5000Nm3/h高温热管换热器的设计开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

一、课题背景

能源是发展国民经济的重要物质基础, 是人类赖以生存的必要条件。能源开发与利用程度是反映人类进步、文明的一个重要标志。能源的生产、建设与消费, 又将直接制约着国民经济的向前发展和人民物质文化生活水平的提高。因此, 能源问题已成为当今世界普遍关注的重大问题^[1]。

在众多的传热原件中，热管是人们所知的最有效的传热原件之一，它可以将大量的热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力，从而节省大量的能源。近些年来，热管技术在工程中的应用日益普及，不仅在余热回收、节能方面取得了显著的效果，而且在传统的传热热质设备更新改造及电子元器件冷却方面显示出了强大的生命力。作为一种有效的热能回收设已获得公认和应用^[2]。本课题就是来源于工业生产的实际应用性项目，设计一台5000Nm³/h高温热管换热器。

高温热管换热器是由管内充有不同工质的热管组成的组合式热管换热器, 按照热管管内工作温度的不同可分为:高温段、中温段和低温段。高温段一般由液态金属钠、钾热管组成;中温段一般由萘热管组成;低温段通常由碳钢水热管组成。根据高温段管壳材质的不同, 管内工作温度可达600 ~ 800 ℃, 甚至更高。由于热管的高热传导性能、二次间壁换热特性, 以及各热管元件均为独立换热, 单根热管破坏, 不会导致二种换热流体互混, 并不影响整体换热的效果, 亦无需停车检修等优越性, 因此高温热管换热器在高温换热条件下, 具有高效经济、安全可靠等优越性, 并有可能实现在超高温反应设备中实现的连续取热。如:煤造气炉的连续制气、核电工程的新型热管蒸汽发生器, 紧凑高效液态金属热管换热器技术的完善将取代玻璃、冶金等工业中的大型蓄热式换热器, 在工业应用中有着广阔的前景^[3]。

二、国内外研究进展

2.1理论研究进展

热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司（The General Motors Corporation，Ohio，U.S.A）的R.S.Gaugler于1944年在美国专利（No。2350348）中提出的^[4]。1963年美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover^[5]重新独立发明了类似于Gaugler提出的传热原件，并进行了性能测试实验，在美国《应用物理》杂志上公开发表了第一篇论文，并正式将此传热元件命名为热管Heat Pipe,指出它的热导率已远远超过任何一种已知的金属，给出了以钠位工作液体，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯的热管的实验结果。

我国自70年代开始，开展了热管的传热性能的研究以及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究。由于我国是一个发展中国家，能源的综合利用水平较低，因此自80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用方面，相继开发了热管气-气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器，高温热管热风炉等各类热管产品^[6]。

2.2实际研究进展

近些年来，随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用领域也不断拓宽。高温热管技术研究的不断成熟促进了高温热管换热器的应用领域逐渐扩大，目前已经广泛应用于工业、民用和国防等各个领域^[7]。例如，应用于喷雾干燥（十二醇硫酸钠喷雾干燥^[8]，高岭土喷雾干燥^[9]）、高温热管热风炉^[10、11]、高温热管取热器^[12]以及在小氮肥余热回收中的应用^[13]。在这些应用中，高温热管换热器都起到了至关重要的作用，在将传统的板式、列管式和板翅式换热器更换为高温热管换热器后，大大的提高了换热效率，降低了运行成本。

具体实例：热管换热器在内燃机尾气余热回收中的应用

徐光启等人以国产4135AD -8 型余热利用内燃机和50GBF 型余热利用交流发电机组为例, 对应用换热器(翅片管式)回收柴油机余热进行了探讨。通过试验, 得出如下结论^[14] :

1.4135AD -8 型余热利用柴油机额定工况下, 热交换系统回收热量88kw , 总能量利用率为88 %。

2.对柴油机的动力性、经济性影响不大。

3.噪音降低10 ~ 12db(由于排气端面增大, 降低了废气流速), 烟度降低0 .3 ~ 0 .5Rb , 余热利用换热器对于减轻内燃机的污染有一定作用。湘潭大学的袁胜利设计了碳钢-氨重力式热管换热器, 用来回收汽车内燃机废气中的热量。用于大型客车的乘员冬季取暖。其换热器的废气进口温度为260 ℃, 出口温度65 ℃, 新鲜空气的进口温度-15 ~ 0 ℃, 空气出口温度25 ℃^[15]。

吉林工业大学汽车工程学院的苏俊林等设计了工质为导热姆的热管换热器, 用来回收汽车内燃机排出废气中的热量, 用于大型客车冬季取暖问题。经过内燃机台架试验和大客车的道路试验表明, 导热姆热管换热器具有热量充足, 不影响内燃机动力性、经济性, 结构简单、性能可靠等优点^[16]。

美国的几艘海岸巡逻艇上安装了换热装置, 从内燃机废气、冷却水中提取一部分热量以提高水的温度, 供船员们洗澡、洗衣之用^[17]。日本政府规定到1985 年要从汽车发动机中回收12 %的热能, 德国MWM 等公司也生产了上述的柴油机与热泵联合装置^[18]。这些应用结果表明热管换热器在热量提取、尾气热量余热回收方面具有交好的性能。其应用潜力较大。

三、热管及热管换热器结构及其优点

3.1热管及热管换热器结构

热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。其结构及工作原理示意图见图1。热管通过管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，因为利用了工质的相变换热，使热管具有极高的导热性，良好的等温性，冷热两侧的传热面积可任意改变，可远距离传热，可控制温度等一系列优点。

图1 热管结构及工作原理示意图

将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的蒸发段和冷凝段隔开，构成热管换热器。

3.2热管换热器优点

图2 热管换热器结构图

热管换热器结构图，见图2，与一般换热器相比具有许多优点：传热效率高，特别对气气换热器来说，由于冷热两侧气体都可以在管外流动，因此两侧都可以在热管外加装翅片增大换热面积，此外还易于把换热器设计成逆流、叉排等形式，以尽量提高换热器的效率；压力损失小，因为是管外流动，因此器内流阻小，压力损失小，可降低风机的功率消耗；工作可靠，没有运动部分，因而没有附加的功率消耗；结构紧凑；没有掺混污染，可用中间隔板将两种流体有效地隔开；尺寸变化范围大，可变换流体流动方向，使用方便；维护费少，没有易损件，密封简单可靠，容易清洗。

热管换热器具有传热效率高、压力损失小、工作可靠、结构紧凑、没有掺混污染、有利于控制露点腐蚀等优点。

四、高温热管换热器的结构特点

高温热管换热器是由管内充有不同工质的热管组成的组合式热管换热器, 主要由热管、隔板和壳体3 部分组成，见图3。冷、热流体通道之间用隔板绝对隔开, 热管作为传热元件实现冷、热流体间的热量传递。

图3 高温热管换热器结构示意图

整个换热器又分为高温热管区和中温热管区和低温热管区。在低温区, 工作温度限制在250 ℃以下, 采用水(经化学处理后的)作为热管工质较理想;在中温区, 工作温度限制在250 ~ 400 ℃ 范围内, 采用萘作为热管工质, 萘热管在400 ℃左右具有可靠的热稳定性和良好的传热性, 且与碳钢有良好的相容性和安全性, 预计有很长的使用寿命^[23～25];在高温区, 工作温度在600 ℃以上常采用液态金属热管, 液态金属有良好的热稳定性和较低的饱和蒸气压, 如钠在800 ℃时饱和蒸气压仅为0 .047MPa , 因此在高温条件下液态金属热管的壳体几乎不承受内压, 而且常用的几种液态金属在高温下均具有较高的汽化潜热, 如800 ℃时钠的汽化潜热为3 977kJ/kg , 因而高温热管能够传递很高的热量。

五、结论

5.1应用前景展望

热管技术在尾气余热回收中的应用取得成功, 并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明, 高温热管换热器达到的某些性能指标, 是其他类型热风发生器所达不到的, 因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的^[19]:

1.向各类干燥设备(喷雾于燥、沸腾干燥、气流干燥、隧道干燥及链板式干燥等)提供清洁的高温热风。

2.向气流焙炉提供800 ℃以上的高温热风, 对物料直接进行气流焙烧。

3.向各类燃烧器提供助燃热风, 改善燃烧状况, 提高燃烧效率, 节约燃料。据资料介绍, 用普通换热器将助燃风加热到300 ~ 400 ℃可节约燃料15 % ~ 25 %, 用高温换热器可节约燃料40 %以上。

4.高温预热煤气(或助燃气), 使冶金工厂大量的低热值高炉煤气(其热值约为4 187J)资源。

5.回收利用六大耗能工业(冶金、化工、炼油、玻璃、水泥及陶瓷)的高温余热, 使这些领域的能源利用率达到一个新的水平。

由以上可以预见, 高温热管热风发生器将具有广阔的推广应用前景, 对工业生产和节能技术的发展产生重大的影响。

5.2热管换热器存在的问题^[20]:

要想使热管换热器性能达到最佳，并应用于更多场合，还需要解决以下几个问题：

1.能够找到一种适合各种工作温度的工质，而不影响换热器的效率和可靠性；

2.热管的直径、翅片高、翅片厚度等结构尺寸的确定没有准确的依据，而这些参数对热管性能影响较大^[21]；

3.灰尘较多的烟气易加速热管的磨损或使热管易积灰，降低换热能力；

4.热管散热器结构相对较复杂，工艺性要求较高，成本较高^[22]。

5.3结论

综上所述，高温热管换热器是一种高效、节能、便捷的换热设备。适用于干燥设备、预热设备、助燃设备以及各个耗能较大的行业的余热回收中，应用前景非常广阔，但同时也存在着一些需要解决的问题。所以，研究设计高温换热器有着很高的实用价值与意义。

六、参考文献

[1]周凤起.国外又重视节能了[J].能源研究与利用, 1991, 1:1~213.

[2]Mokansi J. Power[J], 1990, 129( 8): 73~75.

[3] 张红,庄骏.高温热管换热器的研究与工业应用[J].压力容器.2003.1:45~54

[4] Gaugerl RS.Heat transfer device[J].U.S.Patent.Dec.21,1942,June6,1944.

[5] Grover G M,Cotter T P And Erikson G F.Structure of very high thermal conductance[J].J.Appl.Phys.1964,35(6).

[6] 庄骏,张红.2010年热管技术展望[J].化工机械.1998,25(1).

[7] Faghri A.Heat Pipe Science and Technology[M]. .Taylor Francis, Philadelphia , USA , 1995

[8] 张红, 滕林根, 侯少雄等.热管技术在十二醇硫酸钠生产中的应用[J]. 能源研究与利用, 998(4):10 ～ 12.

[9] 庄骏, 张红.热管技术及其工程应用[M]..北京:化学工业出版社, 2000.

[10] 张红, 滕林根等.热管技术在十二醇硫酸钠生产中的应用[ J] .能源研究与利用, 1998(4).

[11] 陈敏等.高温热管热风炉在白碳黑工业中的应用[ J].节能技术.1999, 17(94):11-12

[12] 虞斌.催化裂化高温热管取热器[ A] .第6 届全国热管会议论文集[ C] , 1998.

[13] 许圣华, 冯踏青.高温热管在小氮肥余热回收中的应用[ J].节能技术, 1999(4):33～ 34.

[14] 徐光启.内燃机预热利用及其交换系统[ J].农业机械学报, 1985, 1:58 ~68.

[15] 袁胜利.利用汽车废气取暖的热管换热器[ J].节能, 1991, 11 :36~36.

[16] 苏俊林等.热管换热器在工业节能中的作用[ J].吉林工业大学学报, 1985 , 4:121~130.

[17] Mark Clevenger .Thermal And Kinetic Energy Recovery In Marine Diesel Power Plant[ J].DGTW, 1984.

[18] 邬守春.排气热回收器的应用[ J].节能技术, 1986 , 5: 46~48.

[19] 孙世梅，张红.高温热管换热器的应用前景[ J].化工机械，2003.31(2):116~117.

[20] 康芹.热管换热器的应用[ J].机械管理开发.2010.117:60~63.

[21] 郭振贤.热管换热器应用现状及其制约因素[ J].应用能源技术.2002,76:32~33.

[22] 庄骏.热管换热器在化学生产中的应用 [J].化学工程,1983(4):26~29.

[23] 潘阳.重力式碳钢-萘热管的热稳定性及相容性[ J].江西科学, 1989, 7(4):17~23.

[24] 许永贵.中温萘热管的研究与应用前景[ J].华东冶金学院学报, 1989, 6(2):70~78.

[25] Ichiro Honda ,Mjtuo Ohsho .Experimental Study of the Naphthalineheat Pipe[ J].IHPC.1984,4:10~12

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1.根据设计参数进行热力计算、阻力计算：

首先要根据冷热流体之间的热平衡计算，求出烟气的质量流量，然后按照常规的热管式气-气换热器的热力计算方法，进行设计计算。

2.确定热管换热器的设计方案：

针对本课题的特殊性，要采取措施，确保烟气侧不积灰堵塞，翅片管的翅片间距要适当选大一些；在热管腰板与中孔板之间要采取良好的密封措施，确保更换热管的方便和良好的密封性能；热管的选取应考虑耐高温性能，以提高设备的可靠性。