煉油廠常減壓裝置空氣預(yù)熱器設(shè)計及部件優(yōu)化畢業(yè)設(shè)計說明書

word文檔可自由復(fù)制編輯畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作者：學(xué)號：系部：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：過程裝備與控制工程題目：煉油廠常減壓裝置空氣預(yù)熱器設(shè)計及部件優(yōu)化指導(dǎo)者：評閱者：2013年5月南京熱管是一種高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它是一種能快速將熱能從一點傳至另一點的裝置。將熱管元件按一定行列間距、成束裝在框架內(nèi)，用中間隔板等密封元件將加熱段和散熱段隔開，構(gòu)成熱管換熱器。由于其具有傳熱量大、熱響應(yīng)迅速、溫差小等特點，熱管換熱器越來越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。本文從熱力計算著手，確定了熱管空氣預(yù)熱器的傳熱量、換熱面積、管排數(shù)等。然后進(jìn)行了設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并在合理地選擇元件參數(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合實際情況設(shè)計出了熱管式換熱器。針對低溫酸露點腐蝕的問題，本文提出了采用并聯(lián)熱管組件和表面涂防腐涂料的雙保險措施，并對密封方式進(jìn)行了一定的改進(jìn)，有效地提高了換熱器的使用壽命。關(guān)鍵字并聯(lián)熱管熱管換熱器熱力計算密封畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要TitleTheDesignandComponentsOptimizationofAirPreheaterinRefineryCrudeOilDistillationUnitAbstractHeatpipeisahighlyefficientheattransfercomponents,itisafastheatdevicetospreadheatfromonepointtoanother.Accordingtotheranksofcertainspacing,theheatpipes,whichoftheheatingandcoolingsectionseparatedfromthesealingelementsuchastheintermediatepartitionplate,aremountedwithintheframe,toconstitutetheheatpipeexchanger.Becauseofitslargeamountofheattransfer,rapidthermalresponse,smalltemperaturedifference,etc,peoplearepayingmoreandmoreattentiontotheheatpipeexchanger.Consequently,itisaverygoodprospectheattransferequipment.First,theheat,heattransferarea,thenumberofrowsaredeterminedbythermodynamiccalculationsinthisartical.Afterdesigningofthestructureofthedeviceandreasonableselectionoftheelementsparameters,withtheactualsituation,theheatpipeexchangerwasproposed.Forlow-temperatureaciddewpointcorrosionproblems,theparallelheatpipeandcoatingoftheanti-corrosioncoatingsonthesurfaceareused,withcertainimprovementofthesealstoimprovethelifeoftheheatexchangereffectively.KeywordsParallelheatpipeHeatpipeexchangerThermalcalculationSeal目錄前言 1第一章熱管概述 21.1熱管及其應(yīng)用 21.2熱管的工作原理 31.3熱管的基本特性 3第二章熱管換熱器 52.1熱管換熱器的基本特性 52.2熱管換熱器的分類 52.3熱管換熱器與其他換熱器比較 82.4熱管氣-氣換熱器設(shè)計中應(yīng)注意的問題 82.5換熱器應(yīng)用前景及研究進(jìn)展 92.5.1我國換熱器市場分布 92.5.2我國換熱器市場規(guī)模 112.5.3國際市場換熱器發(fā)展情況 11第三章熱管換熱器設(shè)計方案 133.1選擇換熱器類型 133.2熱管的設(shè)計 133.3熱管換熱器的設(shè)計計算方法 143.4熱管換熱器設(shè)計準(zhǔn)備 143.4.1換熱管的排列形式 153.4.2設(shè)計步驟 153.4.3原始數(shù)據(jù) 153.4.4符號說明 16第四章熱管換熱器工藝計算 194.1傳熱量 194.2對數(shù)平均溫差 194.3迎風(fēng)面積及其迎風(fēng)面管排數(shù) 204.4總傳熱系數(shù) 214.5加熱段總傳熱面積 234.6熱管根數(shù) 234.8通過熱管換熱器的壓力降 23第五章熱管設(shè)計 255.1熱管工作溫度的選擇 255.2熱管工質(zhì)的選擇 265.3熱管材料的選擇 275.4熱管的封頭設(shè)計計算 275.5熱管長度的確定 275.6熱管傳熱極限的影響 28第六章設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計 296.1材料的選擇 296.2箱體的設(shè)計溫度、壓力選擇 296.2.1箱體厚度的確定 296.3開孔補(bǔ)強(qiáng) 296.4管板的設(shè)計計算 296.4.1管板的厚度計算 296.4.2管板管孔直徑的確定 316.4.3管板與熱管的連接 326.4.4管板與管子的連接 326.5熱管換熱器設(shè)計模型圖 336.6箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計 336.6.1工字鋼的選擇 336.6.2進(jìn)出口設(shè)計 336.6.3上封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計 346.6.4檢查口和維修口設(shè)計 346.6.5箱體結(jié)構(gòu) 35第七章?lián)Q熱器防腐設(shè)計 367.1組件結(jié)構(gòu)及原理 367.2表面防腐措施 37第八章結(jié)論 388.1設(shè)計上的改進(jìn) 388.2制造上的改進(jìn) 38參考文獻(xiàn) 39致謝 41word文檔可自由復(fù)制編輯前言換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器，換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。換熱器的熱性能不僅與自身的幾何形狀和材料有關(guān)，而且還取決于進(jìn)行熱交換，熱狀態(tài)介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。節(jié)能換熱器過程中能量損失包括兩個方面：首先，流體流動的過程中消耗熱量較大；其次，熱傳遞不可逆的損失[1]。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。目前，換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備等近30多種產(chǎn)業(yè)，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益增強(qiáng)。換熱器的設(shè)計制造結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，因而近年來國內(nèi)換熱器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績，一些新型高效換熱器也相繼問世。目前，全國換熱設(shè)備市場呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，換熱設(shè)備產(chǎn)業(yè)正處在黃金增長期。第一章熱管概述熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件。它通過在全封閉真空管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量，能快速將熱能從一點傳至另一點。它具有非常高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、可以任意改變冷熱兩側(cè)的傳熱面積、可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳熱、溫度可控等一系列優(yōu)點。缺點是抗氧化、耐高溫性能較差。熱管傳熱技術(shù)于六十年代初期由美國的科學(xué)家發(fā)明[2]，它是利用封閉工作腔內(nèi)工質(zhì)的相變循環(huán)進(jìn)行熱量傳輸，因而具有傳輸熱量大及傳輸效率高等特點。隨著熱管制造成本的降低，尤其是九十年代前后隨著水碳鋼熱管相容性問題的解決，熱管憑借其巨大的傳熱能力，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、造紙、冶金等領(lǐng)域的余熱回收系統(tǒng)中。熱管氣-氣換熱器是最能體現(xiàn)熱管優(yōu)越性的熱管換熱器產(chǎn)品，它正在逐步取代傳統(tǒng)的管殼式換熱器。熱管氣-氣換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種熱管氣-氣換熱器。我國的能源短缺問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能已被提到了重要的議事日程。大量的工業(yè)鍋爐和各種窯爐、加熱爐所排放的高溫?zé)煔?，用熱管?氣換熱器進(jìn)行余熱回收，所得到的高溫空氣可用于助燃或干燥，因此應(yīng)用前景非常廣闊。據(jù)有關(guān)報道稱，我國三分之二的能源被鍋爐吞噬，而我國工業(yè)鍋爐的實際運(yùn)行效率只有65%左右，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行熱效率達(dá)85%，因此，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，節(jié)能潛力十分巨大。如果我國鍋爐的熱效率能夠提高10%，節(jié)約的能耗則相當(dāng)于三峽水庫一年的發(fā)電量，做好工業(yè)鍋爐及窯爐的節(jié)能工作對節(jié)約能源具有十分重要的意義[3-5]。利用熱管氣-氣換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式氣-氣換熱器，一方面，能夠大大提高預(yù)熱空氣進(jìn)入爐內(nèi)的溫度，降低煙氣溫度，從而大大提高鍋爐的熱效率；另一方面，熱管氣-氣換熱器運(yùn)行壓降非常小，有時甚至不需要增加引風(fēng)機(jī)等設(shè)備，從而使得運(yùn)行費(fèi)用大大降低。1.1熱管及其應(yīng)用熱管是一種高效的傳熱元件，熱管技術(shù)研究的重心已經(jīng)從理論研究轉(zhuǎn)移到應(yīng)用研究，熱管的應(yīng)用已經(jīng)由航天轉(zhuǎn)向地面，由工業(yè)轉(zhuǎn)向民用。當(dāng)前，熱管在太陽能利用、筆記本電腦CPU的冷卻以及大功率晶體管的冷卻、化工、冶金、動力等領(lǐng)域的應(yīng)用都取得了良好的效果[6]，熱管在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，將進(jìn)一步促進(jìn)新型熱管技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。特別指出的是，熱管技術(shù)在太陽能方面的應(yīng)用市場前景尤為廣闊。目前太陽能熱管發(fā)電裝置、太陽能熱管熱水器等產(chǎn)品已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。最近幾年來，熱管技術(shù)以其獨特的性能，在各方面發(fā)展都十分迅速。熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷拓寬，特別是微型熱管技術(shù)的出現(xiàn)，使得熱管在醫(yī)療手術(shù)、電子裝置芯片、筆記本電腦CPU的冷卻、電路控制板的冷卻、核電工程中的應(yīng)用得到了極大的發(fā)展[5]。勿容置疑，21世紀(jì)熱管技術(shù)必將朝著更高效、更普及、微型化、大規(guī)?；姆较虬l(fā)展。1.2熱管的工作原理兩相閉式熱虹吸管(Two—PhaseCLosedThermosyphon)又稱重力熱管，簡稱熱虹吸管，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1-1所示。工質(zhì)q蒸汽液膜q工質(zhì)q蒸汽液膜q圖1-1熱虹吸管工作原理與普通熱管一樣，利用工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝來傳遞熱量，且不需要外加動力而工質(zhì)自行循環(huán)。但與普通熱管所不同的是熱管管內(nèi)沒有吸液芯，冷凝液從冷凝段返回到蒸發(fā)段不是靠吸液芯所產(chǎn)生的毛細(xì)力，而是靠冷凝液自身的重力，因此熱虹吸管的工作具有一定的方向性，蒸發(fā)段必須置于冷凝段的下方，這樣才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸發(fā)段。由于重力熱管內(nèi)沒有吸液芯這一重要特點，所以和普通熱管相比較，不僅結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉，而且傳熱性能優(yōu)異、工作穩(wěn)定可靠，因此在地面上的各類傳熱設(shè)備中都可作為高效傳熱元件，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，已在各行各業(yè)的熱能綜合利用和余熱回收技術(shù)中，發(fā)揮了巨大的優(yōu)越性。1.3熱管的基本特性熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特征。（1）很高的導(dǎo)熱性。工作液體在真空狀態(tài)下吸熱相變，其氣化潛熱很大，傳輸阻力很小，所以導(dǎo)熱性很高，與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可以多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對而言的，考慮到溫差的存在，和不能違背熱力學(xué)第二定律，并且熱管的傳熱能力也會受到各種因素的限制。所以存在著一些傳熱極限，熱管的軸向?qū)嵝院軓?qiáng)，徑向并無太大的改善(徑向熱管除外)。（2）優(yōu)良的等溫性。工作液體相變后處于飽和狀態(tài)，蒸汽流動和相變時的溫差是非常小的，所以熱管的管壁表面溫度梯度非常小。在熱流密度很小時，熱管可以獲得高度的等溫表面。（3）熱流密度可變性。熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的加熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。（4）熱流方向的可逆性。一根水平放置的有吸液芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細(xì)作用力。因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。（5）熱二極管與熱開關(guān)性能。熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)。所謂二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動。熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。（6）恒溫特性(可控?zé)峁?。普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變化，因此當(dāng)加熱量變化時，熱管各部分的溫度也隨之變化。但是人們發(fā)展了另一種熱管—可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低，隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。（7）環(huán)境的適應(yīng)性。熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件變化而做成各種形狀，熱管也可做成分離式的以適應(yīng)長距離或冷熱流體不能混合的情況下的換熱。熱管既可以用于地面(重力場)，也可用于空間(無重力場)[3]。第二章熱管換熱器將熱管元件按一定行列間距、成束裝在框架內(nèi)，用中間隔板等密封元件將加熱段和散熱段隔開，構(gòu)成熱管換熱器。一般情況下，它有一個矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯列呈三角形的排列，也可以是順列呈正方形排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分成兩個部分，形成熱流體與冷流體的通道。當(dāng)熱冷流體同時在各自的通道中流過時，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實現(xiàn)了兩種流體的熱量交換。2.1熱管換熱器的基本特性（1）熱管換熱器可以通過換熱器的中間隔板使冷熱流體分開，在運(yùn)行過程中單根熱管因為磨損、腐蝕、超溫等原因發(fā)生損壞時基本不影響換熱器整體的運(yùn)行。熱管換熱器用于易燃、腐蝕性強(qiáng)、易爆的流體換熱場合時具有很高的可靠性。（2）熱管換熱器的熱、冷流體完全隔離流動，可以比較容易實現(xiàn)冷、熱流體的逆流換熱。冷熱流體都在管外流動，由于管外流動的換熱系數(shù)比管內(nèi)流動的換熱系數(shù)要高出許多。所以熱管換熱器用于品味較低的熱能回收場合非常經(jīng)濟(jì)。（3）對于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問題。（4）熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時，可以通過調(diào)整冷凝段、蒸發(fā)段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域[4]。2.2熱管換熱器的分類熱管式換熱器是一種新型的換熱器，于70年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時間不長，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的最大特點是：結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時的壓力損失也比其他換熱器小，因而動力消耗也小。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人們的重視。（1）按形式分：整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、回轉(zhuǎn)式熱管換熱器等。（2）按功能分：氣-氣式換熱器、氣-液式換熱器、氣-汽式換熱器等。根據(jù)具體工況設(shè)計的熱管換熱器結(jié)構(gòu)及外形形式多樣，圖2-1、圖2-2分別為應(yīng)用最為廣泛的氣-氣熱管換熱器外形示意圖和氣-液熱管換熱器外形示意圖。我國于1970年開始的熱管研制工作，首先是為航天技術(shù)發(fā)展的需要而進(jìn)行的。1976年12月7日，在衛(wèi)星上首次應(yīng)用熱管取得了成功。我國氣象衛(wèi)星也應(yīng)用了熱管，并獲圖2-1氣-氣熱管換熱器圖2-2氣-液熱管換熱器得了預(yù)期效果。我國在熱管換熱器方面的研制工作起步較早。南京工業(yè)大學(xué)在1973年開始了這方面研制工作，并和南京煉油廠合作完成了國內(nèi)第一臺熱管換熱器。以后幾年，熱管換熱器陸續(xù)在石油、紡織、化工等行業(yè)用于干燥工藝及余熱回收上。各研究熱管的大專院校和科研單位都先后與制造熱管的廠家組成了科研生產(chǎn)聯(lián)合體，在擴(kuò)大熱管換熱器應(yīng)用范圍和合理、有效地使用熱管換熱器等方面起了巨大的推動作用。熱管氣-氣換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的熱管換熱器。隨著能源短缺問題的日趨嚴(yán)峻，節(jié)能意識越來越深入人心，熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用前景更加廣闊。熱管氣-氣換熱器是單管組合式熱管換熱器中的一種氣-氣熱管換熱器，也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種余熱回收設(shè)備，它利用鍋爐、加熱爐等排煙余熱預(yù)熱爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對環(huán)境的污染，因此，熱管氣-氣換熱器在余熱回收利用中得到非常廣泛的應(yīng)用。圖2-3是熱管氣-氣換熱器用于回收鍋爐煙氣余熱，得到的熱空氣用于鍋爐助燃的流程示意圖。圖2-3熱管氣-氣換熱器流程示意圖熱管氣-氣換熱器綜合起來有如下一些特點[7-8]：（1）傳熱性能高。由于熱管氣-氣換熱器的加熱段和冷凝段都有帶翅片，大大擴(kuò)展了換熱表面，因此，其傳熱系數(shù)比普通光管氣-氣換熱器的要大好多倍。（2）對數(shù)平均溫差大。由于氣-氣換熱器可以方便地做到冷流體與熱流體的純逆向流動，這樣在相同的進(jìn)、出口溫度條件下，就可以產(chǎn)生最大的對數(shù)平均溫差。（3）傳熱量大。由于熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差大，因此，傳熱量就大。（4）體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。由于熱管氣-氣換熱器所傳輸?shù)臒崃看?，因此在傳輸同樣的熱量情況下，熱管氣-氣換熱器就顯得體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)非常緊湊，因而金屬的消耗量小，占地面積也就大大減少。熱管氣-氣換熱器這一獨特的優(yōu)點就使其在余熱回收等應(yīng)用領(lǐng)域開辟了廣闊的天地。（5）便于拆裝、檢查和更換。熱管氣-氣換熱器是由許多根獨立的換熱元件-熱管按著一定的排列方式組成的。因此更換部分熱管不會影響熱管氣-氣換熱器整體的正常工作。（6）熱管氣-氣換熱器具有很大的靈活性，可以根據(jù)不同的熱負(fù)荷和氣體的流量將幾個熱管氣-氣換熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來使用。（7）金屬壁溫被有效的提高了，所以明顯地減輕了低溫腐蝕。（8）漏風(fēng)也被有效地防止了，降低了引風(fēng)機(jī)的耗電量。（9）提高了換熱能力，余熱回收效率明顯提高，鍋爐熱效率也得到了提高。（10）明顯地減輕了受熱面積灰，不會出現(xiàn)堵煙現(xiàn)象而影響鍋爐正常運(yùn)行。2.3熱管換熱器與其他換熱器比較熱管換熱器適用于無交叉?zhèn)魅镜膱龊稀Ｅc其他換熱器相比，熱管換熱器無論是在維修、價格還是在壓降上都具有一定的優(yōu)勢，特別是在傳熱系數(shù)上優(yōu)勢更加明顯，具體見表2-1。表2-1各種換熱器比較[9]類型評定項目壓降傳熱系數(shù)維修價格輔助動力交叉污染傳熱面積/單位面積總計蓄熱式中（3）高（4）高（2）高（2）有（0）有（0）高（4）15管殼式高（2）高（4）中（3）中（3）無（5）無（5）低（2）24輔助流體式低（4）低（2）高（2）高（2）有（0）無（5）中（3）18板翅式低（4）中（3）中（3）高（2）無（5）無（5）很高（5）27熱管式低（4）高（4）低（5）中（3）無（5）無（5）高（4）302.4熱管氣-氣換熱器設(shè)計中應(yīng)注意的問題自七十年代以來，熱管換熱器用于回收各種廢氣的余熱已經(jīng)取得相當(dāng)大的成效，迄今已投入運(yùn)行的熱管換熱器已有好幾千臺;特別是工藝簡單、成本低廉的碳鋼-水熱管的問世，更為熱管換熱器在余熱回收方面的應(yīng)用開辟了十分廣闊的前景。（1）熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)熱管直徑、熱管長度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片間距、翅片高度、翅片厚度)決定翅片效率和翅化比，對熱管氣-氣換熱器的傳熱及流阻性能影響較大，并涉及換熱器的緊湊性、投資和運(yùn)行費(fèi)用。（2）積灰對于灰塵較多的煙氣，如其在熱管氣-氣換熱器中設(shè)計流動速度過高，雖然能夠提高熱管的換熱能力，但是會加速熱管的磨損，且增大煙氣流動阻力;速度較小時，熱管翅片上易積灰，使熱管換熱能力下降，嚴(yán)重時堵塞換熱器，使其失效。這也與目前落后的設(shè)計方法有關(guān)，傳統(tǒng)的設(shè)計手段難以通過進(jìn)行精確的設(shè)計計算來避免積灰。（3）露點腐蝕雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計計算，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計計算手段的限制，設(shè)計計算采用試算驗證的方式進(jìn)行，難以做到各項參數(shù)的優(yōu)化組合，從而造成熱管氣-氣換熱器的實際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)的偏離，導(dǎo)致露點腐蝕，導(dǎo)致熱管失效。2.5換熱器應(yīng)用前景及研究進(jìn)展單位：億元2.5.1我國換熱器市場分布單位：億元圖2-4換熱器市場分布我國換熱器市場分布見圖2-4，其中石油化工行業(yè)所占比重最大。2010年，預(yù)計中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在500億元左右，主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機(jī)械、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模在150億元；電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在80億元左右；船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在40億元以上；機(jī)械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為40億元；集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過30億元，食品工業(yè)也有近30億元的市場。以上。另外，航天飛行器、半導(dǎo)體器件、核電常規(guī)島核島、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏發(fā)電多晶硅生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器，這些市場約有130億元的規(guī)模[10]。圖2-5換熱器市場需求行業(yè)分布石油、化工行業(yè)是換熱器最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，約占換熱器30%的市場份額。石油、化工生產(chǎn)中幾乎所有的工藝過程都有加熱、冷卻或冷凝過程，都需要用到換熱器。單位：億元電力和冶金兩大行業(yè)所需的換熱器約占換熱器市場16%的份額。由于城市集中供熱中心二次熱交換器、制冷空調(diào)蒸發(fā)器冷凝器的大量應(yīng)用，集中供暖和制冷空調(diào)行業(yè)約占換熱器行業(yè)8%的市場份額。船舶行業(yè)應(yīng)用大量的中央冷卻器等換熱設(shè)備，約占換熱器行業(yè)8%的市場份額；機(jī)械行業(yè)在汽車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用大量的機(jī)油冷卻器、中冷器等換熱器，約占換熱器行業(yè)8%的市場份額。此外，在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，換熱器用量也較大，見圖2-5。單位：億元圖2-6我國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模圖2.5.2我國換熱器市場規(guī)模預(yù)計2010年至2020年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10～15%左右的速度增長。到2015年，我國換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破880億元；到2020年我國換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到1500億元[10]，見圖2-6。單位：億元圖2-7國際換熱器分布圖單位：億元圖2-8國際換熱器市場規(guī)模圖2.5.3國際市場換熱器發(fā)展情況國際換熱器產(chǎn)業(yè)的總市場規(guī)模在500億美元左右。其中，歐盟和美國這兩大市場的規(guī)模約占200億美元左右，占據(jù)全球換熱器市場近40%的份額。而世界換器市場新的增長點主要集中于中國、俄羅斯、巴西、印度以及快速發(fā)展的東南亞市場，其中，“金磚四國”約占全球換熱器市場近30%的份額，見圖2-7和圖2-8。第三章熱管換熱器設(shè)計方案3.1選擇換熱器類型根據(jù)題意，本設(shè)計中宜選用熱管式換熱器。由于熱管換熱器與其他換熱器比較具有：熱平均溫差大、傳熱性能高、布置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、可以改變熱管根數(shù)任意組合增大換熱面積等優(yōu)點，故可用較少的熱管保證熱量的傳遞；工作安全可靠，即使其中一根發(fā)生故障，也不影響整個換熱器的工作；檢修方便、維修量少、操控性強(qiáng)等優(yōu)點。因此熱管換熱器被廣泛應(yīng)用于余熱的回收，尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，各種熱力設(shè)備的排煙、排氣、排水、排渣等，凡是有余熱可回收的地方都可以應(yīng)用。3.2熱管的設(shè)計熱管的設(shè)計主要包括:管殼的設(shè)計、工作介質(zhì)選擇、吸濾芯材料選擇、中間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)的設(shè)計計算等（熱管的主要參數(shù)見表3-1）。其中熱管直徑、熱管長度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片間距、翅片高度、翅片厚度)決定翅片效率和翅化比，對熱管換熱器的傳熱及流阻性能影響較大，并涉及換熱器的緊湊性、投資和運(yùn)行費(fèi)用。表3-1熱管換熱器用熱管主要參數(shù)使用場合參數(shù)空調(diào)及一般行業(yè)工業(yè)大型裝置備注管長/mm610-48803000-60001-1.2mm多為有色金屬煙氣側(cè)翅片節(jié)距，其他材料翅片間距一般多為3-6mm管子外徑/mm8-25.432-51壁厚/mm1-1.2、1.652.5-6翅片數(shù)/（片/mm）8、11、143或6翅片高度/mm12.5-1415、25翅片厚度/mm0.17-0.581.27-2管排數(shù)3、4、5、6、76、7、12管子排列方式錯列（多）順列（少）在設(shè)計熱管時所依據(jù)的都是經(jīng)驗，當(dāng)煙氣的流量、溫度一定時，如何確定熱管的直徑、翅片高度、翅片厚度、翅片間距、熱管管間距、熱管長度等結(jié)構(gòu)尺寸并沒有準(zhǔn)確的依據(jù)。這也影響了熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用。3.3熱管換熱器的設(shè)計計算方法熱管換熱器設(shè)計計算的主要任務(wù)在于求取總傳熱系數(shù)U，然后根據(jù)平均溫差ΔT及熱負(fù)荷Q求得總傳熱面積A，從而定出管子根數(shù)n。設(shè)計中必須考慮的問題有[11]：（1）合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過高會導(dǎo)致壓力降過大和動力消耗增加，風(fēng)速過低會導(dǎo)致管外膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力得不到充分的發(fā)揮。一般而言，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的迎面流體風(fēng)速在2～3m/s，工作狀態(tài)下的流體風(fēng)速在一般限制在6～10m/s。（2）熱管的管徑，厚度，以及翅片的間距，高度，厚度等參數(shù)以及腐蝕性會影響流體的流動。（3）冷流體及熱流體運(yùn)行參數(shù)，包括流量，進(jìn)出口溫度等。熱管換熱器常用的的兩種基本計算方法是平均溫差法和傳熱單元數(shù)法，它們都能完成預(yù)熱器的設(shè)計計算和校核計算。設(shè)計計算是設(shè)計一個新的換熱器，要求確定換熱器所需的換熱面積；而校核計算是是對已有的氣-氣換熱器進(jìn)行校核，以確定換熱器的流體出口溫度和換熱量。通常由于設(shè)計計算時冷熱流體的進(jìn)出口溫度差比較容易得到，對數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進(jìn)行計算；而校核計算時由于熱管換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱管換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進(jìn)行計算。3.4熱管換熱器設(shè)計準(zhǔn)備熱管、熱管長度、熱管間距和直徑、翅片結(jié)構(gòu)對換熱器壓降影響很大。熱管直徑的選擇應(yīng)在中等直徑范圍，增加管長和減少管間距將有助于提高傳熱系數(shù)。翅片間距的選擇應(yīng)盡可能確保在流體邊界的兩個以上相鄰翅片表面流動層厚度的一個較小取值范圍。翅片厚度，翅片高度和間距也會影響熱管的壓降。翅片厚度的選擇應(yīng)該盡可能取較小的值，翅片高度的最優(yōu)值，應(yīng)采取有關(guān)的熱管外徑的一半。熱管直徑大小對換熱面積，壓力損失，壓力強(qiáng)度，緊湊型設(shè)備有直接影響。熱管直徑的選擇應(yīng)該為被鎖定的線性框架中等直徑，較大直徑不總是很好，為了設(shè)計出更加優(yōu)化的熱管換熱器，我們應(yīng)該全面考慮作出的選擇[12]。3.4.1換熱管的排列形式換熱管的排列形式主要有以下四種：圖3-1換熱管的排列形式等邊三角形排列用的最為普遍，因為管子間距都相等，所以在同一管板面積上可排列的管子數(shù)最多，便于管板的劃線和鉆孔。但管間不易清洗，適用于不結(jié)垢或可用化學(xué)方法清洗污垢以及允許壓強(qiáng)較高的工況。TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)殼程需要機(jī)械清洗時，不得采用三角形形式。在殼程需要進(jìn)行機(jī)械清洗時，一般采用正方形排列，管間通道沿整個管束應(yīng)該是連續(xù)的，而且要保證6mm的清洗通道。因為考慮到本設(shè)計采用的是一種新型的整體式熱管和雙隔板密封方式，所以本設(shè)計中的熱管采用（d）排列方式。3.4.2設(shè)計步驟（1）計算傳熱量Q；（2）求對數(shù)平均溫差?tm（3）確定迎風(fēng)面積Aex及其迎風(fēng)面管排數(shù)B；（4）計算總傳熱系數(shù)UH；（5）求加熱段總傳熱面積AH（6）確定所需熱管根數(shù)n；（7）求換熱器縱深排數(shù)m；（8）求通過熱管換熱器的壓力降?P；3.4.3原始數(shù)據(jù)（1）物性數(shù)據(jù)煙氣入口溫度：t1h煙氣出口溫度：t2h煙氣體積流量（標(biāo)況）：vh空氣入口溫度：t1c空氣出口溫度：t2c空氣體積流量（標(biāo)況）：vc（2）外形尺寸（如圖3-2）圖3-2翅片幾何參數(shù)示意圖光管外徑：do光管內(nèi)徑：di翅片高度：lf熱管有效全長：l=2m翅片厚度：δf翅片間距：sf單位長度上翅片數(shù)：n橫（縱）向罐子中心距：S3.4.4符號說明tfh：煙氣側(cè)定性溫度，cph：定性溫度下煙氣定壓比熱容，kJ/(kg*ρf'h：定性溫度下煙氣密度，λfh：定性溫度下煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m*μfh：定性溫度下煙氣黏度，kg(mPrfρfh：標(biāo)況下煙氣的密度，Qh：煙氣放出熱量，kwQO：煙氣余熱，kwQc：熱管傳至冷空氣側(cè)熱量，kwt2c：冷空氣出口溫度do：熱管外徑，mmdi：熱管內(nèi)徑，mmSL、ST：縱向、橫向管子中心距，mmWN：標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速，m/sAex：迎風(fēng)面積，m2UH：總傳熱系數(shù)，w/(m2*℃)NFA：管束最小流通截面積，m2Gmax：流體最大質(zhì)量流速，kg/(m2*h)Ref：雷諾準(zhǔn)數(shù)hf：換熱系數(shù)，w/(m2*℃)Lf：翅片高度，mδf：翅片厚度，mnf：每米熱管長的翅片數(shù)ηf：翅片效率Ah：每米長熱管管外總表面積，m2Af：每米長熱管的翅片表面積，m2Ar：每米長翅片間管表面積，m2hfe：熱管外有效換熱系數(shù)，w/(m2*℃)n：所需熱管數(shù)m：換熱器縱深排數(shù)NFV：換熱器凈自由容積，m3/mDev：容積當(dāng)量直徑，mtw：平均管壁溫度，℃?P：通過換熱器的壓降，PaL1:熱管蒸發(fā)段長度，mL2：熱管冷凝段長度，mTv：熱管工作溫度，℃[δ]t：鋼材許用應(yīng)力，MPa?：焊縫系數(shù)Pc：設(shè)計壓力，MPaDo：圓筒外徑，mmDi：圓筒內(nèi)經(jīng)，mm：δd設(shè)計厚度，mmδn：名義厚度，mmδe：有效厚度，mmDN：公稱直徑，mmC：附加厚度，mmC1：鋼板厚度的負(fù)偏差，mmC2：腐蝕裕量，mm第四章熱管換熱器工藝計算4.1傳熱量（1）煙氣定性溫度tt查的定性溫度下煙氣的熱物理性參數(shù)為表4-1煙氣熱物理性參數(shù)[13]數(shù)值大小參數(shù)類型數(shù)值大小參數(shù)類型定壓比熱容ckJ/(kg*℃)密度ρkg/m3導(dǎo)熱系數(shù)λw/(m*℃)粘度μkg(m*s)普蘭德準(zhǔn)數(shù)Pr1.110750.6764．46×10-239.956×10-60.66（2）煙氣放出的熱量QhQ煙氣的余熱QOQ余熱回收率ηη（3）熱管傳至冷空氣側(cè)的熱量Qc，考慮煙氣側(cè)有3%的熱損失，故有：Q（4）冷空氣實際獲得熱量Qc，考慮到冷側(cè)有3%熱損失，故有：Q4.2對數(shù)平均溫差（1）求空氣側(cè)定性溫度及熱物性參數(shù)空氣側(cè)定性溫度：t查表的160℃條件下空氣的熱物性參數(shù)為[14]：ρCμPr（2）求對數(shù)平均溫差????4.3迎風(fēng)面積及其迎風(fēng)面管排數(shù)（假設(shè)熱管煙氣側(cè)、空氣側(cè)迎風(fēng)面積相等，熱管幾何尺寸及翅片參數(shù)也相等，并取標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)風(fēng)速WN=2.5m/s）（1）設(shè)煙氣側(cè)迎風(fēng)面積Aexh、空氣側(cè)迎風(fēng)面積Aexh=VfhW（2）確定迎風(fēng)面的寬度E采用2m長的無縫碳鋼熱管，并取煙氣側(cè)與空氣側(cè)長度相等，則有：Eh=Aexh采用迎面橫向換熱管中心距ST=67mm，因此迎風(fēng)面管排的管子數(shù)B：B=實際迎風(fēng)面寬度為：E實際標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速WnWW（3）實際迎風(fēng)面積AA4.4總傳熱系數(shù)（1）確定管束最小流通截面積NFANFA=（2）求取流體最大質(zhì)量流速G煙氣側(cè)：G空氣側(cè)：G（3）求Re煙氣側(cè)：Re空氣側(cè)：Re（4）求流體換熱系數(shù)h煙氣側(cè)：h空氣側(cè)：h（5）求翅片效率η煙氣側(cè)：L空氣側(cè)：L圖4-1熱管翅片效率圖查圖得[15]：ηfh（6）求每米長熱管管外總面積A每米長熱管的翅片表面積AfA每米長翅片間管表面積ArA每米熱管管外總表面積AhA（7）求熱管外有效換熱系數(shù)h煙氣側(cè)：h空氣側(cè)：h（8）求污垢熱阻ry及金屬管壁熱阻煙氣側(cè)：取r空氣側(cè)：ry金屬管壁熱阻：rr（9）求總傳熱系數(shù)U由于各部分面積比與單位長度上的面積比相等，故可將相應(yīng)數(shù)值代入下式，并取hHph1=0.053(∴U4.5加熱段總傳熱面積A4.6所需熱管根數(shù)4.7換熱器縱深排數(shù)m=4.8通過熱管換熱器的壓力降QUOTE?P（1）求換熱器的凈自由面積NFVNFV=0.866（2）求容器當(dāng)量直徑D在本次設(shè)計條件下：D（3）求Re煙氣側(cè)：Re空氣側(cè)：Re（4）求摩擦系數(shù)f煙氣側(cè)：f空氣側(cè)：f（5）求平均管壁溫度t煙氣側(cè)：t空氣側(cè)：t（6）求管壁溫度下的流體粘度經(jīng)查表可得[16]煙氣側(cè)：μ空氣側(cè)：μ（7）求通過熱管換熱器的壓降煙氣側(cè)：?P空氣側(cè)：?P第五章熱管設(shè)計本設(shè)計采用的是無吸液芯重力熱管，由前可知：熱管蒸發(fā)段L1=1.0m，冷凝段L2=1.0m，外徑do=0.032m，內(nèi)徑di=0.027m。其制造流程如下圖5-1所示：上下端蓋加工及清洗翅片管制備管殼機(jī)械加工及清洗上下端蓋加工及清洗翅片管制備管殼機(jī)械加工及清洗吸液芯制作及清洗吸液芯插入管殼貼緊組裝焊接真空除氣封口切割抽真空灌漿真空檢漏測試工作液體預(yù)處理組裝管板加工殼體加工5.1熱管工作溫度的選擇熱管工作溫度是指熱管在正常工作狀態(tài)下蒸汽腔中蒸汽的溫度。作為傳熱元件的熱管能在-200-2000℃的溫度內(nèi)工作，在此溫度范圍內(nèi)可有多種工質(zhì)供選擇，而這些工質(zhì)都有它自己能工作的溫度范圍，該溫度范圍必須在所選工質(zhì)的凝固點和臨界點之間(見表5-1)。表5-1幾種常見工質(zhì)的適用范圍熱管工質(zhì)0.1MPa（常壓）下沸點（℃）熔點（凝點）（℃）臨界點（℃）合適的工作溫度范圍（℃）對應(yīng)的壓力范圍（MPa）低溫?zé)峁?30—100℃氨氟利昂-11氟利昂-113丙酮甲醇3324485764-78-111-35-98-99132.3135.5240-40—60-20—1200—7020—12030—1300.076—2.980.016—1.320.012—0.2040.027—0.670.026—0.786中溫?zé)峁?00—350℃水Thermex導(dǎo)熱物100287012374.249760—250200—3500.012—3.980.025—0.858高溫?zé)峁?50—1200℃汞鋅鈉鋰3617748921340-396298179300—550550—850600—1200800—16000.044—1.6030.01—0.2340.004—0.0590.007—0.33由前可知：tfh故熱管的工作溫度為：T5.2熱管工質(zhì)的選擇熱管是靠殼體內(nèi)工作流體（工質(zhì)）的相變和流動過程中質(zhì)量的轉(zhuǎn)移傳送熱量的。工質(zhì)的各種理化性能必然對熱管的工作特性有著重要的影響。工質(zhì)的選擇除考慮工作溫度的適應(yīng)范圍外，還應(yīng)考慮下面幾個問題：（1）工質(zhì)與熱管材質(zhì)間的相容性及工質(zhì)的熱穩(wěn)定性。工質(zhì)與材質(zhì)間一旦發(fā)生不相容將導(dǎo)致熱管的性能變壞或失效。因此，要求工質(zhì)在工作溫度范圍內(nèi)必須具有良好的熱穩(wěn)定性，即不變質(zhì)、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和分解反應(yīng)，不產(chǎn)生不凝結(jié)氣體和沉淀物等。（2）工質(zhì)的熱物理性質(zhì)。包括：①汽化潛熱高；②導(dǎo)熱系數(shù)大；③粘度低；④表面張力系數(shù)大；⑤潤濕能力高；⑥沸點適當(dāng)。（3）安全及經(jīng)濟(jì)性。對于以傳熱為主的熱管，盡量不采用易燃、易爆和有毒的工質(zhì)，否則一旦管殼燒壞或發(fā)生泄露將會造成嚴(yán)重后果。熱管的成本也是考慮的重要因素，盡管熱管中所用工質(zhì)數(shù)量較少，但由它所確定的管殼及管芯材料對熱管的成本影響很大[17]。根據(jù)以上的選擇原則，本設(shè)計采用水作為熱管的工質(zhì)。因為水的熱物理性能、安全性等都很好，且價廉易得，其工作溫度范圍：30-200℃。固然碳鋼-水重力式熱管雖然結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但應(yīng)注意的是，碳鋼和水在一定的條件下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，熱管中的氫氣濃度不斷升高，在熱管的冷凝段形成不凝性氣區(qū)，導(dǎo)致熱管傳熱能力下降甚至失效。而目前國內(nèi)解決的辦法是通過在工質(zhì)水中加入一定劑量的鈍化劑來減緩可凝性氣體的產(chǎn)生，其主要機(jī)理是：鈍化劑本身作為強(qiáng)氧化劑使金屬表面鈍化形成一層致密的氧化物薄膜，從而減輕金屬與水的反應(yīng)[18]。這就大大提高了碳鋼-水熱管的壽命，保證了其功效的正常發(fā)揮。5.3熱管材料的選擇熱管工質(zhì)選擇與熱管的材質(zhì)以及封口焊接材料的性質(zhì)密切相關(guān)，因為材質(zhì)與工質(zhì)間存在相容與否的問題。除此之外，殼體材料應(yīng)當(dāng)滿足耐高溫高壓、耐腐蝕性等極端條件，并且要具備良好的導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性以及價廉易得。因此本設(shè)計選用鋼號為Q235-B(GB912)的碳素鋼為管材[19]，其在210℃條件下，δ熱管最大允許工作壓力為：p經(jīng)查表得：水在210℃時的飽和蒸汽壓為P=19.077×105Pa5.4熱管的封頭設(shè)計計算封接是熱管制作的最后一道工序，因為要在真空的情況下把熱管與充裝系統(tǒng)斷開并封閉，封接后無法直接檢查封頭口是否泄露，而只能從熱管的性能好壞來判斷，所以封接是一道很重要的工序。小直徑熱管一般都采用平板封頭，封頭的厚度按下式計算（K：與端蓋形式有關(guān)的系數(shù)，有孔取0.45，無孔取0.4），本設(shè)計中K取0.45。δ=K5.5熱管長度的確定熱管換熱器中的熱管長度比應(yīng)保證兩端熱通量相等：h該長度比是：（1）基于考慮強(qiáng)化熱管外換熱系數(shù)和降低熱管束阻力的對立因素綜合選擇的迎風(fēng)質(zhì)量流速的保證條件而得；（2）是基于熱管總傳熱熱阻最小，即熱管單位表面積相應(yīng)的傳熱量最大的保證條件；（3）是基于根據(jù)許用蒸氣溫度來核算蒸發(fā)段吸熱與冷凝段放熱基本平衡的保證條件。基于這個原則，基于hL式中twL綜上知：熱管長度比值取1∶1可以使設(shè)備工作安全且經(jīng)濟(jì)合理。5.6熱管傳熱極限的影響熱管的傳熱能力雖然很大，但也不可能無限地加大熱負(fù)荷，事實上有許多因素制約著熱管的工作能力。換言之，熱管的傳熱存在著一系列的傳熱極限，限制熱管傳熱能力的因素主要有:管內(nèi)蒸汽流通截面的大小、毛細(xì)力、聲速、流體黏度、蒸汽壓力及冷凝等，這些傳熱極限與熱管尺寸、形狀、工作介質(zhì)、吸液芯結(jié)構(gòu)、工作溫度等有關(guān)，限制熱管傳熱量的類型是由該熱管在某工作溫度下各傳熱極限的最小值所決定的。熱管的傳熱受到一些因素的限制，即它具有一定的傳熱極限，超出這些極限的限制，熱管就會散失傳熱的能力。因此，在熱管的設(shè)計過程中應(yīng)把各個因素都考慮進(jìn)去，才能使熱管發(fā)揮其最大功效。在本設(shè)計中，由于采用無吸液芯重力熱管，故對熱管傳熱傳熱影響較大的極限是聲速極限和攜帶極限。第六章設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計6.1材料的選擇壓力容器用材的主要選擇依據(jù)：（1）容器的使用條件，如溫度、壓力、介質(zhì)、操作條件和結(jié)構(gòu)特點；（2）材料的力學(xué)性能；（3）材料的耐腐蝕性能，包括選材，防腐蝕結(jié)構(gòu)、防腐蝕襯里、腐蝕裕量、條件控制等；（4）材料的加工性能，如可焊性、冷熱加工成型性等；（5）材料的價格及來源；（6）同一工程設(shè)計中用材應(yīng)盡量統(tǒng)一[20]。在本設(shè)計中：材料為Q235-B(GB3274)碳鋼；使用溫度范圍：0-350℃；設(shè)計壓力為：≤1.6MPa；殼體鋼板厚度：≤20mm。6.2箱體的設(shè)計溫度、壓力選擇設(shè)計溫度系指容器在工作過程中在相應(yīng)的設(shè)計壓力下殼壁或元件金屬可能達(dá)到的最高或最低溫度。本設(shè)計的設(shè)計溫度為210℃，且在此溫度下Q235-B(GB3274)碳鋼的許用應(yīng)力為δt=123MPa，使用溫度范圍為-20℃—450℃。設(shè)計壓力是容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于正常工作情況下容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。本設(shè)計的蒸發(fā)段的設(shè)計壓力為0.1Mpa6.2.1箱體厚度的確定由于本設(shè)計的設(shè)計壓力只是一個大氣壓力，所以箱體厚度取為6mm時滿足剛度要求就足夠了。6.3開孔補(bǔ)強(qiáng)容器制造時，所取壁厚遠(yuǎn)大于所需壁厚，因此容器強(qiáng)度足夠滿足強(qiáng)度要求，再加上接管孔直徑比較小，容器工作壓力較低，所以不需要開孔補(bǔ)強(qiáng)。6.4管板的設(shè)計計算6.4.1管板的厚度計算目前我國換熱器的矩形管板計算方法通常采用GB151—1998附錄D（非圓形截面容器）所推薦的方法。計算時首先假定管板的厚度，然后按規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力校核，直至滿足要求為止。此種方法不但繁瑣，數(shù)值不精確，而且沒有考慮管板的開孔削弱和管子的加強(qiáng)作用。當(dāng)然矩形管板的計算方法很多，其中《西德AD壓力容器規(guī)范》中關(guān)于換熱器的矩形管板計算方法相對來說簡單、經(jīng)濟(jì)得多。按《AD規(guī)范》（B5篇6.2.1節(jié)）計算，《AD規(guī)范》中管板的計算式為：s=C式中：C—參數(shù)，取C=0.45；CE—矩形管板的計算系數(shù)；s—管板的計算厚度，mm；f—矩形管板的短邊，mm；P—設(shè)計壓力，bar（1bar=105Pa）；e—矩形管板的長邊，mm；S—安全系數(shù)；K—材料的強(qiáng)度指標(biāo)，N/mm2；v—開孔削弱系數(shù)或橫向收縮系數(shù)，v=KSKS由fe=0.79，查《AD規(guī)范》（B5篇6.2.1節(jié)圖2），即這里的圖6-1圖6-1矩形管板的計算系數(shù)查詢圖CE=1.24。根據(jù)工式s=CCEfpS6.4.2管板管孔直徑的確定管子外徑為62mm時，管孔直徑為62.25mm，允許偏差為：0--+1.2mm圖6-2管板管孔大小6.4.3管板與熱管的連接管板與殼體的連接依照換熱器的結(jié)構(gòu)形式分為可拆連接及不可拆連接[21]，由于水與碳鋼管的不相容性，熱管需定期清洗，又本設(shè)計采用的是雙隔板形式，所以本設(shè)計采用一塊可拆，另一塊不可拆的連接方式。如圖6-3和6-4所示。圖6-3上下隔板連接方式圖6-4雙隔板連接方式6.4.4管板與管子的連接管子與管板的連接形式有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接與脹焊接混合結(jié)構(gòu)。無論采用何種連接形式，都必須滿足以下兩個條件：（1）連接處保證介質(zhì)無泄露的充分氣密性；（2）承受介質(zhì)壓力的充分結(jié)合力。本設(shè)計采用如圖6-5所示的連接方式：套環(huán)直接焊在熱管上，套環(huán)上下兩面均開有凹槽，槽內(nèi)放置密封圈。安裝時，分別用上、下管板將所有熱管的套環(huán)壓住，用螺栓將上、下管板拉緊。管板壓緊密封圈即可實現(xiàn)良好的密封。這種密封結(jié)構(gòu)亦很簡單，方便。但應(yīng)注意：上、下管板應(yīng)加工平整，具有足夠剛性。

6.5熱管換熱器設(shè)計模型圖圖6-5隔板與管子連接方式圖6-6熱管換熱器設(shè)計模型圖6.6箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計6.6.1工字鋼的選擇由于本設(shè)計是常壓設(shè)備設(shè)計，箱體壁厚只有6mm，所以箱體重量不是很大。綜合經(jīng)濟(jì)方面考慮，框架選用100×68×6mm的工字鋼，如圖6-7。而支座需要承受整個設(shè)備的重量，還需要設(shè)置地腳螺栓孔將設(shè)備固定在地基上，所以選用200×102×9mm的工字鋼，如圖6-8。圖6-7框架工字鋼圖6-8支座工字鋼6.6.2進(jìn)出口設(shè)計為了設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單且易于制造，設(shè)計時采用了左右結(jié)構(gòu)完全對稱的形式。煙氣進(jìn)出口和空氣進(jìn)出口也統(tǒng)一采用相同尺寸的結(jié)構(gòu)，這樣也便于后期的維修工作。進(jìn)出口壁厚也是與箱體統(tǒng)一選用6mm的鋼板卷制。為方便安裝，先將面板與錐殼先焊接，然后將接管法蘭一起焊接上去，最后再作為一個整體直接焊接到箱體上，如圖6-9和圖6-10。圖6-9進(jìn)出口結(jié)構(gòu)圖6-10進(jìn)出口與箱體連接方式6.6.3上封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計由于箱體是矩形箱體，所以不能選用傳統(tǒng)的壓力容器封頭。本設(shè)計中的封頭也是由工字鋼和鋼板焊接連接構(gòu)成的。為了與箱體結(jié)構(gòu)保持一致，也為了節(jié)約材料和資金，封頭壁厚也選用為6mm?？紤]到方便維修和拆卸，封頭與箱體采用螺栓法蘭連接，如圖6-11和6-12。圖6-11上封頭結(jié)構(gòu)圖6-12上封頭與箱體連接方式6.6.4檢查口和維修口設(shè)計該裝置是煙氣余熱回收設(shè)備，由于翅片式熱管容易積灰造成傳熱效果下降，所以箱體上需要開設(shè)維修口，能夠定期打開用高壓水槍清洗積垢。維修口采用螺栓法蘭連接能夠滿足上述要求。為了方便檢查又不妨礙生產(chǎn)線工作，所以在溫度較低也相對來說干凈的空氣側(cè)箱體上開設(shè)檢查口。維修口尺寸與檢查口尺寸統(tǒng)一采用500×500mm的規(guī)格，如圖6-13。圖6-13檢查口（維修口）結(jié)構(gòu)6.6.5箱體結(jié)構(gòu)本設(shè)計選用的是矩形結(jié)構(gòu)箱體，整體是由工字鋼和鋼板焊接連接組成的，特定部位由螺栓法蘭連接構(gòu)成，如圖6-14和圖6-15。 圖6-14箱體結(jié)構(gòu)二維圖圖6-15箱體結(jié)構(gòu)三維圖第七章?lián)Q熱器防腐設(shè)計在低溫?zé)煔庥酂峄厥障到y(tǒng)中，低溫露點腐蝕是一個很麻煩的的問題。目前主要有兩種方法解決低溫露點腐蝕，一是選用不銹鋼等抗腐材料來制造換熱器，二是采用換熱器表面涂防腐涂料的方法。對于采用表面涂防腐涂料的方法，缺點是隨著換熱熱阻增加，會使它的體積也相應(yīng)的增大。而且換熱器經(jīng)過一段時間的運(yùn)行之后，煙氣中的粉塵會磨薄磨掉防腐涂料，從而使換熱器產(chǎn)生局部暴露的現(xiàn)象，造成換熱的失效。局部腐蝕后，整臺換熱器也就不能正常運(yùn)行了。對于另一種方法，其缺點更明顯，一是造價昂貴，二是由于存在低溫問題，大量的煙塵會被換熱器表面凝結(jié)的酸液吸附，從而會加速加重?fù)Q熱器表面積灰，最終造成換熱能力顯著下降，直到使換熱器不能正常運(yùn)行。而且由酸液引起的積灰，通常是很難清除的[22]。綜上所述，低溫?zé)煔饴饵c引發(fā)的問題，就是在低溫下凝結(jié)的酸液導(dǎo)致?lián)Q熱器能力下降或損壞，造成換熱器不能正常工作。因此，解決低溫露點腐蝕的問題，本質(zhì)就是要解決煙氣的低溫問題。所以，本設(shè)計采用并聯(lián)熱管組件，和表面涂防腐涂料的雙保險措施，能有效的減少低溫露點腐蝕帶來的損害。圖7-1并行熱管連接組件結(jié)構(gòu)7.1組件結(jié)構(gòu)及原理并行熱管連接組件結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。由圖可以看出，并聯(lián)熱管組件是把若干根單個重力式熱管的一端并聯(lián)起來，所以，各熱管之間是相互連通的。熱管內(nèi)部的工質(zhì)可以自由地進(jìn)行相互交換。即，與單根熱管相比，組件單根熱管截面流量一般不為零