可拆式热管换热器毕业设计说明书(编辑修改稿)

可拆式热管换热器毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

各部分热阻基本上不随着热量的变化而变化，但可变导 热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样热管 在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的 恒温特性。 兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文） 11 （ 6）热二极管与热开关性能。 热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许 向相反的方向 流动； 热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源 温度低于这一温度时，热管就不传热。 （ 7）环境的适应性。 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的 转轴燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷 热流体不能混合的情况下的 换热； 热管既可以用于地面 (重力场 )，也可用于空间 (无重 力场 )。 （ 8）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根 热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。 热管换热器用 于易然、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。 （ 9）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆 流换热。 冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数 远高于管内流动的换热系 数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。 （ 10）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形 式解决换热器的磨损和堵灰问题。 （ 11）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝 段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。 热管的发展历程及应用领域 热管作为一种具有高导热性能的传热装置，其概念首先是由美国通用发动机公司的 Gaugler 于 1944 年提出的。 他当时的想 法是： 液体在某一位置上吸热蒸发，而后 在它的 下方某一位置放热冷凝，不附加任何动力而使冷凝的液体再回到上方原位置继 续吸热蒸发，如此循环，达到热量从一个地点传动到另一个地点的目的。 Gaugler 所 提出的第一个专利是一个冷冻装置，由于时代条件的限制， Gaugler 的发明在当时未 能得到应用。 1962 年特雷费森向美国通用电气公司提出报告，倡议在宇宙飞船上采用一种类似 Gaugler 的传热设备。 但因这种倡议并未经过实验证明，亦未能付诸实施。 1963 年 LosAlamos 科学实验室的 Grover 在他的专利中正式提出热管的命名，该装置基本上与 Gaugler 的专利相类似。 他采用一根不锈钢管作壳体，钠为工作介质， 并发表了管内装有丝网吸液芯的热管实验结果，进行了有限的理论分析，同时提出了以银和锂作为热管的工作介质的观点。 兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文） 12 1964 年 Grover 等人首次公开了他们的试验结果。 此后英国原子能实验室开始了类似的以钠和其它物质作为工作介质的热管研究工作。 工作的兴趣主要是热管在核热 离子二极管转换器方面的应用。 与此同时，在意大利的欧洲原子能联合核研究中心也开展了积极的热管研究工作。 但兴趣仍然集中在热离子转换器方面，热管的工作温度 达到 1600〜 1800。 1964 年至 1966 年期间，美国无线电公司制作了以玻璃、铜、镍、不锈钢、钥等材料作为壳体，水、铯、钠、锂、铋等作为管内的工作液体的多种热管，操作温度达 到 1650。 1967 年至 1968 年，美国应用于工业的热管日渐广泛，应用范围涉及到空调、电子器件、核电机的冷却等方面。 并初次出现了柔性热管和平板式的异形热管。 LosAlamos 科学实验室的工作一直处于领先状态，其工作重点是卫星上热管的应用研究。 1967 年一根不锈钢 水热管首次在空间运转成功。 1965 年 Cotter首次较完整 地阐述了热管理论，他描述了热管中发生的各个 过程的基本方程，并提出了计算热管工作毛细限的数学模型，从而奠定了热管理论的基础。 Katzoff 于 1966 年首先发明有干道的热管。 干道的作用是为后冷凝段回流到蒸发段的液体提供一个压力降较小的通道。 后来莫里茨核普鲁谢客提出了一个新的名词， 把在吸液芯结构中加进一些干道的热管称为 “ 第二代热管 ” ，并把它与 “ 第一代热管 ” 即装有丝网层等吸液芯的热管作了比较，他们证明 “ 第二代热管 ” 比第一代热管好。 1969 年，苏联、日本的有关杂志均发表了有关热管应用研究的文章。 在日本的文章中描述了带翅片热管管束的空气加热器。 在能源日 趋紧张的情况下，它可以用来回 收工业排气中的热能。 同年特纳核比恩特提出了 “ 可变导热管 ” 作为恒温控制使用。 格雷提出转动热管，此种热管没有吸液芯，依靠转动中的离心力使液体从冷凝段回流 到蒸发段，这些发明都是热管技术的重大进展。 热管自 1964 年问世以来，获得了广泛的应用。 高温液态金属热管已广泛地被用于动力工程的核反应堆和同位素反应器的冷却系统，并在空间应用中作为热离子核热 电发生器的重要 部件； 此外，作为高温换热器回收高温热能颇具前途。 中温热管广泛 地被用于电子器件及集成电路的冷却、大功率行波管的冷却、密闭仪 表的冷却；在动力工程中用于透平叶轮、发电机、电动机以及变压器的 冷却；在能量工程方面用于废 气热能回收、太阳能和地热能的 利用； 在机械工程方面用于高速切削工具（车刀、钻 头）的冷却。 低温热管在通信联络中冷却红外线传感器、参量放 大器； 在医学方面可用作低温手术刀，进行眼睛和肿瘤的手术。 随着热管技术的发展，其应用范围还在扩 大。 几个典型的应用如下： 美国阿拉斯加输油管线工程采用热管作输油管线的支撑。 这条管线穿过寒冷的冻土地带，夏天冻土融化，使得管线下陷，引起管线破裂。 后来，决定在管架兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文） 13 支撑中装 设简单的重力热管，从而解 决这个困难。 冬天通过热管将管桩基础周围的热量带出并 散失在空气中，使土壤冻透，形成结实的 “ 低温锚桩 ”。 夏天，由于重力热管具有单 向传热性能，大气中的热不能传到地下，故地下冻土不能融化； 采用了氨 碳钢热管 , 长 10〜 20m， 上部散热端装有铝翅片，埋入土壤中的深度为 9〜 12m， 在热管两端温 差小于 1176。 C 的情况下，保证每根热管可输送300W 的热流。 其热管的设计使用寿命可 达 30 年，满足整个管线工程的要求。 在 1290km 长的管线上，总共使用了 112,000 多根热管。 热管应用于一个化学反应釜，反应釜的搅拌轴就是 一根热管。 当反应釜中的反应温度达不到热管启动温度时，热管不工作，一旦温度上升到热管工作温度时，热管便 通过釜内的吸热片把热量传到釜外，通过散热片散入空间，从而使得釜内反应温度保 持恒定。 热管在太阳能方面的应用。 目前太阳能热管发电装置、太阳能热管热水器等产品已经得到了成功应用。 随着工业技术的发展，热管技术正愈来愈广泛地渗入到各个工 业领域中，发挥出愈来愈重要的作用。 我国热管研究开始于 1970 年左右。 在 1972 年，第一根钠热管运行成功，以后相继研制成功氨、水、钠、汞、联苯等各种介质的热管，并在应用上取得了一定的 进展。 1981 年国内第一台试验性热管换热器运行成功，各地相继出现了各种不同类型的、 不同温度范围的气 气热管换热器和气 液热管换热器，在工业余热回收方面发挥了良 好的作用，并积累了一定的使用经验。 20世纪 80 年代初，国内一些科研院所、高校及制造厂相继开展了热管气 气换热器的试验研究。 主要目的是解决热管的制造工艺、碳钢 水热管的相容性、中高温热 管的研制、热管的传热性能及热管换热器的设计方法等问题，其研究成果陆续在石化、 冶金、电力等行业推广应用。 目前国内已有数千台热管气 气换热器先后投入使用， 取得 了较好的使用效果。 但也暴露了不少问题，如热管失效、低温腐蚀、积灰、漏风等，影响了热管气 气换热器的进一步推广。 因此，急需对这些问题进行细致分析与研究，完善热管气 气换热器的设计制造方法，提高热管气 气换热器的使用效果和寿 命。 2. 热管换热器 由热管管束和外壳等组成的换热器称为热管换热器。 一般情况下，它有一个矩形的外壳，在矩形外壳中布满了带翅片的热管。 热管的布置可以是错列呈三角形的排列 ， 也可以是顺列呈正方形排列。 在矩形壳体内部的中央有一块隔板把壳体分成两个部 分，形成热流体与冷流体的通道。 当热冷流体同时 在各自的通道中流过时，热管就将热流体的热量传给了冷流体，实现了两种流体的热量交换。 兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文） 14 热管换热器是由美国发明的，最初被用于航天技术和核反应堆，以解决向阳面和 背阴面受热不均匀。 它是一种新型的换热器，于 70年代初才开始应用于工业中作为 节能设备。 虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。 热管换热器的 最大特 点是： 结构简单、换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属 耗量少于其他类型的换热器，换热流体通过换热器时的压力损失也比其他换热器小， 因而动力消耗也小。 热管换热器的这些特点正越来越受到人 们的重视，是一种应用前 景非常好的换热设备。 20 世纪 90 年代被用于民用空调，由于其优越的导热性，受到越来越广泛的重视，目前在计算机、雷达等高科技领域被广泛应用。 热管换热器的技术优势 （ 1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中 单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。 热管换热 器用于易然、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。 （ 2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体 的逆流换热。 冷热流体均在管外流动，由于管外 流动的换热系数远高于管内流动的换 热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。 （ 3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。 （ 4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。 热管换热器分类 (1)按形 式分 :整体式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器等。 (2)按功 能分： 气 气式换热器、气 液式换热器、气 汽式换热器等。 根据具体工况设计的热管换热 器结构及外形形式多样，图 、图 分别为应用最为广泛的气 气热管换热器外形示意图和气 液热管换热器外形示意图。 兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文） 15 图 13气 气热管换热器 图 14气 液热官换热器 热管式换热器是一种新型的换热器，于 70 年代初才开始应用于工业中作为节能 设备。 虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。 热管换热器的最大 特点是：结构简单、换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器，换热流体通过换热器时的压力损失也兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文） 16 比其他换热器小，因而 动力消耗也小。 热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，是一种应用前景非 常好的换热设备。 我国于 1970 年开始的热管研制工作，首先是为航天技术发展的需要而进行的。 1976 年 12 月 7日，在卫星上首次应用热管取得了成功。 我国气象卫星也应用了热管 , 并获得了预期效果。 我国在热管换热器方面的研制工作起步较早。 南京工业大学于 1973 年就开始了这方面研制工作，并和南京炼油厂共同完成了国内第一台热管换热 器。 以后几年，热管换热器相继在纺织、石油、化工等行业用于余热回收及干燥工艺 上。 各研究热管的科研单位和大专院校都先后与制造 热管的厂家组成了科研生产联合 体，在扩大热管换热器应用范围和有效、合理地使用热管换热器等方面起了推动作用。 热管气 气换热器是一种应用最广泛的热管换热器。 随着能源短缺问题的日趋严峻，节能意识越来越深入人心，热管气 气换热器的应用前景更加广阔。 热管气 气换热器是目前应用最为广泛的一种余热回收设备 ,它利用锅炉、加热炉 等排烟余热预热炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，还可以减轻对环境的污 染，因此，热管气 气换热器在余热回收利用中得到非常广泛的应用。 图 (a)是 热管气 气换热器用于回收锅炉烟气余热 ，得到的热空气用于锅炉助燃的流程示意图 ， 图 (b)是热管气 气换热器用于回收窑炉烟气余热来加热空气，得到的热空气作 为烘房热源的流程示意图。 图 15热管气 气换热器流程示意图 （ a) 兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文） 17 图 15热管气 气换热器流程示意图 （ b) 热管气 气换热器就象省煤器和蒸汽过热器一样已经成了大型锅炉整体中正常而 必要的一部分。 热管气 气换热器的应用简化并加速了燃料的烘干工程，减少了低值 燃料和湿燃料的着火困难，并且扩大了这些燃料经济燃烧的可能。 热管空气预器热同 样还可以提高锅炉整体的蒸汽生产量。 热 管气 气换热器能够把排出的烟气加以高度 冷却。 这是由于进入热管气 气换热器的空气。