某工程熱管換熱技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

焦春玲 白延斌 霍海紅 白亞娟

某工程熱管換熱技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

焦春玲1白延斌2霍海紅3白亞娟4

（1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 西安 710065；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司/中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 西安 710054；3.陜西大唐新能電力設(shè)計(jì)股份有限公司 西安 710048；4.陜西省煤炭科學(xué)研究所 西安 710054）

針對(duì)某礦井進(jìn)風(fēng)井口防凍用熱問題，分析了具體用熱需求與余熱資源狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)有條件，針對(duì)性設(shè)計(jì)了熱管換熱方案，理論分析了熱管換熱技術(shù)的可行性，并對(duì)其換熱效率高低影響換熱效果進(jìn)行了分析，指出了極端氣象條件下所需的保證措施與實(shí)施方案。進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際初步運(yùn)行效果，驗(yàn)證了熱管換熱技術(shù)的可行性，并分析了其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題。

熱管；余熱；供熱；換熱器

0 引言

熱管被稱為“超導(dǎo)熱體”，是上世紀(jì)40年代出現(xiàn)的新技術(shù)，熱管的出現(xiàn)在航天航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。標(biāo)準(zhǔn)熱管的原理是在1942年由美國(guó)人P S Gaugler首次提出，1962年被相關(guān)學(xué)者運(yùn)用到空間系統(tǒng)中。此后，熱管的研究技術(shù)與開發(fā)受到了各國(guó)學(xué)者的極大重視。近年來，重力熱管的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，重力熱管是一種結(jié)果簡(jiǎn)單、成本、低傳熱性能好的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是熱量只能有它的下端向上端傳遞，但是在余熱利用中可以很好的克服其缺點(diǎn)。工業(yè)性的熱管應(yīng)用，尤其是在余熱熱回收領(lǐng)域中大量開發(fā)和利用，重力熱管受到了大家的重視。當(dāng)前，大規(guī)模的熱管研究已經(jīng)從空間應(yīng)用轉(zhuǎn)向工業(yè)及民用，從熱管的理論性探索階段轉(zhuǎn)入推廣應(yīng)用及新型熱管的開發(fā)階段[2-5]。本文將從某礦井企業(yè)實(shí)際供熱需求分析熱管技術(shù)的成功應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目屬于某集團(tuán)公司下屬礦井，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為20.0Mt/a，地處偏遠(yuǎn)，該礦風(fēng)井場(chǎng)地遠(yuǎn)離主工業(yè)廣場(chǎng)。該風(fēng)井區(qū)設(shè)有回風(fēng)井一座，回風(fēng)風(fēng)量20000m3/min；進(jìn)風(fēng)井一座，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量15000m3/min。原有井口防凍采用3臺(tái)6t/h燃煤熱風(fēng)爐提供熱源。根據(jù)陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)DB61/1226-2018《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求陜北地區(qū)燃煤鍋爐大氣污染物排放濃度限值：顆粒物10mg/m3、二氧化硫35mg/m3、氮氧化物50mg/m3、汞及其化合物0.03mg/m3[6]。現(xiàn)有場(chǎng)地鍋爐房污染物排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重超標(biāo)，必須限期整改。根據(jù)《榆林市人民政府關(guān)于印發(fā)鐵腕治霾打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)方案（2018—2020年）（修訂版）的通知》榆政發(fā)〔2018〕33號(hào)文件要求：全市不再新建每小時(shí)35蒸噸以下的燃煤鍋爐，每小時(shí)65蒸噸及以上燃煤鍋爐全部完成節(jié)能和超低排放改造[7]。因此該場(chǎng)地必須尋找新的替代熱源，滿足礦井正常生產(chǎn)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)想

依據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》該地室外空氣計(jì)算參數(shù)：冬季供暖室外計(jì)算溫度：-15.1℃，冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度：-9.4℃，極端最低溫度值：-30.0℃，歷年極端最低溫度平均值：-24.2℃。本系統(tǒng)中，采礦專業(yè)工藝設(shè)計(jì)礦井設(shè)計(jì)排風(fēng)量15000m3/min，礦井設(shè)計(jì)排風(fēng)量20000m3/min，排風(fēng)溫度常年恒溫16℃，進(jìn)風(fēng)井與排風(fēng)在同一場(chǎng)地。

根據(jù)《煤炭安全技術(shù)規(guī)程》采用歷年極端最低溫度平均值-24.2℃計(jì)算礦井進(jìn)風(fēng)需熱量，礦井進(jìn)風(fēng)井井口溫度按照2℃考慮，計(jì)算得知進(jìn)風(fēng)需熱量為9301kW。

依據(jù)供暖室外計(jì)算溫度為基準(zhǔn)，計(jì)算得知進(jìn)風(fēng)需熱量為6070kW。

礦井排風(fēng)溫度常年恒定值為16℃，設(shè)想換熱端差為2℃，由于排風(fēng)量大于進(jìn)風(fēng)量，所以利用該排風(fēng)的余熱量約8000kW。

由于余熱量初步估算大于供暖室外計(jì)算溫度需熱量，小于極端最低溫度平均值需熱量，因此考慮采用熱管換熱方式，結(jié)合場(chǎng)地布置回收余熱資源進(jìn)行供熱，小于極端溫度平均值的需熱量通過電加熱配置，來保證系統(tǒng)極端工況運(yùn)行。熱管換熱布置示意圖如圖1所示。

圖1 熱管換熱布置示意圖

2.2 可行性分析

熱管式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算方法所依據(jù)的計(jì)算模型主要有兩種：等效連續(xù)間壁式計(jì)算模型和離散間壁式計(jì)算模型[8-10]。

所謂等效連續(xù)間壁式計(jì)算模型，就是把熱管式換熱器設(shè)想成在連續(xù)的折算傳熱面上串聯(lián)熱管傳熱熱阻的間壁式換熱器，因而可以借助常規(guī)的間壁式換熱器的工程計(jì)算方法來計(jì)算。這個(gè)計(jì)算模型成立的依據(jù)是:熱管的內(nèi)部熱阻極小，以至對(duì)其外部對(duì)流換熱特性幾乎沒有什么影響，實(shí)際計(jì)算表明，在氣體橫向沖刷帶肋熱管的情況下，熱管內(nèi)部熱阻只約占總傳熱熱阻的10%左右。

把熱管外部介質(zhì)的流動(dòng)看作一維流動(dòng)，不計(jì)換熱面的離散分布和傳熱系數(shù)沿?fù)Q熱面的變化，根據(jù)整個(gè)傳熱面的能量平衡，由等效連續(xù)間壁式計(jì)算模型得到的熱管式換熱器的傳熱基本方程為：

式中：為總換熱量，kW；為系統(tǒng)傳熱系數(shù)。W/m2·℃；為熱管根數(shù)；為換熱管面積；Δt為對(duì)數(shù)平均溫差。

對(duì)于排風(fēng)熱回收計(jì)算將進(jìn)出口平均溫度作為定性溫度，放熱側(cè)的冷流體（室外空氣）吸熱量2與吸熱側(cè)熱流體（礦井排風(fēng)）放熱量1之間關(guān)系如下：

為了實(shí)際運(yùn)行得到2的熱量，可以得知2與1之間存在以下關(guān)系，為了分析熱管系統(tǒng)的可行性，2與1之間的關(guān)系分析如公式（3），現(xiàn)在主要的問題是分析其效率高低對(duì)換熱效果的影響，及其需要采取的電加熱量保證措施。圖2所示了不同換熱效率下，實(shí)際得熱量計(jì)算值，圖3所示為不同室外計(jì)算溫度下需熱量。通過圖2、圖3對(duì)比分析得知，需熱量基本負(fù)荷為6071kW，極限負(fù)荷為9301kW，綜合分析考慮選取設(shè)計(jì)換熱效率為0.85的熱管式換熱器滿足基本負(fù)荷要求，保證基本負(fù)荷運(yùn)行工況。對(duì)于供熱負(fù)荷與極限負(fù)荷之間的差值負(fù)荷通過配置電加熱器來保證該部分負(fù)荷需求，電加熱負(fù)荷為2501kW，對(duì)比圖如圖4、圖5所示。

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的項(xiàng)目來說，室外氣象參數(shù)一致變動(dòng)工況，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，該地區(qū)極限溫度出現(xiàn)的頻次較少，大部分供暖時(shí)間是處于基本負(fù)荷范圍內(nèi)，因此電加熱實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)占比較少，通過配置良好的自控系統(tǒng)來保證根據(jù)室外溫度變化啟停加熱器的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，項(xiàng)目可以節(jié)能運(yùn)行。

圖2 不同換熱效率下的Q2

圖3 計(jì)算溫度下需熱量

圖4 熱負(fù)荷對(duì)比圖

圖5 電加熱量對(duì)比圖

3 選型設(shè)計(jì)

考慮達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)條件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地占用情況，為方便布置及后期運(yùn)行管理方便，集中布置換熱機(jī)房，機(jī)房屋頂布置熱管換熱器平臺(tái)，搭建新的通風(fēng)道，根據(jù)換熱器性能要求設(shè)計(jì)選型換熱器及布置通風(fēng)機(jī)，同時(shí)風(fēng)道布置2501kW電加熱器。將礦井排風(fēng)通過熱管換熱器的蒸發(fā)段后排至大氣，新建新風(fēng)管道通過熱管換熱器的冷凝段吸收熱量后通過送風(fēng)機(jī)送至進(jìn)風(fēng)井。系統(tǒng)布置示意圖如圖6所示。換熱器計(jì)算選型詳細(xì)參數(shù)步驟不在贅述，通過計(jì)算布置了換熱器選型布置過程如下：

熱平衡計(jì)算，確定換熱量、冷熱流體流量、進(jìn)出口溫度；

↓

選擇和確定熱管及熱管式換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、排列方式和基本參數(shù)(包括擴(kuò)展換熱面布置、流速選擇等)；

↓

熱管冷熱側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算；

↓

計(jì)算熱管的各分熱阻和總熱阻,計(jì)算傳熱系數(shù)；

↓

驗(yàn)證熱管的尺寸和布置,確定熱管的根數(shù)和排數(shù)；

↓

熱管的最高管內(nèi)工作溫度和最低管壁溫度的計(jì)算和校驗(yàn)；

↓

換熱器的冷熱側(cè)流動(dòng)阻力的計(jì)算和校驗(yàn)；

↓

安全性校核、經(jīng)濟(jì)性分析。

圖6 換熱機(jī)房系統(tǒng)流程示意圖

4 結(jié)論

項(xiàng)目運(yùn)行期一年內(nèi)實(shí)際運(yùn)行達(dá)到了良好的效果，滿足了現(xiàn)場(chǎng)需求，通過實(shí)際熱管換熱方式結(jié)合電加熱的組合布置，起到了很好的節(jié)能作用。由于電輔電熱模塊僅僅是為了在極端氣候條件下，避免蒸發(fā)器的結(jié)霜和防凍，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性而設(shè)計(jì)，因此，通常情況下電輔加熱模塊無需開啟。即使在極端氣候條件下，為了在保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的前提下，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。每一個(gè)電輔加熱模塊又劃分為多個(gè)獨(dú)立的加熱單元，每一個(gè)加熱單元通過計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)風(fēng)溫監(jiān)控返回的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟和停止。熱管換熱有很好的導(dǎo)熱性，理想的等溫性，傳熱方向的不可逆及兩側(cè)熱阻的可調(diào)性，加熱段和放熱段的長(zhǎng)度可以靈活的選擇布置。因此在礦井等類似場(chǎng)所對(duì)余熱資源的回收啟到很好的作用，值得的合適的地方加以推廣應(yīng)用。

[1] 屠傳經(jīng),王鵬舉,洪榮華.重力熱管換熱器及其在余熱利用中的應(yīng)用[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1989.

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[5] 程冉冉.重力熱管換熱器傳熱分析與數(shù)值模擬[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué),2016.

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[7] http://www.yl.gov.cn/P/C/45036.htm

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Design and Test Analysis of a Heating System for Ventilation Air Methane

Jiao Chunling1Bai Yanbin2Huo Haihong3Bai Yajuan4

( 1.Scegc Installation Group Co., Ltd, Xi'an, 710048; 2.China Coal Energy Research Institute Co., Ltd, Xi'an, 710054;3.Shaanxi Datang New Energy Power Design Co., Ltd, Xi'an, 710048; 4.Shaanxi Coal Research Institute, Xi'an, 710054 )

In view of the problem of anti-freezing heat used in the inlet well head of a mine, the specific heat demand and the state of waste heat resources are analyzed. According to the existing conditions, a heat pipe heat exchange scheme was designed, the feasibility of heat pipe heat exchange technology was theoretically analyzed, and the influence of heat exchange efficiency on heat exchange effect was analyzed, and the necessary guarantee measures and implementation scheme under extreme weather conditions were pointed out. Furthermore, the feasibility of heat pipe heat exchange technology is verified by combining with the actual preliminary operation effect, and the key technical problems of its application are analyzed.

heatpipe; wasteheat; supplyheat; heatexchanger

TU831.4

A

1671-6612（2021）02-263-04

焦春玲（1979-），女，高級(jí)工程師，E-mail：76995356@qq.com

白延斌（1985-），男，工程師，E-mail：BDL168168@163.com

2020-07-19