热管热交换器的热力设计优化方案

热管热交换器的热力设计除与常规的间壁式热交换器的设计包含相同的传热计算和阻力计算两部分外，还必须进行热管的安全性校核计算。在设计中需要注意：

（1）热管因工作温度的范围不同而有高、中、低温热管三大类型，设计之前应先选定热管元件。选择热管元件时，可根据已知流体的工作温度估计热管的工作温度，使设计后的热管工作温度在安全数值范围内。作为热管换热器，在沿气流方向上，各排热管的工作温度是不一样的。当工作温度范围大时，应考虑根据温度的不同选用不同工值的热管。

（2）对于热管形式，应考虑使用场合的不同选择合适的形式。如，用于余热回收时，可多考虑应用结构简单、性能优良、工作可靠的两相闭式热虹吸管。

（3）根据设计条件，对不同类型、应用在不同场合的热管换热器选择其合适的结构参数。如，对有翅片的热管，在含尘量较高、有腐蚀性气体的场合，则宜选择翅间距较大、翅较厚而高度较低的翅片管。

（4）选择适当的迎面风速。风速过高，会导致压降过大和动力消耗增加；风速过低会导致管外对流换热系数值小，热管的传热能力得不到充分发挥。

（5）重视原始参数的核实和计算公式的验证。因当热管应用于航空航天等重要领域时，精确性和安全性更为重要。而在应用于余热回收时，由于余热回收设备大都在已运行的系统中作为附加设备设计的，对系统中相关联的设备的影响要求就比较严格，故对计算的正确度应相应提高。

以下为用于余热回收的、以热虹吸管为热管元件的热管热交换器的热力设计示例。

[例3.6] 试设计一台热管空气预热器回收某炉排气余热，预热入炉助燃空气。

原始数据

1）排气流量 V01=5000Nm3/h；

排气进口温度 ；

2）空气流量 V02=4500Nm3/h；

排气进口温度 ；

2）空气流量 V02=4500Nm3/h；

空气进口温度 ；

3）燃料——天然气

单价 C1=0.13RMB¥/Nm3

低位发热值 Q=33488kJ/Nm3。

4）现场条件：原有引、送风机，换热器可以立式布置。

[解]

结构计算

1）热管元件的基本选择

（1）热管型式：碳钢-水热虹吸管，加缓蚀剂。

（2）热管的几何尺寸（根据目前国内生产情况选用）

基管外直径 do=25mm；壁厚 δw=2mm；

翅片型式：环型平翅片；

翅片外径 df=50mm；翅片高度 H=12.5mm；

翅片厚度 δf=1.0mm；翅片间距 Y=6mm。

翅片管为20号无缝钢管绕制成的高频焊翅片，翅片材料为10号钢。热、冷流体侧的翅片几何结构相同。

2）换热器基本结构

（1）管束的排列方式

由于有引风机，选用正三角形错排方式布管：

横向节距 s1=1.3 df=65mm；

纵向节距 s2=56.3mm（吹灰，吹灰器直径d1=20mm。对于错排管束，3排留一吹灰通道）。

（2）迎风面积及热管长度

选择排气侧迎风速度 u01=2.0Nm/s；

选择空气侧迎风速度 u02=2.5Nm/s；

空气进口温度 ；

3）燃料——天然气

单价 C1=0.13RMB¥/Nm3

低位发热值 Q=33488kJ/Nm3。

4）现场条件：原有引、送风机，换热器可以立式布置。

[解]

结构计算

1）热管元件的基本选择

（1）热管型式：碳钢-水热虹吸管，加缓蚀剂。

（2）热管的几何尺寸（根据目前国内生产情况选用）

基管外直径 do=25mm；壁厚 δw=2mm；

翅片型式：环型平翅片；

翅片外径 df=50mm；翅片高度 H=12.5mm；

翅片厚度 δf=1.0mm；翅片间距 Y=6mm。

翅片管为20号无缝钢管绕制成的高频焊翅片，翅片材料为10号钢。热、冷流体侧的翅片几何结构相同。

2）换热器基本结构

（1）管束的排列方式

由于有引风机，选用正三角形错排方式布管：

横向节距 s1=1.3 df=65mm；

纵向节距 s2=56.3mm（吹灰，吹灰器直径d1=20mm。对于错排管束，3排留一吹灰通道）。

（2）迎风面积及热管长度

选择排气侧迎风速度 u01=2.0Nm/s；

选择空气侧迎风速度 u02=2.5Nm/s；

排气侧迎风面积 ；

排气侧迎风面积 ；

空气侧迎风面积 ；

为便于与外部烟风管道连接并保证气流的均流性，希望每侧迎风截面大体上构成正方形或接近正方形。取换热器的宽度B=0.8m，则

排气侧高 le=A01/B=0.87m；

空气侧高 lc=A02/B=0.63m；

中间隔板厚 la=30mm；

预留安装段 ls=35mm（上、下各预留ls）；

热管元件总长度 l=le+lc+la+2ls=1600mm。

（3）第一排热管数NT

空气侧迎风面积 ；

为便于与外部烟风管道连接并保证气流的均流性，希望每侧迎风截面大体上构成正方形或接近正方形。取换热器的宽度B=0.8m，则

排气侧高 le=A01/B=0.87m；

空气侧高 lc=A02/B=0.63m；

中间隔板厚 la=30mm；

预留安装段 ls=35mm（上、下各预留ls）；

热管元件总长度 l=le+lc+la+2ls=1600mm。

（3）第一排热管数NT

（4）元件加热段外光管面积Fo，e

Fo,e=πdole=0.0683m2

3）热管元件的翅化比及换热器气流阻断系数

翅化比β：

（4）元件加热段外光管面积Fo，e

Fo,e=πdole=0.0683m2

3）热管元件的翅化比及换热器气流阻断系数

翅化比β：

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ψ表示：

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ψ表示：

传热计算

1）管束的换热计算

（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=180℃（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）。

传热计算

1）管束的换热计算

（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=180℃（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

以tm1为定性温度查取排气热物性

密度 ρ1=0.696kg/m3；比热 cp1=1.107kJ/（kg·℃）；

导热系数 λ1=4.342×10-2W/（m·℃）；黏度 μ1=25.98×10-6kg/（m·s）

排气在标准状况下的密度 ρ01=1.295kg/m3

排气热量 Q1=ρ01V01cp1（t′1-t″1）/3600=238927.5W

（2）空气侧温升及热物性参数

取预热器散热损失系数 ξ0=2.5%

空气吸热量 Q2=（1-0.025）Q1=232954.3W

标准状况下空气密度 ρ02=1.293kg/m3；

以20～160℃温度范围内的平均温度取空气比热 cp2=1.009kJ/（kg·℃）

排气平均温度

以tm1为定性温度查取排气热物性

密度 ρ1=0.696kg/m3；比热 cp1=1.107kJ/（kg·℃）；

导热系数 λ1=4.342×10-2W/（m·℃）；黏度 μ1=25.98×10-6kg/（m·s）

排气在标准状况下的密度 ρ01=1.295kg/m3

排气热量 Q1=ρ01V01cp1（t′1-t″1）/3600=238927.5W

（2）空气侧温升及热物性参数

取预热器散热损失系数 ξ0=2.5%

空气吸热量 Q2=（1-0.025）Q1=232954.3W

标准状况下空气密度 ρ02=1.293kg/m3；

以20～160℃温度范围内的平均温度取空气比热 cp2=1.009kJ/（kg·℃）

空气出口温度 ；

空气平均温度 tm2=91.4℃

以tm2为定性温度得空气热物性参数：

ρ2=0.968kg/m3, cp2=1.009kJ/(kg·℃),

λ2=3.14×10-2W/(m·℃), μ2=21.56×10-6kg/(m·s)。

（3）最窄截面流速

空气出口温度 ；

空气平均温度 tm2=91.4℃

以tm2为定性温度得空气热物性参数：

ρ2=0.968kg/m3, cp2=1.009kJ/(kg·℃),

λ2=3.14×10-2W/(m·℃), μ2=21.56×10-6kg/(m·s)。(www.xing528.com)

（3）最窄截面流速

排气侧：，

空气侧：u2=6.01m/s.

（4）换热系数计算

采用Briggs公式得

排气侧：，

空气侧：u2=6.01m/s.

（4）换热系数计算

采用Briggs公式得

2）热管元件的热阻计算

（1）翅片效率ηf和翅化表面总效率η0

翅片效率ηf=f（ξ，r′f/r0）

2）热管元件的热阻计算

（1）翅片效率ηf和翅化表面总效率η0

翅片效率ηf=f（ξ，r′f/r0）

热管工作温度估计值，管壁温度tp与蒸汽温度tv接近，以tv查低碳钢导热系数 λf=45.73W/（m·℃）。

热管工作温度估计值，管壁温度tp与蒸汽温度tv接近，以tv查低碳钢导热系数 λf=45.73W/（m·℃）。

查附录J效率曲线图得：ηf1≈ηf2≈0.79。

翅片总效率ηo；由式（3.52）所示关系，可将ηo表示为

查附录J效率曲线图得：ηf1≈ηf2≈0.79。

翅片总效率ηo；由式（3.52）所示关系，可将ηo表示为

式中，dr为翅根直径，在此即为do。

（2）单支热管分热阻计算

取εe=0.9

式中，dr为翅根直径，在此即为do。

（2）单支热管分热阻计算

取εe=0.9

取λp，e=λf

取λp，e=λf

因重力热管无吸液芯，故将R3、R4合并成R3，4，R6、R7合并成R6，7

取αe=7000W/（m2·℃）

因重力热管无吸液芯，故将R3、R4合并成R3，4，R6、R7合并成R6，7

取αe=7000W/（m2·℃）

取αc=5000W/（m2·℃）

取αc=5000W/（m2·℃）

取εc=1

取εc=1

（3）单支热管总热阻Rt及热阻成分rj

（3）单支热管总热阻Rt及热阻成分rj

总热阻

总热阻

热阻成分 。

r1=40%;r2=0.73%;r3,4=2.6%;r5=0;r6,7=5%;r8=1%;r9=50.7%

3）传热温差

（1）端温差，换热器为逆流流型：

热阻成分 。

r1=40%;r2=0.73%;r3,4=2.6%;r5=0;r6,7=5%;r8=1%;r9=50.7%

3）传热温差

（1）端温差，换热器为逆流流型：

（2）对数平均温差

（2）对数平均温差

4）传热系数K及传热量Qs，Qs，max

计算传热系数以加热段外光管面积Fo，e为基准。

4）传热系数K及传热量Qs，Qs，max

计算传热系数以加热段外光管面积Fo，e为基准。

单管平均传热量

Qs=Ko,eFo,eΔtlm=1546.35W

单管可能的最大传热量

Qs,max=Ko,eFo,eΔtmax=1668.23W

5）热管数N及排数NL

热管换热器的总传热量Qt

Qt=Ko,eNjFo,eΔtlm

由此可得计算热管数Nj：

单管平均传热量

Qs=Ko,eFo,eΔtlm=1546.35W

单管可能的最大传热量

Qs,max=Ko,eFo,eΔtmax=1668.23W

5）热管数N及排数NL

热管换热器的总传热量Qt

Qt=Ko,eNjFo,eΔtlm

由此可得计算热管数Nj：

按正三角形排列布管，得奇数管排（NT=12）共7排，偶数管排（NT=11）共6排，总排数NL：

NL=13排

实际热管数 N=150支

换热器深度 L=NLS2+Sd=0.832m

式中 Sd——吹灰道预留量。

流阻计算

1）两换热侧流阻

按正三角形排列布管，得奇数管排（NT=12）共7排，偶数管排（NT=11）共6排，总排数NL：

NL=13排

实际热管数 N=150支

换热器深度 L=NLS2+Sd=0.832m

式中 Sd——吹灰道预留量。

流阻计算

1）两换热侧流阻

式中l′为流通计算高度，对热流体l′=le，冷流体l′=lc。

计算给出：

Gmax1=4.69kg/(m2·s), fs1=1.093;

Gmax2=5.82kg/(m2·s), fs2=0.963;

Δp1=224N/m2;

Δp2=219N/m2。

2）引、送风机功率增量

式中l′为流通计算高度，对热流体l′=le，冷流体l′=lc。

计算给出：

Gmax1=4.69kg/(m2·s), fs1=1.093;

Gmax2=5.82kg/(m2·s), fs2=0.963;

Δp1=224N/m2;

Δp2=219N/m2。

2）引、送风机功率增量

功率总增量 Σp=p1+p2=1.049kW

安全性校核

1）热管工作温度

功率总增量 Σp=p1+p2=1.049kW

安全性校核

1）热管工作温度

tv=89.25～222.18℃，相应的工作压力pv=（0.7～24.2）×105Pa，工作温度符合使用要求。

2）热管携带极限计算

tv=89.25～222.18℃，相应的工作压力pv=（0.7～24.2）×105Pa，工作温度符合使用要求。

2）热管携带极限计算

以tv为定性温度查水蒸气和饱和水物性可得

ρl=911.49kg/m3; ρv=2.946kg/m3;

r=2096kJ/kg; σ=431.7×10-4N/m

计算得：

Bo=9.537; CK=1.261;

Qe,max=4362.7W;

Qe，max＞Qs，max，工作安全。

3）加热侧最低壁温

以tv为定性温度查水蒸气和饱和水物性可得

ρl=911.49kg/m3; ρv=2.946kg/m3;

r=2096kJ/kg; σ=431.7×10-4N/m

计算得：

Bo=9.537; CK=1.261;

Qe,max=4362.7W;

Qe，max＞Qs，max，工作安全。

3）加热侧最低壁温

以上三方面的核算表明此设计符合安全性要求。

以上三方面的核算表明此设计符合安全性要求。