重力式氣-氣型熱管換熱器的設(shè)計與應(yīng)用

王嘉浩 強天偉 向 俊 劉家雷 江 鑫

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048；2.北京德天地興科技發(fā)展有限公司 北京 102200）

0 引言

把管內(nèi)抽成負(fù)壓，充入適量的工質(zhì)，再進(jìn)行密封便形成熱管。熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件[1]，它通過自身內(nèi)部的工質(zhì)蒸發(fā)、冷凝的方式進(jìn)行熱量傳遞。熱管原理最早由R S Gaugler 在1944 年提出，1963 年G M Grover再度獨立創(chuàng)造了類似于R S Gaugler 傳熱元件，并正式命名其為熱管“Heat pipe”，1965 年Cotter 首次提出了較完整的熱管理論[2]，為以后的熱管理論研究奠定了基礎(chǔ)。自80 年代初我國的熱管研究及開發(fā)的重點轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源的合理利用[3]，熱管技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域隨著科技水平的進(jìn)步而不斷拓寬，遍及電子元件、動力、化工、能源、航天和冶金等領(lǐng)域。

Wongwise S 等對翅片管換熱器的翅片間距和翅片厚度等參數(shù)進(jìn)行研究，得出翅片間距對換熱影響較小，翅片厚度對阻力因子的影響幾乎可以忽略[4]。辛公明[5]，通過改變加熱功率，對影響重力熱管傳熱特性的內(nèi)螺紋進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)螺紋重力熱管在相同熱功率下，傳熱極限比普通重力熱管大。Ong K S 通過對以水為工質(zhì)的熱管進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)小充液率、小傾角的熱管具有很好的導(dǎo)熱性[6]。徐曉萍等以水為工質(zhì)，采用三相流沸騰傳熱的辦法，加強重力熱管的傳熱作用，表明在汽液兩相流中加入固體顆粒，將會對閉式重力熱管的傳熱起到一定的強化作用[7]。另有學(xué)者通過研究表明通過螺旋化，等效對流換熱系數(shù)會提高10%～20%。槽深和螺距也會對熱管傳熱性能的大小造成影響[8]。在熱管的蒸發(fā)面增加淺槽劃痕、可大幅度改進(jìn)熱管的傳熱性能[9]。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對影響熱管換熱器換熱的熱管結(jié)構(gòu)、入口流速、充液率、工質(zhì)類別、管內(nèi)流體流態(tài)、傾角等主要因素不斷進(jìn)行深入研究，為熱管換熱器的設(shè)計及強化熱管的換熱能力提供理論支持。本文將對熱管換熱器選用常規(guī)設(shè)計方法進(jìn)行選型設(shè)計，根據(jù)實際工程的工況參數(shù)以及生產(chǎn)需求即提高噴霧干燥塔工作效率，帶來節(jié)能效益，設(shè)計出相匹配的重力式氣-氣型熱管換熱器對噴霧干燥塔產(chǎn)生的排氣進(jìn)行余熱回收，以此提供重力式氣-氣型熱管換熱器在節(jié)能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的設(shè)計參考。

1 熱管換熱器的介紹

1.1 工作原理

重力式氣-氣型熱管換熱器是由許多單根熱管組成的熱交換器，通過這類換熱器進(jìn)行熱交換的兩種流體均是氣體。在冷熱流體間加設(shè)隔板，排風(fēng)側(cè)在下，上側(cè)為送風(fēng)側(cè)。高溫排氣所攜帶熱量通過熱管加熱段時，管內(nèi)工質(zhì)受熱蒸發(fā)汽化，蒸汽經(jīng)絕熱段傳遞熱量至冷卻段，冷流體受熱，工質(zhì)放熱凝結(jié)為液體，靠重力及毛細(xì)力的作用，向加熱段回流，這樣周而復(fù)始，完成熱量傳遞。圖1 為熱管換熱器基本構(gòu)造圖，圖2 為熱管原理圖。

圖1 重力式氣-氣型熱管換熱器基本構(gòu)造圖Fig.1 Basic structure diagram of gravity gas-gas heat pipe heat exchanger

圖2 重力熱管原理圖Fig.2 Schematic diagram of gravity heat pipe

1.2 安裝位置

將重力式熱管換熱器就近在噴霧干燥塔排氣出口處安置，選取逆流換熱方式安裝，將干燥塔排氣口經(jīng)引風(fēng)機與換熱器排風(fēng)側(cè)采用風(fēng)管法蘭連接，確保密封不漏氣，高溫排氣通過換熱器后被冷卻，再經(jīng)排氣管道排出；將干燥塔送風(fēng)口經(jīng)引風(fēng)機與換熱器新風(fēng)側(cè)采用風(fēng)管法蘭連接，一次側(cè)新風(fēng)進(jìn)口處采用風(fēng)管法蘭通向室外，保證密封不漏氣，新風(fēng)被高溫排氣加熱后，經(jīng)新風(fēng)出口在引風(fēng)機牽引下送入噴霧干燥塔，以此構(gòu)成一個循環(huán)。在換熱器新風(fēng)側(cè)、排氣側(cè)進(jìn)出口位置預(yù)留測孔（溫度檢測點），以便檢測設(shè)備探頭的安裝。

2 工程項目概況及設(shè)計要求

2.1 工程概況

新疆阿勒泰某乳業(yè)公司選用鍋爐作為熱源，對噴霧干燥塔進(jìn)行供熱。噴霧干燥塔的排氣采用自然排氣法直接排放到空氣中，無動力輔助設(shè)備。因為噴霧干燥塔排風(fēng)中含有的大量熱量并沒有再次利用，而是直接排出室外，這造成生產(chǎn)能源利用率低，能源消耗量巨大。為此，設(shè)計換熱器以回收排氣中的熱量。

2.2 換熱器設(shè)計要求

在確保系統(tǒng)正常運作的前提下，采用氣-氣型重力式熱管換熱器，對噴霧干燥塔產(chǎn)生的排氣進(jìn)行余熱回收，用于一次側(cè)新風(fēng)的加熱。設(shè)備安裝且運行后，保證密不漏風(fēng)，在換熱器新風(fēng)側(cè)，壁免因換熱器所造成的壓損影響干燥塔系統(tǒng)正常進(jìn)氣。在換熱器排氣側(cè)，要求換熱器所造成的壓損不影響干燥塔系統(tǒng)正常排氣，避免出現(xiàn)阻力過大從而影響干燥塔正常開車，在保證系統(tǒng)正常運作情況下，換熱器新風(fēng)側(cè)與排氣側(cè)壓降控制在500Pa 以內(nèi)。氣-氣型熱管換熱器設(shè)計參數(shù)及設(shè)計要求如表1 所示，其中包括排氣側(cè)、新風(fēng)側(cè)設(shè)計要求，及壓降要求。

表1 換熱器設(shè)計參數(shù)Table 1 Heat exchanger design parameters

3 熱管換熱器的設(shè)計計算

3.1 設(shè)計思路及方法

熱管換熱器設(shè)計計算的主要任務(wù)在于求取總傳熱系數(shù)U，然后根據(jù)平均溫差及熱負(fù)荷求得總傳熱面積A，從而定出管子根數(shù)。由此可見，熱管換熱器的設(shè)計和常規(guī)換熱器設(shè)計有相似之處[10]，但應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠骘L(fēng)速（2～3m/s），選擇合適的翅片管參數(shù)，對于重要的工程及缺少經(jīng)驗的前提下，應(yīng)核實原始設(shè)計參數(shù)及驗證計算公式。

熱管換熱器的設(shè)計方法主要有常規(guī)設(shè)計法、離散型設(shè)計法和定壁溫設(shè)計法[11]。本文對重力式氣-氣型熱管換熱器進(jìn)行研究，根據(jù)實際工程參數(shù)，以及實際生產(chǎn)需求采用常規(guī)計算法，即把整個熱管換熱器看成是一塊熱阻很小的“間壁”，熱流體通過“間壁”的一側(cè)不斷冷卻，冷流體通過“間壁”的另一側(cè)不斷被加熱[10]。以蒸發(fā)段外表面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)作為設(shè)計依據(jù)[12]對熱管換熱器進(jìn)行選型設(shè)計計算。

3.2 傳熱量計算和物性參數(shù)選擇

排氣側(cè)質(zhì)量流量：

新風(fēng)側(cè)質(zhì)量流量：

由表1 所列參數(shù)對排氣側(cè)放熱量Qh進(jìn)行計算[13]：

根據(jù)熱量傳遞質(zhì)量守恒計算出熱量從加熱段傳遞至冷卻段的熱量Qc，考慮熱量傳遞過程中存在熱量損失值，由文獻(xiàn)[1]取熱損值為6%，傳遞至冷流體側(cè)的熱量為Qc：

式中，Cp1為排氣側(cè)比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ1為排氣側(cè)氣體密度，kg/m3；Cp2為新風(fēng)側(cè)比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ2為新風(fēng)側(cè)氣體密度，kg/m3。

排氣側(cè)定性溫度T1：

新風(fēng)側(cè)定性溫度T2：

換熱器設(shè)計參數(shù)下流體熱物理性參數(shù)由文獻(xiàn)[1]查得見表2。

表2 冷熱流體熱物理物性參數(shù)Table 2 Thermal physical parameters of cold and hot fluids

3.3 工質(zhì)與管材選擇

熱管工質(zhì)的選擇主要取決于熱管的工作溫度，根據(jù)表1 數(shù)據(jù)參數(shù)，計算熱管的工作溫度Tv，從而確定工質(zhì)管材的匹配。Tv計算方法如文獻(xiàn)[13]所述，因為該設(shè)備為氣-氣型熱管換熱器，兩側(cè)流量和管長接近時，可選取n=1，進(jìn)行設(shè)計計算。

熱管管內(nèi)工作溫度Tv：

該換熱器處于低溫?zé)峁軗Q熱器范疇，根據(jù)客戶意見及換熱器成本，選取R134a 做工作介質(zhì)，選取鋁管作為基管管材，翅片采取直接切削擠壓一次成型。排氣側(cè)與新風(fēng)側(cè)均采用翅片管，所用的熱管規(guī)格尺寸見表3。熱管在換熱器內(nèi)采用正三角形叉排布管（見圖3），橫向管排間距S1=52mm，縱向間距S2=45.03mm。

表3 管外擴展表面參數(shù)Table 3 Parameters of external expansion surface

圖3 熱管平面叉排布置圖Fig.3 Heat pipe plane fork row layout drawing

3.4 熱管翅化比計算[13]

每米熱管長的翅片數(shù)目：nf=1000/2.1=476 片

每米長熱管的翅片表面積Af：

每米長翅片間的光管面積Ai：

每米熱管管外總表面積：Ah=Af+Ai=1.114+0.041=1.155m2

每米管長上的光管面積A0：

翅化比β：

3.5 參數(shù)設(shè)定及結(jié)構(gòu)設(shè)計

加熱段與冷卻段長度比選擇，由文獻(xiàn)[13]計算熱管經(jīng)濟長度比值：

所選用的熱管，由于管內(nèi)許用溫度大于該熱管換熱器工作環(huán)境溫度最高處，即排氣入口溫度因此熱管處于安全工作溫度，無需驗證其安全長度比[13]。所以設(shè)計中擬采用長度比為1。

設(shè)計中選用的排氣側(cè)迎面風(fēng)速為w=2.5m/s，管間距為52mm，進(jìn)行設(shè)計計算，由文獻(xiàn)[14]知該參數(shù)條件下熱管換熱器導(dǎo)熱能力最佳。計劃采用3050mm 的管材制作熱管，根據(jù)長度比及加熱工藝，加熱段長度le=1470mm，冷卻段長度lc=1470mm，絕熱段長度lo=30mm，預(yù)留加工耗損80mm。實際長度比為1。

設(shè)計選取正三角叉排布管，橫排熱管間距為S1=52mm，縱向間距S2=45.03mm，第一排管子根數(shù)為m=2.38/0.052=45 根。

設(shè)計選取第一排管為45 根。則實際寬度為44×52+45=2333mm，則實際定型寬度E1取值為2350mm。

實際排氣側(cè)質(zhì)量流速為G1：

新風(fēng)側(cè)質(zhì)量流速為G2：

式中：A1為實際迎風(fēng)面積，m2。

3.6 管外表面換熱系數(shù)的計算

管束最窄出流通截面積NFAi及最大質(zhì)量流速Gimax如文獻(xiàn)[1]所述方法計算。

排氣側(cè)最窄流通面積NFA1：

式中：S1為垂直于氣流方向相鄰兩管中心間距，m；B為迎風(fēng)面上熱管數(shù)目，支。

排氣側(cè)最大質(zhì)量流速G1max：

新風(fēng)側(cè)最窄流通面積NFA2：

新風(fēng)側(cè)最大質(zhì)量流速G2max：

雷諾數(shù)Rei如下式[1]計算：

排氣側(cè)Re1：

新風(fēng)側(cè)Re2：

新風(fēng)側(cè)：

翅片熱管管外的有效換熱系數(shù)hi：

排氣側(cè)：

新風(fēng)側(cè)：

式中：η為翅片效率，由文獻(xiàn)[1]取η=0.95。

3.7 總傳熱系數(shù)的計算

熱管材質(zhì)選用鋁管。取鋁管導(dǎo)熱系數(shù)λw=204W/(m·℃)，排氣側(cè)與新風(fēng)側(cè)金屬管壁熱阻分別為R1和R2，由下式[1]計算：

式中：δw為管壁厚度，m。

因為乳制品烘干過程要求空氣潔凈，所以在計算熱阻時，可忽略污垢熱阻。

由下式計算總傳熱系數(shù)U：

3.8 傳熱面積及管根數(shù)的計算

對數(shù)平均溫差ΔT由下式[13]計算：

傳熱面積A′：

則管根數(shù)N1及排數(shù)NP確定如下：

考慮10%的設(shè)計余量：N1=496×1.1=546 根，以及熱管排列（叉排）方式，實際熱管選取579 根，采取45/44/45/44/45/44/45/44/45/44/45/44/45 式13排分布。

實際傳熱面積：

單根熱管傳熱量q：

4 設(shè)計校核及換熱器規(guī)格定型

4.1 總傳熱量計算

通過公式Q=UAΔT=20.20×983.06×21.6=428.93kW＞367.38kW，即Q＞Qh，可知所設(shè)計的換熱器能滿足傳熱需求。

4.2 阻力計算

摩擦系數(shù)fi如下式[13]計算：

排氣側(cè)：

新風(fēng)側(cè)：

阻力損失ΔPi如下式[13]計算：

排氣側(cè)：

阻力驗證：ΔP1=37.81（mmH2O）=370.79（Pa）＜500（Pa），則單排壓降為2.91mmH2O 約為28.54Pa。

新風(fēng)側(cè)：

阻力驗證：ΔP2=42.48（mmH2O）=416.58（Pa）＜500（Pa），則單排壓降為3.27mmH2O 約為32.04Pa。

即阻力符合設(shè)計要求。

4.3 管壁溫度計算

最低管壁溫度Two發(fā)生在排氣側(cè)出口和新風(fēng)側(cè)入口處，即對末排熱管的管壁溫度進(jìn)行校核計算[15]，由下式[13]可得：

式中：A1o為單根熱管排氣側(cè)光管外表面積，m2；α1為排氣側(cè)以光管外表面積為基準(zhǔn)的管外換熱系數(shù)，α1=η·β·h1=618.74W/(m2·℃)；由最低管壁溫度計算結(jié)果，考慮到熱管換熱器運行溫度與阿勒泰室外存在溫差，應(yīng)在熱管換熱器四周增設(shè)巖棉保溫。

4.4 換熱器規(guī)格的定型

依據(jù)設(shè)計要求，定型所有參數(shù)，選取中點溫度所對應(yīng)熱物理性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，設(shè)計風(fēng)速為2.5m/s，迎風(fēng)口規(guī)格為2350mm×1470mm（寬×高）。結(jié)合校核計算，最終選定以3050mm 鋁管做基管，總計579 根熱管，采用正三角形叉排布管，13 排管排列。加熱段長度為1470mm，冷卻段長度為1470mm，長度比為1，蒸發(fā)段與冷凝段有效換熱面積均為983.06m2，排氣側(cè)壓降為370.78Pa，新風(fēng)側(cè)壓降為416.58Pa。圖4 為熱管換熱器平面設(shè)計圖，圖5 為熱管換熱器立體設(shè)計圖，圖6 為換熱器實物圖，圖7 為現(xiàn)場安裝圖。

圖4 熱管換熱器平面設(shè)計圖Fig.4 Plane design drawing of heat pipe heat exchanger

圖5 熱管換熱器立體設(shè)計圖Fig.5 Three-dimensional design drawing of heat pipe heat exchanger

圖6 換熱器實物圖Fig.6 Physical map of heat exchanger

圖7 現(xiàn)場安裝圖Fig.7 Site installation drawing

5 節(jié)能及經(jīng)濟性分析

噴霧干燥塔產(chǎn)生的排氣溫度70℃，該排氣原本直接排入大氣中，現(xiàn)利用重力式熱管換熱器對70℃排氣進(jìn)行余熱回收。該重力式熱管換熱器的總投資為200000 元，對該設(shè)備采取全年250 天，每天8h 運行進(jìn)行計算。結(jié)合實測數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行實測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，噴霧干燥塔排氣溫度春季全天平均降低56.4℃，夏季全天平均降低37.8℃，秋季全天平均降低35.7℃，冬季全天平均降低51.5℃，則取其算術(shù)平均值，即排氣全年全天平均回收45℃，由此計算每小時排氣余熱回收可節(jié)約的熱量Q：Q=1.005×31500×1.029×45=1465900.54kJ/h=350203.64kcal/h。以燃煤鍋爐作為噴霧干燥塔熱源，標(biāo)準(zhǔn)煤以7000 大卡/千克的發(fā)熱量進(jìn)行計算，則每小時節(jié)約燃煤量：350203.64/7000=50.03kg，該換熱器運行一年可節(jié)約100.06 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按煤單價750 元/噸，則一年可節(jié)省75043.64 元。熱管系統(tǒng)運行不需外加動力，且不用專人維護，第三年第三季度即可收回設(shè)備前期投資成本。

6 結(jié)語

本文根據(jù)實際工程項目，具體的闡述了熱管換熱器的選型設(shè)計，提供了解決類似工程問題的設(shè)計思路。結(jié)合整個設(shè)計計算過程，發(fā)現(xiàn)熱管換熱器的各個參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)影響，在設(shè)計估算出熱管的基礎(chǔ)上，進(jìn)行校核計算，以檢驗選型設(shè)計的合理性，進(jìn)行熱管的規(guī)格定型。

本文設(shè)計的13 排重力式氣-氣型熱管換熱器對噴霧干燥塔的高溫排氣進(jìn)行余熱回收，提高鍋爐對噴霧干燥塔的熱效率，對該設(shè)備采取全年250天，每天8h 運行天計算可知，全年回收余熱量所帶來的節(jié)能效益可達(dá)75043.64 元，該設(shè)備前期總投資200000 元，第三年第三季度即可收回設(shè)備投資成本，實現(xiàn)節(jié)能效益與經(jīng)濟效益雙贏的局面。

經(jīng)現(xiàn)場安裝測試，發(fā)現(xiàn)排氣出口溫度普遍偏高，這是因為高溫排氣與熱管之間的換熱不充分及熱管排數(shù)過少。所以，在設(shè)計中應(yīng)適量加大迎風(fēng)面風(fēng)速，在原來設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，換熱器外觀采用長窄型設(shè)計，保證原管束數(shù)目不變，改變布管情況，增加熱管排數(shù)；在滿足安全長度比情況下，增加熱管排氣側(cè)換熱長度。以此盡量優(yōu)化熱管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強換熱效果。