基于廢熱利用的月牙式換熱器結構設計

李姍姍，王帥軍

(浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022)

目前在我國回收利用的余熱大部分來自于高溫度廢氣排放的顯熱和生產過程釋放的可燃氣熱，其中低溫余熱(即低品位廢熱)尚未進行回收。經過調查發現，低品位廢熱作為產能和用能是解決余熱回收的一個關鍵步驟，所以低品位廢熱在回收資源利用方面仍然占有很大的比例。[1]另外，現階段的換熱器是用板板接觸式的換熱器，板式換熱器是一種高效節能型換熱裝置，具有傳熱效能高、質地較輕、占地面積比較小、易于修整等優勢，在很多行業中具有不可或缺的作用。但是，它也有很明顯的缺點，由于其流路的狹窄以及角孔的限制，難以實現高流速；板與板之間密封墊及板片與框架機械強度的局限，產生了不能承受太高工作壓力、高溫度損壞換熱器等影響。[2]

為解決低品位廢熱無法利用以及板式換熱器存在各種不足的問題，本文提出了一種月牙式換熱器，本裝置利用船舶上的低品位廢熱，采用月牙式版型的曲面，使其可轉動連接，在一定程度上補充了板式換熱器的缺陷。另外考慮到板與板之間空隙的內部空氣導熱能力太差，大部分熱量會散失，因此在板與板接觸空隙中填充新介質，即纖維狀高導熱碳粉來提高裝置的導熱效率，同時采用自動溫控開關系統和氣泡泵等來優化本文的換熱器結構。

1 低品位廢熱二次利用的月牙式換熱器

本文設計的月牙式換熱器如圖1所示。裝置主要有熱源，柴油機廢氣鍋爐通過尾氣道，鍋爐廢氣排進入口通道，上油道(鍋爐廢氣排進入口通道)，上油道管路中的氣泡泵和排壓控制閥，下油道，下油道管路上安裝控制閥和壓力顯示器。月牙式換熱器分為左右兩半，左邊為圓弧內曲面，右邊為月牙筒狀，傳熱管道穿過月牙筒并在左側安裝齒輪與步進電機相連，通過步進電機帶動齒輪旋轉能使組合式能量轉移器實現分開或貼合，組合式能量轉移器為鋁合金材料。使用時右邊的月牙形腔體和左邊的曲面進行貼合，未使用時自動溫控開關系統將其隔開(即如圖1所示狀態)，腔體空隙之間會加入纖維狀高導熱碳粉，之后通過右邊的是導熱管路，導熱管路上有控制閥，然后在并聯式換熱器進行熱量傳遞，通過液氮加熱器來加熱液氮，加熱過廢氣呈現溫度的最大化保留，將其利用在日用油柜的保溫或船員日常生活的保溫。

1-熱源;2-導熱管路;3-曲面板;4-被保溫物質;5-導熱管路;6-月牙形空腔圖1 月牙式換熱器示意圖

2 主要結構設計

2.1 月牙式換熱器

在設計月牙式換熱器之前，經過實地考察和研究發現，現有的板式換熱器的缺陷是2塊鋁板進行貼合傳熱之后，未加熱時要將其隔開，這會導致尖式氣缸頂開兩鋁板時兩邊的管路發生伸縮。于是經過改良，將板板式改為圓筒式[3]，圓筒式思路是在改善板式換熱器和套筒加軟管方式后進一步得出的，利用圓筒滾動的理念又將腔體改成月牙形腔體，再根據齒輪轉動完成加熱和不加熱的過程。首先設計出了第一代裝置——平板式換熱器，這種設計是由2塊鋁板相互貼合傳熱，當溫度達到設定溫度時，尖式氣缸將兩板頂開，停止板與板之間的傳熱。在設計過程中所遇到的最大難題是如何解決鋁板運動過程帶來的管路伸縮問題，為了解決這個問題，加上了套筒加軟管的設計，其采用的是兩端管道中間夾一個彈簧并將軟管放置在彈簧內側的結構，如圖2所示。但在實驗中發現，彈簧的形變方向難以控制，在有機熱載體傳熱過程中彈簧進行形變后兩邊彈簧的形變方向都會受到溫度和壓強變化的影響，無法進行詳細的分析得出彈簧明確的形變方向。在經過幾番討論后，決定在彈簧外側套一個套筒來限制形變方向，這也是所采用的初步設計方案，然而在后期的實驗中發現軟管被壓縮會導致管路內壓強增大，存在很大的安全隱患。

圖2 套筒加軟管設計圖

為合理地解決這個問題，本設計跳過管道的伸縮問題，直接對組合式能量轉換器進行適度的改進，用步進電機帶動齒輪替換尖式氣缸的作用，將轉換器的轉換方式由原來的平動改為轉動，考慮到平板的換熱板不適合轉動，又提出了將傳熱邊平板的形狀換成內曲面形，受熱邊的平板換成月牙形腔體，如圖3所示，將平動改為轉動的應對方案，其次考慮到換熱器的熱應力問題，將其實心平板改為腔體結構，最后合理的解決了這個板式換熱器問題，并且將齒輪安裝在腔體一側，也可以更好地帶動腔體的轉動。

(a)傳熱工作時腔體接觸圖 (b)停用時腔體圖圖3 月牙式模型

2.2 其他改良性設計

2.2.1 換熱器材料的選取

本文在換熱器材料選取上主要依據材料的導熱系數[4]，并根據成本進行評估選取。導熱系數是指材料直接傳導熱量的能力，或稱熱導率。熱導率定義為單位截面、長度的材料在單位溫差下和單位時間內直接傳導的熱量，其單位為W/(m·℃)。用導熱系數測試儀可以測量各種溫度下金屬的導熱系數值，所測的數據如表1。

表1 不同溫度下幾種常見金屬的導熱系數值 W/(m·℃)

大部分換熱器采用金屬材料，不同金屬材料的導熱系數相差很大，而且同種材料在不同溫度下的導熱系數也不一樣。由表1知，常用材料中銀的導熱系數最高，僅次于銀的為銅和鋁。但考慮到銀和銅的經濟成本過高，所以經過實際的分析，得出用鋁合金作為換熱器材料有益于節約成本。[5]

2.2.2 纖維狀高導熱碳粉

由于曲面和月牙形腔體在接觸時相互會產生一定的摩擦及腔體表面存在細微不平整的問題，計劃在接觸面噴灑一種不影響傳熱并能起到一定潤滑作用的物質。經過研究發現，纖維狀高導熱碳粉的導熱率是銅的2～3倍，并且還具有良好的潤滑性能，使用這種碳粉一方面可以減少接觸時的摩擦，另一方面可以補償板板換熱時帶來的部分熱損失，在此基礎上本文創新的月牙式換熱器經過比較，可行性比原設計高，換熱器接觸面見圖4。

圖4 換熱器接觸面

2.2.3 氣泡泵

在裝置中還加入了氣泡泵的思路，原設計中沒有氣泡泵，高溫度的余熱進入管道內，由于管道內部溫度升高，壓強增大，會致使管路遭到受熱膨脹甚至破裂。若將管路留部分空隙進行受熱膨脹，就減少了廢熱排放量，降低了余熱利用率。為了克服這一缺點，提出氣泡泵的思想，氣泡泵就是真空容器中的溶液在外部熱源作用下產生氣泡，氣泡上升到液體界面上方，使系統產生壓力，在顯熱散熱交換器和加熱熱交換器的作用下產生密度差的溶液，可利用熱量進行循環，朝任意的方向傳熱。這樣就把導熱管路建造成封閉環境，不僅無需外接動力便能讓導熱物質流動起來，也無須增減導熱物質，使用更加方便也更加安全。[6]

2.2.4 自動控制系統

利用單片機控制的原理將自動化加入到本文的設計中，用程序控制溫度監測器和步進電機，到達設定溫度時，步進電機開始工作，加熱過程結束。當溫度低于設定值時再次啟動電機開始加熱。當溫度低于或高于船員所設的警戒溫度時會發出警報，船員可以切換至手動模式，強制連通或斷開換熱器，以保證被保溫物質的安全。[7]

3 月牙式換熱器運行流程

月牙式換熱器3D簡化圖如圖5所示，它在整體上表達了月牙式換熱器的設計理念，從船舶開始啟動后，將本應該排廢氣給煙囪的船舶廢氣鍋爐的尾氣進入尾氣道，通過排管換熱器經過油路進入到月牙式換熱器，此處曲面和月牙形腔體接觸傳遞熱量，為避免一定熱量的損失以及能源的消耗，在月牙式換熱器之間加入自動溫控開關系統控制，再經導熱管路進入到并聯式換熱器利用液氮加熱器對液氮進行加熱，當停止加熱，即溫度達到設定值時，自動化溫控系統將自動啟動，使得月牙式換熱器相互分開從而阻止能量的傳遞。當裝置停止工作時，排壓保護閥能夠存儲和釋放內部壓力，防止油管爆裂。總體而言，其創新的思路就是通過船舶廢氣鍋爐排出的尾氣進行一個熱交換，然后熱傳導物質將熱量傳遞到中間創新的月牙式換熱器，再借此傳遞給另一側的換熱物質，從而實現給貨物或者油柜的保溫。本文所設計的換熱系統主要由傳熱物質，新型的組合式能量轉移器，管道等組成，通過改變能量轉換器一個接觸情況來進行熱量交換，更加簡單、方便。

圖5 月牙式換熱器3D簡化圖

從柴油機排出的廢氣是通過二次利用被加熱到400 ℃左右，通過廢氣渦輪增壓機將廢氣吸入并壓縮到一定的壓力，然后經管路送至中間空氣冷卻器冷卻，經冷卻降溫后的氣體進入柴油機掃氣箱，這時廢氣的溫度達到300 ℃左右，廢氣從管道到達廢氣鍋爐，再由廢氣鍋爐傳到排管換熱器，此時廢氣溫度為80～90 ℃，之后采用本文月牙式換熱器的設計通過排管換熱器進入油路進行廢氣的三次利用，運輸到月牙形腔體的換熱器中，用纖維狀高導熱碳粉減少摩擦，促進廢氣的傳熱以保持溫度，然后通過油路進入到右邊的并聯式換熱器，最后經過液氮加熱器將熱量傳送到油柜對物品起到保溫等作用。[8]廢氣再利用主要流程示意圖如圖6所示。

圖6 廢氣再利用主要流程示意圖

4 結束語

本文設計的月牙式換熱器的工作過程是復雜的，中途的熱量轉化涉及到許多部件的協調工作。其主要研究了如何有效利用低品位廢熱，從而達到尾氣的三次利用。目前為止本文已經對整個裝置的結構設計進行了初步的分析，增加了船舶對于尾氣的再利用環節，有效的減少了船舶對能量的損耗，同時本裝置發展空間大，可以對多種船舶需要物質進行加熱，對航運業的發展起到了推動作用。另外，由于全球變暖，北極航道的開辟[9]將成為航運業發展的必然趨勢，但北極航道溫度整體較低，對船舶日用油的保溫控制就顯得尤為重要，若將本裝置安裝在北極航道的船舶上，可以很大程度上解決日用油使用前的加熱問題。雖然本裝置現仍處于初級階段，但是優點明顯，隨著科技的進步，本裝置的體積將會逐步減小，不僅可以用于航運業，還可以轉向陸地運輸方向，在高鐵、動車等交通運輸工具上安裝，推動陸地交通的發展。