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第一章　熱管及熱管換熱器的概述 熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫度可控制等特點(diǎn)。將熱管散熱器的基板與晶閘管等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。 熱管傳熱技術(shù)于六十年代初期由美國的科學(xué)家發(fā)明[1]，它是利用封閉工作腔內(nèi)工質(zhì)的相變循環(huán)進(jìn)行熱量傳輸，因而具有傳輸熱量大及傳輸效率高等特點(diǎn)。隨著熱管制造成本的降低，尤其是九十年代前后隨著水碳鋼熱管相容性問題的解決，熱管憑借其巨大的傳熱能力，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、造紙、冶金等領(lǐng)域的余熱回收系統(tǒng)中。熱管氣-氣換熱器是最能體現(xiàn)熱管優(yōu)越性的熱管換熱器產(chǎn)品，它正在逐步取代傳統(tǒng)的管殼式換熱器。熱管氣-氣換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種氣-氣換熱器。 我國的能源短缺問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能已被提到了重要的議事日程。大量的工業(yè)鍋爐和各種窯爐、加熱爐所排放的高溫?zé)煔?，用熱管?氣換熱器進(jìn)行余熱回收，所得到的高溫空氣可用于助燃或干燥，因此應(yīng)用前景非常廣闊。據(jù)有關(guān)報(bào)道稱，我國三分之二的能源被鍋爐吞噬，而我國工業(yè)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行效率只有65%左右，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行熱效率達(dá)85%，因此，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，節(jié)能潛力十分巨大。如果我國鍋爐的熱效率能夠提高10%，節(jié)約的能耗則相當(dāng)于三峽水庫一年的發(fā)電量，做好工業(yè)鍋爐及窯爐的節(jié)能工作對節(jié)約能源具有十分重要的意義[2~6]。 利用熱管氣-氣換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式氣-氣換熱器，一方面,能夠大大提高預(yù)熱空氣進(jìn)入爐內(nèi)的溫度，降低煙氣溫度，從而大大提高鍋爐的熱效率；另一方面，熱管氣-氣換熱器運(yùn)行壓降非常小，有時(shí)甚至不需要增加引風(fēng)機(jī)等設(shè)備，從而使得運(yùn)行費(fèi)用大大降低。 1.1 熱管及其應(yīng)用 熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體壓降小等優(yōu)點(diǎn)。由于其特殊的傳熱特性可控制管壁溫度，避免露點(diǎn)腐蝕。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機(jī)械等行業(yè)中進(jìn)行余熱回收以及綜合利用工藝過程中的熱能，已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[7]。 重力熱管因其簡單的結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)的成本得到了廣泛的應(yīng)用，其工作原理是：熱管受熱側(cè)吸收廢氣熱量，并將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)(液態(tài))，工質(zhì)吸熱后以蒸發(fā)與沸騰的形式轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，蒸汽在壓差作用下上升至放熱?cè)，同時(shí)凝結(jié)成液體放出汽化潛熱，熱量傳給放熱側(cè)的冷流體，冷凝液體依靠重力回流到受熱側(cè)。由于熱管內(nèi)部抽成真空，所以工質(zhì)極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動(dòng)迅速。熱管在冷、熱兩側(cè)均可裝設(shè)翅片，以強(qiáng)化傳熱。 1.1.1熱管的工作原理 熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量，通過內(nèi)部相變傳熱過程，把熱量輸送到冷卻段，從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。完成這一轉(zhuǎn)移有6個(gè)同時(shí)發(fā)生而又相互關(guān)聯(lián)的主要過程,如圖1.1。這6個(gè)過程是： 液膜 蒸汽 q q 工質(zhì) 圖1.1 熱管的工作過程示意圖 (1)熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面；(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié)；(5)熱量從汽－液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源； (6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。為進(jìn)一步了解熱管的傳熱機(jī)理，將以上6個(gè)過程詳述如下： 從熱源到蒸發(fā)段內(nèi)液—汽分界面的傳熱過程基本上是熱傳導(dǎo)過程。對于水或酒精這類低導(dǎo)熱系數(shù)的工作液體來說，由于吸液芯（金屬網(wǎng)）的導(dǎo)熱系數(shù)比液體高，因此通過吸液芯和液體時(shí)，熱能差不多主要靠多孔吸液芯材料進(jìn)行傳導(dǎo)。但是，如果工作液體是具有高導(dǎo)熱系數(shù)的液態(tài)金屬，此時(shí)熱量既通過吸液芯材料進(jìn)行熱傳導(dǎo)，同是也通過吸液芯毛細(xì)孔內(nèi)的液態(tài)金屬進(jìn)行傳導(dǎo)。在多孔吸液芯的情況下，對流傳熱是很小的，因?yàn)橐a(chǎn)生有實(shí)際意義的對流流動(dòng)，毛細(xì)孔顯得太小了。通過吸液芯材料和工作液體的傳導(dǎo)所產(chǎn)生的溫差是熱管熱流通路中的主要溫度梯度之一，它的大小取決于工作液體、吸液芯材料、吸液芯厚度以及徑向凈熱流量。這個(gè)溫降可以從攝氏幾度到幾十度。 熱量傳遞到液—汽分界面附近以后，液體就可能蒸發(fā)，與液體蒸發(fā)的同時(shí)，由于從表面離開的液體質(zhì)量使液—汽交界面縮回到吸液芯里面，形成一個(gè)凹形的彎月面(如圖1.2),這個(gè)彎月面的形狀對熱管工作性能有決定性影響。單個(gè)毛細(xì)孔上簡單的力學(xué)平衡現(xiàn)象表明，對于球形分界面，蒸汽壓力與液體壓力之差是等于表面張力除以彎月面半徑之商的兩倍。這個(gè)壓差是液體流動(dòng)和蒸汽流動(dòng)的基本推動(dòng)力。它主要起到循環(huán)時(shí)作用于液體的重力和粘滯力相抗衡的作用。在蒸發(fā)段，如果熱量進(jìn)一步增高，則彎月面還要進(jìn)一步縮入到吸液芯里面，最后它可能妨礙毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的液體流動(dòng)，并破壞熱管的正常工作。 圖1.2 熱管的汽—液交界面 當(dāng)蒸發(fā)段里的液體一旦因吸收了汽化潛熱并蒸發(fā)時(shí)，蒸汽就開始通過熱管的蒸汽腔向冷卻段流動(dòng)。此流動(dòng)是由蒸汽腔兩端的小壓差引起的。蒸發(fā)段內(nèi)蒸汽的溫度比冷卻段內(nèi)的飽和溫度稍高一些，從而形成了兩端的溫度差。蒸發(fā)段與冷卻段之間這個(gè)溫差常常可作為熱管工作成功與否的一個(gè)判據(jù)。如果此溫差小于0.5℃或1℃，則熱管常常被稱為在“熱管工況”下工作，即等溫工作。 在蒸汽向冷卻段流動(dòng)的同時(shí)，在蒸發(fā)段的沿途上不斷加進(jìn)補(bǔ)充的質(zhì)量（蒸汽），因此在整個(gè)蒸發(fā)段內(nèi)，軸向的質(zhì)量流量和速度是不斷增加的，在熱管的冷卻段內(nèi)則出現(xiàn)相反的情況。 熱管內(nèi)的蒸汽流動(dòng)可以是層流，也可是湍流，這取決于熱管的實(shí)際工作情況。當(dāng)蒸汽流過蒸發(fā)段和絕熱段時(shí)，由于粘滯效應(yīng)和速度效應(yīng)使得壓力不斷下降（在絕熱段只有粘滯效應(yīng)），一旦到達(dá)冷卻段，蒸汽就開始在液體—吸液芯表面上凝結(jié)，減速流動(dòng)使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而使得在流體運(yùn)動(dòng)的方向上壓力有所回升。應(yīng)該指出：蒸汽腔內(nèi)的驅(qū)動(dòng)壓力要比蒸發(fā)段與冷卻段內(nèi)液體的飽和蒸汽壓差銷為小一些。這是因?yàn)橐S持一個(gè)邊界蒸發(fā)的過程，蒸發(fā)段內(nèi)液體的蒸汽壓力必須超過該處與之相對應(yīng)的蒸汽壓力。同樣，為了保持連續(xù)凝結(jié)，正在冷凝中的蒸汽壓力必須超過該處與之對應(yīng)的液體的蒸汽壓力。 當(dāng)蒸汽凝結(jié)時(shí)，液體就浸透冷卻段內(nèi)的吸液芯毛細(xì)孔，彎月面具有很大的曲率半徑，可以認(rèn)為是無窮大。在熱管內(nèi)只要有過量的工質(zhì)，就一定集中在冷凝表面上，因而實(shí)際上冷凝段的汽—液分界面是一個(gè)平面，蒸汽凝結(jié)釋放出的潛熱通過吸液芯、液體層和管壁把熱量傳給管外冷源。如果有過量液體存在，則從分界面到管壁外面的溫降將比蒸發(fā)段內(nèi)相應(yīng)的溫降大，因而，冷卻段內(nèi)的熱阻在熱管設(shè)計(jì)中是應(yīng)當(dāng)考慮的重要熱阻之一。 1.1.2熱管的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域 熱管作為一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置，其概念首先是由美國通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的Gaugler于1944年提出的。他當(dāng)時(shí)的想法是：液體在某一位置上吸熱蒸發(fā)，而后在它的下方某一位置放熱冷凝，不附加任何動(dòng)力而使冷凝的液體再回到上方原位置繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，達(dá)到熱量從一個(gè)地點(diǎn)傳動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)的目的。Gaugler所提出的第一個(gè)專利是一個(gè)冷凍裝置，由于時(shí)代條件的限制，Gaugler的發(fā)明在當(dāng)時(shí)未能得到應(yīng)用。 1962年特雷費(fèi)森向美國通用電氣公司提出報(bào)告，倡議在宇宙飛船上采用一種類似Gaugler的傳熱設(shè)備。但因這種倡議并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，亦未能付諸實(shí)施。 1963年Los-Alamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Grover在他的專利中正式提出熱管的命名，該裝置基本上與Gaugler的專利相類似。他采用一根不銹鋼管作殼體，鈉為工作介質(zhì)，并發(fā)表了管內(nèi)裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了有限的理論分析，同時(shí)提出了以銀和鋰作為熱管的工作介質(zhì)的觀點(diǎn)。 1964年Grover等人首次公開了他們的試驗(yàn)結(jié)果。此后英國原子能實(shí)驗(yàn)室開始了類似的以鈉和其它物質(zhì)作為工作介質(zhì)的熱管研究工作。工作的興趣主要是熱管在核熱離子二極管轉(zhuǎn)換器方面的應(yīng)用。與此同時(shí)，在意大利的歐洲原子能聯(lián)合核研究中心也開展了積極的熱管研究工作。但興趣仍然集中在熱離子轉(zhuǎn)換器方面，熱管的工作溫度達(dá)到1600~1800℃。 1964年至1966年期間，美國無線電公司制作了以玻璃、銅、鎳、不銹鋼、鉬等材料作為殼體，水、銫、鈉、鋰、鉍等作為管內(nèi)的工作液體的多種熱管，操作溫度達(dá)到1650℃。 1967年至1968年，美國應(yīng)用于工業(yè)的熱管日漸廣泛，應(yīng)用范圍涉及到空調(diào)、電子器件、核電機(jī)的冷卻等方面。并初次出現(xiàn)了柔性熱管和平板式的異形熱管。 Los-Alamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工作一直處于領(lǐng)先狀態(tài)，其工作重點(diǎn)是衛(wèi)星上熱管的應(yīng)用研究。1967年一根不銹鋼-水熱管首次在空間運(yùn)轉(zhuǎn)成功。1965年Cotter首次較完整地闡述了熱管理論，他描述了熱管中發(fā)生的各個(gè)過程的基本方程，并提出了計(jì)算熱管工作毛細(xì)限的數(shù)學(xué)模型，從而奠定了熱管理論的基礎(chǔ)。 Katzoff于1966年首先發(fā)明有干道的熱管。干道的作用是為后冷凝段回流到蒸發(fā)段的液體提供一個(gè)壓力降較小的通道。后來莫里茨核普魯謝客提出了一個(gè)新的名詞，把在吸液芯結(jié)構(gòu)中加進(jìn)一些干道的熱管稱為“第二代熱管”，并把它與“第一代熱管”即裝有絲網(wǎng)層等吸液芯的熱管作了比較，他們證明“第二代熱管”比第一代熱管好。 1969年，蘇聯(lián)、日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了有關(guān)熱管應(yīng)用研究的文章。在日本的文章中描述了帶翅片熱管管束的空氣加熱器。在能源日趨緊張的情況下，它可以用來回收工業(yè)排氣中的熱能。同年特納核比恩特提出了“可變導(dǎo)熱管”作為恒溫控制使用。格雷提出轉(zhuǎn)動(dòng)熱管，此種熱管沒有吸液芯，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)中的離心力使液體從冷凝段回流到蒸發(fā)段，這些發(fā)明都是熱管技術(shù)的重大進(jìn)展。 熱管自1964年問世以來，獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫液態(tài)金屬熱管已廣泛地被用于動(dòng)力工程的核反應(yīng)堆和同位素反應(yīng)器的冷卻系統(tǒng)，并在空間應(yīng)用中作為熱離子核熱電發(fā)生器的重要部件；此外，作為高溫?fù)Q熱器回收高溫?zé)崮茴H具前途。中溫?zé)峁軓V泛地被用于電子器件及集成電路的冷卻、大功率行波管的冷卻、密閉儀表的冷卻；在動(dòng)力工程中用于透平葉輪、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及變壓器的冷卻；在能量工程方面用于廢氣熱能回收、太陽能和地?zé)崮艿睦?；在機(jī)械工程方面用于高速切削工具（車刀、鉆頭）的冷卻。低溫?zé)峁茉谕ㄐ怕?lián)絡(luò)中冷卻紅外線傳感器、參量放大器；在醫(yī)學(xué)方面可用作低溫手術(shù)刀，進(jìn)行眼睛和腫瘤的手術(shù)。隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍還在擴(kuò)大。幾個(gè)典型的應(yīng)用如下： 美國阿拉斯加輸油管線工程采用熱管作輸油管線的支撐。這條管線穿過寒冷的凍土地帶，夏天凍土融化，使得管線下陷，引起管線破裂。后來，決定在管架支撐中裝設(shè)簡單的重力熱管，從而解決這個(gè)困難。冬天通過熱管將管樁基礎(chǔ)周圍的熱量帶出并散失在空氣中，使土壤凍透，形成結(jié)實(shí)的“低溫錨樁”。夏天，由于重力熱管具有單向傳熱性能，大氣中的熱不能傳到地下，故地下凍土不能融化；采用了氨-碳鋼熱管，長10～20m，上部散熱端裝有鋁翅片，埋入土壤中的深度為9～12m，在熱管兩端溫差小于1℃的情況下，保證每根熱管可輸送300W的熱流。其熱管的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)30年，滿足整個(gè)管線工程的要求。在1290km長的管線上，總共使用了112,000多根熱管。 熱管應(yīng)用于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)釜，反應(yīng)釜的攪拌軸就是一根熱管。當(dāng)反應(yīng)釜中的反應(yīng)溫度達(dá)不到熱管啟動(dòng)溫度時(shí)，熱管不工作，一旦溫度上升到熱管工作溫度時(shí)，熱管便通過釜內(nèi)的吸熱片把熱量傳到釜外，通過散熱片散入空間，從而使得釜內(nèi)反應(yīng)溫度保持恒定。 熱管在太陽能方面的應(yīng)用。目前太陽能熱管發(fā)電裝置、太陽能熱管熱水器等產(chǎn)品已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱管技術(shù)正愈來愈廣泛地滲入到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中，發(fā)揮出愈來愈重要的作用。 我國熱管研究開始于1970年左右。在1972年，第一根鈉熱管運(yùn)行成功，以后相繼研制成功氨、水、鈉、汞、聯(lián)苯等各種介質(zhì)的熱管，并在應(yīng)用上取得了一定的進(jìn)展。1981年國內(nèi)第一臺(tái)試驗(yàn)性熱管換熱器運(yùn)行成功，各地相繼出現(xiàn)了各種不同類型的、不同溫度范圍的氣-氣熱管換熱器和氣-液熱管換熱器，在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良好的作用，并積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)。 20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)一些科研院所、高校及制造廠相繼開展了熱管氣-氣換熱器的試驗(yàn)研究。主要目的是解決熱管的制造工藝、碳鋼-水熱管的相容性、中高溫?zé)峁艿难兄?、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設(shè)計(jì)方法等問題，其研究成果陸續(xù)在石化、冶金、電力等行業(yè)推廣應(yīng)用。 目前國內(nèi)已有數(shù)千臺(tái)熱管氣-氣換熱器先后投入使用，取得了較好的使用效果。但也暴露了不少問題，如熱管失效、低溫腐蝕、積灰、漏風(fēng)等，影響了熱管氣-氣換熱器的進(jìn)一步推廣。因此，急需對這些問題進(jìn)行細(xì)致分析與研究，完善熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)制造方法，提高熱管氣-氣換熱器的使用效果和壽命[8~12]。 1.1.3熱管換熱器的性能特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢 由熱管管束和外殼等組成的換熱器稱為熱管換熱器。一般情況下，它有一個(gè)矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管。熱管的布置可以是錯(cuò)列呈三角形的排列，也可以是順列呈正方形排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分成兩個(gè)部分，形成熱流體與冷流體的通道。當(dāng)熱冷流體同時(shí)在各自的通道中流過時(shí)，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱量交換。 根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)的熱管換熱器結(jié)構(gòu)及外形形式多樣，圖1.3、圖1.4分別為應(yīng)用最為廣泛的氣-氣熱管換熱器外形示意圖和氣-液熱管換熱器外形示意圖。 圖1.3 氣-氣熱管換熱器 圖1.4 氣-液熱管換熱器 熱管式換熱器是一種新型的換熱器，于70年代初才開始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)間不長，但發(fā)展速度很快。熱管換熱器的最大特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時(shí)的壓力損失也比其他換熱器小，因而動(dòng)力消耗也小。熱管換熱器的這些特點(diǎn)正越來越受到人們的重視，是一種應(yīng)用前景非常好的換熱設(shè)備。 我國于1970年開始的熱管研制工作，首先是為航天技術(shù)發(fā)展的需要而進(jìn)行的。1976年12月7日，在衛(wèi)星上首次應(yīng)用熱管取得了成功。我國氣象衛(wèi)星也應(yīng)用了熱管，并獲得了預(yù)期效果。我國在熱管換熱器方面的研制工作起步較早。南京工業(yè)大學(xué)于1973年就開始了這方面研制工作，并和南京煉油廠共同完成了國內(nèi)第一臺(tái)熱管換熱器。以后幾年，熱管換熱器相繼在紡織、石油、化工等行業(yè)用于余熱回收及干燥工藝上。各研究熱管的科研單位和大專院校都先后與制造熱管的廠家組成了科研生產(chǎn)聯(lián)合體，在擴(kuò)大熱管換熱器應(yīng)用范圍和有效、合理地使用熱管換熱器等方面起了推動(dòng)作用。 熱管氣-氣換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的熱管換熱器。隨著能源短缺問題的日趨嚴(yán)峻，節(jié)能意識(shí)越來越深入人心，熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用前景更加廣闊。 熱管氣-氣換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種余熱回收設(shè)備,它利用鍋爐、加熱爐等排煙余熱預(yù)熱爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對環(huán)境的污染，因此，熱管氣-氣換熱器在余熱回收利用中得到非常廣泛的應(yīng)用。圖1.5（a）是熱管氣-氣換熱器用于回收鍋爐煙氣余熱，得到的熱空氣用于鍋爐助燃的流程示意圖，圖1.5（b）是熱管氣-氣換熱器用于回收窯爐煙氣余熱來加熱空氣，得到的熱空氣作為烘房熱源的流程示意圖。 煙囪 燃料 熱空氣>150℃ 低溫?zé)煔?180℃ 空氣20-30℃ 鍋爐 熱管氣-氣換熱器 圖1.5 熱管氣-氣換熱器流程示意圖（a） 煙囪 燃料 熱空氣>150℃ 送烘房 低溫?zé)煔?180℃ 空氣20-30℃ 熱管氣-氣換熱器 窯爐 圖1.5 熱管氣-氣換熱器流程示意圖（b） 熱管氣-氣換熱器就象省煤器和蒸汽過熱器一樣已經(jīng)成了大型鍋爐整體中正常而必要的一部分。熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用簡化并加速了燃料的烘干工程，減少了低值燃料和濕燃料的著火困難，并且擴(kuò)大了這些燃料經(jīng)濟(jì)燃燒的可能。熱管空氣預(yù)器熱同樣還可以提高鍋爐整體的蒸汽生產(chǎn)量。熱管氣-氣換熱器能夠把排出的煙氣加以高度冷卻。這是由于進(jìn)入熱管氣-氣換熱器的空氣溫度比較低（一般在20~40℃）、空氣與煙氣成逆流換熱的結(jié)果。 傳統(tǒng)的氣-氣換熱器的缺點(diǎn)是過于笨重，愈提高煙氣冷卻程度或者空氣的加熱溫度，氣-氣換熱器就愈加笨重。氣-氣換熱器所排出的煙氣的溫度也受到限制，既決定于技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，也決定于必須避免在氣-氣換熱器的金屬表面上結(jié)成水滴，因?yàn)樗螘?huì)引起金屬壁的腐蝕，灰分也會(huì)粘在濕金屬壁上使之加速積垢。燃料中含硫愈多，在金屬壁上結(jié)成的水滴就會(huì)愈危險(xiǎn)。從氣-氣換熱器中排出的容許溫度決定于必須使金屬壁溫度高于煙氣露點(diǎn)的條件[13]。 采用熱管氣-氣換熱器能夠把排出煙氣時(shí)帶走的熱量損失減少到能夠容許的程度。每當(dāng)使排出的煙氣溫度降低20℃，鍋爐整體的效率可提高約1%。此外，熱管氣-氣換熱器能使?fàn)t膛中前部煙道中的煙氣溫度有某些提高。在這些地方，煙氣與水或蒸汽的溫度差將會(huì)增加，因而經(jīng)過受熱面?zhèn)鬟^的熱量也就增加了。輻射傳遞的熱量增加得尤為顯著。 由于水-碳鋼熱管的研制成功，使得氣-氣熱管換熱器的制造成本大幅降低，從而促進(jìn)了熱管氣-氣換熱器的工業(yè)化應(yīng)用。熱管氣-氣換熱器綜合起來有如下一些特點(diǎn)[14~17]： ①傳熱性能高。由于熱管氣-氣換熱器的加熱段和冷凝段都有帶翅片，大大擴(kuò)展了換熱表面，因此，其傳熱系數(shù)比普通光管氣-氣換熱器的要大好多倍； ②對數(shù)平均溫差大。由于熱管氣-氣換熱器可以方便地做到冷流體與熱流體的純逆向流動(dòng)，這樣在相同的進(jìn)、出口溫度條件下，就可以產(chǎn)生最大的對數(shù)平均溫差； ③傳熱量大。由于熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差大，因此，傳熱量就大； ④體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。由于熱管氣-氣換熱器所傳輸?shù)臒崃看螅虼嗽趥鬏斖瑯拥臒崃壳闆r下，熱管氣-氣換熱器就顯得體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)非常緊湊，因而金屬的消耗量小，占地面積也就大大減少。熱管氣-氣換熱器這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)就使其在余熱回收等應(yīng)用領(lǐng)域開辟了廣闊的天地； ⑤便于拆裝、檢查和更換。熱管氣-氣換熱器是由許多根獨(dú)立的換熱元件-熱管按著一定的排列方式組成的。因此更換部分熱管不會(huì)影響熱管氣-氣換熱器整體的正常工作； ⑥熱管氣-氣換熱器具有很大的靈活性，可以根據(jù)不同的熱負(fù)荷和氣體的流量將幾個(gè)熱管氣-氣換熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來使用； ⑦明顯地提高了金屬壁溫，減輕了低溫腐蝕； ⑧有效地防止了漏風(fēng)，降低了引風(fēng)機(jī)的耗電量； ⑨增強(qiáng)了換熱能力，余熱回收率高，提高了鍋爐熱效率； ⑩明顯地減輕了受熱面積灰，不會(huì)出現(xiàn)堵煙現(xiàn)象而影響鍋爐正常運(yùn)行； ⑾流阻小，降低了換熱器運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力消耗。 總之, 熱管氣-氣換熱器與管殼式預(yù)熱器相比，有很多優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在傳熱性能好、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低和流動(dòng)阻力小等方面。熱管氣-氣換熱器的技術(shù)優(yōu)勢就在于利用了熱管內(nèi)部工質(zhì)的相變傳熱，換熱系數(shù)大，易于控制空氣及煙氣的出口溫度。 1.2熱管氣-氣換熱器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題 自七十年代以來，熱管換熱器用于回收各種廢氣的余熱已經(jīng)取得相當(dāng)大的成效，迄今已投入運(yùn)行的熱管換熱器已有好幾千臺(tái);特別是工藝簡單、成本低廉的碳鋼-水熱管的問世，更為熱管換熱器在余熱回收方面的應(yīng)用開辟了十分廣闊的前景。 （1）熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù) ??? 熱管直徑、熱管長度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片間距、翅片高度、翅片厚度) 決定翅片效率和翅化比,對熱管氣-氣換熱器的傳熱及流阻性能影響較大,并涉及換熱器的緊湊性、投資和運(yùn)行費(fèi)用。在設(shè)計(jì)熱管時(shí)所依據(jù)的都是經(jīng)驗(yàn),當(dāng)煙氣的流量、溫度一定時(shí),如何確定熱管的直徑、翅片高度、翅片厚度、翅片間距、熱管管間距、熱管長度等結(jié)構(gòu)尺寸沒有準(zhǔn)確的依據(jù)。這也影響了熱管氣-氣換熱器的應(yīng)用。 （2）積灰 對于灰塵較多的煙氣,如其在熱管氣-氣換熱器中設(shè)計(jì)流動(dòng)速度過高,雖然能夠提高熱管的換熱能力,但是會(huì)加速熱管的磨損,且增大煙氣流動(dòng)阻力;速度較小時(shí),熱管翅片上易積灰,使熱管換熱能力下降,嚴(yán)重時(shí)堵塞換熱器,使其失效。這也與目前落后的設(shè)計(jì)方法有關(guān)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段難以通過進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)計(jì)算來避免積灰。 （3）露點(diǎn)腐蝕 雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點(diǎn)腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算手段的限制，設(shè)計(jì)計(jì)算采用試算驗(yàn)證的方式進(jìn)行，難以做到各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化組合，從而造成熱管氣-氣換熱器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏離，導(dǎo)致露點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致熱管失效。 第二章　熱管氣-氣換熱器的計(jì)算理論及方法 熱管氣-氣換熱器是由若干獨(dú)立傳熱的熱管按一定的排列方式所組成，目前的工業(yè)應(yīng)用場合，均采用重力式熱管作傳熱元件，所以熱管氣-氣換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括重力式熱管，以及以重力式熱管作傳熱元件的氣-氣換熱器兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算。 2.1熱管的材料及工作溫度 根據(jù)熱管的工作原理知道，影響熱管性能的幾個(gè)主要因素為：管內(nèi)的工作液體；熱管的工作溫度；管壁（殼體）材料。在進(jìn)行熱管設(shè)計(jì)計(jì)算以前，首先應(yīng)考慮怎樣確定上述這些因素。 一般地說，這與設(shè)計(jì)的目的有關(guān)。因?yàn)闊峁艿挠猛鞠喈?dāng)廣泛，不同的用途對熱管的要求也不盡一致。在某些場合下要求相當(dāng)苛刻，例如宇航、軍工中就是如此。此時(shí)管子的數(shù)量可能較少，但可靠程度和精密性要求卻相當(dāng)嚴(yán)格，可靠性占第一位，經(jīng)濟(jì)性則處于次要地位。在民用和一般工業(yè)中，管子數(shù)量相當(dāng)多（已屬批量生產(chǎn)），這時(shí)經(jīng)濟(jì)性占了突出地位，如果價(jià)格昂貴，應(yīng)用也就失去意義。故此時(shí)的熱管設(shè)計(jì)應(yīng)注意經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量采用價(jià)廉易得且傳輸性能好的工作液體；不采用吸液芯，完全依靠重力回流；對管壁則盡可能采用廉價(jià)金屬-碳鋼。殼體材料首先應(yīng)滿足與工質(zhì)的相容性要求。除此之外殼體材料還應(yīng)滿足在工作溫度下的剛度和強(qiáng)度要求。同時(shí)應(yīng)考慮對熱管殼體材料的選擇必須符合我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。 熱管是依靠工作液體的相變來傳遞熱量的，因此工作液體的各種性質(zhì)對于熱管的工作特性也就具有重要的影響。一般應(yīng)考慮以下一些原則[25~28]： ①工質(zhì)應(yīng)適應(yīng)熱管的工作溫度區(qū) 在指定的設(shè)計(jì)條件下，冷源和熱源的溫度是已知的，換熱條件也是明確的，因而熱管本身的工作溫度范圍可以通過一般的傳熱公式計(jì)算出來。熱管的工作溫度一般是指工作時(shí)熱管內(nèi)部工作液體的蒸汽溫度。在良好的熱管工作時(shí)，工質(zhì)必然在汽-液兩相狀態(tài)。據(jù)此，所選擇的熱管工作液體熔點(diǎn)應(yīng)低于熱管的工作溫度，而臨界點(diǎn)必須高于熱管的工作溫度，熱管才有可能正常工作。在某一溫度范圍內(nèi)有幾種工作液體可被選用，這就要依次考慮各種因素，并加以對比，作出選擇。 ②工質(zhì)與殼體材料應(yīng)相容，且工質(zhì)應(yīng)具有熱穩(wěn)定性 工作液體與殼體、吸液芯材料的相容性是最重要的必須考慮的因素。因?yàn)橐坏んw或吸液芯材料與工作液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)了，或是工作液體本身分解了，都將產(chǎn)生不凝性氣體?；瘜W(xué)反應(yīng)的結(jié)果將使殼體受到腐蝕破壞，這些都將使熱管的性能不斷變壞，甚至不能工作。目前還沒有完整的理論來計(jì)算材料的相容性，但是確定材料相容性的試驗(yàn)研究結(jié)果已相當(dāng)多。原來的文獻(xiàn)中認(rèn)為水與碳鋼材料不相容，但水-碳鋼熱管換熱器的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間甚至有超過10年的。 ③工質(zhì)應(yīng)有良好的熱物理性質(zhì) 工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)用來說明工質(zhì)的物理性質(zhì)對熱管軸向傳熱能力的影響，用符號(hào)N1表示，是一個(gè)有因次數(shù)，單位是W/m2 （2.1） ④其他（包括經(jīng)濟(jì)性、毒性、環(huán)境污染等） 滿足以上條件的工質(zhì)并不一定就是可采用的最好工質(zhì)，還要考慮制作的安全性、經(jīng)濟(jì)性和來源的難易程度等一系列問題。 2.2 熱管的強(qiáng)度與最大傳熱功率 熱管的設(shè)計(jì)計(jì)算通常按以下3個(gè)步驟進(jìn)行：根據(jù)一定的蒸汽速度確定熱管的直徑；按照工作壓力對熱管進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核；驗(yàn)算與熱管最大傳熱能力有關(guān)的工作極限。 熱管管徑的大小對熱管的性能有影響，即對熱管換熱器的性能有影響。對單管傳熱量來說，管徑越大，傳熱面積就越大，單管傳熱量就越多。 對一臺(tái)換熱器來說，當(dāng)總的熱負(fù)荷一定時(shí)，所需要管子的根數(shù)就減少，這會(huì)降低設(shè)備的造價(jià)和投資。因此增大管徑是有利的。但對熱管傳熱熱阻來說，就熱管氣-氣換熱器來說，在總的傳熱熱阻中，起控制作用的是管外兩側(cè)的放熱熱阻。隨管徑的增大，管外放熱系數(shù)要下降，熱阻要增大（此項(xiàng)是熱管傳熱的主要熱阻），對傳熱不利。對熱管的強(qiáng)度來說，在其他條件相同的情況下，管徑越小，所能承受的管內(nèi)壓力就越高，管徑小些有利。從以上看來，管徑越小，熱管換熱器的性能越好。但管徑的大小還直接影響了管內(nèi)流通面積的大小，從而影響著熱管的幾項(xiàng)傳熱極限。受流通截面影響最為顯著的傳熱極限有兩個(gè)，一個(gè)是聲速極限，另一個(gè)是攜帶極限。在熱管的加熱段如果增加輸入的熱量超過一定值時(shí)，工質(zhì)蒸汽流在加熱段的出口處達(dá)到音速，便出現(xiàn)蒸汽流動(dòng)的阻塞現(xiàn)象，由此現(xiàn)象產(chǎn)生的傳熱量的界限稱為音速極限（聲速限）。 管徑計(jì)算的一個(gè)基本原則是管內(nèi)蒸汽速度不超過一定的極限值。這個(gè)極限值是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過0.2。在這樣的條件下，蒸汽流動(dòng)可以被認(rèn)為是不可壓縮的流體流動(dòng)。這樣軸向溫度梯度很小，并可忽略不計(jì)。否則，在高馬赫數(shù)下蒸汽流動(dòng)的可壓縮性將不可忽略。 一般來說，一根熱管所要傳遞的最大軸向熱流量Qmax是已知的。如果又限定它的馬赫數(shù)等于0.2，則有 （2.2） （2.3） （2.4） 式中：Av是蒸汽流道的面積，dv為蒸汽腔直徑，Qmax為最大軸向熱流量。熱管氣-氣換熱器一般采用的是重力式水-碳鋼熱管，換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算后只對工質(zhì)的工作溫度進(jìn)行校核。 2.3熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法 熱管氣-氣換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的主要任務(wù)在于求取總傳熱系數(shù)U，然后根據(jù)平均溫差ΔT及熱負(fù)荷Q求得總傳熱面積A，從而定出管子根數(shù)N。 設(shè)計(jì)中考慮的問題有：合適的迎風(fēng)面風(fēng)速，風(fēng)速過高會(huì)導(dǎo)致壓力降過大和動(dòng)力消耗增加，風(fēng)速過低會(huì)導(dǎo)致管外膜傳熱系數(shù)降低，管子的傳熱能力得不到充分的發(fā)揮；熱管的管徑，厚度，以及翅片的間距，高度，厚度等參數(shù)；冷流體及熱流體運(yùn)行參數(shù)，包括流量，進(jìn)出口溫度等[29-30]。 熱管氣-氣換熱器的兩種基本計(jì)算方法是平均溫差法和傳熱單元數(shù)法，它們都能完成預(yù)熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算是設(shè)計(jì)一個(gè)新的氣-氣換熱器，要求確定氣-氣換熱器所需的換熱面積；而校核計(jì)算是是對已有的氣-氣換熱器進(jìn)行校核，以確定氣-氣換熱器的流體出口溫度和換熱量。 通常由于設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)冷熱流體的進(jìn)出口溫度差比較易于得到，對數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進(jìn)行計(jì)算；而校核計(jì)算時(shí)由于熱管氣-氣換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱管氣-氣換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。 熱管氣-氣換熱器傳熱計(jì)算的熱平衡方程為: （2.5） 其傳熱方程為 （2.6） 式中，ΔTm是由冷熱流體的進(jìn)出口溫度確定的。以上三個(gè)方程中共有八個(gè)獨(dú)立變量，它們是UA、(mcp)h、(mcp)c、Th1、Th2、Tc1、Tc2、Q。因此，熱管氣-氣換熱器的換熱計(jì)算應(yīng)該是給出其中的五個(gè)變量來求得其余三個(gè)變量的計(jì)算過程。 對于設(shè)計(jì)計(jì)算，典型的情況是給出需設(shè)計(jì)熱管氣-氣換熱器的熱容流率(mcp)h、(mcp)c，冷、熱流體進(jìn)出口溫度中的三個(gè)已知量，如Th1、Th2、Tc1，計(jì)算另一個(gè)溫度Tc2、換熱量Q以及傳熱性能量UA。UA也就是傳熱系數(shù)和傳熱面積的乘積，最后達(dá)到設(shè)計(jì)熱管氣-氣換熱器的目的。 對于校核計(jì)算，典型的情況是給出已有熱管氣-氣換熱器的熱容流率(mcp)h、(mcp)c、傳熱性能量UA以及冷熱流體的進(jìn)口溫度Th1、Tc1，計(jì)算換熱量Q和冷熱流體的出口溫度Th2、Tc2，最后達(dá)到校核換熱器性能的目的。 2.3.1 熱管氣-氣換熱器換熱計(jì)算的平均溫差法 1. 平均溫差法進(jìn)行熱管氣-氣換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟為： （1）由已知條件，從熱管氣-氣換熱器熱平衡方程計(jì)算出冷熱流體進(jìn)出口溫度中待求的那一個(gè)溫度； （2）由冷熱流體的四個(gè)進(jìn)出口溫度確定其對數(shù)平均溫差ΔTm； （3）初步布置換熱管，根據(jù)無因次準(zhǔn)則方程計(jì)算總傳熱系數(shù)U； （4）從傳熱方程求出所需的換熱面積A，并核算熱管氣-氣換熱器冷熱流體的流動(dòng)阻力； （5）如果流動(dòng)阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計(jì)不合理，則應(yīng)改變設(shè)計(jì)方案重新計(jì)算。 2. 平均溫差法用于校核計(jì)算，其主要步驟為： （1）首先假定一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡方程求出流體的另一個(gè)出口溫度； （2）由四個(gè)進(jìn)出口溫度計(jì)算出對數(shù)平均溫差ΔTm； （3）根據(jù)熱管氣-氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計(jì)算相應(yīng)工作條件下的傳熱系數(shù)U 的數(shù)值； （4）從已知的UA和ΔTm由傳熱方程求出換熱量Q（假設(shè)出口溫度下的計(jì)算值）； （5）再由熱管氣-氣換熱器熱平衡方程計(jì)算出冷熱流體的出口溫度值； （6）以新計(jì)算出的出口溫度作為假設(shè)溫度值，重復(fù)以上步驟（2）至（5），直至前后兩次計(jì)算值的誤差小于給定數(shù)值為止，一般相對誤差應(yīng)控在1％。 2.3.2 熱管氣-氣換熱器計(jì)算的傳熱單元數(shù)法 傳熱單元數(shù)是反映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù)，也是衡量熱管氣-氣換熱器傳熱能力的參數(shù)。 熱流體和冷流體的傳熱單元數(shù)NTUh和NTUc 各按下式定義計(jì)算： （2.7） （2.8） 式中Th1和Th2分別為熱流體的進(jìn)出口溫度; Tc1和Tc2分別為冷流體的進(jìn)出口溫度;dTh 和dTc 分別為微元傳熱面兩側(cè)的熱流體與冷流體溫度；U為平均傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；(mcp)h和(mcp)c分別為熱流體和冷流體的水當(dāng)量。由定義式可知：在設(shè)計(jì)熱管氣-氣換熱器時(shí)，換熱要求越高，則所需傳熱面積越大，傳熱單元數(shù)也越大。對操作中的熱管氣-氣換熱器，傳熱單元數(shù)越大，表明其性能越好。 　　采用傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱過程，還須引入傳熱效率的概念。熱管氣-氣換熱器內(nèi)傳熱效率是指兩流體的實(shí)際傳熱量與理論上可能的最大傳熱量（即兩流體逆流操作且傳熱面積為無限大時(shí)的傳熱量,此時(shí)Tc2= Th1或Th2= Tc1）的比值。熱流體和冷流體的傳熱效率分別為： （2.9） 對一定型式的熱管氣-氣換熱器，傳熱單元數(shù)、傳熱效率和兩相熱容量流率(mcp)間存在一定關(guān)系。對于逆流操作的熱管氣-氣換熱器為： （2.10） 其中： （2.11） 利用NTU與η的關(guān)系式和熱量衡算式，可較方便地進(jìn)行傳熱計(jì)算，特別是對已有熱管氣-氣換熱器傳熱性能進(jìn)行核算，可避免試算或減少試算的次數(shù)。 1. ε-NTU法進(jìn)行熱管氣-氣換熱器校核計(jì)算的主要步驟為： ①由熱管氣-氣換熱器的進(jìn)口溫度和假定出口溫度來確定物性參數(shù)，計(jì) 算熱管氣-氣換熱器的傳熱系數(shù)U； ②計(jì)算熱管氣-氣換熱器的傳熱單元數(shù)NTU和熱容流率的比值 Xmin/Xmax； ③按照熱管氣-氣換熱器中流體流動(dòng)類型，根據(jù)ε-NTU的計(jì)算公式計(jì)算 預(yù)熱器的效能值ε； ④根據(jù)冷熱流體的進(jìn)口溫度及最小熱容流率，按照公式求出換熱量Q； ⑤利用熱管氣-氣換熱器熱平衡方程確定冷熱流體的出口溫度Th2、Tc2； 以計(jì)算出的出口溫度重新計(jì)算傳熱系數(shù)，并重復(fù)進(jìn)行計(jì)算步驟（2）至（5）。 2. ε-NTU法用于熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，其主要步驟是： ①由熱管氣-氣換熱器的熱平衡方程求出待求的溫度值，進(jìn)而由公式計(jì)算出預(yù)熱器效能ε； ②根據(jù)所選用的流動(dòng)類型以及ε和Xmin/Xmax的數(shù)值，計(jì)算傳熱單元數(shù)NTU； ③初步確定換熱面的布置，并計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)U的數(shù)值； ④再由NTU的定義式確定換熱面積A=XminNTU/U，同時(shí)核算熱管空氣 預(yù)熱器冷熱流體的流動(dòng)阻力； ⑤如果流動(dòng)阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計(jì)不合理，則應(yīng)改 變設(shè)計(jì)方案重新計(jì)算。 2.4 總換熱系數(shù)的求解理論及方法 如圖1.3是熱管氣-氣換熱器的換熱示意簡圖，高溫?zé)煔饬鬟^隔板的一側(cè)，將熱量傳給帶有翅片的熱管，并通過熱管將熱量傳至空氣側(cè)。高溫?zé)煔庋亓鲃?dòng)方向不斷被冷卻，低溫的空氣沿流動(dòng)方向不斷被加熱。原則上可以把熱管群看成是一塊流阻很小的“間壁”。因而熱管氣-氣換熱器與常規(guī)間壁式換熱器的計(jì)算方法相似。 如圖2.1所示，用下標(biāo)h表示加熱段，下標(biāo)c表示冷卻段。對于加熱段，熱流體溫度為Th，Tv代表管內(nèi)介質(zhì)蒸汽溫度；對于換熱管，在加熱段和冷卻段的管內(nèi)蒸汽溫度基本相等，冷流體溫度為Tc 。用rw表示管壁熱阻，用ry表示污垢熱阻，其中δy 為污垢層厚度，λy為污垢層導(dǎo)熱系數(shù)，可得加熱段和冷卻段的傳熱系數(shù)。 Tc Tv Th Q 圖2.1 熱管的溫度分布示意圖 對于加熱段，有 （2.12） 對于冷卻段，有 （2.13） 式中的Ah 和Ac 分別為加熱段和冷卻段的管外總表面積，A0，h、A0，c分別為加熱段和冷卻段翅片間光管表面積；Af,h和Af,c分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；Uh和Uc分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。 加熱段的傳熱方程為 （2.14） 冷卻段的傳熱方程為 （2.15） 將式（2.14）和（2.15）整理后可得 （2.16） （2.17） 兩式相加消去Tv后，可得 （2.18） 對于熱管氣-氣換熱器，一般總是以加熱段管外側(cè)的總表面積Ah為計(jì)算基準(zhǔn)的，故: （2.19） 因而對應(yīng)于Ah的熱管氣-氣換熱器總傳熱系數(shù)U為 （2.20） 將（2.12）和（2.13）式代入上式可得： （2.21） 式（2.21）中并未考慮吸液芯導(dǎo)熱和管內(nèi)蒸汽流動(dòng)的影響。在考慮吸液芯的情況下，蒸發(fā)段的管內(nèi)傳熱系數(shù)應(yīng)包括吸液芯的導(dǎo)熱和表面蒸發(fā)兩項(xiàng)，同樣在冷凝段也應(yīng)包括表面冷凝和吸液芯導(dǎo)熱兩項(xiàng)。在不計(jì)吸液芯和蒸汽流動(dòng)所造成的熱阻的情況下。式（2.21）就具有如下的形式： （2.22） 式中的為以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)的熱管內(nèi)部蒸發(fā)傳熱系數(shù)，為以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)的熱管內(nèi)部冷凝傳熱系數(shù)。 實(shí)驗(yàn)表明，簡略計(jì)算時(shí)可令==5.8 kW/（m2.K），再令 （2.23） （2.24） 其中的Uh、Uc分別為加熱段和冷卻段管外的有效給熱系數(shù)。最后式（2.22）可寫為 （2.25） 如果熱管氣-氣換熱器的冷、熱流體的隔板放在熱管的中央，此時(shí)冷側(cè)和熱側(cè)管外總面積相等（冷熱側(cè)翅片參數(shù)相同時(shí)），若冷流體是干凈的空氣，則上式可簡化成為 （2.26） 式（2.26）常被用來計(jì)算熱管氣-氣換熱器的總傳熱系數(shù)。 在解決了熱管氣-氣換熱器的總傳熱系數(shù)U之后，就可寫出熱管氣-氣換熱器的總傳熱方程式為 （2.27） 式中的Q為熱管氣-氣換熱器總傳熱量，U為熱管氣-氣換熱器的總傳熱系數(shù)，Ah為熱管氣-氣換熱器加熱段管外總面積，ΔTm為熱管氣-氣換熱器的對數(shù)平均溫差。 一般情況下，Q可以從冷、熱流體的熱平衡方程式中求出。從式（2.26）求出U，分別代入式（2.27），可求出Ah; 若已知熱管加熱段單位長度的總表面積Ah，就可得所需熱管的總長度，從而求得熱管的根數(shù)。 2.4.1 換熱準(zhǔn)則方程及冷熱側(cè)對流換熱系數(shù) 對于橫向掠過光管或光管管束的給熱系數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)方程式為[31] （2.28） 對叉排管束c=0.33，對順排管束c=0.26； Nu數(shù)、Pr數(shù)及Re數(shù)定義如下： （2.29） 式中的do為光管外徑，wmax為流體橫向掠過管束的最大流速，λf為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，Cpf為流體的定壓比熱，ρf 為流體的密度，μf為流體的動(dòng)力粘度。顯然流體橫向流過光管管束和橫向流過翅片管束的流動(dòng)情況存在著很大的差異，因而對帶翅片的熱管氣-氣換熱器管外側(cè)給熱系數(shù)應(yīng)以流體橫向流過翅片管束的給熱系數(shù)Uf來代替U0更為合理。求Uf的準(zhǔn)則方程一般具有如下形式： （2.30） 式中的c1和c2為常數(shù)，其大小和肋片的幾何形狀有關(guān)，Briggs和Young 綜合給出下列實(shí)驗(yàn)方程為[32]： （2.31） 式中的sf/lf為翅片間距與翅片高度之比，sf/δf為翅片間距與翅片厚度之比。sf和δf, lf如圖2.2所示,由式（2.31）可得 圖2.2 翅片幾何參數(shù)示意圖 （2.32） 式中 （2.33） 其中Gmax為流體最大質(zhì)量流速，μf為流體動(dòng)力粘度。 （2.34） 式中的ρf為標(biāo)況下流體的密度,Vf為標(biāo)況下流體的體積流量,NFA為管束的最小流通面積。 （2.35） 式中ST為與氣流垂直方向的管間距（中心距）,nf為 單位管長的翅片數(shù);L為熱管長度，Nn為迎氣流方向的管子數(shù)。 式（2.35）的適用范圍為：0.125＜（sf/lf）＜0.610; 45＜（sf/δf）＜80。與工業(yè)上實(shí)際使用的熱管氣-氣換熱器對比，以（2.32）式計(jì)算的Uf偏大。南京化工學(xué)院試驗(yàn)所得的公式為[1] （2.36） 上式適用范圍：熱氣流溫度240~380℃ ;Ref=6000~14000; 以 Uf表達(dá)的U計(jì)算式為： （2.37） 式中 （2.38） （2.39） 2.4.2 流體流動(dòng)中的壓力損失 目前對螺旋翅片管的壓降計(jì)算均采用A.Y.Gunter公式，即 （2.40） 式中的ΔP為壓力降（Pa）; f為摩擦系數(shù);Gmax為流體最大質(zhì)量流速(kg/m2.s);Lf為沿氣流方向的長度（m）; gc為重力換算系數(shù)，Dev為容積當(dāng)量直徑(m),ρf為流體密度（kg/m3）; μf為流體粘度(Pa.s); μw為壁溫下的流體粘度(Pa.s); ST為管束橫向節(jié)距（m）,SL為管束縱向節(jié)距（管間距）（m）。 Gunter推薦對光管和翅片管在湍流區(qū)的摩擦系數(shù)為[33] （2.41） 式中 （2.42） （2.43） 其中NFV為流體流動(dòng)凈自由容積（m3）,Au為單位長度摩擦面積（m2）,而 （2.44） 式中的df為翅片外徑（m），d0為光管外徑（m），δf為翅片厚度（m），nf為單位管長的翅片數(shù)（m-1），SL為翅片管縱向間距（m），ST為翅片管橫向間距（m）。 S.L.Jameson對螺旋翅片管作了試驗(yàn)，對Dunter公式進(jìn)行了修正[34]，即 （2.45） 并推薦： （2.46） 當(dāng)管束為等邊三角形排列時(shí)，ST=SL，式（2.46）與式（2.41）具有相同的形式。式（2.46）所得的f值比式（2.41）所得值小。 使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況參照實(shí)驗(yàn)值確定。 對于圓片形翅片管 （2.47） 式中的Nn為沿流動(dòng)方向的管排數(shù)。 （2.48） 一般在設(shè)計(jì)前應(yīng)已知以下參數(shù)： 煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量V0,h(m3/s)、空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量V0,c (m3/s)、煙氣的入口溫度Th1，煙氣的出口溫度Th2（這一溫度一般應(yīng)高于該煙氣在管壁上產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕的溫度）；空氣側(cè)的入口溫度Tc1及熱管有關(guān)參數(shù)：管材、管內(nèi)工質(zhì)、翅片參數(shù)、管子的排列方式、排列尺寸、管子幾何參數(shù)。 計(jì)算傳熱量Q，空氣出口溫度Tc2和對數(shù)平均溫差ΔTm。 煙氣放出的熱量： （2.49） 冷氣流吸收熱量 （2.50） 式中的η為散熱損失率，一般η=6~10%（包括加熱段和冷卻段）； 求冷氣流出口溫度Tc2 （2.51） 求對數(shù)平均溫差ΔTm （2.52） 確定迎風(fēng)面積Aex,h及迎風(fēng)面管排數(shù)Nm。 一般熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)規(guī)定迎面標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速為2.0~3.0m/s，已知冷、熱流體的體積流量V，則Aex,h為 （2.53） 式中的Vh為熱流體的體積流量（標(biāo)況下），w1為標(biāo)況下的迎面風(fēng)速， Ah ex為氣-氣換熱器煙氣側(cè)的迎風(fēng)面積，同理 （2.54） 如果規(guī)定了加熱側(cè)的管長Lh，就可求得迎風(fēng)面的寬度為 （2.55） 式中的B為迎風(fēng)面寬度； Lh為加熱側(cè)的熱管長度。從而求得迎風(fēng)面管子的根數(shù)Nn，即 （2.56） 式中的ST為迎風(fēng)面的管子中心距（在考慮管子排列方式時(shí)一般已定），求出Nn后取整數(shù)再校核迎風(fēng)面風(fēng)速w1。 求總傳熱系數(shù)U： 用式（2.35）求管束最小流通截面NFA； 用式（2.34）求流體最大質(zhì)量流速Gmax； 用式（2.33）求Re； 用式（2.32）或式（2.36）求U； 在已知翅片的幾何參數(shù)lf、sf、δf及管子幾何尺寸do、管子翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)λw的情況下，可求得ηf及Ah ； 用式（2.38）和式（2.39）求Uh； 求rw和ry： （2.57） 式中δw為管壁厚度，λw為管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)。δy和λy分別為污垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)，一般不易知道，可從有關(guān)資料中查取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 用式（2.27）或式（2.22）求總傳熱系數(shù)U; 用公式（2.28）求加熱側(cè)總傳熱面積Ah； 求熱管總根數(shù)N （2.58） 式中的Ah 為煙氣側(cè)單位長度的傳熱面積，A為熱管加熱段管外總表面積；Lh為單根熱管加熱側(cè)長度； 求換熱器縱深方向排數(shù)Nn（沿氣流方向管排數(shù)）及沿氣流方向長度Lf; （2.59） 式中的Lm為沿氣流方向管排數(shù) （2.60） θ為非等邊三角形排列時(shí)的1/2頂角，在等邊三角形排列時(shí)，θ=300。 求流體通過熱管換熱器的壓力降: 通過式（2.39）求NFV； 通過式（2.38）求Dev; 通過式（2.37）求Ref; 由式（2.36）或式（2.41）求摩檫系數(shù)f； 求平均管壁溫度Tw。 （2.61） 式中的U為翅片熱管管外的有效給熱系數(shù)，Ah為翅片熱管換熱器一側(cè)管外總表面積，Th為流體的平均溫度，Tw為平均管壁溫度。 求出Tw后可分別查出相應(yīng)的μw；通過式（2.35）或（2.40）求流體通過熱管氣-氣換熱器的壓力降ΔPh，ΔPc；如ΔP過大，可重新修正管子排列方式及迎面風(fēng)速。 以上是熱管氣-氣換熱器的一般設(shè)計(jì)程序，實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中可能要通過幾次試算方可取得較為滿意的結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算工作量很大。 2.5 熱管氣-氣換熱器的離散計(jì)算法理論 文獻(xiàn)［35］提出了一種離散型計(jì)算法。這種分析法的出發(fā)點(diǎn)認(rèn)為：在熱管氣-氣換熱器中，溫度是連續(xù)變化的，各排熱管管外流體定性溫度取其所在溫度區(qū)段的算術(shù)平均溫度；假設(shè)熱管內(nèi)工質(zhì)溫度從蒸發(fā)段到冷凝段的過程中溫度保持恒定，并且忽略熱管氣-氣換熱器向外界環(huán)境的散熱損失；考慮到熱管氣-氣換熱器中隔板面積相對于熱管的換熱面積很小，隔板的導(dǎo)熱率相對于熱管的導(dǎo)熱率也很小，因此忽略通過隔板的傳導(dǎo)傳熱；沿著流體流動(dòng)方向，將熱管氣-氣換熱器內(nèi)熱流體進(jìn)出口算術(shù)平均溫差和冷流體進(jìn)出口算術(shù)平均溫差均勻地分成n段，n的多少根據(jù)實(shí)際情況確定；熱量從熱流體到冷流體的傳遞不是通過壁面連續(xù)的，而是通過若干熱管進(jìn)行傳遞，熱流體溫度從進(jìn)口的Th1降到Th2，呈階梯形變化，同樣，冷流體溫度從Tc1 升到Tc2，也是階梯形的，因而稱為“離散型”。其分析方法如下: 熱流體放出的熱量Qh為 （2.62） 式中的m為熱流體質(zhì)量流量（㎏/s），cp為熱流體定壓比熱(kJ/kg.K); X=mcp稱為水當(dāng)量。 同理，冷流體接收的熱量為 （2.63） 不計(jì)熱損時(shí)，應(yīng)有。 假定熱管氣-氣換熱器是由尺寸和性能相同的熱管組成，分為n排，每排m根熱管，其中任意一排熱管的傳輸?shù)臒崃縌x可從圖2.3得到。 則 （2.64） 式中的為Uh、Uc為熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱系數(shù)，Ah、Ac為熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱面積，Sh、Sc為熱側(cè)和冷側(cè)的熱導(dǎo)，Th 、Tc為熱管熱側(cè)和冷側(cè)的流體溫度，Tv為熱管內(nèi)部工質(zhì)的蒸汽溫度。即 （2.65） 由于是熱管內(nèi)部工質(zhì)蒸汽溫度在加熱側(cè)和冷卻側(cè)基本上可以認(rèn)為是相等的。熱流體溫度Th和冷流體溫度Tc沿管長也是均勻變化的，由式（2.64）可得 （2.66） 式中的Qx為x 排熱管傳輸?shù)臒崃?，（）為冷熱?cè)的流體溫度差，分母為傳熱熱阻。 熱流體和冷流體流過第X排熱管后，溫度要發(fā)生變化。由式（2.64）和（2.65）可得熱流體的溫度降低為和冷流體的溫度升高為，即 （2.67） （2.68） 由此，可得出順流情況下每排熱管的傳熱量。 Q1 Th1-ΔTh1 Tc1+ΔTc1 熱流體進(jìn)口Th1 冷流體進(jìn)口Tc1 Q11 Q1 11 Th1-ΔTh1-ΔTh11 Th1-ΔTh1-ΔTh11-ΔTh111 Tc1+ΔTc1+ΔTc11 Tc1+ΔTc1+ΔTc11+ΔTc111 圖2.3 流體通過熱管時(shí)的溫度變化示意圖（順流） 第一排： （2.69） 移項(xiàng)合并，得 （2.70） 第二排： （2.71） 移項(xiàng)合并，得 （2.72） 同理，推出第n排： （2.73） 令 （2.74） 則整個(gè)熱管氣-氣換熱器的傳輸熱量Q為各排熱管傳輸量之和，即 （2.75） 上式方括號(hào)內(nèi)是初項(xiàng)為1、公比的等比級(jí)數(shù)，該級(jí)數(shù)之和為 （2.76） 代入公式（2.75），得 （2.77） 以上各式中下標(biāo)h均表示熱流體，下標(biāo)c均表示冷流體，下標(biāo)1表示進(jìn)口，2表示出口。 同理可導(dǎo)出逆流傳熱時(shí)的總傳熱量（參見圖2.4）為： （2.78） Q1 Th1-ΔTh1 Tc2-ΔTc1 熱流體進(jìn)口Th1 冷流體出口Tc2 Q11 Q1 11 Th1-ΔTh1-ΔTh11 Th1-ΔTh1-ΔTh11-ΔTh111 Tc2-ΔTc1-ΔTc11 Tc2-ΔTc1-ΔTc11-ΔTc111 圖2.4 流體通過熱管時(shí)的溫度變化示意圖（逆流） 但這時(shí) （2.79） 因級(jí)數(shù)項(xiàng)之和，所以 （2.80） 概括式（2.68）應(yīng)有 （2.81） 即 （2.82） 將式（2.81）、（2.82）代入式（2.80），并加以變換，可整理為 （2.83） 式（2.77）和式（2.83）分別為順流和逆流情況下熱管氣-氣換熱器總傳熱量的表達(dá)式。 和前述一般設(shè)計(jì)計(jì)算方法一樣，“離散型”計(jì)算事先亦需已知冷、熱流體的原始參數(shù)、熱管的幾何參數(shù)、翅片幾何參數(shù)、管子排列方式、各種熱阻的參數(shù)等數(shù)據(jù)，方可進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 2.6熱管氣-氣換熱器的定壁溫計(jì)算法理論 所謂定壁溫計(jì)算法是指將熱管氣-氣換熱器的每排熱管的壁溫都控制在煙氣露點(diǎn)溫度之上,這種設(shè)計(jì)方法是建立在管內(nèi)蒸汽溫度可調(diào)整的基礎(chǔ)之上的。根據(jù)熱管如下的熱平衡方程 （2.84） 假設(shè)冷、熱流體的管外給熱系數(shù)近似相等，則對冷、熱側(cè)傳熱面積相等的情況，此時(shí)，Uh.Ah= Uc.Ac，則必有(Th-Tv)=( Tv-Tc)；而當(dāng)熱側(cè)面積大于冷側(cè)面積時(shí),則為UhAh＞UcAc 的情況，應(yīng)有(Th-Tv)＜( Tv-Tc)；而當(dāng)熱側(cè)面積小于冷側(cè)面積時(shí),則為Uh.Ah＜Uc.Ac的情況，應(yīng)有(Th-Tv)＞ Tv-Tc)。因而通過調(diào)整（UA）的值，可使熱管的蒸汽溫度Tv接近熱流體或遠(yuǎn)離熱流體溫度。由于熱管的管壁溫度基本上與管內(nèi)蒸汽溫度相近，故可用調(diào)整(UA)值的辦法來控制熱管管壁溫度?？刂茻峁芄鼙跍囟雀哂跓煔饴饵c(diǎn)的方法，在含塵煙氣的環(huán)境中，這種方法取得了良好試驗(yàn)結(jié)果。定壁溫計(jì)算法首先應(yīng)采用常規(guī)計(jì)算法，大致計(jì)算出熱管氣-氣換熱器的概略尺寸及管排數(shù)，然后再用離散型的計(jì)算方法逐排計(jì)算每排的壁溫、傳熱量、冷流體的溫升、熱流體的溫降，