热管换热器课程设计说明说

热管换热器课程设计说明说 热管换热器课程设计说明书 目录 第一章 概述 第二章 设计背景 第三章 国内外热管的应用 第四章 本设计主要研究的内容 1-王静 第一章 概述 在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量的热量通过其很小的截面积远距离的传输而无需外加动力。近年来热管技术飞快发展，应用领域也将不断地拓宽。 第二章 设计背景 能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础，世界各国都把建立可靠安、全的、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。随着经济的高速增长和人民生活水平的不断提高，世界各国对能源的需求量急剧增长。1997年全世界一次能源消费量(不包括生物能)己超过130亿吨标煤，其中石油占39.1%，天然气占23%，煤炭占27.6%，核电占7.45%。我国是世界上能源蕴藏和能源生产大国，我国的一次能源生产居世界第三位，但人均能源占有量仅为世界人均值的36%左右。节约天然资源和一次能源消费已成为考虑一切技术方案的前提。因此，精雕细刻地研究节能理论和技术，是具有重大而深远的意义的。尤其是我国加入,,,后，加速工业管理体制从计划经济向市场经济转轨的进程，今后企业将以其生产成本低廉从而造成低成本降能耗而在竞争中取胜，无疑是至关重要的。 第三章 国内外热管的应用 热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司(The GeneralMotors Corporation,Ohio,U. S. A) 的R.S. Gauler于1942年在美国专利(No.2350348)中提出的。 1962年L.Trefethen再次提出类似于Gauler的传热元件用于宇宙飞船，但因这种建议并未经过实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，亦未能付诸实施。 1965年Cotter首次提出了较完整的热管理论，为以后的热管理论的研究工作奠定了基础。 Katzoff于1966年发明了有干道的热管。干道的作用是为了给从冷凝段回到蒸发段的液体提供—个压力降较小的通道，大大地提高了热管的传输能力。 1969年的苏联和日本的有关杂志均发表了热管应用研究方面的文章。在日本的文章中已有描述带翅片热管束的空气加热器，在能源日趋紧张的情况下，可用来回收工业排气中的热能。同时Turner和Bienenl提出了用可变热导热管来实现恒温控制。Gray研究了一种新型热管——旋转热管，这些发明都是热管技术的重大进展。 1970年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用从宇航扩大到了地面。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 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中，应用热管作为管线的支撑，保证地面的永冻层，以满足工程需要。该工程共使用了112000余根热管，单根热管的长度为9—23m。 1974年以后，热管在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视，用热管组成换热器来回收废热，并将其用于工业以节约能源。美国和日本在这方面所取得的进展最为显著。 1980年美国Q?Dot公司生产了热管废热锅炉，日本帝人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。之后，各国的热管换热器研制工作迅猛展开，回转式、分离式等新的结构型式相继出现，并日趋工业化、大型化。 我国自70年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却 2-王静 及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，能源的综合利用水平较低，因此自80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，相继开发了热管气—气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类热管产品。由于碳钢—水两相闭式热管的结构简单、价格低廉、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，使得此类热管得以广泛的应用。我国的热管技术工业化应用的开发研究发展迅速，学术交流活动也十分活跃，从1983年起先后召开了六届全国性的热管会议。 我区煤炭储量丰富，能源的综合利用水平较低，因此我区热管研究及开发的重点为节能及能源的合理利用，在煤化工及煤转油行业应用较多。 随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也将不断拓宽。新能源的开发，电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却以及大功率晶体管、可控硅元件、电路控制板等的冷却，化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展。 3-王静 第四章 本设计主要研究的内容 一、设计题目 重力热管式换热器 二、原始资料 (1)、烟气进口温度 250? (2)、烟气出口温度 180? (3)、空气进口温度 20? 3 (4)、烟气流量 5000Nm/H 3 (5)、空气流量 4000Nm/H 三、设计流程 (1)、热管原件的基本选择 ?、热管型式:碳钢—水热虹吸管，加缓蚀剂 ?、热管的几何尺寸: 光管外径 d= 32 ? ; 壁厚 = 3 ? ; ,00 翅片型式:螺旋式翅片 翅片长度 = 15 ? ; 翅片外径 = 62 ? ; lfdf 翅片厚度 = 1.2? ; 翅片间距 Y = 4 ? ; ,f 翅片节距 ' = + Y = 5.2 ? ; ,f,f 10001片nf每米管长的翅片数 = = ; ,192m,f'5.2 翅片管为20号无缝钢管绕制高频焊翅片，翅片材料为10号钢，冷热流体侧的翅片 几何、结构相同; 热管换热器管子排列形式为等边三角形，如图: 横向管子中心距 ; ST,80mmSL,ST,80mm (2)、计算传热量Q ht?、烟气的定性温度 f ,cQ130.399，3600cctt ,，,20，,110.13:C21cccV,C,,4000，1.007，1.293fp hht，t250，180h12t= =? ,215f22 查的定性温度下烟气的参数为: hckg,:c定压比热容 =1.10075 kJ/; p 3 h, 密度 =0.72835 kg/m;f h,2,导热系数 =4.1345 W/m; ，10,:cf 4-王静 h,6,黏度 25.0565 kg/ms; ,,，10f h 普朗特数 Pr= 0.667 h?、烟气放出热量Q hhhhhh，，250,180=5000，1.295，1.10075， V,,,c(t,t)Q, fp21 =498914.9375kJ/H = 138.59kW 3h (假设标况下，取为 kg/m。) ,1.295f C?、热管传至冷空气侧的热量Q 考虑烟气侧有3%的热损，故: C，，1,3%， Q = 138.59 = 134.4323 kW C' ?、冷空气侧实际获得的热量Q 考虑冷侧3%的热损，故: C'，，，1,3%, Q= 134.4323 130.399 kW c(3)、冷空气出口温度t及对数平均温差 ,t2mc ?、冷空气的出口温度t2 ,ccC'Ccc,t2t1 = + Q/(Vc,fp ) ,cQ130.399，3600cctt,，,20，,110.13:C21ccc V,C,,4000，1.007，1.293fp c,1.007kJkg,:cc 用试算法求出 ; p ?、空气侧定性温度及参数 cc20，110，ttc12,t空气侧的定性温度= ,65:C f22 查得65?时空气的物性参数为: c,1.007kJkg,:cc定压比热容 p; c3,,1.0445kg/m f密度 ; c,2 ,,2.93，10w/m,:c f导热系数 c ,6kgm,:c黏度 = 20.35，10,f; t h Pr= 0.695 ; 普朗特数 ?、对数平均温差t ,m 5-王静 ，，，，,t,,t180,20,250,11012 t = = 149.78 ? ,,m,t180,201,,,,lnln,,,,,t2250,110,,,,(4)、确定迎风面积及迎风面管排数B Aex 设冷热侧迎风面积相等，热管几何尺寸及翅片参数亦相等 hc ?、烟气侧迎风面积A,空气侧迎风面积A exex hV50002h ; ,0.694mA,,exhw2，3600N c4000V2c ,0.56mA,,excw2，3600N ?、迎风面宽度E 假设迎风面宽度E= 0.8 m，则 hexA0.694h l,,,0.8675m ; hE0.8 cAex0.56cl,,,0.7m ; cE0.8 中间隔板厚 = 32 mm，预留安装段 = 35 mm ; llas h c 热管元件总长度 + + + 2= 1.67 m ; l,llllas 已采用迎面横向管子中心距 ，因而迎面管排的管子数B: ST,80mm E0.8B ,,,10ST0.08 (5)、求总传热系数 UH ?、管束最小流通截面积NFA h h ,,，，，，ST,d0,2lf,,f,nf,B,l NFA= 2 ，，，，,,0.08,0.032,2，0.015，0.0012，192，10，0.8675,0.356m= ; c c ,,，，，，ST,d0,2lf,,f,nf,B,l NFA= 2，，，，,,,0.08,0.032,2，0.015，0.0012，192，10，0.7,0.29m ; ?、流体最大质量流速 Gmax hhV,,5000，1.295ffh32 G,, 热侧 : ; ,18.188，10kg/m,hmaxhNFA0.356 cc4000，1.29332V,,ffc 3 ,,17.834，10kg/m,hG, 冷侧 :; maxc0.29NFA ?、求Ref 6-王静 h18.188，10^3，0.032,Gdhmax0 热侧 : ; ,6452Re,,fh，，25.0565，10^,6，3600,f c17.834，10^3，0.032,Gdc ,,7790max0 冷侧 :Re,fc，，20.35，10^,6，3600,f ?、求流体的换热系数 hf 10.6338 3Nuf,0.137,Re,Pr f h12,1,0.63384.1345，10f0.6338hhh33 热侧: h，，，，,0.137RePr,0.137，，6452，0.667ffd0.0320 2 = 40.17 w/m,:c c12,1,0.63382.93，10f0.6338ccc33 冷侧 : h，，，，,0.137,,Re,Pr,0.137，，7790，0.695ffd0.0320 2 = 32.53 w/m,:c ?、求翅片效率 ,f r16，15ffr ，故取; ,2,,1.94r00r16 h2h2，40.17fh0.015，,0.56 热侧:; ,,lf48，0.0012,,,wf c2h2，32.53fc0.015，,0.46 冷侧:; ,,lf57，0.0012,,,wf h c= 0.87 , = 0.91 由图3—71 查得，,f,f ?、求每米长热管管外总表面积 AH 每米长热管的翅片表面积为: Af ,，，22Af,2，,，，d,d，,,df,,f，1，nf f0,,4，， ,，，222,2，，(0.062,0.032)，,，0.062，0.0012，1，192,0.8954m ; ,,4，， 每米长翅片间管表面积为: Ar 2，，Ar,,,d0,1,nf,,f, ; 3.14，0.032，(1,192，0.0012),0.0774m 每米热管管外总表面积为: AH 2,Af，Ar,0.8954，0.0774,0.9728m AH 7-王静 ?、求管外有效换热系数 hfe hhhhh(AA)，,,40.17，0.0774，0.87，0.8954，，frffh2 hW/m,:C,35.36热侧:,,;fehA0.9728h cccch(A，,A),32.53，0.0774，0.91，0.8954，，frffc2h,W/m,:C,,29.84冷侧: fecA0.9728h ? 、求污垢热阻r及管壁热阻ryw 查《换热器原理与设计》附录D，取值 h2热侧:r,0.000086m,:C/w ; y c2冷侧:r,0.000086m,:C/w y 金属管壁热阻: ,0.003h2wr,,,0.000063m,:c/Ww ; h,48w ,0.003c2wr,,,0.000053m,:c/Ww c,57w ?UH 、求总传热系数 hhh,,AAA1121hhhhh,,,，2r,，r,，,，wy hhhhc,,UhAAhAh,,HfewyHPife 因为各部分面积比与单位长度上的面积比相等，故可将相应的数值代入上式，并取 hc2h,h,5810W/，，m,?,HPHP d，d0.032，0.026,,hh20iA,π,,l,π，，0.8675,0.079m,,w22,, ; h2A,π,d,l,π，0.026，0.8675,0.071mii ; 110.9728，0.8675,，2，0.000063，UH35.360.079 0.9728，0.867510.9728，0.86751，0.000086，，2，，，0.972858100.07129.84 2,0.067m,:c/W 2所以，U,14.86w/，，m,:cH 8-王静 h (6)、求加热侧总传热面积AH cQ134.4323，10^3h2A,,,60.4mHU,,t14.86，149.78Hm (7)、求所需热管数n、 hA60.4Hn,,,71.6根，取n,72根hhAl,0.9728，0.8675h (8)、求换热器纵深排数m n72m,,,7.2排，取m,8排B10 9999 排列方式:10101010 管子总数n,10，4，9，4,76根 (9)、求通过热管换热管的压力降 ?、求换热器的净自由容积NFV ππ2220.866，，NFV,,S,S,d,d,d,,,nLTfff0044 ,,2222,33，，,0.866，0.08,，0.032,，0.062,0.032，0.0012，192,4.23，10m/m44 、求当量直径D?ev 4NFV4，4.23，10^(,3)h3,热侧:D,,,20.05，10mevh A0.9728，0.8675h 4NFV4，4.23，10^(,3)c3,冷侧:D,,,24.85，10mevcA0.9728，0.7h '?、求Ref hh,33,20.05，10，18.188，10DGhevmax热侧:Re',,,4043fh,6,25.0565，10f cc,33,24.85，10，17.834，10DGcevmax冷侧:Re',,,6049fc,6,20.35，10f 、求摩擦系数f? 9-王静 ,0.145hh热侧:f,1.92，，Re',0.576f ,0.145cc冷侧:f,1.92，，Re',0.543f t?、求平均管壁温度w h3Q138.59，10hh热侧:t,t,,215,,153.9:cwfhhh,A,n35.36，0.9728，76，0.8675feh c3Q134.4323，10cc冷侧:t,t,,65，,152.1:cwfcch,A,n29.84，0.9728，76，0.7feh 、求壁温下的流体黏度,?w h,6，，热侧:,,22.45，10kg/m,sw c,6，，冷侧:,,24.1，10kg/m,sw ?、求通过换热器的压降,P ,0.140.40.62hhhh,,,,,,,fGLDS,，，fhevLmax,,,,,,P热侧:,,,,,hhh,,,,,,2gD,,SS,,cevfwTT,,,,,, 0.140.4,2,6,3,,,,0.57618188，0.08，0.866，825.0565，1020.05，10,,,,，，，,159Pa7,3,6,,,,21.3，10，20.05，10，0.7283522.45，100.08,,,, ,0.140.40.62cccc,,,,,,,fGLDS,，，fcevLmax,,,,,,P冷侧:,,,,,ccc,,,,,,2gD,,SS,,cevfwTT,,,,,, 0.140.4,2,6,3,,,,0.54317843，0.08，0.866，820.35，1024.85，10,,,,，，，,91Pa7,3,6,,,,21.3，10，24.85，10，1.044524.1，100.08,,,, (10)、求热管的第一排的管内流体温度t v ?、求Ref h,18188，0.032Gdhmax0 热侧:Re,,,6134fh-6,26.355，10，3600f c3,17.834，10，0.032Gdcmax0 冷侧:Re,,,7093fc-6,22.35，10，3600f ? 、求hf 10-王静 h12,1,0.63384.425，10f0.6338hhh33 h，，，，热侧:,0.137,,Re,Pr,0.137，，6134，0.667ffd0.0320 2 ,41.5w/m,:c c12,1,0.63383.275，10f0.6338ccc33 h，，，，冷侧:,0.137,,Re,Pr,0.137，，7093，0.687ffd0.0320 2 ,34.1w/m,:c ? 、求,f ,热侧:,0.87f 冷侧:,,0.91f ? 、求hfe hhhhh(A，,A),41.5，0.0774，0.87，0.8954，，frffh2热侧:h,,,36.53w/m,:cfehA0.9728h cccch(A，,A),34.1，0.0774，0.91，0.8954，，frffc2冷侧:h,,,31.28w/m,:cfecA0.9728h 、求U?H hhhAAA11h2hhhhhU,33.14w/m,:c热侧:rr,，,，,，,,0.03HwyhhhhhhUhAAhA,HfewyHPi cccAAA11c2cchhhU,28.776w/m,:c冷侧:,，r,，r,，,,0.035HwyccccccUhAAh,AHfewyHPi 、求t?v 3Q138.59，10hhh热侧:t,t,,250,,188:cw1hhU,A,m,B8，33.14，0.9728，10，0.8765Hh h3Q134.4323，10cc冷侧:t,t，,110，,195.8:cw1ccU,A,m,B8，28.76，0.9728，10，0.7Hh hhcct,l，t,l188，0.8765，195.8，0.7wwt,,,191.5:cvhcl，l0.8765，0.7 h(11)、求蒸发段热管的最后一排管壁温度t w 11-王静 h?、求Ref h,18188，0.032Gdhmax0 Re,,,6827fh-6,23.68，10，3600f h ? 、求hf h12,1,0.63383.834，10f0.6338hhh33 h，，，，,0.137,,Re,Pr,0.137，，6827，0.674ffd0.0320 2 ,38.75w/m,:c h ?、求,f h ,,0.88f h ? 、求hfe hhhhh(A，,A),38.75，0.0774，0.87，0.8954，，frffh2 h,,,34.11w/m,:cfehA0.9728h h、求U?H hhhAAA11h2hhhhhU,31.14w/m,:c,，r,，r,，,,0.032HwyhhhhhhUhAAh,AHfewyHPi 、求t?w 3Q138.59，10hhht,t,,180,,114:cw1hhU,A,m,B8，31.14，0.9728，10，0.8765Hh (12)、强度校核 查t=191.5? 时的物性参数 P = 1.255MPa v 查《热管技术及其工程应用》附录8，钢管的许用应力 ,,,,123MPa 2,s2，123，3,,,,,最大许用工作压力P,,,25.4MPad，s26，3i ,,P,P,故强度校核安全 12-王静