§5.7 換熱器內管翅片的發展趨勢： §5.7 換熱器的發展趨勢 特殊翅片：板翅式換熱器： 3）提高傳熱系數：要提高傳熱系數，首先要提高熱阻側對流熱傳遞系數。 改善對流傳熱的措施包括：①增大流速； ②讓流體橫向沖刷傳熱面； ③盡量消除死渦區； ④增強流體的湍流和混合； ⑤破壞邊界層或阻止層流底層的發展； 傳熱表面的狀況。 1）強化管內單相傳熱 2）強化層流邊界層傳熱 3）相變傳熱強化煙管鍋爐：煙管鍋爐不需要圍爐壁，結構簡單，結構緊湊，易于布置在爐灶附近，制造容易，操作方便。 水管鍋爐：水管鍋爐適用于蒸汽產量大、壓力高的場合。 按水循環方式分，自然循環和強制循環是根據管道的形狀來分的。 1999年美國國家實驗室GM發明了一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用熱傳導原理和冷卻介質的快速傳熱特性湖北研發不銹鋼翅片換熱熱管，將熱量快速傳遞出去被加熱物體通過熱管傳到熱源外部。 ，其熱導率超過任何已知金屬。 熱管換熱器是由高效傳熱元件——熱管組成的一種新型換熱器。

熱管換熱器的研究背景 當今的傳熱工程面臨兩大難題：高絕熱材料和高導熱材料的研究。 導熱性好的材料有鋁[(λ=202W/m?°C)]、銅[λ=385W/m?°C]、銀：λ=410W/m?°C)]，但它們的導熱性只能達到102W/m的數量級？ ℃遠遠不能滿足部分工程快速散熱傳熱的需要。 熱管的發明解決了這個問題。 熱管的等效導熱系數可以達到105W/m的數量級？ ℃。 是普通金屬材料的數百倍甚至數千倍。 它可以在沒有外部電源的情況下通過很小的橫截面積遠距離傳輸大量的熱量。 由于熱管具有導熱性能好、結構簡單、工作可靠、溫度均勻等優良性能。 熱管是傳熱領域的一項重大發明和科技成果，給人類社會帶來了巨大的實用價值。 一、熱管工作原理熱管示意圖1——管殼； 它是封閉的金屬管（管殼），內腔有少量工作介質（工作流體）和毛細結構（管芯），必須排除管內的空氣和其他雜質。 熱管工作時利用三個物理原理：⑴在真空狀態下，液體的沸點降低； ⑵同一物質的汽化潛熱遠高于感熱； ⑶多孔毛細管結構對液體的吸力可使液體流動。 從傳熱角度看，熱管沿軸向可分為蒸發段、絕熱段和冷凝段三部分。

熱管是一個帶有.A. 熱量在.B. 流體沸騰成氣相。 C. 熱量是從上部到； 氣相。 D. 通過到 ( ) 的下部。 國外資料：（來自）熱管的工作過程如圖：當熱管的一端受熱時，毛細管芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在一定的作用下流向另一端微小的壓差釋放熱量并凝結成液體。 力的作用流回蒸發段。 在這個無盡的循環中，熱量從一端傳遞到另一端！ 在這一傳熱過程中，具體包括以下六個相互關聯的過程： (1)熱量通過熱管壁和充滿工作流體的吸液芯從熱源傳遞到液氣界面； (2)液體在蒸發段液氣界面蒸發； (3)蒸汽室內的蒸汽從蒸發段流向冷凝段； (4) 蒸汽在冷凝段液氣界面冷凝； (5) 熱量從液體-氣體界面通過吸液芯、液體和管壁傳遞到冷源； (6)由于吸液芯內的毛細管作用(或重力等)，冷凝功也流回蒸發段。

熱管工作過程動畫 注：熱管內的水會因內部低壓而在100℃以下沸騰蒸發。 水蒸氣流動的熱量輸入液態水中，液體因重力或吸附力而蒸發。 水蒸氣凝結，熱量散失。 熱管外殼是受壓部件，要求采用高導熱、耐壓、抗熱應力的材料。 在選材上必須考慮到熱管外殼在長期運行中不腐蝕，工作流體與外殼不發生化學反應，不產生氣體。 外殼材料有很多種，如不銹鋼、銅、鋁、鎳等，也可采用鈮、鉭等貴金屬或玻璃、陶瓷等。 管殼的作用是封閉熱管的工作部分，接受和釋放熱端和冷端的熱量，承受管內外壓力不相等時產生的壓力差。 熱管的管芯是緊貼管殼內壁的毛細結構。 通常內襯多層金屬絲網、纖維、布等，以減少接觸熱阻。 襯里也可以由多孔陶瓷或燒結金屬制成。 . 右側顯示了幾種不同的模具。 二、熱管的材料 工作液的選擇 熱管的工作液必須具有較高的汽化潛熱、導熱性、合適的飽和壓力和沸點、較低的粘度和良好的穩定性。 工作液還應具有較大的表面張力和潤濕毛細結構的能力，使毛細結構能夠作用于工作液，產生必要的毛細力。 工作流體不能溶解毛細結構和管壁，否則溶解的物質會聚集在蒸發段，破壞毛細結構。 3、熱管的工作極限從圖中可以看出：當工作溫度較低時，最容易出現粘度極限和聲速極限。

在高溫下，應防止毛細管極限和沸騰極限。 因此，熱管的工作點必須選擇在包絡線以下。 4、熱管換熱器利用熱管導熱能力強、傳熱能力大的特點，利用多根熱管作為中間傳熱元件，實現冷熱流體熱交換的設備稱為熱管換熱器。交換器。 四、熱管換熱器的特點： 1、傳熱性能高。 特別適用于氣-氣熱交換； 2、傳熱平均溫差大； 3、結構緊湊； 4、布局靈活； 5、工作安全可靠。 重力熱管換熱器 重力熱管換熱器有單管式、集管式和分體式三種。 分體式熱管換熱器布置圖： 應用實例1： 應用實例2： 應用實例3： §5.6 流化床換熱器 流化床工作原理： 流化床是指容器內的顆粒層。 在通過底部多孔板（配風板）的氣流作用下，顆粒處于劇烈攪拌狀態，呈“沸騰”狀。 這層顆粒稱為流化床。 風速 固定床 流化床 氣力輸送 §5.6 流化床換熱器 (a) 固定床； (b) 流化起點； (c) 流化床； (d) 氣力輸送 §5.6 流化床換熱器顆粒層在不同流速下的阻力 §5.6 流化床換熱器風速對流化床傳熱系數的影響 傳熱系數關系 §5.6 流化床換熱器 § 5.6 流化床換熱器當出口煙氣溫度較高時，為充分利用熱量，可采用雙床甚至三床串聯使用。

流化床換熱器的優點： 1）傳熱性能高； 2）傳熱面能保持清潔，性能穩定； 3）煙氣側傳熱面腐蝕??； 4）維護檢修方便。 §5.6 流化床換熱器 流化床換熱器的缺點： 1）煙氣側壓力損失較大； 2）氣流方向受限，煙氣必須自下而上垂直通過床層； 3）由于床內流速的限制，不能用于煙氣量過大的場合。 §5.7換熱器的發展趨勢強化傳熱的目的：1）減小換熱器的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量； 2）提高現有換熱器的換熱能力； 3）使換熱器在小溫差下工作； 4）降低換熱器的阻力，降低換熱器的電耗。 §5.7 換熱器的發展趨勢強化傳熱的途徑： 1）增大傳熱平均溫差流體的進出口溫度受生產工藝條件的限制，一般不能隨意改變。 因此，增加傳熱平均溫差的唯一措施是采用逆流布置。 但對于高溫換熱器，當物料的溫度受到限制時，則不得不采用具有較低傳熱溫差的順流或順流組合。 因此，該措施強化傳熱的潛力有限，并非主要方式。 §5.7 換熱器的發展趨勢 強化傳熱的途徑： 2）增加換熱面積的常用方法是適當減小管徑湖北研發不銹鋼翅片換熱熱管，采用翅片管和螺旋管。 管外翅片： 5 熱回收換熱設備 §5.1 熱回收換熱設備概述 § 5.2 高溫余熱回收裝置 § 5.3 余熱鍋爐 § 5.4 回轉式換熱器 § 5.5 熱管換熱器 § 5.6 流化床式換熱器 §5.7 換熱器發展趨勢 §5.8 換熱器優化設計 §5.1 熱回收換熱設備概述 §5.1 熱回收換熱設備概述 空氣-空氣換熱器 液-液換熱器 加熱器 固-氣換熱器 固液換熱器 氣液換熱器 氣相變換熱器 按換熱介質分： §5.1 熱回收用換熱設備概述 直接接觸換熱器 間接接觸換熱器 隔壁換熱器 蓄熱式換熱器 間接換熱器按換熱方式不同： §5.1 熱回收換熱設備概述 熱回收換熱設備主要類型： ①高溫換熱器 ②余熱鍋爐 ③蓄熱式換熱器 ④殼管式換熱器換熱器⑤ 翅片管換熱器⑥ 緊湊型換熱器⑦ 熱管換熱器⑧ 流化床換熱器§ 5.1 熱回收用換熱設備概述換熱器設計依據： 換熱器設計主要包括熱力設計、強度設計和結構設計。

換熱器的熱力計算方法有平均溫差法和傳熱單元數法。 換熱器熱量計算分為設計計算和校核計算兩種情況 (1)設計計算：設計新的換熱器，確定所需的換熱面積。 (2)校核計算：對于已有或選定換熱面積的換熱器，在非設計工況下，校核他是否能勝任規定的新任務。 1、傳熱平均溫差法這種方法常用于換熱器的設計計算，即根據計算出的平均傳熱溫差，即傳熱系數，求出所需的傳熱面積以保證換熱量。 2、傳熱單元數法傳熱單元數法是將換熱關系表示為傳熱單元數NTU與溫度效率E即水當量R的函數關系。傳遞單位定義為： ——冷熱流體的水當量中較小的值，水當量是流量與比熱容的乘積。 水當量比R定義為： 2.傳熱單元數法溫度效率E定義為冷流體或熱流體進出口溫差與換熱器最大溫差之比. 溫度效率定義為： 的函數關系與流體的相對流動方向有關。 一般R取R1和R2中小于1的一個，E取E1和E2中較大的一個。 對于現有換熱器，由于換熱面積、冷熱流體流量和進口溫度已知，可以計算出R和NTU的值，進而求出溫度效率E通過使用線圖，可以計算出流體出口。 溫度和熱傳遞。 因此，NTU法更便于換熱器的標定計算。 2、傳熱單元數法 隨著節能工作的深入，要求不斷開發高效傳熱面，以增加傳熱或減小傳熱溫差，或減小換熱器的尺寸。

提高熱經濟性和降低換熱器成本是比較合理的，這可以通過換熱器的溫度效率或溫度效率高低來判斷。 §5.1 熱回收換熱設備概述 換熱器設計制約因素： ①換熱器壁溫限制： 材料最高使用溫度/℃ 材料最高使用溫度/℃ 銅 200 耐熱球墨鑄鐵 650~700 黃銅280 表面滲鋁碳鋼 650~700 銅鎳合金 370 合金鋼 800 優質碳素鋼 400~450 鎳 980 鑄鐵 550~600 耐熱鎳基合金 1000 耐熱鑄鐵 600~650 陶瓷>1400 §5.1 熱回收換熱設備概述 §5.1 熱回收換熱設備概述 §5.1 熱回收換熱設備概述 ② 傳熱污染： §5.1 熱回收換熱設備概述 ③ 傳熱的局限性面積：增加換熱器的換熱面積，可以增加余熱回收量，進一步節約能源。 但隨著余熱回收深度的增加和換熱溫差的減小，回收同樣的熱量將需要數倍的換熱面積，換熱器的造價與換熱面積有關。 因此，在設計時需要經過計算和經濟比較，慎重選擇。 §5.1 熱回收換熱設備概述 ④ 流體輸送耗電量：安裝余熱回收裝置時，需要增加余熱源通路的阻力，從而增加風機的耗電量。

提高流體的流速可以提高換熱器中對流傳熱的傳熱系數，從而提高換熱器的傳熱系數。 對流傳熱系數大致與流速的0.8次方成正比，而流阻會隨流速的1.75次方迅速增加，耗??電量所需的運行費用也相應增加比例關系。 因此，在采取提高流量強化傳熱的措施時，需要通過技術經濟比較慎重選擇。 §5.1 熱回收用換熱設備概述④ 流體輸送耗電量：§5.1 熱回收用換熱設備概述⑤ 強度設計：換熱器強度設計的重要性不亞于傳熱設計，特別是對于高-溫余熱回收利用更為重要。 設計時需要考慮如何解決換熱器各部分熱膨脹不同的問題，采取什么措施產生熱應力。 在某些情況下，為了給強度留有余地，設計不得不取較小的溫度效率。 §5.2高溫余熱回收裝置 1、高溫換熱器形式根據傳熱方式切換； 蓄熱室隔壁換熱器為金屬換熱器； 陶瓷換熱器基于煙氣側傳熱方式； 輻射換熱器為對流換熱器 §5.2 高溫余熱回收裝置 輻射換熱器：煙氣空氣 §5.2 高溫余熱回收裝置 對流換熱器：煙氣空氣 §5.2 高溫余熱回收裝置 2.高溫選擇換熱器 1) 設備成本 2) 工作溫度 §5.2 高溫余熱回收裝置 3) 最高預熱溫度 §5.2 高溫余熱回收裝置 3. 高溫換熱器在使用中的問題 高溫換熱器在使用中的問題包括燒壞、堵塞、腐蝕、參數不符合設計要求等。

主要原因：1）原始設計數據不正確； 2）設計不當； 3) 制造缺陷； 4) 操作不當； 蒸氣壓，此時從煙道氣中回收的壓最大。 §5.3 余熱鍋爐 2）余熱鍋爐產生的蒸汽量取決于前端設備的生產工藝，不能隨用戶需要而改變。 §5.3 余熱鍋爐 2）余熱鍋爐產生的蒸汽量取決于前端設備的生產工藝，不能隨用戶需要而改變。 §5.3 余熱鍋爐 3) 余熱鍋爐容量的確定應考慮生產過程的周期性、最大和最小煙氣流量及相應的溫度變化規律。 4）余熱鍋爐工作溫度較低，同樣蒸發量的鍋爐，所需換熱面積比工業鍋爐大。 5）根據煙氣的不同特性，需要采取相應的措施。 6）防止排氣溫度低于露點溫度，以免低溫腐蝕。 §5.3 余熱鍋爐 7) 含塵量高的煙氣，應采取適當的防磨措施。 §5.3 余熱鍋爐 2、余熱鍋爐的結構型式 余熱鍋爐按余熱源溫度及其熱力特性大致可分為兩種：一種是熱源起始溫度在400℃之間。和800°C，主要依靠對流交換。 熱; 另一種熱源初溫在850℃以上，鍋爐既有輻射供熱又有對流傳熱。 余熱鍋爐按受熱面形式可分為煙管式和水管式。