毛細管換熱器在地浸采鈾中的應用分析

中核第四研究設計工程有限公司 曹永凱

0 引言

隨著砂巖找礦和地浸采鈾技術的突破，高效環保的砂巖地浸鈾礦已成為我國鈾礦冶發展的主流模式。它與常規采鈾方法相比，具有基建投資省、建設周期短、生產成本低、安全環保等優點。同時，由于地浸液來自地表四五百米以下，因而含有淺層地熱能，以地浸液為低溫水的水源熱泵技術，是當前“煤改氣、煤改電”背景下我國鈾礦冶工程供暖方式的重要突破。

但地浸液作為礦物載體，在作為低溫熱源使用時存在3個問題：一是水質差，多數地浸液鈣鎂離子超標；二是溫度低，地浸液溫度普遍在10～20 ℃之間，甚至更低；三是腐蝕性強，地浸液中氧氣、氯離子等濃度較高，尤其是氧濃度超標，易造成熱泵設備腐蝕穿孔。

為了克服地浸液源熱泵使用中存在的問題，科學合理利用淺層地熱能，擬采用間接換熱作為水源熱泵的能量采集方式。本文引入毛細管換熱器作為間接換熱的核心部件，并從理論和實驗上驗證其可行性。

1 毛細管換熱器

1985年德國人Donald源于對人體血液循環系統的仿生發明了毛細管網。毛細管換熱器由毛細管網柵構成，網柵由4.3 mm×0.85 mm(外徑×壁厚)、間隔為10～40 mm的塑料毛細管組成，主管道起分配、匯集換熱介質的功能[1]。

毛細管采用聚四氟乙烯(PTFE)或氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)等作為生產原料，具有較好的抗沖擊性能和長期蠕變性能，在正常工作條件下，使用壽命可達50 a。毛細管作為末端換熱器，以輻射供暖和供冷方式展現出舒適、高效、綠色、方便等諸多優點，其作為空調系統輻射末端已有諸多研究。趙康等人采用熱阻分析方法給出了一種計算輻射板表面平均溫度的簡便方法，并總結得到了各類輻射板表面最低溫度與表面平均溫度的關系式[2]。陳慧等人對毛細管空調系統進行了制冷及除濕實驗，確定了毛細管重力循環空調柜除濕和換熱性能的影響因素及其最佳運行工況[3]。同時，毛細管作為獲取自然冷熱源的前端換熱器，因其具有耐高溫高壓、耐腐蝕、換熱面積大、換熱效率高且水力損失小等優點，亦有諸多應用。陳林等人針對導熱塑料換熱器開展了實驗研究，通過硫酸浸泡實驗驗證了換熱器的耐腐蝕性能，得到了換熱器在不同風速下的傳熱系數和阻力特性[4]。章立新等人將工程塑料毛細管網技術引入閉式冷卻塔，通過實驗得出，在塔體大小相同的條件下，2臺毛細管網閉式冷卻塔能夠達到1臺常規管徑紫銅管閉式冷卻塔的散熱能力[5]。

2 地浸液毛細管換熱器傳熱分析

2.1 地浸液毛細管換熱流程

地浸采鈾采用多點抽注方式，一個采區具有幾十甚至幾百個抽注井，通常建有體積龐大的原液匯集池，簡稱集液池。集液池水流緩慢，兼有沉淀、排氣等功能。據此，可將毛細管換熱器直接布置在集液池中，構成如圖1所示的地浸液取熱系統。

1.集液池；2.毛細管換熱器；3.低溫水泵；4.熱泵機組；5.熱水循環泵；6.熱用戶。圖1 毛細管換熱器地浸液取熱系統示意圖

2.2 毛細管換熱器傳熱系數的確定

1) 管外地浸液側換熱系數。

毛細管換熱器由多根毛細管并聯組合而成。取單根毛細管進行研究，由于集液池中地浸液流速緩慢，毛細管外部換熱可視為外掠圓管自然對流換熱。毛細管之間流道比較平直，可以視作順排。因此，前排毛細管內流體出現的渦旋不強，在黏滯力的作用下，渦旋會很快消失，故管表面邊界流體流態可按層流對待[6]。按照控制集液池水流速度在0.01～0.05 m/s之間計算，20 ℃地浸液的雷諾數Re在43～214之間，普朗特數Pr約為7.01，按照外掠光滑管束模型及考慮修正系數影響，此時管束的換熱關聯式如下[7]：

(1)

式中Nu為努塞爾數；Prf為以流體平均溫度為特征溫度的普朗特數；Prw為以壁面溫度為特征溫度的普朗特數。

由式(1)可得地浸液側換熱系數αw：

(2)

式中λ為地浸液的導熱系數，W/(m·℃)；do為毛細管外徑，m。

2) 管內制冷劑側換熱系數。

毛細管內流體通常控制為層流，根據西得和塔特提出的常壁溫換熱關聯式得出[3]：

(3)

式中di為管內徑，m；l為管長，m；μf為管內流體黏度，Ps·s；μw為管壁處流體黏度，Ps·s。

特征溫度取進出口溫度的平均值。若毛細管長度為3 m，則管內水流速度為0.1 m/s，此時Re=258，Pr=7.01，μf=1.15×10-3Ps·s，μw=1.0×10-3Ps·s。

由式(3)得Nu=2.13。

(4)

在假定水流速度為0.1 m/s的情況下，當毛細管長度大于0.59 m時，由式(3)可得出Nu小于3.66 的情況，故式(4)此時應增加水流在管道內滯留時間的判定條件：

(5)

式中t為流體在管道內的滯留時間，s；v為地浸液流動速度，m/s。

由此可知，對于毛細管換熱器，t值越大，則Nu值越小，從而導致管內制冷劑側換熱系數越小。當t<5.9 s時，αn可按式(4)進行計算，否則按照式(3)先計算Nu，再由Nu導出αn。這里還需指出，由于集液池進口水流的擾動、水溫變化等因素，地浸液很難維持純粹的受迫層流。

3) 總傳熱系數。

對于毛細管換熱器，當以管外表面積為計算面積時，其單位管長的傳熱系數可以采用下式計算[8]：

(6)

式中Km為毛細管換熱器單位管長的總傳熱系數，W/(m·K)；Rw為管外側污垢熱阻，m2·K/W；Rn為管內側污垢熱阻，m2·K/W；λp為管材導熱系數，W/(m·K)。

毛細管內部光滑，管內換熱介質通常采用水，雜質含量較小，可忽略，因此管內污垢熱阻Rn可近似取0；管外側污垢熱阻Rw可參照海水取0.000 1 m2·K/W[5]。

2.3 毛細管換熱器總長度的確定

毛細管總長度根據換熱量求得[9]。

(7)

式中Lz為毛細管總長度，m；Q為供熱系統熱負荷，W；Δtm為毛細管壁面間的對數平均溫差，℃。

2.4 毛細管并聯數量及長度

毛細管并聯數量根據循環水量確定。

(8)

式中n為毛細管并聯數量；ρ為中介水的密度，kg/m3；Md為地浸液流量，kg/s。

由式(7)、(8)可求得單根毛細管的長度。至此，可根據布置需求，組成并聯的毛細管換熱器。

3 工程可行性分析

3.1 工程概況

中核內蒙古礦業公司某地浸鈾礦擬建體積為1 500 m3的集液池體(長30 m，寬20 m，有效池深2.5 m)。浸出液溫度夏季約19 ℃，冬季稍低，約15 ℃。

該礦遠離居民區，周邊無成熟外部熱源。地面建筑包括生產廠房、生活設施等，其熱用途主要為各地表建筑的供暖、放射性排風的補風加熱、職工淋浴用熱等，全礦總熱負荷2 760 kW。

3.2 供熱方案

根據地浸采鈾技術特點，在生產區采用水源熱泵技術，以15～19 ℃的地浸原液作為低溫熱源，通過毛細管換熱器及中介水循環系統從地浸原液集液池中換熱，然后將熱量轉移到水源熱泵機組，再通過輸入少量電能帶動水源熱泵機組制備45 ℃左右供暖熱水，為建筑物供暖、新風加熱等提供熱源。

3.3 技術可行性分析

1) 地浸液熱負荷承載能力分析。

要應用水源熱泵，必須分析和判斷地浸液的穩定性，一旦水量不足，很可能導致系統不能使用。地浸液的需求量與水源熱泵的性能、建筑熱負荷、取熱溫差Δt及中介水與地浸液溫差Δt′有關。對于地浸液，可認為地浸液為常壁溫條件，Δt′的大小決定低溫中介流體溫度接近地浸液的程度，Δt′越小，則可形成越大的取熱溫差Δt。冬季熱泵工況運行時，需要的地浸液流量Md為[10]

(9)

式中cp為中介水的比熱容，J/(kg·℃)；COP為熱泵機組的制熱性能系數。

一般地源熱泵低溫熱源側溫降按照5～11 ℃考慮，溫差太小，必然需要加大循環水量，從而增加循環泵的功率。考慮Δt′的影響及機組低溫保護因素，取水溫降為10 ℃，COP為4.5，可得Md約為185 m3/h。降溫后的地浸液與未降溫的地浸液二次充分混合后，地浸液整體溫降約為1.58 ℃。可見地浸液供給量充沛且溫降較小，可滿足該礦供熱要求。

2) 水溫降對工藝生產影響分析。

溫降對地浸液的吸附效率有負面影響，溫度越低，吸附效率越低。但對于該礦而言，地浸液整體溫降不到2 ℃，溫降因素可以忽略不計。

3) 毛細管換熱器計算。

對于溫度基本穩定的地浸液來說，毛細管內外的流速對其單位管長傳熱系數起決定性作用。由于集液池體積由工藝生產條件決定，故管外水體流速基本恒定，可認為αw為常數。不同的集液池地浸液流速v與毛細管管外換熱系數αw的變化曲線如圖2所示。

圖2 地浸液流速與毛細管管外換熱系數關系

由式(4)可知，αn的變化與t有關，同時由于毛細管內部水流速將很大程度影響毛細管換熱器并聯根數及單根長度。根據式(6)，在管內流速變化、管外流速恒定為0.1 m/s的情況下，可得單位管長總傳熱系數Km的計算值，如圖3所示。

圖3 管內流速與毛細管傳熱系數關系

由圖3可知：當管內流速從0.01 m/s增大到0.50 m/s時，單位管長總傳熱系數Km由逐漸增大到趨于平緩，最終維持在3.2 W/(m·K)左右；當水流速度達到0.17 m/s時，總傳熱系數Km基本達到最大值3.19 W/(m·K)。

對處于層流區域的圓管，其沿程阻力h計算式為

(10)

式中g為自由落體加速度，m/s2。

由式(10)可知，對于圓管層流區，沿程阻力損失與速度的二次方成正比，在總傳熱系數Km基本達到3.19 W/(m·K)時，阻力約為0.08 Pa/m。據此，使傳熱系數最佳且阻力較小的理想水速為0.17～0.20 m/s。結合單根毛細管實際控制長度，單位管長的總傳熱系數Km計算值為2.6～3.2 W/(m·K)。若毛細管外徑為4.3 mm，且以其外表面為傳熱面，則其傳熱系數約為192～237 W/(m2·K)。

由式(7)～(9)可得，該礦需要毛細管總長度約為24萬m，單根長度10 m，共計24 000根。按照每組換熱盤管布置400根，共需要60臺換熱器。

4) 集液池布置方案。

集液池布置方案如圖4所示。換熱器共分10列，每列6臺，列間距2 m，沿集液池依次布置。每列換熱器均作同程式連接，形成10條枝狀并聯管網，水平干管連接熱泵房集水器。該方案便于各分支調控、檢修，提高了管網可靠性。

1.毛細管換熱器；2.集液池；3.溢流堰；4.進液口；5.出液口。圖4 集液池毛細管換熱器布置圖

5) 毛細管換熱器防堵塞及清淤措施。

鑒于毛細管換熱器長期運行可能存在的淤堵和換熱效率下降問題，該工程擬采用如下措施：首先，采用軟化水走管內、地浸液走管外的布置方案；其次，在集液池前部增加沉降池和溢流堰，以便于地浸液中的大顆粒雜質自行沉降；再次，為了避免池底雜質淤堵換熱器箱體和毛細管換熱器漂浮，在池底設300 mm高固定支墩，將毛細管換熱器高出池底布置；最后，加強系統的維護管理，定期采用清潔水質沖洗管道。

3.4 運行效益分析

1) 經濟效益。

假定電價為0.5元/(kW·h)，熱泵系統供熱效率系數為4.0，產生1 GJ熱量熱泵機組、電鍋爐、天然氣鍋爐、煤鍋爐的成本如表1所示。

表1 不同供熱方式能源成本比較

由表1可見，熱泵系統經濟效益明顯，其運行成本較低，排碳量最少，是當今“煤改氣、煤改電”形勢下更優、更高效的供熱方式。該礦采用熱泵系統比電鍋爐節省近75%的費用，比天然氣鍋爐節省64%的費用，同時可大量減少CO2的排放。

2) 社會效益。

以毛細管換熱器為前端系統的水源熱泵技術是潔凈、高效的空調系統，符合國家資源綜合利用扶持政策及發展循環經濟模式的要求，保護了煤炭資源，減少了污染物排放，環境效益顯著。同時設備運行中不存在爆炸、燃燒等安全隱患，有利于安全管理，是解決地浸鈾礦冬季供熱問題的有效手段，在地浸采鈾工程中有很好的應用前景。

4 結論

1) 毛細管管外換熱可視為圓管自然對流換熱，應按照外掠光滑管束模型及修正系數影響綜合考慮Nu。毛細管內流體通常控制為層流，應根據l/v關系修正西得和塔特公式的應用范圍。

2) 毛細管內部水流速很大程度影響毛細管換熱器并聯根數及單根長度，水流速在0.17～0.20 m/s之間時，既可獲得較高的傳熱系數，又可降低管道運行阻力。結合單根毛細管實際加工長度，毛細管換熱器單位管長的總傳熱系數Km計算值為2.6～3.2 W/(m·K)。若毛細管外徑為4.3 mm，且以其外表面為傳熱面，則其傳熱系數約為192～237 W/(m2·K)。

3) 以毛細管為前端換熱器的水源熱泵技術具有經濟效益明顯、排碳量少的優點，是當今“煤改氣、煤改電”形勢下環保、高效的供熱方式，在地浸采鈾工程中有很好的應用前景。