用于熱定型機余熱回收的熱管換熱器設計

王海萍，周亞素，鄭建范?，邢晉

（東華大學環境科學與工程學院,?寧波象山恒大印染新廠）

0 引言

印染行業是我國的重要產業之一，而熱定型機是印染行業常用設備，用于將已經經過染色與洗滌過程的濕布進行烘干，以達到消除褶皺、去除布匹表面細小絨毛的目的，其工作原理是將織物在適當張力下通過熱空氣加熱至所需溫度（約為160-240℃），并在此溫度下保溫一段時間，然后迅速冷卻，之后熱空氣作為廢氣排放掉。

熱定型機廢氣溫度約為140-220℃，含有大量熱能，如果直接排放，不僅破壞環境，而且會浪費大量能源，因此在排放前需要進行余熱回收。

1 換熱器選擇

熱定型機余熱回收多用于預熱新鮮空氣補入定型機熱風房，一方面，廢氣溫度降低有利于后續凈化，另一方面，新鮮空氣溫度從室溫提高到120℃左右，提高了定型機的熱能利用率，起到節能的作用。

用于回收熱定型機余熱的換熱器可以采用板式、管式、再生式換熱器，但熱管換熱器由于以下優點使其更占優勢：

1）由于熱管換熱器換熱系數與對數平均溫差都比較大，所以其傳熱量大；

2）體積小，重量輕，結構緊湊；

3）流動阻力小，減小了運行時的動力消耗；

4）結構靈活，某根熱管損壞不影響換熱器整體，檢修方便等。

2 熱管換熱器設計

2.1 設計原理

熱管換熱器示意圖如圖1所示，熱流體流過隔板一側，將熱量傳遞給帶有翅片的熱管，并通過熱管將熱量傳至隔板另一側。在氣體橫向掠過熱管的情況下，其內部熱阻只占總傳熱熱阻的10%左右，對外部對流換熱幾乎沒有影響，理論上可以把熱管群看作一塊熱阻很小的間壁，熱流體通過間壁一側不斷冷卻，冷流體通過間壁另一側不斷被加熱。因此可以把熱管換熱器等效為逆流間壁式換熱器，兩者計算方法相同[1]。下面以寧波某印染廠定型機排放廢氣作為工程實例，簡要敘述熱管換熱器設計過程。

2.2 主要參數

定型機每小時廢氣排放量Vh=1.17×105m3/h（標準狀況）；定型機廢氣排煙溫度（即換熱器煙氣進行溫度）th1=162℃；需要預熱的空氣量Vc=104m3/h（標準狀況）；空氣進入熱管換熱器溫度tc1=20℃；為避免煙氣結露，設定煙氣出口溫度th1=110℃。

熱管換熱器管子排列形式為等邊三角形排列，如圖2所示，橫向管子中心距ST為0.067m；SL=ST=0.067m。

圖2 熱管排布示意圖

2.3 設計計算

1）傳熱量

首先計算煙氣定性溫度th，可用下列公式：

△tm=80.6℃。

2）確定迎風面積Aex以及迎風面管排數B

設冷熱側迎風面積相等，熱管幾何尺寸以及翅片參數也相等，并取標準迎面風速wN=2.5m/s。取迎面管排數B為13，迎面橫向管間距0.067m，則計算迎面寬度可用下列公式：

E=ST×B （3）

計算實際迎風面積用下列公式：

Aex=E×L/2 （4）

求出實際迎風面積之后根據以下公式復核實際迎面風速：

3）總傳熱系數

對于無吸液芯的重力式熱管，熱管傳熱的熱阻主要包括翅片導熱熱阻、熱端流體與熱管外表面的對流熱阻、熱端管壁的導熱熱阻、熱端管壁內表面與管內流體的對流熱阻、熱管內部蒸發和冷凝傳熱熱阻和冷端相應的對流和導熱熱阻以及污垢熱阻等。

由于沿熱流方向翅片本身存在溫度梯度，所以需要有肋效率（η）的概念，肋效率通常定義為翅片實際傳熱率除以翅片處在管壁溫度下的傳熱率，可由圖3查出。其中，lf是翅片高，rf翅片外徑，ro是管子外徑，hf是流體對翅片管的換熱系數，λf翅片材料的熱導率，δf是翅片厚度。

查表可得污垢熱阻（ry），然后綜合考慮前文所述各項導熱與對流熱阻，可得下列公式用于計算熱管總傳熱系數UH：

式中，hfe——管外有效換熱系數（W/（m2·℃））；

rw——金屬管壁熱阻（m2·℃/W）；

Ah——每米熱管管外總表面積（m2）；

Aw——熱側管子內表面積（m2）；

Ai——以管子中徑為基準的圓管面積，有Ai=2πri（L/2）=0.127m2；

將數值代入式（7），則得出總傳熱系數：

UH=17.13W/(m2·℃)。

4）熱管換熱器的體積參數

分別由以下公式計算加熱側總傳熱面積、所需熱管數以及換熱器縱深排數：

代入有關參數數據得到加熱側總傳熱面積AhH為165m2，所需熱管數為n=74根，換熱器縱深排數m=5.7，取6排，排列方式為正三角形叉排方式，13、12依次排開（如圖2所示），管子總數為

n′=(13+12)×3=75。

5）通過熱管換熱器的壓力降

通過以下公式計算流體通過換熱器的壓降Δp：

式中，f——摩擦系數；

Gf,max——冷熱流體最大質量流量（kg/(m2·h)）；

μw——壁溫下的流體黏度（kg/(m·s)）；

Dev——冷熱側容積當量直徑（m）；

gc——重力換算系數，取1.3×107；

代入有關參數數據可得計算結果為：熱側壓降Δph=276.6Pa，冷側壓降 Δpc=210.6Pa[2]。

經計算得到熱管換熱器各參數如表1所示。

3 經濟分析

熱管價格為260元/根，殼體加工費用1.1萬元，現場施工費用0.5萬元，因而設備初投資為：0.026×75+1.1+0.5=3.55萬元。

維護費用包括人工維護清洗費用和電費，其中，人工維護清洗費用為0.5萬/年；根據以下公式計算冷熱側電耗：

其中η為設備效率，取0.68，計算結果為：熱側耗電Nh=1.32kW，冷側耗電Nc=0.86kW，設備總電耗為：N=Nh+Nc=2.18kW，該設備平均年工作小時數為5000h，每kWh電價為1元，所以每年維護費用為1.59萬元。

定型機原來用導熱油加熱空氣，導熱油鍋爐燃料為煤，煤的熱值為20937KJ/kg，換熱器熱量折合成煤量為36.9kg/h，年節約煤量為184.5t/年。煤炭每噸價格為990元，則每年節約費用為18.3萬元，減去維護費用，實際每年節省16.71萬元。

成本回收時間為：

即換熱器投資的成本只需要2個半月就可回收。

4 結論

由上可知，將熱管換熱器等效為間壁式換熱器這一計算方法可行，而且可以帶來可觀的經濟效益。

熱管換熱器各個參數之間相互影響，在計算初始必須對部分參數進行估算后，才能進一步進行精確計算，并將精確計算所得參數對前面估算進行驗證，若兩者相差較大或者出現矛盾，必須用精確計算結果進行重復計算，直到兩者接近或者不相矛盾[3]。

[1]蔣章焰 and馬同澤,氣-氣熱管換熱器設計中的一些問題.工程熱物理學報,1985(03)∶p.255-262.

[2]王磊,熱管換熱器的設計計算.純堿工業,2001(03)∶p.39-43.

[3]Yang,F.,X.Yuan,and G.Lin,Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger for heating automobile using exhaustgas.Applied Thermal Engineering,2003.23(3)∶p.367-372.