, 从而保持永久冻土层的稳定。试验表明, 安装热管后, 支柱壁面和6 m 深处的温度很快下降, 1月初达到-24℃,4月中回升到- 7℃,夏天也在0℃以下,10月初热管又开始工作,如此循环,冻土保持稳定^[30]。

我国在“十五”期间的四大工程中,青藏铁道常年冻土区域占不少比例, 在过渡区冻土防化问题的解决;西气东输管道大多处于我国北方,冬天管道地基的防冻问题的解决;西电东送工程中也有不少工程地处北方,电线杆地基的防冻问题也特别突出; 西部大开发已经展开,高速公路遍及全国,大多数在冬季处于降雪地带,如能解决高速公路防冰问题,将极大地提高高速公路的通车率这些问题的解决不仅有重大的现实意义,还有巨大的经济意义^[31]。热管技术一定会在这些问题的解决中发挥其应有作用。

第三章 余热回收系统

3.1余热回收系统的意义

在火力发电机组中，锅炉效率和汽轮机绝对内效率是影响电厂经济运行的关键因素^[32]。锅炉热损失是影响电站锅炉效率的重要因素，其中排烟损失是锅炉热损失中最大的一项，约占锅炉热损失的70%-80%^[33]。若排烟温度偏高，将造成锅炉排烟损失增大，锅炉效率降低，导致电厂发电煤耗上升，影响电厂的经济运行。因此，降低锅炉排烟损失，并对锅炉尾部烟气余热加以回收利用，对提高电厂整体经济性具有重要的意义^[34]。

目前，烟气余热回收利用的方式不尽相同，研究表明，若排烟热量直接被锅炉利用，排烟温度降低22℃，锅炉效率就会提高1%;若锅炉尾部烟气余热用来加热凝结水，可代替电厂回热系统中低压加热器部分抽汽，使该部分抽汽返回汽轮机继续做功提高汽轮机绝对内效率，降低机组供电煤耗;若锅炉尾部烟气余热来替代蒸汽暖风器热源，加热空气预热器进风，不仅能有效解决空气预热器低温腐蚀问题，更能节省蒸汽暖风器的抽汽，进一步提高全厂效率^[35]。

3.2烟气余热回收装置应用概况

据了解，目前国内安装烟气余热回收装置进行余热回收的发电机组大约有近二十家，如华能北京4×200MW热电厂、华能洛磺电厂4×360MW机组、安顺发电厂2×300MW机组、华能营口热电厂新建工程2×330MW机组等。这些使用厂家有的运行良好，有的因换热管道腐蚀严重经常进行设备维护检修。国内采用此技术投产的百万机组有上海外高桥第三发电厂，该工程烟气余热回收装置由上海发电设备成套实际研究院设计供货，于2009年8月12日正式投入运行，现运行良好^[36]。经实际测算，安装烟气余热回收装置后机组的发电标准煤耗降低2.7g/kwh，节能降耗成效显著。

3.3热管技术开发中存在的问题^[37]

（1）由于材料及技术局限问题，热管价格偏高。

（2）工业使用的时间不够长，应用面还不够广。尽管热管换热器在国内使用的最长时间已超过6年，但已暴露出一些问题如灰堵、露点腐蚀等，还需要进一步寻求有效的解决方法。

（3）国际应用的热管技术含量低，把实验室的研究成果转化到实际应用还需要一段时间。

（4）对中温热管研究比较多，对高温和低温的热管研究相对较少。

3.4结论

从总体而言, 热管技术的理论与实验仍在深化, 众多领域的应用仍在扩展, 不同功能的各型热管的出现使热管技术的应用日趋向纵深方向发展^[38]。热管向小型微型化和大型超大型化两极延伸以及适应某些特种用途所需的进展, 尤其是当今世界受到普遍关注的节能迫切需求, 使热管技术倍受青睐, 从而更加促进了相关技术的发展。此外, 同国外热管的发展水平相比, 我国的热管研究还有较大差距, 这就为相关科研院所、企业提出了开拓新思路, 加强国际交流, 加强基础研究, 学习和引进国外的先进技术和经验, 不断开发新型热管技术和新的应用领域, 使热管技术在我国的各项事业的建设中发挥更大作用^[39]。

第四章 热力计算

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