《一臺(tái)蒸汽鍋爐熱管式空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》17000字（論文）

目錄一臺(tái)蒸汽鍋爐熱管式空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u19793設(shè)計(jì)總說(shuō)明 I31611畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 132420第一章緒論 1227961.1研究背景和意義 191171.2熱管換熱器研究現(xiàn)狀 1261761.3熱管研究現(xiàn)狀 2266881.4本文設(shè)計(jì)內(nèi)容和計(jì)算方法 212725第二章鍋爐選型、改造及熱力計(jì)算 48042第三章熱管及熱管換熱器 193771第四章熱管及熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算 2449734.1熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算 24229344.2熱管基本參數(shù) 25260604.3熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27211964.4熱管傳熱計(jì)算 2835444.5阻力計(jì)算 31291154.6安全校核 3230056第五章熱管換熱器的安裝與加工 35207555.1熱管的選擇 35276335.2熱管的預(yù)處理 35112365.3重力熱管的傳熱加強(qiáng)方法 36112185.4熱管管內(nèi)工質(zhì)充液量 38226275.5熱管換熱器管內(nèi)排布 38190905.6熱管的端蓋 39219075.7熱管換熱器內(nèi)熱管安裝角度 40297805.8熱管換熱器的隔板密封 40275075.9熱管換熱器管箱 425089第六章總結(jié) 4321483參考文獻(xiàn) 4511479附錄 46PAGEI設(shè)計(jì)總說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是一臺(tái)熱管式空氣預(yù)熱器，布置在燃?xì)庹羝仩t的尾部受熱面。將它用于充分回收煙氣余熱，降低排煙溫度，提升熱空氣溫度，減少燃料消耗，優(yōu)化燃燒條件，從整體上提高鍋爐效率。這個(gè)舉動(dòng)能在能源綜合利用上更進(jìn)一步。燃?xì)庹羝仩t是雙鍋筒縱置式結(jié)構(gòu)。爐膛在鍋爐的左側(cè)，上、下鍋筒之間的對(duì)流受熱面在鍋爐的右側(cè)。爐膛由前墻（內(nèi)有傾斜墻），后墻和側(cè)墻。鍋爐的尾部受熱面布置有節(jié)能-冷凝一體器，空氣預(yù)熱器。鍋爐爐膛配置兩臺(tái)燃燒器，在前墻上下布置。在進(jìn)行設(shè)計(jì)熱管式空氣預(yù)熱器之前，先設(shè)計(jì)總體鍋爐，對(duì)鍋爐總體進(jìn)行熱力計(jì)算。燃?xì)庹羝仩t原燃料是燃煤，后進(jìn)行改造成為燃?xì)忮仩t。原鍋爐排煙溫度為180℃，給水溫度102℃，熱空氣溫度120℃，燃料消耗量為0.4238kg/s。熱管式空氣預(yù)熱器內(nèi)的熱管采用的是兩相閉式熱虹吸管。熱管管殼材料使用是碳鋼，管內(nèi)工作液體是水。部件采用立式布置，管箱上部分是空氣通道，下部分是煙氣通道，逆流布置。熱管式空氣預(yù)熱器的計(jì)算分為：結(jié)構(gòu)計(jì)算，傳熱計(jì)算，阻力計(jì)算和壁溫計(jì)算。本次設(shè)計(jì)采用的是φ51×4.5，煙氣側(cè)長(zhǎng)度1.38m，空氣側(cè)長(zhǎng)度1m，對(duì)總能量1365Kw進(jìn)行充分余熱回收。單根熱管攜帶熱量是3685W，熱管管束為371根，管束排布是正三角形錯(cuò)列布置，熱管隊(duì)型是24×16。在校核計(jì)算中用到了兩種校核方法，雙重保證熱管的安全工作。第一種校核法是通過(guò)校核單根熱管的攜帶熱量極限。以工作溫度為150℃為定性溫度，查詢(xún)飽和水和飽和蒸汽的物性，通過(guò)公式算出單根熱管的最大極限攜帶熱量是8273.4W，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)中的單根熱管的攜帶熱量。第二種是計(jì)算管內(nèi)最小直徑校核，同樣是以150℃為定性溫度查詢(xún)相關(guān)物性參數(shù)，算出的最小管內(nèi)直徑是21.7，設(shè)計(jì)熱管的管內(nèi)直徑是42mm。兩種校核方法的準(zhǔn)確保證了熱管是可以安全工作的。其次校核的是熱管強(qiáng)度。以250℃為定性溫度查詢(xún)飽和壓力，計(jì)算出熱管最小壁厚是0.91mm，設(shè)計(jì)中的熱管壁厚是4.5mm。經(jīng)過(guò)校核計(jì)算后，證明這次設(shè)計(jì)的熱管式空氣預(yù)熱器是符合設(shè)計(jì)要求，可以安全工作的。關(guān)鍵詞：燃?xì)忮仩t，熱管，熱管換熱器，設(shè)計(jì)，應(yīng)用－PAGE1－畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第一章緒論1.1研究背景和意義伴隨著一次能源的不斷地開(kāi)發(fā)利用，能源資源缺少成為了不可忽視的問(wèn)題。從近些年的數(shù)據(jù)來(lái)看，全球能源消耗量增長(zhǎng)迅速，能源消耗量逐年大量增加，能源利用率低成為主要關(guān)注問(wèn)題之一。而余熱回收技術(shù)可以對(duì)改善能源的回收再利用起到很好的效果。余熱回收技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前余熱回收技術(shù)還不是很成熟，仍舊有著一些技術(shù)上的障礙需要去突破。如果采用常規(guī)的換熱器回收能量，會(huì)有能源回收效率低，回收設(shè)備的成本投資金額高，回本期間長(zhǎng)，流體通道容易引發(fā)堵塞等諸多問(wèn)題。而重力熱管換熱器的出現(xiàn)，對(duì)于常規(guī)換熱器來(lái)說(shuō)，是一個(gè)技術(shù)上的突破。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，傳熱性能好等特點(diǎn)。在工業(yè)應(yīng)用上，這種裝置被廣泛使用。重力熱管是依靠自身重力，無(wú)需其他輔助動(dòng)力裝置的一種傳熱元件。因?yàn)槠鋬?nèi)部的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)金額較低，工藝流程不繁瑣，傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中推廣應(yīng)用迅速。如今在電力工業(yè)，化工以及石油化工，輕紡工業(yè)及動(dòng)力工程等領(lǐng)域都有著以重力熱管為技術(shù)核心的技術(shù)產(chǎn)品使用。正因?yàn)槠湓诙鄶?shù)領(lǐng)域中的使用，這促使著重力熱管的研究得到深層次的開(kāi)發(fā)研究。本次設(shè)計(jì)內(nèi)容將以熱管式空氣預(yù)熱器為重點(diǎn)內(nèi)容。以鍋爐設(shè)計(jì)中的相關(guān)數(shù)據(jù)為參照，將熱管換熱器的設(shè)計(jì)分為三部分：重力熱管的結(jié)構(gòu)計(jì)算，重力熱管的傳熱計(jì)算，重力熱管的阻力計(jì)算，最后是校核計(jì)算，確保熱管能夠安全工作。之后以重力熱管的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)熱管換熱器的外殼和其中零部件。1.2熱管換熱器研究現(xiàn)狀熱管換熱器的應(yīng)用首先是被應(yīng)用與醫(yī)療設(shè)備中，Nole-Baghban和Majideian通過(guò)先設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)，后進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，在眾多工質(zhì)中選擇甲醇為管內(nèi)工作液體，在保證一定的環(huán)境參數(shù)下，設(shè)計(jì)出了氣-氣熱管換熱器。Meskimmon設(shè)計(jì)的環(huán)保式熱管換熱器，以水為管內(nèi)工作液體，被應(yīng)用于節(jié)能暖通。將原先的制冷劑，用水來(lái)代替，并用以于其他傳統(tǒng)制冷劑換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。研究后通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)如果管內(nèi)工作液體使用水，則相較于其他制冷劑，換熱效率提高了18%。程冉冉在研究低，中溫?zé)峁軗Q熱器內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài)隨肋片間的間距變化規(guī)律中，得出結(jié)論：肋片間距為6mm，肋高為13mm，橫向管間距為70mm，縱向管間距為65mm，高溫?zé)煔馊肟谒俣葹?.5m/s時(shí)，熱管換熱器的工作性能能達(dá)到最優(yōu)化。在研究中中低溫?zé)峁軗Q熱器中，肋片傾斜角對(duì)于熱管換熱器的性能影響中，高賀軒的研究表明，當(dāng)冷凝段的冷卻介質(zhì)的熱阻和出口溫度隨著肋片的傾斜角的增大而增大。當(dāng)冷凝段肋片傾斜角為10°時(shí)，熱管換熱器的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。1.3熱管研究現(xiàn)狀重力熱管是熱管換熱器中的核心組件。熱管換熱器的工作性能對(duì)于其內(nèi)部的熱管管束有著很強(qiáng)的依賴(lài)性。正因?yàn)槿绱?，?guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)于重力熱管的性能研發(fā)進(jìn)行大量研究與優(yōu)化。PatrikNemec對(duì)玻璃重力熱管中的各種工質(zhì)的工作狀態(tài)進(jìn)行可視化研究。他利用高速攝像機(jī)對(duì)管內(nèi)工作液體的流態(tài)進(jìn)行拍攝，解釋了在熱管工作過(guò)中的熱管內(nèi)出現(xiàn)的工質(zhì)沸騰、氣泡形態(tài)及管內(nèi)蒸汽上升至冷凝段散發(fā)熱量凝結(jié)回流等物理現(xiàn)象。重力熱管的傳熱性能不止取決于其管內(nèi)工作液體，還依靠熱管的管徑大小及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素。AzzolinMarco等人研究了低質(zhì)量條件下，管內(nèi)內(nèi)徑為3.4mm，工質(zhì)為R134a的管內(nèi)水平和垂直流動(dòng)的對(duì)流冷凝現(xiàn)象。在相同條件下，因?yàn)橹亓ψ饔檬顾焦軆?nèi)的液膜厚度減小，工質(zhì)垂直向下流動(dòng)的冷凝換熱系數(shù)只有水平的一半。1.4本文設(shè)計(jì)內(nèi)容和計(jì)算方法本次設(shè)計(jì)內(nèi)容有兩部分：一部分是鍋爐總體設(shè)計(jì)，一部分是熱管及熱管換熱器的設(shè)計(jì)。鍋爐總體設(shè)計(jì)中內(nèi)容包含：燃燒機(jī)計(jì)算，熱平衡及燃料消耗計(jì)算，爐膛熱力計(jì)算，燃盡室熱力計(jì)算，第一鍋爐管束熱力計(jì)算，第二鍋爐管束熱力計(jì)算，節(jié)能-冷凝器熱力計(jì)算，空氣預(yù)熱器熱力計(jì)算和熱力校核。熱管及熱管換熱器的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：熱管結(jié)構(gòu)計(jì)算，傳熱計(jì)算，阻力計(jì)算，熱力校核和熱管換熱器的結(jié)構(gòu)計(jì)算。具體步驟如下流程圖所示：

第二章鍋爐選型、改造及熱力計(jì)算2.1鍋爐選型雙鍋筒縱置式鍋爐的形式頗多，可以根據(jù)鍋爐與爐膛布置的相對(duì)位置不同，分為兩類(lèi)：D型和O型?！癉”型鍋爐的爐膛與縱置雙鍋筒和連接期間的管束組成的對(duì)流受熱面煙道平行設(shè)計(jì)，各處一側(cè)。爐膛四壁均布置水冷壁管，其中一側(cè)的水冷壁管直接引入上鍋筒，形成爐頂，從側(cè)面看就像“D”形狀?！癘”型鍋爐的爐膛在前，鍋爐對(duì)流管束在后，從正面看，處于雙鍋筒之間的鍋爐對(duì)流管束呈現(xiàn)出“O”形狀。“O”型鍋爐，相較于“D”型鍋爐，在受熱面布置上更加自由和舒展，且可以制造大容量、高參數(shù)的鍋爐。雖然“O”型燃煤鍋爐的爐膛改造為燃油燃?xì)忮仩t的步驟比“D”型略微麻煩，但符合燃燒天然氣的火焰特征。在選擇鍋爐產(chǎn)品型式時(shí)，“D”型燃油燃?xì)忮仩t的容量最大可達(dá)40t/h，而“O”型可以制造比“D”型鍋爐更大容量，更高參數(shù)的鍋爐。所以在本次設(shè)計(jì)中選擇“O”型雙鍋筒縱置式鍋爐為放置熱管式空氣預(yù)熱器的鍋爐。具體鍋爐結(jié)構(gòu)可看下圖。2.2鍋爐改造在鍋爐改造上，因?yàn)椤癉”型的容量最大可達(dá)40t/h而“O”型可改造為容量更大的鍋爐，所以“D”型燃煤鍋爐改造為燃油燃?xì)忮仩t的步驟比“O”型鍋爐改造較簡(jiǎn)單。以下是“O”型鍋爐的改造步驟：在進(jìn)行燃煤鍋爐改造成燃?xì)忮仩t時(shí)需要對(duì)鍋爐的結(jié)構(gòu)特征和具體改造步驟進(jìn)行充分考慮，盡量減小步驟，減輕工作量。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，SZL“O”型鍋爐改為燃油燃?xì)忮仩tSZS“O”型。將煤斗拆除，保留原先的鏈條爐排，并且只在鏈條爐排上鋪設(shè)耐火磚，用耐火水泥將磚壓實(shí)，組成燃油燃?xì)忮仩t的干爐底。爐膛內(nèi)燃燒器的布置比較靈活。燃燒器可以在前墻布置，也可以布置在兩側(cè)墻上面。如果布置在爐膛前墻上時(shí)，爐膛內(nèi)的火焰充滿(mǎn)度較比較差，但是操作檢修方便，管線(xiàn)和風(fēng)道容易布置得合情合理。在前墻布置時(shí)，需要拆除后拱管，用來(lái)保證爐膛內(nèi)有足夠的火焰伸展長(zhǎng)度。在鍋爐開(kāi)始準(zhǔn)備進(jìn)行燃油或者燃?xì)馇?，?yīng)該先把對(duì)流管束內(nèi)的煙灰清理干凈，將鍋爐爐膛內(nèi)水管表面的煤灰處理干凈；同時(shí)將水側(cè)的水垢清理干凈，用來(lái)提高鍋爐受熱面的傳熱能力。正、負(fù)壓燃燒的燃油燃?xì)忮仩t應(yīng)特別注意密封性。具體燃煤鍋爐改造成燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)可看下圖。2.3鍋爐熱力計(jì)算1.燃燒計(jì)算鍋爐原始設(shè)計(jì)熱力參數(shù)：額定蒸發(fā)量D=130t/h過(guò)熱蒸汽壓力Pgr=2.45Mpa過(guò)熱蒸汽溫度tgr=400℃給水溫度tgs=102℃熱空氣溫度trk=120℃排煙溫度tpy=180℃鍋爐原燃料特性：應(yīng)用基含碳量Cy=49.48%應(yīng)用基含氫量Hy=3.74%應(yīng)用基含氧量Oy=6.59%應(yīng)用基含氮量Ny=0.92%應(yīng)用基含硫量Sy=0.73%應(yīng)用基水份Wy=6.5%應(yīng)用基灰份Ay=32.04%可燃劑揮發(fā)份Vr=32.4%應(yīng)用基低位發(fā)熱量Qydw=21000kj/kg理論空氣量：VV0=5.195m3/kg燃燒產(chǎn)物計(jì)算：理論二氧化碳和二氧化硫的體積（VRO2）VRO2=VSO2+VCO2=1.866VRO2=0.928m3/kg理論氮?dú)怏w積（V0N2）VV0N2=4.111m3/kg理論水蒸氣體積（V0H2O）VV0H2O=0.579m3/kg理論煙氣量（V0y）VV0y=6.338m3/kg過(guò)量空氣系數(shù)（a）過(guò)量空氣系數(shù)（ɑ）是實(shí)際供給的氧量與燃燒過(guò)程的實(shí)際消耗的氧量比值。由于爐墻和穿墻處不嚴(yán)密，并且鍋爐經(jīng)常負(fù)壓運(yùn)行，導(dǎo)致煙道沿程均有空氣漏出，因此計(jì)算中需要考慮的漏風(fēng)系數(shù)。根據(jù)ɑ的值的大小與燃燒方法及燃料的性質(zhì)有關(guān)，一般對(duì)煤炭來(lái)說(shuō)ɑ=1.15～1.35。選擇爐膛的過(guò)量空氣系數(shù)ɑ=1.2，考慮漏風(fēng)系數(shù)Δa=0.1，得到ɑ=1.3。實(shí)際煙氣量（Vy）當(dāng)ɑ>1時(shí)，所產(chǎn)生的煙氣量中，還需增加過(guò)剩的空氣量以及過(guò)量空氣帶入的水蒸氣量，即為實(shí)際煙氣量。VVy=6.939m3/kg實(shí)際干煙氣量：VVgy=6.338m3/kg體積份額三原子氣體體積份額：rrRO2=13.4%水蒸氣體積份額：rrH2O=8.7%氮?dú)怏w積份額：rrN2=77.9%8.焓值計(jì)算實(shí)際燃燒產(chǎn)物（煙氣）的焓由理論燃燒煙氣焓（I0y）、過(guò)量空氣的焓（（a-1）I0K）以及飛灰焓（Ifh）三個(gè)部分組成。I各個(gè)溫度段的焓值如下表4-1所示：表4-1煙氣焓溫表（爐膛）煙氣或空氣溫度（℃）理論煙氣焓（kj/kg）理論空氣焓（kj/kg）理論煙氣焓增(kj/kg)爐膛=1.3Iy△Iy40032452814.528464193109150041153553.748865313135860050014310.618866671135870059115090.879387630120280068505870.089388832120290078056654.49970100531244100087757459.68970112961244110097508285.649801255112601200107309111.619801381112601300117329937.58102215106133914001275510789.52102216444133915001376511636.27102717762130216001479212483.01102719065130217001582513334.95103620422132418001686114181.70103621745132419001791415049.22104423109135020001895815921.94104424459135021002002116789.47106125819135722002108217662.191061271761357表4-2煙氣焓溫表（燃盡室，第一鍋爐管束）煙氣或空氣溫度（℃）理論煙氣焓（kj/kg）理論空氣焓（kj/kg）理論煙氣焓增(kj/kg)燃盡室第一鍋爐管束=1.35=1.45Iy△IyIy△Iy40032452814.52846433411273416119950041153553.74886549111804615125660050014310.61886667111805846125670059115090.87938788412417102131980068505870.08938912512418393131990078056654.4997010386128497121364表4-3煙氣焓溫表（第二鍋爐管束，省煤器）煙氣或空氣溫度（℃）理論煙氣焓（kj/kg）理論空氣焓（kj/kg）理論煙氣焓增(kj/kg)第二鍋爐管束省煤器=1.55=1.65Iy△IyIy△Iy20015781383.36798238712062525.5981275.97530023992092.45846362512713834.7301343.49140032452814.52846489712715178.2221343.49150041153553.74886620213326557.1161407.32660050014310.61886753313327964.4421407.326表4-4煙氣焓溫表（空氣預(yù)熱器）煙氣或空氣溫度（℃）理論煙氣焓（kj/kg）理論空氣焓（kj/kg）理論煙氣焓增(kj/kg)空氣預(yù)熱器=1.75Iy△Iy40015781383.367982663.9351345.58550023992092.458464043.9751415.69960032452814.528465459.6741415.69970041153553.748866912.4891483.0142.鍋爐熱平衡及燃燒計(jì)算鍋爐輸入熱量：Qr鍋爐有效利用熱：Q=D其中：h”gr是過(guò)熱蒸汽焓，按過(guò)熱蒸汽溫度為400℃，過(guò)熱蒸汽溫度為2.45MPa，查表得出值為：3240.79kj/kg。h下表4-5為鍋爐內(nèi)各種損失：表4-5鍋爐內(nèi)各種損失排煙損失化學(xué)未完全燃燒損失物理未完全燃燒損失散熱損失灰渣損失q2q3q4q5q66.60.0584所以鍋爐效率：η則實(shí)際燃料消耗量為：B=100?計(jì)算燃料消耗量為：Bj3.鍋爐爐膛熱力計(jì)算爐膛校核熱力計(jì)算的步驟如下：1.算出輻射受熱面積2.計(jì)算出1kg燃料帶入爐膛的有效熱量Q1，再根據(jù)焓溫表查出理論燃燒溫度θ0（℃），T0（K）3.假設(shè)爐膛出口溫度θ”1，根據(jù)焓溫表查出出口煙氣焓I”，算出煙氣平均熱容量Vc和爐膛系統(tǒng)黑度a14.計(jì)算波爾茨曼準(zhǔn)則數(shù)Bo，求出Bo（1/a1+m），根據(jù)公式算出無(wú)因次煙氣溫度θ”l，再算出爐膛出口絕對(duì)煙氣溫度T″1，出口溫度θ″1計(jì)算出的爐膛出口煙氣溫度與假設(shè)值相差不大于±100℃。1kg燃料帶入爐膛有效熱量：Q1查焓溫表得出理論燃燒溫度：θ0=2268.029假定爐膛出口溫度是1100℃，查表的出口煙氣焓：I”=9748.965煙氣平均熱容量：Vc=Q爐膛系統(tǒng)黑度：

a波爾茨曼準(zhǔn)則數(shù)：B參量：B無(wú)因次出口溫度：θ其中，k和p是查表得，k是0.6465，p是0.2345計(jì)算爐膛出口絕對(duì)溫度：T”計(jì)算爐膛出口溫度：θ”校核誤差：Δθ=計(jì)算結(jié)果符合誤差范圍，后面將進(jìn)行燃盡室熱力計(jì)算。4.燃盡室熱力計(jì)算燃盡室是一個(gè)基本上不布置受熱面的煙道空間。它為從爐膛出來(lái)的煙氣創(chuàng)造了一定溫度的較大空間以增加煙氣停留時(shí)間，使煙氣中的可燃物繼續(xù)燃盡，減少不完全燃燒損失。燃盡室采用的校核計(jì)算方法，步驟和校核差值與爐膛相同。假設(shè)燃盡室煙氣出口溫度為880℃，則煙氣出口絕對(duì)溫度是1153K，查焓溫表得煙氣出口焓是7609.24kj/kg煙氣平均熱容量：V燃盡室系統(tǒng)黑度：

a波爾茨曼準(zhǔn)則數(shù)：B參量：B無(wú)因次溫度：θ燃盡室出口溫度：θ誤差校核計(jì)算：?θ誤差符合范圍值，后面將進(jìn)行對(duì)流受熱面的熱力計(jì)算。5.對(duì)流受熱面熱力計(jì)算工業(yè)鍋爐對(duì)流受熱面的傳熱計(jì)算呢，常采用校核計(jì)算方法，即根據(jù)受熱面的結(jié)構(gòu)特ing，燃料燃燒計(jì)算和熱平衡計(jì)算的數(shù)據(jù)，煙氣入口溫度，工質(zhì)入口溫度，求出受熱面的吸熱量，煙氣和工質(zhì)出口溫度。校核計(jì)算步驟如下；1.預(yù)估出口煙氣溫度θ”，查焓溫表得出出口煙氣焓H”，用熱平衡方程式求出煙氣放熱量Qrp2.根據(jù)給定的出口工質(zhì)溫度t”，查出受熱面出口工質(zhì)焓h”3.根據(jù)進(jìn)出口的煙氣溫度，工質(zhì)溫度，得平均溫差?t4.計(jì)算煙氣和工質(zhì)的平均流速，確定對(duì)流和輻射放熱系數(shù)a，選取有效系數(shù)ψ，求出傳熱系數(shù)K5.按傳熱方程式計(jì)算出傳熱量Qer6.校核加熱的出口煙氣溫度是否合理?對(duì)有減溫器的鍋爐對(duì)流管束，省煤器及空氣預(yù)熱器?Q煙氣從燃盡室出來(lái)后，折入第一對(duì)流管束煙道，順序橫向掠過(guò)第一，第二對(duì)流管束，最后在鍋爐后墻左側(cè)排出，進(jìn)入尾部受熱面—省煤器，空氣預(yù)熱器，最后排出。第一鍋爐對(duì)流管束熱力計(jì)算：預(yù)估出口煙溫為530℃，查焓溫表得出出口煙氣焓為4375.94kj/kg煙氣放熱量：Qrp平均溫差：Δ煙氣流速：ω傳熱系數(shù)：K=傳熱量：Q校核誤差值：?校核誤差值符合范圍，接下去計(jì)算第二鍋爐對(duì)流管束熱力計(jì)算。第二鍋爐對(duì)流管束：預(yù)估出口煙溫為396.43℃，查焓溫表得出出口煙氣焓為3213.87kj/kg煙氣放熱量：Qrp平均溫差：Δ煙氣流速：ω傳熱系數(shù)：K=傳熱量：Q校核誤差值：?校核誤差值符合范圍，接下去計(jì)算省煤器熱力計(jì)算。省煤器熱力計(jì)算：預(yù)估出口煙溫為250.26℃，查焓溫表得出出口煙氣焓為1990.22kj/kg煙氣放熱量：Qrp平均溫差：Δ煙氣流速：ω傳熱系數(shù)：K=傳熱量：Q校核誤差值：?校核誤差值符合范圍，接下去計(jì)算空氣預(yù)熱器熱力計(jì)算。空氣預(yù)熱器熱力計(jì)算：出口煙溫給定180℃，查焓溫表得出口煙氣焓為1418.04kj/kg煙氣放熱量：Qrp平均溫差：Δ煙氣流速：ω空氣流速：ω傳熱系數(shù)：K=傳熱量：Q校核誤差值：?符合校準(zhǔn)誤差值，后進(jìn)行鍋爐總體熱力計(jì)算。鍋爐總體熱平衡校核計(jì)算：表2-5鍋爐各部分吸熱量爐膛輻射吸熱量燃盡室對(duì)流吸熱量第一鍋爐管束對(duì)流吸熱量第二鍋爐管束對(duì)流吸熱量省煤器對(duì)流吸熱量QlQrjQygQegQsm12642.261480.153086.651176.191175.53煙氣邊總有效吸熱量：Q工質(zhì)邊總有效吸熱量：Q相對(duì)誤差：Q計(jì)算結(jié)果符合要求，熱力計(jì)算結(jié)束。－PAGE1－第三章熱管及熱管換熱器3.1熱管的分類(lèi)隨著熱管的技術(shù)研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用不斷開(kāi)拓，熱管的分類(lèi)依據(jù)也開(kāi)始變得多種多樣，下面將介紹是幾種常規(guī)的分類(lèi)依據(jù)：按照熱管的工作溫度：可分為低溫?zé)峁?，常溫?zé)峁?，中溫?zé)峁埽邷責(zé)峁艿鹊?。按照管?nèi)工作液體回流動(dòng)力：可分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（重力熱管）、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)力熱管、滲透熱管等等。按照管殼材料與管內(nèi)工質(zhì)液體的組合方式劃分：可分為銅-氟利昂-11、低碳鋼-氨、碳鋼-萘、不銹鋼-聯(lián)苯，鎢-銀等等。按照結(jié)構(gòu)形式區(qū)分：可分為普通熱管、分離式熱管、毛細(xì)泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等等。按照熱管的功用進(jìn)行劃分：可分為傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開(kāi)關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。3.2熱管的工作原理熱管工作原理圖如圖3-1所示，熱管中的基礎(chǔ)構(gòu)件有管殼，吸液芯和端蓋。在放入適量的工質(zhì)之前，需要先將管內(nèi)抽氣，達(dá)到微負(fù)壓狀態(tài)，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿(mǎn)液體加以密封。熱管的一段為蒸發(fā)段。則另一段為冷凝段。在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)需求在蒸發(fā)段和冷凝段中間布置絕熱段。當(dāng)熱流體經(jīng)過(guò)蒸發(fā)段時(shí)，管中液體吸收熱量蒸發(fā)汽化，通過(guò)管內(nèi)壓差流向冷凝段。蒸汽在冷凝段釋放熱量后冷凝成液體，在毛細(xì)力的作用下經(jīng)過(guò)絕熱段，最后流回蒸發(fā)段。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程不斷的重復(fù)，熱量從蒸發(fā)段傳向冷凝段，便是熱管工作原理。熱量在熱管的管內(nèi)移動(dòng)過(guò)程中，包含了以下六個(gè)彼此影響的主要流程：熱量從熱流體經(jīng)過(guò)的熱管管壁和充滿(mǎn)工質(zhì)的吸熱芯傳遞到工質(zhì)蒸發(fā)表層；液體在蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)表層上蒸發(fā)；蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段；蒸汽在冷凝段內(nèi)凝結(jié)；熱量從蒸汽釋放，通過(guò)吸液芯和管壁傳給冷源；在冷凝段內(nèi)有蒸汽凝結(jié)的液體在毛細(xì)作用下經(jīng)過(guò)絕對(duì)段，流回蒸發(fā)段。圖3-2展示的是熱管管內(nèi)汽-液交界面形狀、蒸汽質(zhì)量流量m、壓力以及管壁溫度Tw和管內(nèi)蒸汽溫度Tv沿管長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。在圖1-2其中，ΔPc是毛細(xì)壓力水頭，是熱管內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)工作的推動(dòng)力。ΔPv是蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力損失。ΔPl是冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段的壓力損失。ΔPg是重力場(chǎng)對(duì)液體流動(dòng)引起的壓力損失。所以，是熱管正常工作的必要條件。3.3熱管相容性及壽命熱管的相容性是指熱管在預(yù)期設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，管內(nèi)工質(zhì)與管殼材料不發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)或物理性質(zhì)變化。即使工質(zhì)與管殼發(fā)生變化，但其影響不足以影響熱管的正常工作性能。相容性對(duì)于熱管的工作壽命和傳熱性能有著非常大的影響。只有熱管具有較好的相容性，才能保證長(zhǎng)期的工作壽命，穩(wěn)定的傳熱性能。總結(jié)起來(lái)有以下三方面能影響到熱管的相容性：產(chǎn)生不凝性氣體：由于工作液體與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體。在熱管工作時(shí)，該氣體被蒸汽流擠壓到冷凝段聚集起來(lái)形成氣塞，從而導(dǎo)致有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能減小。工作液體物性惡化：管內(nèi)有機(jī)液體在一定的溫度下，會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)。這主要是由有機(jī)工質(zhì)的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類(lèi)等有機(jī)工作液體容易發(fā)生該類(lèi)不相容現(xiàn)象。管殼材料的腐蝕、溶解：工質(zhì)在管殼內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，同時(shí)存在著溫差、雜質(zhì)等影響因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，使得熱管傳熱性能降低。當(dāng)管殼被腐蝕后，引起強(qiáng)度下降，甚至引起管殼材料穿孔，使熱管失去工作性能。合理的選擇熱管管材、管內(nèi)工作液體、吸液芯的結(jié)構(gòu)等方法可以提高熱管的工作壽命，在其工作溫度范圍內(nèi)能常吃保持穩(wěn)定有效的傳熱效率。3.4熱管換熱器的定義在管箱內(nèi)部由帶翅片的熱管管束組成的換熱器稱(chēng)為熱管換熱器。典型的熱管換熱器它是由一個(gè)矩形的外殼，內(nèi)部布滿(mǎn)了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯(cuò)列布置，也可以是順列布置。在管箱殼體內(nèi)部的中間有一塊隔板將殼體分為兩個(gè)上下部分。一個(gè)是高溫流體的通道，另外一個(gè)是低溫流體的通道。當(dāng)兩列流體在管道通過(guò)時(shí)，高溫流體的熱量帶到熱管蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)。管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)汽化，向凝結(jié)段飛升。凝結(jié)段的汽體散發(fā)熱量給管外的冷流體。因此，當(dāng)高溫、低溫流體在各自通過(guò)管道時(shí)，通過(guò)殼體內(nèi)熱管的熱量傳遞，從而完成熱交換。3.5熱管換熱器的分類(lèi)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種多樣的熱管換熱器，如熱管省煤器，熱管空氣預(yù)熱器，熱管蒸汽發(fā)生器等等。雖然熱管換熱器的名稱(chēng)形式多種多樣，但它們的工作原理是大徑相同的，都是基于熱管技術(shù)開(kāi)發(fā)原理為了特定的工作環(huán)境而生產(chǎn)出不同的熱管換熱器。對(duì)于不同的熱管換熱器，我們可以根據(jù)下述的分類(lèi)方式去進(jìn)行分類(lèi)：按照經(jīng)過(guò)換熱器不同種類(lèi)的流體進(jìn)行分類(lèi)，分為：氣-氣式，氣-液式，組合式；按照熱管換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，分為：一體式，分離式和組合式；按照熱管換熱器的工作性能進(jìn)行分類(lèi)，可分為：加熱型和冷卻型。3.6熱管換熱器的優(yōu)點(diǎn)熱管換熱器相較于其他換熱器的優(yōu)點(diǎn)：換熱效率高安全性，可靠性高無(wú)任何外加動(dòng)力強(qiáng)化傳熱方便防積、堵灰能力熱管壁溫的可調(diào)性布置靈活除此之外，熱管換熱器還具備受傳熱極限約束少，熱流密度可控制變化，高溫、低溫流體完全隔離，不會(huì)有相互傳染污染，密封可靠簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。3.7熱管換熱器設(shè)計(jì)中存在的的問(wèn)題盡管熱管換熱器相較于其他類(lèi)型的換熱器有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但其在設(shè)計(jì)中存在一些問(wèn)題。特定管殼材料和使用溫度的工質(zhì)研究熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和確定解決如何減少熱管肋片積灰和煙氣對(duì)熱管的磨損解決如何減少腐蝕性煙氣對(duì)于熱管的損耗解決高溫?zé)峁艿拈_(kāi)發(fā)難點(diǎn)

第四章熱管及熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算1.冷熱流體參數(shù)熱流體參數(shù)煙氣入口溫度t1’=250.26℃煙氣出口溫度t1”=75℃煙氣流量V1=6.61kg/s=23774.95kg/h煙氣密度ρ1=1.087kg/m3煙氣的定壓比熱Cp1=1.09kj/（kg?℃）=0.26kcal/（kg?℃）單位時(shí)間內(nèi)煙氣放出的熱量Q1：QQ冷流體參數(shù)空氣入口溫度t’2=25℃空氣流量V2=3.74kg/s=13471.32kg/h空氣密度ρ2=1.19kg/m3空氣的定壓比熱Cp2=1.005kj/（kg?℃）=0.24kcal/（kg?℃）煙氣的放熱量Q1與空氣的吸熱量Q2之間的關(guān)系如下：Q=式中，Q是熱管換熱器的傳熱量，Q’1是煙氣對(duì)環(huán)境的散熱量，Q’2是空氣對(duì)環(huán)境的散熱量。Q’1+Q’2約為Q1的1~5%，既：Q計(jì)算中，取Q2=0.99Q1，則：Q所以：tt"4.2熱管基本參數(shù)1.工質(zhì)熱管管內(nèi)工作溫度由下式計(jì)算為:t=可以根據(jù)表1-1中的內(nèi)容,選擇水為本次設(shè)計(jì)中的工作液體2.管殼材料在表3-1常用熱管的工作溫度范圍與典型的工作介質(zhì)及其兼容管殼材料中，對(duì)應(yīng)常溫?zé)峁芤恍兄兴囊恍锌梢钥吹剿c銅，碳鋼的兼容性是合適的。雖然水與銅的兼容性相較于碳鋼是較好的，但由于銅的最大工作溫度只有200℃，而碳鋼最大工作溫度是300℃左右。且碳鋼的強(qiáng)度比銅大，價(jià)格比單銅管或者銅剛復(fù)合管低。所以可以選用碳鋼作為熱管的管殼材料。4.熱管，肋片的結(jié)構(gòu)選擇熱管的管徑與單管傳熱量、傳熱極限以及強(qiáng)度因素有關(guān)。熱管直徑越大，單管的傳熱量和傳熱極限就越高，在形同壁厚的條件下強(qiáng)度就越低。具體的管徑選擇,可以在常用鋼管管徑和壁厚數(shù)值表中使用.所以，在這次的設(shè)計(jì)中，選擇采用φ51×4.5為中心管的尺寸。肋片有不同的制造方法，可以將其劃分為整體肋片管，機(jī)械連接肋片和焊片管。在這次的設(shè)計(jì)中，選用機(jī)械連接肋片中的繞片式（螺旋肋片）。這種肋片制作方法優(yōu)點(diǎn)在于制造成本較低。肋片參數(shù)的分析確定具體如下：1.肋高lf：肋片的高度與熱管的傳熱能力和肋片效率有很大的關(guān)系。肋片高速越高，熱管的傳熱能力越大，而肋片的效率就減小。按照經(jīng)驗(yàn)取法，可以選擇肋高為中心管外徑一半。所以：lf肋片外徑：df=2.肋厚δf：肋厚取決于磨損、腐蝕、制造工藝等因素。肋厚一般去0.3~1.2mm?？紤]到，煙氣腐蝕情況嚴(yán)重，所以選擇肋片厚度為1.2mm。3.肋節(jié)距Sf：肋片的節(jié)距主要由換熱面積或者熱阻決定。相較于干凈的流體，像水，空氣等，骯臟流體，像煙氣的肋節(jié)距可以選擇數(shù)值稍微大一點(diǎn)。所以，煙氣側(cè)選10mm，空氣側(cè)選8mm。4.肋化比β：肋化比是表肋化后管外表面積的擴(kuò)展程序的參數(shù)。肋化比的具體公式是：β當(dāng)肋環(huán)的肋高為熱管外徑的一半時(shí)，β可以用以下公式算出：β因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，肋高為肋外徑一半，可以使用上述第二種公式，所以肋化比數(shù)值是：煙氣側(cè)肋化比β=8.77空氣側(cè)肋化比β=10.71因此，翅片的主要參數(shù)如下表所示：表4-3翅片主要參數(shù)管外徑d0/mm管內(nèi)徑di/mm肋片外徑df/mm肋片厚度δ/mm肋節(jié)距Sf/mm肋片高度lf/mm肋化比蒸發(fā)段51421021.21025.58.77冷凝段51421021.2825.510.714.3熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.進(jìn)出口質(zhì)量流速計(jì)算根據(jù)熱管傳熱，腐蝕和降壓要求，選取煙氣側(cè)的迎面質(zhì)量流速是：Go1=3kg/（m2·s）而空氣側(cè)的迎面質(zhì)量流速的公式是GG要想算出最窄截面処質(zhì)量流速，需要先算出橫向管節(jié)距離，縱向管節(jié)距離和氣流阻斷系數(shù)。橫向管節(jié)距：S縱向管節(jié)距：對(duì)于正三角形叉排：S煙氣側(cè)氣流阻斷系數(shù)：ψ空氣測(cè)氣流阻斷系數(shù)：ψ則最窄界面處質(zhì)量流速計(jì)算煙氣側(cè)：G空氣側(cè)：G2.熱管蒸發(fā)段和冷凝段的長(zhǎng)度確定根據(jù)流體流動(dòng)阻力，冷熱流體的進(jìn)、出口溫度的數(shù)值綜合考慮，決定：熱管的尺寸為：蒸發(fā)段l1=1.38m冷凝段l2=1m絕熱段la=0.02m熱管總長(zhǎng)L=2.4m3.進(jìn)口界面尺寸煙氣側(cè)迎風(fēng)面積：F空氣測(cè)迎風(fēng)面積：F熱管每排單管數(shù)：N熱管每排換熱面積：F=4.4熱管傳熱計(jì)算1.基本參數(shù)取熱、冷流體進(jìn)出口溫度的平均值為定性溫度煙氣定性溫度：t空氣定性溫度：t則冷、熱流體的物性參數(shù)是：煙氣：煙氣密度：ρ煙氣比熱：C煙氣導(dǎo)熱系數(shù)：k煙氣動(dòng)力粘度：μ煙氣普蘭特?cái)?shù)：Pr=0.6空氣：空氣密度：ρ空氣比熱：C空氣導(dǎo)熱系數(shù)：k空氣動(dòng)力粘度：μ空氣普蘭特?cái)?shù)：Pr=0.62.熱管管外換熱系數(shù)（以中心管為基準(zhǔn)）：煙氣：?空氣：?中心管加上肋片后，傳熱系數(shù)得到了強(qiáng)化。肋化后，以之前肋化前面積為基準(zhǔn)的折算換熱系數(shù)是中心管換熱系數(shù)h01，肋片效率ηf1和肋化比β1的乘積。即：?熱管管外換熱系數(shù)（以中心管加翅片為基準(zhǔn)）：煙氣側(cè)：?空氣側(cè)：?3.熱管管壁熱阻熱管管外熱阻是由對(duì)流換熱熱阻、污垢熱阻和接觸熱阻組成。公式為R公式中的Rs1是流體側(cè)的污垢熱阻，也可以使用ε來(lái)替換。ε是有垢表面換熱系數(shù)與清潔表面換熱系數(shù)之比。煙氣側(cè)管外換熱系數(shù)（接觸系數(shù)ξ取0.1，ε1取0.85）：R空氣側(cè)管外換熱系數(shù)（接觸系數(shù)ξ取0.1，ε2取0.98）：R熱管管內(nèi)熱阻是由蒸發(fā)段和凝結(jié)段的管壁導(dǎo)熱熱阻，管內(nèi)工質(zhì)沸騰、凝結(jié)換熱系數(shù)，蒸汽流動(dòng)熱阻組成的。圖中，R1是蒸發(fā)段管壁導(dǎo)熱熱阻，RR2是管內(nèi)工質(zhì)沸騰換熱熱阻，RR3是管內(nèi)蒸汽流動(dòng)熱阻，可忽略不計(jì)R4是管內(nèi)工質(zhì)凝結(jié)換熱熱阻，RR5是冷凝段管壁導(dǎo)熱熱阻，R因此，熱管管內(nèi)熱阻R=R1+R2+R3+R4+R5。因?yàn)镽3數(shù)值過(guò)小，可以忽略不計(jì)，所以：R=蒸發(fā)段管內(nèi)熱阻：R冷凝段管內(nèi)熱阻：R蒸發(fā)段和冷凝段的總熱阻：RR總熱阻：R4.5單管傳輸功率在計(jì)算單管傳輸功率之前，要先計(jì)算出對(duì)數(shù)平均溫差。對(duì)數(shù)平均溫差：Δ單管傳輸功率：Q熱管根數(shù)：N=熱管排數(shù)取N1=15排4.6阻力計(jì)算熱管式換熱器的兩側(cè)流體阻力會(huì)同時(shí)影響到引、送風(fēng)機(jī)的功率，所以?xún)蓚?cè)的流動(dòng)阻力是衡量其節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)。煙氣側(cè)流動(dòng)阻力系數(shù)：f空氣側(cè)流動(dòng)阻力系數(shù)：fs1=煙氣側(cè)流動(dòng)阻力：Δ空氣側(cè)流動(dòng)阻力：Δ4.7安全校核1.熱管關(guān)內(nèi)液體工作溫度首排工作溫度：t末排工作溫度：t加熱側(cè)最低璧溫：t首排工作溫度符合水的工作溫度范圍，因此水是作為熱管內(nèi)工作溫度是合適的。加熱側(cè)最低壁溫高于水蒸氣露點(diǎn)溫度（50℃），所以熱管換熱器適合熱管工作環(huán)境。熱管安全性校核分為兩種方式進(jìn)去校核，一種是算出熱管極限傳熱值，對(duì)單根熱管的傳熱量進(jìn)行校核。如果極限熱值大于設(shè)計(jì)的單根熱管傳熱量，那幫助熱管是可以安全進(jìn)行工作的。計(jì)算極限熱量Qent的公式如下：Q其中，CBo=將工作溫度150℃作爲(wèi)定性溫度，查得飽和水和飽和蒸汽的物性參數(shù)：密度ρ=917kg/m3表面張力σ=0.0487N/m汽化潛熱r=2113.746kj/kg飽和蒸汽密度ρv=2.584kg/m3Bo=CQ因爲(wèi)Qent另一種是校核最小管內(nèi)直徑校核，其公式為：d取Qent=1.5則d所以管內(nèi)最小直徑校核正確，熱管可以安全工作。2.熱管強(qiáng)度校核熱管管殼的厚度由強(qiáng)度決定，應(yīng)滿(mǎn)足壁厚能夠滿(mǎn)足管內(nèi)工作壓力，最小壁厚由下式確定：δ式中，P是最大工作壓力，取250℃時(shí)的飽和壓力為39.77kgf/cm2di是熱管內(nèi)徑，為26mmσ是許用應(yīng)力，取12.6kgf/mm2C是腐蝕余量，取0.5mmδmin計(jì)算得：δmin所以當(dāng)熱管管內(nèi)工質(zhì)溫度達(dá)到250℃時(shí)，壁厚4.5mm大于允許的最小壁厚。所以所設(shè)計(jì)的熱管換熱器是可以安全工作的。

第五章熱管換熱器的安裝與加工5.1熱管的選擇本次設(shè)計(jì)的熱管換熱器主要是在鍋爐余熱回收系統(tǒng)中使用，換熱器的布置不會(huì)有很大的限制，所以選擇立式布置，熱管選擇使用重力熱管。重力熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，傳熱性能好，且在鍋爐余熱回收應(yīng)用中技術(shù)較成熟，可以使用以重力熱管為管束的熱管換熱器。5.2熱管的預(yù)處理在熱管的設(shè)計(jì)計(jì)算中，因?yàn)楣ぷ鳒囟拳h(huán)境計(jì)算出的結(jié)果是250攝氏度以下，所以選擇了使用水為管內(nèi)工作液體。之后根據(jù)水的兼容性，和銅和碳鋼之間的綜合性考量，選擇使用碳鋼-水熱管作熱管的管殼材料和管內(nèi)工作液體。但是純碳鋼和水在高溫下會(huì)發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)，會(huì)對(duì)熱管的傳熱工作產(chǎn)生一定的影響。Fe+23Fe+4Fe鐵跟水在高溫環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生不凝性氣體-氫氣，產(chǎn)生的氫氣會(huì)在密度作用下往熱管的冷凝段上升，會(huì)占用冷凝段的換熱面積，導(dǎo)致熱管無(wú)法正常工作。并且為了防止氫氣溶于鋼中形成氫分子，造成氫脆導(dǎo)致熱管破裂的現(xiàn)象產(chǎn)生，需要對(duì)熱管管內(nèi)進(jìn)行一些預(yù)處理。1.熱管管壁內(nèi)鍍銅在之前的比較中提及過(guò)，銅的強(qiáng)度、價(jià)格相較于碳鋼不是很適合作為熱管材質(zhì)，但在兼容性的選擇上銅比碳鋼更適合水。所以可以使用化學(xué)鍍銅的操作彌補(bǔ)碳鋼的缺點(diǎn)。化學(xué)鍍銅能夠做到銅鍍?cè)跓峁芄軆?nèi)表面，操作簡(jiǎn)單方便，相較于純銅制熱管來(lái)說(shuō)又價(jià)格便宜，因此用化學(xué)鍍銅的方法去提高碳鋼-水熱管的穩(wěn)定性是最好的辦法了?；瘜W(xué)鍍銅本質(zhì)上是氧化還原反應(yīng)。通過(guò)還原反應(yīng)使活潑性比銅好的元素作為還原劑，讓銅離子析出固定在表面上，達(dá)到化學(xué)鍍銅的效果。化學(xué)鍍銅的優(yōu)點(diǎn)在于它的使用范圍廣汎，鍍層密度均勻，性能穩(wěn)定。作為對(duì)碳鋼-水熱管內(nèi)壁的預(yù)處理方法非常好用。2.在熱管頂部加裝不凝性氣體排放裝置，頂部安裝氫氣吸收裝置氫氣在碳鋼-水熱管中屬于主要防范氣體，可以選擇在熱管頂部開(kāi)口加裝氣體排放裝飾或者氫氣吸收裝置，但這對(duì)于保持熱官使用壽命和正常工作來(lái)說(shuō)并不合適。因爲(wèi)如果不對(duì)熱管內(nèi)壁進(jìn)行鍍銅操作的話(huà)，還是會(huì)有Fe（OH）2和Fe3O4在熱管內(nèi)部生成出來(lái)，增加管壁厚度，增加熱阻系數(shù)。在保證碳鋼-水熱管工作壽命和工作穩(wěn)定時(shí)，相較于在熱管頂部加裝不凝結(jié)氣體排放裝飾或是氫氣吸收裝置，管壁內(nèi)鍍銅是最有效的預(yù)處理方式。5.3重力熱管的傳熱加強(qiáng)方法為了降低熱阻，增加傳熱量，現(xiàn)有一些很有借鑒意義的措施：1.在管內(nèi)開(kāi)設(shè)微槽道在關(guān)內(nèi)開(kāi)設(shè)微槽道意義在于增加換熱面積。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)指出，在管內(nèi)增加微槽道的換熱系數(shù)比光滑管內(nèi)壁增加55%，充液量下限提高，最大熱流密度降低。2.在管內(nèi)增加抑泡裝置可以在管內(nèi)防止開(kāi)孔抑泡管或者銅制抑泡彈簧起來(lái)抑制起泡的作用。開(kāi)孔抑泡管的作用是，當(dāng)氣泡在蒸發(fā)段形成向上流動(dòng)時(shí)，抑泡管可以對(duì)氣泡的脫離起到抑制作用，迫使氣泡呈橢圓狀生長(zhǎng)。當(dāng)氣泡從孔中逸出時(shí)，加大了泡底微膜面積并且增加了微層蒸發(fā)時(shí)間，使得蒸發(fā)段傳熱得到強(qiáng)化。放置抑泡彈簧的作為是，當(dāng)工質(zhì)被加熱，彈簧被氣泡山下振動(dòng)時(shí)，可使管內(nèi)無(wú)法出現(xiàn)較大氣泡，彈簧表面可以短暫留住氣泡。因?yàn)殂~良好的導(dǎo)熱性，也可以使工質(zhì)內(nèi)溫度分布平均，避免出現(xiàn)局部過(guò)熱的情況出現(xiàn)。3.放置溢流同心導(dǎo)管溢流同心導(dǎo)管布置在冷凝段一側(cè)。具體工作原理是蒸汽向上流動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)各階段的氣孔開(kāi)始凝結(jié)，水珠通過(guò)溢流環(huán)的環(huán)縫流向喇叭狀的饋液歡，之后流向絕熱段，最后流回蒸發(fā)段。這樣可以做到減少了汽液之間的相互作用，增加了熱管的傳熱極限，蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱系數(shù)大幅度提高。4.采用人工珠化，促進(jìn)珠狀凝結(jié)蒸汽在表面凝結(jié)有兩種方式：珠狀凝結(jié)和膜裝凝結(jié)。珠狀凝形成的熱阻非常微小，因此可以忽略不計(jì)，換熱系數(shù)比膜狀凝結(jié)高出許多倍。因此我們可以采用促化劑，像硅油，油酸等，人工促進(jìn)蒸汽凝結(jié)成珠狀凝結(jié)。5.4熱管管內(nèi)工質(zhì)充液量重力熱管內(nèi)充液量一般較大。儅工作液體蒸汽汽化重新凝結(jié)后，液體流向底部時(shí)，仍舊有部分液體存留在蒸發(fā)段底部，形成液池。當(dāng)熱流量增加時(shí)，液體蒸發(fā)過(guò)快，下降液膜蒸發(fā)量增大，導(dǎo)致蒸發(fā)段底部相較于之前的液池有局部干涸的情況產(chǎn)生。當(dāng)充液量過(guò)小時(shí)，蒸發(fā)段底部會(huì)出干涸的情況，導(dǎo)致熱管無(wú)法工作。Streltsov在以努賽爾的豎壁冷凝理論解為基礎(chǔ)，認(rèn)為蒸汽在冷凝段凝結(jié)后，液體從冷凝段向絕熱段下滑，液膜從零向下逐漸加厚，在絕熱段時(shí)液膜厚度一致，最后在蒸發(fā)段積存時(shí)液膜厚度重新變成零。而液膜的蒸發(fā)過(guò)程可以看作是液膜凝結(jié)的逆過(guò)程。在這個(gè)理論基礎(chǔ)上，建立了重力熱管的充液量與熱流量的公式：G=（這個(gè)公式可以幫助我們計(jì)算出熱管管內(nèi)最小充液量，避免蒸發(fā)段底部出現(xiàn)完成干涸情況的出現(xiàn)。但充液量過(guò)大會(huì)影響到傳熱效果。關(guān)于管內(nèi)最佳充液量，很多學(xué)者認(rèn)為管內(nèi)工質(zhì)液體V’=20%~30%是合適的。所以確定管內(nèi)充液量是0.5kg。5.5熱管換熱器管內(nèi)排布熱管換熱器內(nèi)的熱管安裝有兩種方式，一種是叉排，一種是順排。叉排的優(yōu)點(diǎn)在于它的氣流擾動(dòng)大，溫度邊界層薄，換熱充分，積灰少，但流動(dòng)阻力較大。在壓降允許的條件下，優(yōu)先使用叉排，可減少熱管根數(shù)和排數(shù)。當(dāng)允許的壓降值很小時(shí)，可以考慮使用順排。這次設(shè)計(jì)中采用的是正三角叉排。5.6熱管的端蓋熱管的端蓋具有很多種類(lèi)，因此它與熱管的連接方式也會(huì)因?yàn)闊峁艿慕Y(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生不同的變化。圖5-6中的幾種端蓋以及它們與熱管的連接方式，端蓋的外圓尺寸可以比熱管內(nèi)徑稍微少一點(diǎn)。將端蓋與熱管配合后，管殼突出的部分可以使用氬弧焊來(lái)熔焊，不需要填加焊條，焊口可以光滑平整。圖5-7是另一種端蓋的結(jié)構(gòu)形式。充液管與端蓋的焊接口在熱管內(nèi)部。這樣做可以保證在熱管制造好后，不會(huì)有殘留剩下的液體污染管內(nèi)。5.7熱管換熱器內(nèi)熱管安裝角度熱管的安裝應(yīng)該有一定的傾斜角，這樣是為了方便灰塵的掉落和管內(nèi)流動(dòng)液體凝結(jié)完成后重新流回蒸發(fā)段。按照我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，熱管的傾斜角不應(yīng)該低于10度。在相關(guān)的論文中研究出，當(dāng)各種工況不變石，傾斜角在20至40度時(shí)，傾斜角對(duì)重力熱管的效果最好，會(huì)獲得較好的傳熱效果。5.8熱管換熱器的隔板密封熱管換熱器的隔板可以將熱、冷流體有效分隔開(kāi)，保證兩股流體之間不會(huì)有很大的影響，而且可以起到固定熱管的作用。其中可以使用折流板，提高傳熱的效果。隔板密封指的是冷熱流體通道之間的密封裝置。這可以用來(lái)保重兩股流體之間不會(huì)受到相互影響。因?yàn)闊峁軘?shù)量很多，熱管之間的管距比較小，所以這種特殊的密封技術(shù)給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一些困難。根據(jù)使用的場(chǎng)合不同，熱管的密封技術(shù)要求也會(huì)隨之有一定的變化。圖5-8是常用于氣-氣熱管換熱器的熱管和隔板的連接形式。這種結(jié)構(gòu)是在隔板上開(kāi)一個(gè)孔徑大于熱管外徑的孔，熱管穿過(guò)孔后，將兩片套環(huán)固定在熱管和隔板之間，并用卡環(huán)固定。因?yàn)榉珠_(kāi)的套環(huán)和固定用的卡環(huán)是分開(kāi)的，所以氣封性不是很好?，F(xiàn)在有一種方法可以改進(jìn)，就是將整體的套環(huán)固定在隔板上，然后熱管穿過(guò)套環(huán)，之后再將卡環(huán)或者一些密封涂料澆筑在熱管外圍。雖然密封性得到改善，但操作上還是有一定難度。圖5-9是適用于對(duì)于密封要求較高的結(jié)構(gòu)形式。圖中的套管可以適用在煙氣側(cè)或者空氣側(cè)。首先先將套管與隔板固定住，之后將不帶有肋片的熱管放入套管內(nèi)。可以在熱管外表面增加微槽，減少接觸面積，讓熱管更容易地進(jìn)入套管?？梢赃x在套管內(nèi)增加導(dǎo)熱性好的油脂物品，提升熱管的導(dǎo)熱性。圖5-10內(nèi)的結(jié)構(gòu)常用于大型熱管空氣預(yù)熱器。這種結(jié)構(gòu)采用了特制的套圈。刨面圖如圖中所示。套圈的外圓下部?jī)蓚?cè)呈現(xiàn)球面，與隔板的孔口使用球面密封，也可以使用錐面密封。熱管可以穿過(guò)套圈放置。等熱管擺放在固定位置后，使用熔融金屬澆筑在套圈內(nèi)圈，使其內(nèi)圈填充密封。這種方法類(lèi)似于隔板的澆鑄工藝。但相較于隔板澆鑄工藝，這種方法省去了模板，加工流程較方便，熱管拆卸靈活。5.9熱管換熱器管箱熱管換熱器的管箱總體體積為2800x1680x2200（單位為mm）。根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)的數(shù)值進(jìn)行稍微放大處理，方便安裝。煙氣與空氣采用逆流的方式進(jìn)行布置，且冷流體在上，熱流體在下，以便為與達(dá)到更好的換熱效果。

第六章總結(jié)本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容在于熱管式空氣預(yù)熱器。先是對(duì)鍋爐整體進(jìn)行熱力計(jì)算，設(shè)計(jì)出的鍋爐熱力校核誤差在0.23%，符合計(jì)算誤差。熱管換熱器內(nèi)部的熱管總體長(zhǎng)度是2.4m，蒸發(fā)段為1.38m，冷凝段為1m，絕熱段為0.02m。熱管使用種類(lèi)的是重力熱管。單根熱管的攜帶熱量為5954.03W，熱管總熱阻在0.033℃/W。最后在校核熱管上通過(guò)熱管最大攜帶熱量，管內(nèi)最小直徑的校核方法和最小管壁的校核方法保證了熱管的安全工作。在熱管換熱器的安裝上，采用立式放置。在將熱管放置換熱器內(nèi)部時(shí)，先預(yù)先進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理。采用化學(xué)鍍銅的方法提升熱管的相容性。后可以選擇在熱管內(nèi)部放置抑泡裝置等技術(shù)方法強(qiáng)化重力熱管的傳熱性能。熱管管束排布方式選擇使用正三角形叉排方式，增加換熱面積，傳熱能力提高。熱管的安裝角度選擇在25度，可以增加管內(nèi)凝結(jié)液體從冷凝段向蒸發(fā)段回流的速度，減少時(shí)間，增加效率。換熱器內(nèi)的管板使用的是折流板。在管板密封選擇上使用的是常用于氣-氣熱管換熱器的同心密封環(huán)。在熱管穿過(guò)孔徑比熱管外徑稍大的控后，先后使用兩片套環(huán)和卡環(huán)將其固定，減少冷熱流體之間的