探究熱管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳楚夫

（重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院能源動(dòng)力系，重慶 400000)

探究熱管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳楚夫

（重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院能源動(dòng)力系，重慶 400000)

熱管是具有良好導(dǎo)熱性能的傳熱元件，被稱為熱超導(dǎo)體。主要對(duì)熱管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行研究，探討其基本參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱管排布方式設(shè)計(jì)以及清灰處理等，并對(duì)熱管式空氣預(yù)熱器在電力工業(yè)、化工工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

熱管式；空氣預(yù)熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工業(yè)應(yīng)用

內(nèi)插物對(duì)如空氣預(yù)熱器的流動(dòng)阻力有直接影響，放置內(nèi)插物可以增強(qiáng)換熱器的換熱，也可以防止污垢形成，相關(guān)研究逐漸受到重視。但是放置內(nèi)插物也會(huì)增加流體在換熱器管內(nèi)的流動(dòng)阻力，增加做功，降低內(nèi)插物的換熱效率。因此，在換熱器中使用內(nèi)插物的方式還有待改善。對(duì)熱管式空預(yù)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提出另一種設(shè)計(jì)形式，以期提高熱管式空預(yù)器的應(yīng)用效果。

1 熱管式空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)

1.1 基本參數(shù)設(shè)計(jì)

熱管式空氣預(yù)熱器的換熱器屬于間壁式換熱器，熱管熱流向冷流體傳熱的過程屬于間壁傳熱過程，傳熱降溫主要發(fā)生在兩側(cè)流體面，熱管降溫小，總熱阻由對(duì)流傳熱熱阻、管壁徑向傳熱熱阻、工質(zhì)徑向傳熱熱阻等9種熱阻組成，分別用R1～R9表示。其中，液界面的蒸發(fā)傳熱熱阻、冷凝傳熱熱阻以及蒸汽軸向的流動(dòng)傳熱熱阻自身較小，可以忽略不計(jì)，總熱阻R總可以表示為其余六種熱阻之合。總降溫△T也可以表示為△T=T1+T2+T3+T4+T5+T6。由此可以得到傳熱公式Q=KS△T，其中，Q為總熱流量，K為總傳熱系數(shù)。以此為基礎(chǔ)，分別確定熱管空氣預(yù)熱器的熱流體、冷流體和熱管基本參數(shù)[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要進(jìn)行進(jìn)口質(zhì)量流速選擇、分別確定熱管加熱段、冷凝段長(zhǎng)度以及進(jìn)口界面尺寸。其中，進(jìn)口質(zhì)量流速根據(jù)傳熱、壓降和機(jī)會(huì)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，煙氣側(cè)迎面質(zhì)量流速為G’h=3.0kg/（m2s），空氣側(cè)質(zhì)量流速為G’L=2.05kg/（m2s）。熱管加熱段、冷凝段長(zhǎng)度主要根據(jù)安裝、阻力損失和出口溫度等方面的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，加熱段長(zhǎng)度為1 180mm，翅片長(zhǎng)度為1 110mm，冷凝段長(zhǎng)度為800mm，翅片長(zhǎng)度為730mm，絕熱段長(zhǎng)度為20mm，熱管總長(zhǎng)為2 000mm。由此確定進(jìn)口界面結(jié)構(gòu)尺寸，煙氣側(cè)的迎風(fēng)面積為1.32m2，空氣側(cè)的迎風(fēng)面積為1.50m2，加熱段迎風(fēng)面積1.30m2。則煙氣側(cè)質(zhì)量流速為3.05kg/（m2s），空氣側(cè)質(zhì)量流速為3.51kg/（m2s），橫向管間距62.5mm，第一排管數(shù)為17，傳熱面積為2.02m2。

1.3 熱管排布方式及清灰處理

熱管排布方式對(duì)冷熱流體流動(dòng)阻力有重要影響，進(jìn)而會(huì)影響熱管換熱器性能。熱管通常采取隊(duì)列式或倒三角式排布方式，采用隊(duì)列式排布可以保證冷熱流體迎風(fēng)面積足夠大，使熱管熱交換能夠充分進(jìn)行，從而具備較大的傳熱量。此外，積灰會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器傳熱量下降，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可采取15°放置方式，使換熱器結(jié)構(gòu)便于清灰，還有利于工質(zhì)回流，降低啟動(dòng)溫度。清灰方式可以采取人工清灰、機(jī)械清灰和氣體吹灰等。管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)換熱量要求進(jìn)行，主要由熱管數(shù)量和尺寸巨鼎。可采用極限計(jì)算方法，確定管箱壁厚，一般厚度為80mm，采用焊接形式，法蘭邊開螺栓孔。接管方式遵循高進(jìn)低出的設(shè)計(jì)原則，可以節(jié)約動(dòng)力，取得良好的換熱效果[2]。

2 熱管式空氣預(yù)熱器應(yīng)用

2.1 在電力工業(yè)的應(yīng)用

熱管式空氣預(yù)熱器目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，特別是在電力工業(yè)和化工工業(yè)等方面，表現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值。熱管式換熱器能夠在小溫差條件下傳遞大熱量，在電站鍋爐中的應(yīng)用有利于能源回收。而且熱管風(fēng)冷器具有較高的蒸發(fā)冷凝效率，在大型電站的應(yīng)用可以提高蒸汽冷凝效率。缺水地區(qū)還可以使用風(fēng)冷方式，利用熱煙氣加熱冷煙氣，比如電站脫硫GGH等。

2.2 在化工工業(yè)的應(yīng)用

化工生產(chǎn)中的許多化學(xué)反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，需要及時(shí)轉(zhuǎn)移熱量，而吸熱反應(yīng)則需要一定的熱量供應(yīng)，才能保持反應(yīng)過程的正常進(jìn)行。采用人管換熱器可以把放熱反應(yīng)中釋放的熱量提供給吸熱反應(yīng)，滿足兩種類型反應(yīng)過程的溫度控制要求，起到解決能源、提高產(chǎn)量的作用。一般化學(xué)工業(yè)的排氣溫度高達(dá)百度以上，如果不能有效回收利用，會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)。利用熱管空氣預(yù)熱器回收多余熱量，為需要的生產(chǎn)過程提供熱量，已經(jīng)在工業(yè)鍋爐、熱處理爐中得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 在其他行業(yè)的應(yīng)用

目前熱管式空氣預(yù)熱器在建筑工程、交通工程、動(dòng)力工程和電子工業(yè)等方面也得到了廣泛應(yīng)用。熱管式空氣預(yù)熱器可以在建筑工程中被用于室內(nèi)外空氣的熱交換，吸收集中空調(diào)制冷機(jī)組的廢氣預(yù)熱。在交通工程中，凍土結(jié)構(gòu)融化會(huì)對(duì)路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，可以利用熱管傳熱方式縮小地下與地面的溫差，達(dá)到保護(hù)路基的目的。熱管換熱器在動(dòng)力工程中增壓柴油機(jī)的使用可以降低溫度，提高助燃空氣溫度，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，熱管式空氣預(yù)熱器還可以提高電力變壓器的散熱效率，促進(jìn)電子遠(yuǎn)近的微型化方向發(fā)展。

3 結(jié)束語

綜上所述，熱管式空氣預(yù)熱器許多領(lǐng)域都表現(xiàn)出極高的使用價(jià)值，可以節(jié)約資源，提高能源利用率和生產(chǎn)效率。通過對(duì)熱管式空氣預(yù)熱器的熱管結(jié)構(gòu)和排布方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足，采用恰當(dāng)?shù)那寤姨幚矸绞剑岣邿峁軗Q熱器的傳熱效率。對(duì)熱管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以促進(jìn)其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。

[1] 孫俊斌.前置式熱管式空氣預(yù)熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中外企業(yè)家，2016，（15）：224.

Design and Application of Heat Pipe Air Preheater

Chen Chu-fu

Heat pipe is a heat transfer element with good thermal conductivity.It is called thermal superconductor.This article will focus on the design and application of heat pipe air preheater，discusses the basic parameter design，structure design，heat pipe arrangement design and cleaning process，and the application of heat pipe type air preheater in the power industry，chemical industry and other fields were introduced.

heat pipe type；air preheater；structure design；industrial application

TK223.34

B

1003–6490（2017）11–0106–01

2017–09–03

陳楚夫（1997—），男，湖南長(zhǎng)沙人，主要研究方向?yàn)闊崮軇?dòng)力方向。