摘 要

热管起源于上世纪60年代，是一种高效导热元件，本文首先介绍了热管的发展历史以及基本工作原理。通过大量文献阅读，了解了热管研究的现状。本文对热管式空气加热器在换热过程中的温度、热量、压降等参数进行了计算，对热管式空气加热器进行了结构设计，并从理论上证明了所设计的换热器的安全可靠性。

本换热器共有215根Ф42×3热管，13排管束以叉排方式排列，蒸发段长度为1.79m，冷凝段长度为1.78m。该空气加热器回收300℃的烟气，用来将25℃的空气加热到150℃；单根热管的热负荷为7.72kW，远小于单根允许的最大传热量；烟气侧最低壁温为116.02℃，高于水的露点；而且根据强度要求计算得壁厚为2.09mm，小于实际壁厚。

关键词：热管 空气预热器 设计

The Design of 24000Nm³/h Heat Pipe Air Heater

Abstract

Heat pipe is a kind of efficient heat transfer components developed in 1960s. The development history and basic working principle of heat pipe have been introduced in this paper firstly. I learn a lot about current situation of heat pipe research by reading a large number of literature. In this paper, temperature, heat and pressure drop of heat pipe air heater in the process of heat transfer were calculated. Then, I designed the structure of the heat pipe air heater and proved the safety and reliability of the heat exchanger theoretically.

There are 215 heat pipe, with Ф42×3,in the air heater. There are 13 rows of tubes with staggered arrangement. The length of heating section is 1.79m and the length of condenser section is 1.78m. The recovered heat of the 300℃ flue gas was used to heating the air from 25℃ to 150℃. The heat load of the single heat pipe is 7.72kW which is far less than the maximum allowed in a single heat transfer; The wall temperature of side of designed heat pipe air preheater flue gas is 116.02℃ which is higher than the dew point of water; And the voltage requirements wall thickness is 2.09mm which is calculated according to the intensity on the withstand, it is less than the actual wall thickness of 3mm.

Keyword: heat pipe; air preheater; design

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 热管空气加热器的研究背景 1

1.2 热管发展历程及基本原理 1

1.3 国内外热管换热器的研究现状 2

1.3.1 国内热管换热器研究现状 2

1.3.2 国外热管应用现状 5

第二章 热管式空气加热器的热力计算 6

2.1 冷热流体基本参数 6

2.1.1 冷流体参数 6

2.1.2 热流体参数 6

2.1.3 对数平均温差 8

2.2 热管的基本参数 8

2.2.1 工质的选择 8

2.2.2 管壳材料的选择 9

2.2.3 热管的安装和内部结构设计 9

2.2.4 热管的充液量 9

2.2.5 热管的尺寸 9

2.2.6 翅片的尺寸 9

2.2.7 热管管束的排列 9

2.3 热力计算 10

2.3.1 求迎风面积和管排数 10

2.3.2 求总传热系数U_H 11

2.3.3 求通过热管换热器的压力降 15

2.4 安全性能校核 16

2.4.1 热管工作温度核算 17

2.4.2 单管热负荷校核 21

2.4.3 加热侧最低壁温 22

2.4.4 热管强度 22

第三章 热管式空气加热器的结构计算 24

3.1 热管的结构尺寸 24

3.1.1 管体的结构 24

3.1.2 翅片结构尺寸 24

3.2 热管式空气加热器箱体结构 25

3.2.1 槽钢的选取 25

3.2.2 箱体长度 25

3.2.3 箱体宽度 25

3.2.3 箱体高度 25

第四章 结论 26

参考文献 26

致谢 29

第一章 绪 论

1.1 热管空气加热器的研究背景

伴随着世界能源问题和环境问题的日益严峻，节能工作逐渐引起了世界各国极大的关注。不断提高能源的利用效率，成为了节能研究的一大重要组成部分。作为高效传热元件，热管自从上世纪60年代发明以来技术逐渐成熟，广泛应用到各个领域。与常规换热器相比，热管换热器的优势在于，能快速传热，而且热损失很小，因此又叫做传热超导体^[1]。热管换热器的特点如下：稳定可靠；可以加装翅片来强化传热；空间利用率高；能减小露点腐蚀等^[2]。

石油、发电等大型工业，产生许多高温烟气，如果任由这些烟气排出，将导致能源的浪费并引起严重的环境污染。由于热管的换热效率远高于其他类型换热器，所以热管换热器作为高效的余热回收设备被大量使用。在新装置的设计和旧装置的改造中加入热管换热器成为节能的一大措施。在各种计算机领域，微型热管的出现解决了很多难题。

1.2 热管发展历程及基本原理

热管的原理在上世纪40年代由Gaugler在美国专利(No.2350348)中提出^[3]。在1964年，G.M.Grover正式对热管进行命名为“Heat Pipe”^[4]。Cotter在1965年率先发表了比较完整的热管理论，让今后的热管发展有了理论基础^[5]。上世纪60年代末，日本的一篇论文，详细介绍了关于翅片式热管空预器。Feldman提出平板型热管技术的概念。Turner和Bienert提出了采用可变热导热管以完成恒温控制^[6]。Gray研究出旋转热管^[7]。1984年，Cotter提出了比较完整的微型热管的理论^[8]。日本学者在90年代初提出脉动热管的概念，将金属毛细管弯曲成蛇形，管内抽真空并注入部分工作介质^[9]。

我国从上世纪70年代着手进行热管研究，研究方向为节能环保。我国在1972制造出钠热管，并且能正常运行^[10]。经过40多年的努力，我国的热管研究水平已经处于国际先进地位。各类换热器，余热锅炉的开发技术也逐渐成熟，并在各个领域投入使用。