分离式热管计算书

分离式热管计算书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。工质熔点（K)沸点（K）临界温度（K）临界压力（公斤/厘米2）工作温度范围（K)氨195.0239.7405.3115210---340氟利昂21138.2262.1451.752170---400水273.2373.2647.4224.4303---500乙醇155.9351.7513.180283---410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mmdsf483.11纵向节距mmss41.62312（2）迎风面积及热管长度流体在标准状态下通过换热器正面的流速称为迎面流速0u（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smu/301排烟侧侧迎风面积2010101742.03600muVA烟道宽度2o186.0ABm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Feo,20,04324.0mldFeeo3）热管的翅化比及换热器气流阻断系数翅化比：7.13}/-1(]}/d])2/(-)2/[(2{o221YYdddfofof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：521.0)/2(101sYHdt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t''1=190℃(考虑了当炉子在低负荷下运行时，排气温度降低引起t''1向下波动应留的安全裕量）。排气平均温度2)/(t'''1ttm=245℃以t1m为定性温度插曲烟气的热物性参数密度31/6571.0mkg比热℃）kgkJcp/(11.11导热系数℃）mW/(44040.01粘度)(10635.251smkg排气在标准状况下的密度1o=1.295kg/m3排气热量WttcVQp4K.3513600/)(''1'1101011烟气侧最窄截面流速smBlVe/28.19)1(3600/2101012（4）换热系数计算采用Briggs公式296.03/1718.0PrRe1378.0HYNuff9617Re11011du6637.0Pr1111pc87.1061Nu℃）20111/(43.235mWdNu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)/,(0'rrfff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tv查低碳钢导热系数λv=49.8W/(m·℃)，5.02/3)()21(AHff，)(0'rrAff3844.01mmdrfff5.22)(21'04.2/0'rrf查附录J效率曲线图得：87.01f翅片总效率η0)/1(2/]2)[()/1(2/]2)[(22222oYdYdddYdYdddfffrffffffrf7662.0,eo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03945.010,11eeoeldR℃/W管壁热阻002372.0)/ln(2102ieddlR℃/W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ωm=gml/ρs=0.79m/s雷诺数（Re)l-v=ρLm-vωmdl/μvm=23014（Nu)ca=（Re)8.0-lv(Pr)4.0vm=76.43Martinelli无因次参数Xll=5.01.09.0)/()/(])/-1[(lvvlxx=0.4126沸腾准则数Bo4.0=[q/(r·gml)]4.0=7.834*10-4q4.0故得Bo4.-0（Nu)pr/（Nu)ca=exp[2.35-0.266lnXll-0.0255(lnXll)2]=203.46（Nu)pr=10.97（Nu)caBo4.-02516eW/(m2·℃)004594.013eieldR℃/WWR/C000086.0o4污垢热阻取单根管总热阻Rt09064.041jjtRR℃/W3）传热温差取换热武器为逆流流型102'11ttt℃120'212ttt℃1202maxtt℃对数平均温差4.108ln12121tttttm℃4）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Feo,为基准。44.491,,eoteoFRKW/(m2·℃)单管平均传热量1195.8max,,tFKQeoeosW热管空气预热器的总传热量Qt3.352,,lmeojeottFNKQKW蒸发器外侧流阻计算22max/,2mNnGfPs515.031927.0-1316.0-max0)()()(86.37ssdsGdfrs)/(,)-1(3600G2'msmkgBlVooax式中，'l为流通计算高度，对热流体'l=el=0.68m计算给出：Gmax=10.13kg/(m2·s),sf0.995P2099N/m2引风机功率增量PooPVP36001000（取电动机效率9.0P）=6.7KW蒸发器各项参数部件部件参数型式碳钢一水，加缓蚀剂基管外径20mm壁厚5mm翅片型式套片管形式的圆形翅片管，材料为10号钢翅片外径40mm翅片高度10mm翅片厚度5mm翅片间距20mm管束排列方式正三角形错列横向节距48mm纵向节距41.6mm热管长度0.68m第一排管数14总排数27总管子数365总换热量352.3KW引风机功率增量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部件参数型式碳钢一水，加缓蚀剂基管外径25mm壁厚4mm翅片型式套片管形式的圆形翅片管，材料为10号钢翅片外径53mm翅片高度14mm翅片厚度5mm翅片间距6mm管束排列方式正三角形错列横向节距58mm纵向节距50mm热管长度0.69m第一排管数10总排数22总管子数231空气进口温度20℃空气出口温度170℃空气流量8082m3/h总换热量348.7KW引风机功率增量5.5KW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/in2]。经济的管内流速标准值流体种类条件流速[m/s]高粘性液体泵吸入口0.06~0.15泵排出口0.15~0.6凝缩性气体饱和蒸汽15~30过热蒸汽30~60液体管的总质量流量为1.24Kg/s,则管路的直径为)4//(gdm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)4)//2g.0/(0.8gdm汽水m取管内气液两相流体的流速为15m/s，则3d114mm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/mm2=1.06×107Pa180℃的饱和水蒸气压力为1.02×106Pa，因此所选管满足安全要求。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)(u2/2g)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Re2000时，流动视为紊流。紊流的管道摩擦阻力系数为25.03164/R.0e（1）泵前的液体管路h1Re=1569362000h1=0.001m(2)泵后的液体管路h2Re=4184972000h2=0.028m(3)蒸发器各管路h3Re=549462000h3=10.73m(4)冷凝器各管路h4Re=7784020000h4=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51jjthh23.71m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。