论文总字数：12215字

摘 要

热管是一根两端密封，内部充斥着工质的管子。在传热的过程中，热管主要利用的是蒸发和冷凝的两个相变传热方式，且在流动过程中不会产生较大的阻力，因此具备着良好的导热性能。本课题研究了在给定条件下的热管空气预热器的设计，主要的研究方法是利用了EXCEL进行运算工作,以及运用CAD绘图软件完成最终的图纸绘制，完成热管空气预热器的设计。

关键词：热管 空气预热器 换热器设计

Abstract

The heat pipe air preheater is widely used in today's social production and life. It plays an important role in the process of recycling waste flue gas from the factory and is an indispensable part of sustainable development. Therefore, understand its working principle , Workflow, and internal structure are very necessary.The heat pipe is a pipe sealed at both ends and filled with working fluid inside. Based on the reference to Zhuang Jun's "Heat Pipe Technology and Engineering Application", this study designed and completed a heat pipe air preheater that preheats air with waste flue gas. During the design process, thermal calculations and structural calculations were completed. determine the number of required heat pipes and the number of depth rows of the heat exchanger, and lay the foundation for the subsequent drawing work .

Key words：Heat pipe air preheater heat exchanger design

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

第二章 热管空气预热器的背景、设计内容、应用以及使用优势 2

2.1 热管空气预热器的背景 2

2.2 热管空气预热器的设计内容 3

2.2.1热平衡计算 3

2.2.2选取合适的热管 3

2.2.3确定烟气侧和空气侧的对流换热系数 3

2.2.4热管空气预热器工艺计算 3

2.3 热管空气预热器的应用 3

2.3.1电力工业应用 3

2.3.2化工工业应用 4

2.3.3其他行业的应用 4

2.4 热管空气预热器的使用优势 4

2.4.1热管空气预热器传热特性出色 4

2.4.2热管空气预热器抵抗低温腐蚀的能力较强 5

2.4.3热管空气预热器防积灰堵灰能力较高 5

2.4.4总结 5

第三章 热管空气预热器的设计选择 6

3.1工质流动空间选择 6

3.2 给定工质流体的物性参数 6

3.3热管空气预热器的材料选择 7

3.3.1管壳的选取 7

3.3.2翅片的选取 7

第四章 热管空气预热器设计计算 9

4.1 冷热流体参数 9

4.1.1热流体参数 9

4.1.2冷流体参数 10

4.2 热管的基本参数 11

4.2.1工质的选取 11

4.2.2结构设计 11

4.2.3传热计算 12

4.2.4压降计算 17

第五章 热管空气预热器壁温校核 20

第六章 结论 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

我国的一些高等院校以及相关的科研机构早在上个世纪八十年代初期就着手于热管空气预热器的研究，为了完善热管的工艺制造，使得工质流体能够和选取的材料有着更好的互容性，以及对于一些较高温度热管的开发，完善热管式空气预热器的设计思路和设计方法。因为热管换热器易于布置，结构紧密，与其他类型的换热器相比，也有着较为良好的换热效果，所以快速而广泛的被投入到日常的生产和生活之中。但是日常的应用实例表明热管空气预热器的问题，存在一定温度下的腐蚀作用，灰尘的堆积等等问题，使得热管空气预热器的推广使用遭遇了瓶颈，结合了这个使用背景和现状，我们需要解决这些问题，完善热管空气预热器的设计思路和设计方法。

本论文（设计）针对热管空气预热器的研究背景，结合其在日常生产生活中的应用以及使用优势，为提高相对应的经济效应，研究了给定条件下热管空气预热器的工作特性，运行参数，完成了对于热管空气预热器的热力计算，计算校核，以及结构的设计，在运用CAD绘图软件的基础上，完成相应的图纸绘制。

第二章 热管空气预热器的背景、设计内容、应用以及使用优势

2.1 热管空气预热器的背景

热管是一根两端密封，内部充斥着工质的管子。在传热的过程中，热管主要利用的是蒸发和冷凝的两个相变传热方式，且在流动过程中不会产生较大的阻力，因此具备着良好的导热性能^[1]。经济的快速发展带来了能源的大量消耗，这促使人们把能源再次利用推到一个新的高度。企业也愿意增加在换热设备上的投资，以达到提高能源利用率，和长久的经济效益。热管是诸多的换热元件中效能较为出色的一种,在新技术的到广泛应用的二十一世纪，热电厂锅炉通常来使用它完成对于温度较低的时候发生的腐蚀、以及存在灰尘等的任务, 当工厂排出的烟气温度较高时,也可以起到相应的作用，其中最重要的作用自然是提高整体的运行效率了^[2]。在换热的过程中存在相变是最主要的原理以及特点：翅片的强化传热可以发生在很多方面，比如热管的外侧,蒸发段和凝结段。

热管式空气预热器已经成为了锅炉等一些大型加热装置的必备部件，就燃烧过程之中的流程的改进、整体效率的提高有着长足的作用, 与此同时也增加了相关企业的经济效益^[3]。

在以往电站锅炉的运行状态下，空气预热器极易出现文前提到的一些问题，于是我国很多热电企业紧跟着新兴技术的脚步，紧锣密鼓的设计并且安装了热管式空气预热器以取而代之，所展现的效果也呈现上佳的状态。热管空气预热器的投入使用仍然保持着良好的势头，而在二十一世纪的今天，电子计算机被应用到生产和生活中的各个领域之中，应该利用电子计算机结合着以往设计技术的一些经验来完成热管预热器的相关参数的选定，经验和技术齐头并进，这同时也是最新的技术难题。在热管空气预热器广泛得到使用的今天，完善其设计制造方法，从而提高热管空气预热器的使用效果和寿命，对于我们的生产和生活来说有重要意义^[4，5]。

2.2 热管空气预热器的设计内容

2.2.1热平衡计算

根据所给烟气初温，经过预热器之后的温度，以及空气进出口温度，烟气量，空气量，计算空气吸收的热量，烟气放出的热量，烟气出口温度^[6，7]。

2.2.2选取合适的热管

确定热管直径，壁厚，热管有效长度，烟气侧和空气测长度比，绝热段长度，翅片外径，厚度，高，数目，翅化比，排布方式，纵向中心距，两端（冷端和热端）传热系数 ^[8]。

2.2.3两侧对流换热系数的确定

烟气以及空气的定性温度，Pr数，导热系数，动力粘度。Re数，对流换热系数^[9，10]。

2.2.4热管空气预热器工艺计算

传热系数K，计算对数传热温差，换热面积，阻力计算^[11]。

2.3 热管空气预热器的应用

2.3.1电力工业应用

热管式空气预热器在电力企业和热力企业的应用，其综合价值被开发最早，也相对最彻底，当温差比较小的情况下热管式换热器在传递热量的方面的表现不俗，用废热烟气来预热空气，实现了能源利用的可循环 ^[12]。而且热管风冷器的冷凝效率和蒸发效率较高，大型电站利用了这一特点而大规模引入热管风冷器。在水资源较为稀缺的地域，风冷方式是一个不错的选择，在这种方式下，利用温度较高的烟气来加热温度较低的烟气(或空气)^[13，14]。

2.3.2化工工业应用

众所周知化学反应伴随着能量的转换，能量的转换一般以热的形式存在，在化学工艺中，吸放热反应尤为常见，为了保证其反应过程的可以进行正常，热量的排出和补充成为关键的要素^[15]。采用人管换热器可以把放热反应中释放的热量提供给吸热反应，反应过程中的温度控制，是能否实现能源再利用以及提高产量的重中之重^[16]。在化学工业的生产过程中，排出的烟气温度相对较高（大于一百度），将这一部分的废烟气回收利用，相当一部分缓解了能源浪费的现状。多余热量在热管空气预热器之中实现了二次利用，为需要的生产过程提供热量 ^[17]。

2.3.3其他行业的应用

在建筑领域、动力事业、交通建构和电子电信产业的一些方面的应用之中，热管空气预热器同样占据着相当重要的地位 ^[18]。在一些工厂、工地、体育馆等大型建筑物之中，安装有集中式的空调机组，这些空调机组的排出的废气可以通过热管空气预热器来完成再利用^[19]。我国的交通事业一直是国家施工的重点，比如在青藏高原等气候恶劣存在冻土结构的地区，路基结构通常会受到这些因素的严重威胁，可以利用热管空气预热器实现地面以上和地面以下之间的温度缓冲，达到保护路基的目的^{[20， 21]}。热管换热器可以提高柴油机器的燃油经济性。此外，热管式空气预热器还可以提高变压器的散热效率 ^[22-24]。

2.4 热管空气预热器的使用优势

2.4.1热管空气预热器传热特性出色

热管空气预热器具有可以在烟气侧和空气侧同时肋化的特点,因此,其传热过程得到了强化;其次,可以获得更高的对数平均温差，因为热管空气预热器将以往传统气—气换热器错流流型改成了逆流流型（两者对比的前提是温度条件相同）^[25];以及一些对于绕流的改进，都使得热管空气预热器相比较普通管式空气预热器来说，具备更高的传热系数^[26]。热管空气预热器的经济实用性体现在，33相同时，其换热面积小、拥有更轻的重量^[27]。

2.4.2热管空气预热器抵抗低温腐蚀的能力较强

传统的管式空气预热器，管子是沿着垂直方向布置的,管壁温度是沿着管子长度降低的,低温腐蚀会蔓延到整个机器的每根管子,更换清洗的流程更为麻烦。而在热管空气预热器中,每根管子的温度沿长度都是近乎相等的,只有位于烟气温度在腐蚀区的少数管子会遭到腐蚀, 而即便存在少数管子被腐蚀而损坏的情况, 其加热空气的工作也不会因此而中止 ^[28]。

2.4.3热管空气预热器防积灰堵灰能力较高

当烟气含尘浓度较高的时候，热管的受热面也就更易也更快积存灰尘。灰尘的半径越大，分布越广直接影响着积存灰尘的量 ^[29],设置在热管外壁面的翅片密度高,因此降低了内外温差,使得灰分受到的热迁移力减小,灰分的沉积量随即降低^[30]。

2.4.4总结

热管空气预热器在生产和生活中得到了充分的利用，在许多领域中体现出极高的使用价值，可以节约资源，提高能源的利用率和生产效率，充分认识并且了解热管空气预热器的应用，通过对热管空气预热器进行传热计算以及相对应的结构设计，以及对于排布方式等的优化，解决了在以往设计之中存在的问题与不足。

第三章 热管空气预热器的设计选择

3.1工质流动空间选择

工厂排放出来的烟气具有温度高，容易产生污垢的特性，所以令空气从预热器上部进入，烟气从预热器下部进入，两种流体的方向相互垂直，形成错流。

3.2 给定工质流体的物性参数

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