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摘 要

热管换热器在能源工程，化学工程，冶金工程等各个行业中拥有广泛的应用，主要用来回收废热，提高能源利用率。本课题主要是研究12000Nm³/h气-气热管换热器的设计。

本文首先对近几十年对热管换热器进行的诸多研究进行介绍，以加深对热管换热器的认识。接着根据给出的烟气与空气进出口温度及空气流量，计算出烟气的流量。然后根据设计要求计算出总传热量，确定热管根数，计算总压力降及热管工作温度。最后对热管换热器整体进行结构设计。

关键字：热管换热器 余热回收 结构设计

Design of 12000Nm³/h Air-Air Heat Pipe Heat Exchanger

Abstract

Heat pipe heat exchanger has a wide range of applications in energy engineering, chemical engineering,metallurgical engineering and other industries, mainly used to recover waste heat to improve energy efficiency. This paper is to study design of 12000Nm³/h Air-Air Heat Pipe Heat Exchanger.

Firstly, for decades, many studies conducted on the heat pipe heat exchanger are introduced, in order to deepen the understanding of the heat pipe heat exchanger. According flue and air inlet and outlet temperature and air flow rate, calculated flue gas flow. Then calculate the total heat transfer depending on design requirements, to determine the number of heat pipes, calculate the total pressure drop and heat pipe operating temperature. Finally, the heat pipe heat exchanger overall structural design.

Key words: Heat Pipe Heat Exchanger ; Waste heat recovery;Structural design

目 录

摘要 I

AbstractII

第一章 绪 论1

1.1课题背景1

1.2气-气热管换热器的理论计算与设计2

1.3气-气热管换热器的实验研究4

1.4气-气热管换热器的数值模拟与应用7

1.5本章小结11

第二章 热力计算12

2.1设计参数12

2.2热管元件的基本选择12

2.3空气侧与排气侧热物性参数及放热量13

2.4确定迎风面积以及迎风面管排数15

2.5总传热系数15

2.6所需热管数及换热器纵深管排数17

2.7热管换热器的压力降18

2.8热管的工作温度19

2.8.1第一排热管工作温度19

2.8.2末排热管工作温度21

2.9强度校核23

第三章 结构设计24

3.1热管元件的基本选择24

3.2换热器基本结构尺寸25

3.3烟气空气进出口26

3.4孔板27

3.5附加部件27

第四章 总结与展望28

参考文献29

致谢31

第一章 绪 论

1.1课题背景

当前，我国经济发展势头迅猛，而经济的发展必然会带来能源的消耗。所以一个国家经济发展的重要目标之一就是提高能源的利用效率。因此人们急需有效可靠且经济实用的节能技术。热管换热器便是一个很好的选择。

利用热管回收废热是一个对于节约能源与防止全球变暖的极佳手段。热管换热器作为一种高效的气-气热回收装置广泛地应用于商业与工业生产中。热管换热器之所以能成为最佳的选择，是因为废气与供给空气之间不会有交叉泄 漏。它拥有许多优势，比如有较高的换热效率，结构紧凑，没有可动部件，较轻的重量，相对经济，空气侧较小的压降，热流体与冷流体完全分离，安全可靠。热管换热器被广泛应用于各个行业（能源工程，化学工程，冶金工程）的废热回收系统。热管换热器最重要的一个功能是从锅炉中回收废热。显示的是传统锅炉与加装了热管换热器的锅炉的比较。在传统锅炉中，废气被直接排放到空气中，不仅浪费了宝贵的能源，而且还会对环境造成污染。使用热管换热器不仅减少了能源消耗，而且保护了环境。无论如何，对于使用热管进行热回收，特别是关于节约能源和环境效益的研究都是有必要的。

自从二十一世纪初，国内外专家和学者一直致力于研究出更新更好的热管换热器。初期，对热管换热器的研究方法主要是实验研究和理论分析，建立了一些热管内部的传热理论，获得了大量的实验数据。最近几十年，随着计算机技术的快速兴起和计算流体力学的发展，研究者们对热管换热器的研究又有了数值模拟的方法，使得对热管换热器的研究更快捷直观。以下是近年来国内外诸多专家学者使用理论、实验研究以及数值模拟三种研究方法取得的成果总结。

1.2气-气热管换热器的理论计算与设计

张任平等人^[1]研究并计算了不同窑炉排烟量情况下热管换热器（图1-1）的工作情况。研究计算了加热段和冷却段的压力损失、冷却段被加热空气的出口温度、总传热系数、所需热管总根数以及设备投资回收期。研究表明：

（1）在热管换热器的加热段，压力损失随着烟气流量的增大而增加；而在冷却段，压力损失受烟气流量的变化影响不大。

（2）空气出口温度随着烟气流量的增加而升高；

（3）热管总热传递系数随烟气流量的增加逐渐减小，而当烟气流量大于7500m³/h时，其值逐渐上升。

（a）热管换热器示意图 （b）热管换热器实物图

图1-1 热管换热器

杨肖曦和许康^[2]用传热有效度传热单元数法计算了热管换热器中连续变化的流体温度。计算得到了冷、热流体之间的换热量以及各排热管出口处的流体温度。该方法概念清晰、程序简单、结果准确，是一种比较完善便捷的热管换热器设计方法。

徐海岩^[3]通过实验获得了干燥尾气流经铜管时的换热实验关联式。通过研究提出了可用于干燥尾气的振荡流热管换热器的设计方法。并对振荡流热管换热器的设计计算方法进行了介绍。

王艳梅^[4]开发了一款具有新型结构的热管换热器。与传统的此类换热器不同的是，王艳梅开发的新型结构的热管换热器可以再不改变热管类型的前提下方便快捷的安装螺旋型翅片，这便可以使普通的热管换热器也拥有除尘的能力。并总结了一套热管换热器设计的基本路线框架（图1-2）。鲍玲玲^[5]分析了用于通信基站的重力热管换热器的工作特点及其原理。并利用VB语言编写了一套可用于设计重力热管换热器的计算程序，根据编写的程序设计了一款结构合理，性能优越的重力热管换热器。

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