分离式热管计算书

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两相流分离式热管系统的设计包括工质的选择、蒸发器设计、冷凝器设计、溶液泵的选型以及连接管路的设计。

本文设计的系统应用于回收小型锅炉排气余热，对入炉助燃空气进行预热。原始数据有：

工质的选择

确定热管工质需要考虑很多的因素，其中最重要的是温度因素。

任何一种工质都有它自己可以工作的温度范围，其下限是工质的凝固点，上限是热力学临界点。应避免接近凝固点及临界点附近工作。因为近于凝固点时，工质的饱和蒸汽压力及密度均很低，蒸汽流动速度大，造成大的蒸汽压降，或出现粘性限、声速限及携带限，一般使最低工作温度下的饱和蒸汽压不低于0.1大气压.相反，在接近临界点时，工质的品质因数将大大下降，又因出现过高压力，对可靠性及管壳强度均有更高要求{…………}。

工业上常常应用水为热管的工质，对于水，凝固点为0℃ (1个大气压下)，临界点为374.15℃。但实际上，工质工作的合适的温度范围要小得多，主要考虑的是，在热管的工作温度范围内，工质要具有合适的压力。压力值的上限受管壳强度的限制。

几种常用工质的工作温度范围

工质 熔点（K) 沸点 （K） 239.7 262.1 373.2 351.7 临界温度（K） 临界压力（公斤/厘米） 氨 氟利昂21 水 乙醇 195.0 138.2 273.2 155.9 405.3 451.7 647.4 513.1 115 52 224.4 80 210---340 170---400 303---500 283---410 2工作温度范围（K) 工业排烟一般都为中高温范围的烟气，高温条件下热管系统只能选取金属作为工质。中温范围（550~700K）最难选，比如汞虽然可适用于中温范围，但有毒，制造麻烦，而且长期相容性问题还无肯定结论。

本文设计热管工作温度为180℃，选择水作为系统内的循环工质。

蒸发器的设计

结构计算

1）热管元件的基本选择

（1）热管形式：碳钢一水两相流分离式热管，加缓蚀剂 （2）热管的几何尺寸

基管外直径 do=20mm； 壁厚 δw=5mm； 翅片形式：环形平翅片；

翅片外径 df=40mm； 翅片高度 H=10mm； 翅片厚度 δf =5mm； 翅片间距 Y=20mm。

选择套片管形式的圆形翅片管，翅片选10号钢。管孔按一定规律冲压的整张翅片(铝片或铜片)套装在传热管束上，并经胀管后使其接触良好，即形成套片管传热元件。这种胀管的质量较好，传热管变形均匀，接触热阻小，还可省去液压胀管后的清洗和干燥工序。它适合于大批量生产，而且组装灵活，可以使用铝翅片，自重较轻，故应用日益广泛。

2）换热器的基本结构 （1）管束的排列方式

由于有引风机，本设计选用正三角形错排方式布管。

选用正三角形错列方式布管： 横向节距

s1?1.3df?48mm

3s1?41.6mm 2纵向节距 s2?（2）迎风面积及热管长度

u流体在标准状态下通过换热器正面的流速称为迎面流速0（m/s）。热管换热

器设计应遵循一条重要的原则，即把迎面风速（标况）限制在2~3m/s的范围内，风速过高会导致压力降过大而动力消耗增加，风速过低会导致管外膜传热系数降低，管子的传热能力得不到充分的发挥。

排烟侧迎风速度

u01?3m/s 排烟侧侧迎风面积 A01?V01?0.742m2

3600u01 烟道宽度 B?Ao1?0.86m2

单根管长度（在烟道宽度这种保留20%裕量以满足安装要求）

le=0.8B=0.68m; (3)第一排管子数 NT=B/s1=14 排数 27排 总管数 365根

（4）元件加热段外光管面积Fo,e

Fo,e??d0le?0.04324m2 3）热管的翅化比及换热器气流阻断系数

翅化比： ?1?{2[(df/2)2-(do/2)2]?do?f}/doY]?(1-?f/Y}?7.1 3 由热管和管上翅片遮盖的通风面积占迎风面积的比例可用气流阻断系数表示：

?1? 传热计算

（1）排气侧热物性参数及放热量

'' 选取换热器出口的排气温度t1=190℃(考虑了当炉子在低负荷下运行时，排''气温度降低引起t1向下波动应留的安全裕量）。

d0?(2H?t/Y)?0.521

s1排气平均温度 tm1?(t'?t'')/2=245℃

以tm1为定性温度插曲烟气的热物性参数 密度 ?1?0.657kg1/m3 比热 cp1?1.11kJ/(kg?℃） 导热系数 ?1?0.04404 W/(m?℃）粘度 ?1?2.635?10?5kg(m?s) 排气在标准状况下的密度 ?o1=1.295kg/m3

排气热量

Q'1??01V01cp1(t1?t''1)/3600?351.4KW 烟气侧最窄截面流速 ??01V01/36002???19.28m/s

1leB(1??2)（4）换热系数计算 采用Briggs公式

?Y0.296Nu?0.1378Re0.7181/3?? ffPr?H??

Reu1d0?11???961 71 Prp1?11?c??0.6637

1 Nu1?106.87

??11?Nu1d?235.43W/(m2?℃） 0

2）热管元件的热阻计算 （1）翅片效率和翅化表面总效率

翅片效率 ?f?f(?,r'f/r0)

设定热管工作温度tv为180℃，管壁温度tp与蒸汽温度tv接近，以碳钢导热系数 λv=49.8W/(m·℃)

??(H?1?0.52?/2f)3(?)， fA A??f(r'f?r0)， ?1?0.3844 r'f?12(df??f)?22.5mm r'f/r0?2.04

tv查低查附录J效率曲线图得： ?f1?0.87 翅片总效率η

0

2[(d2?d?f/Y?2df(1??f/Y)fr)?2df?f] ?o?[(d?d)?2d2?f]/Y?2df(1??f/Y)2f2r

?o,e?0.7662

式中，dr为翅根直径，在此即为d0。 (2)单只热管分热阻计算 外对流热阻 R1?管壁热阻 R2?

内沸腾热阻

设定管内两相流的平均蒸汽含量为0.2，总质量流量为1.24Kg/s。 平均流速 ω

m1?1?e?o,e?d0le℃?0.03945/W

12??le/W lnd(0/di)?0.0023℃72=gml/ρ

s=0.79m/s ω

m雷诺数 （Re)v-l= ρ

cav-Lmdl/ μ

0.4vmvm =23014

（Nu)=（Re)Martinelli无因次参数

0.8v-l (Pr)=76.43

0.90.10.5[(1-x)/x](?/?)(?/?)lvvl X=

ll =0.4126

沸腾准则数Bo0.4=[q/(r·gml)]0.4=7.834*10-4q0.4 故得 Bo

-0.4

（Nu)pr/（Nu)ca=exp[2.35-0.266lnXll-0.0255(lnXll)]

2 =203.46 （Nu)pr=10.97（Nu)ca Bo ?e?2516W/(m2·℃)

-0.4

R3?

1?0.0045 9℃4/W

?e?dileo污垢热阻取R4?0.000086C/W

单根管总热阻Rt

Rt??Rj?0.0906℃4/W

j?14

3）传热温差

取换热武器为逆流流型

\?t1?t1'?t2?10℃ \'?t2?t1?t2?120℃

?tmax??t2?120℃ 对数平均温差

?t1m??t2??t1?108.4℃ ?t2ln?t14）传热系数K和传热量Qs

计算传热系数以加热段外光管面积Fo,e为基准。 Ko,e?1℃) ?49.44W/(m2·

RtFo,e单管平均传热量

W Qs?Ko,eFo,e?tmax?1195.8 热管空气预热器的总传热量Qt

Qt?Ko,eNjFo,e?tlm?352.3KW

蒸发器外侧流阻计算

2fsnGmax ?P?,N/m2

2? fs?37.86(d0Gmax??oVo)-0.316(s1-0.927s10.515 )()drs3 Gmax?3600l'B(1-?),kg/(m2?s)

式中，l'为流通计算高度，对热流体l'=le=0.68m

计算给出：

Gmax=10.13kg/(m2·s), fs?0.995 ?P?2099N/m2 引风机功率增量 P??PVo?o （取电动机效率?P?0.9）

1000?3600?P =6.7KW

蒸发器各项参数

部件 型式 基管外径 壁厚 翅片型式 翅片外径 翅片高度 翅片厚度 翅片间距 管束排列方式 横向节距 纵向节距 部件参数 碳钢一水，加缓蚀剂 20mm 5mm 套片管形式的圆形翅片管，材料为10号钢 40mm 10mm 5mm 20mm 正三角形错列 48mm 41.6mm 热管长度 第一排管数 总排数 总管子数 总换热量 引风机功率增量 0.68m 14 27 365 352.3KW 6.7KW

冷凝器的设计

由于冷凝器与蒸发器计算步骤类似，因此本设计省略其冷凝器设计步骤，

将关于冷凝器设计计算的各有关参数列于表2.2中。

冷凝器器各项参数

部件 型式 基管外径 壁厚 翅片型式 翅片外径 翅片高度 翅片厚度 翅片间距 管束排列方式 横向节距 纵向节距 热管长度 第一排管数 总排数 总管子数 空气进口温度 空气出口温度 部件参数 碳钢一水，加缓蚀剂 25mm 4mm 套片管形式的圆形翅片管，材料为10号钢 53mm 14mm 5mm 6mm 正三角形错列 58mm 50mm 0.69m 10 22 231 20℃ 170℃ 空气流量 总换热量 引风机功率增量 8082m/h 348.7KW 5.5KW 3

连接管路的设计

由于水作为系统的循环工质导致管路内压力较高，所以选择压力配管用

的碳素钢管STPG，材料的需用应力σ为38[Ib/in]。

经济的管内流速标准值

流体种类 高粘性液体 条件 泵吸入口 泵排出口 凝缩性气体 饱和蒸汽 过热蒸汽

流速[m/s] 0.06~0.15 0.15~0.6 15~30 30~60 2液体管的总质量流量为1.24Kg/s,则管路的直径为 d?(gm/?/??4)

选择泵吸入口前的管路中的液体流速为0.15m/s,则 d1=181mm 取此段管长为20m

选择泵排出抠的管路中的液体流速为0.4m/s,则 d2=111mm

取此段管长为50m

蒸汽含量为0.2时的气液两相流管路的直径为

d?(0.8gm/?水?0.2gm/?汽)/??4)

取管内气液两相流体的流速为15m/s，则 d3?114mm 取此段管长75m

管壁厚δ取5.5mm，以181mm内径为例，其外径为190mm，可承受的管内

压力为 P=1750(δ-2.45)/d*σ/1000=1.06Kg/mm=1.06×10Pa

180℃的饱和水蒸气压力为1.02×106Pa，因此所选管满足安全要求。

27 溶液泵的选型

热管系统中若出现杂质或不凝性气体，整个系统的换热性能会受到大幅度恶化，因此系统在充入工质前必须进行抽真空，而且系统工作时必须保持密封性良好。鉴于系统密封性的要求，两相流分离式热管系统中的溶液泵选择磁力循环泵，这种泵传动时没有动密封件，密封性能十分出色。

1)求系统摩擦损失压头 h=λ(l/d)(u/2g)

式中，λ为管道摩擦阻力系数，l为管道长，d为管道内径，u为管道中流体流速，g为重力加速度。

取圆管的临界雷诺数Recr=2000，则Re>2000时，流动视为紊流。紊流的管道摩擦阻力系数为

e0.25 ??0.3164/R2 （1）泵前的液体管路h1 Re=156936>2000 h1=0.001m

(2)泵后的液体管路h2 Re=418497>2000 h2=0.028m (3)蒸发器各管路h3 Re=54946>2000 h3=10.73m (4)冷凝器各管路h4 Re=77840>20000 h4=7.68m

(5）各接头阻力之和h5

由于换热器进出口处弯曲角度由现场的安装条件决定，本设计在此假设所有的管路入口、弯曲管路、截面变化、阀及管路出口处的损失h5=5m。 （6）管路阻力之和ht ht??hj?23.71m

j?15所以选择泵的扬程为30m。 2）泵流量选择

泵的质量流量为1.24Kg/s，所以体积流量为4.45m3/h，选择泵的流量为6m3/h。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/522f.html