用于熱定型機(jī)余熱回收的熱管換熱器設(shè)計(jì)

王海萍，周亞素，鄭建范?，邢晉

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,?寧波象山恒大印染新廠）

0 引言

印染行業(yè)是我國(guó)的重要產(chǎn)業(yè)之一，而熱定型機(jī)是印染行業(yè)常用設(shè)備，用于將已經(jīng)經(jīng)過(guò)染色與洗滌過(guò)程的濕布進(jìn)行烘干，以達(dá)到消除褶皺、去除布匹表面細(xì)小絨毛的目的，其工作原理是將織物在適當(dāng)張力下通過(guò)熱空氣加熱至所需溫度（約為160-240℃），并在此溫度下保溫一段時(shí)間，然后迅速冷卻，之后熱空氣作為廢氣排放掉。

熱定型機(jī)廢氣溫度約為140-220℃，含有大量熱能，如果直接排放，不僅破壞環(huán)境，而且會(huì)浪費(fèi)大量能源，因此在排放前需要進(jìn)行余熱回收。

1 換熱器選擇

熱定型機(jī)余熱回收多用于預(yù)熱新鮮空氣補(bǔ)入定型機(jī)熱風(fēng)房，一方面，廢氣溫度降低有利于后續(xù)凈化，另一方面，新鮮空氣溫度從室溫提高到120℃左右，提高了定型機(jī)的熱能利用率，起到節(jié)能的作用。

用于回收熱定型機(jī)余熱的換熱器可以采用板式、管式、再生式換熱器，但熱管換熱器由于以下優(yōu)點(diǎn)使其更占優(yōu)勢(shì)：

1）由于熱管換熱器換熱系數(shù)與對(duì)數(shù)平均溫差都比較大，所以其傳熱量大；

2）體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊；

3）流動(dòng)阻力小，減小了運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力消耗；

4）結(jié)構(gòu)靈活，某根熱管損壞不影響換熱器整體，檢修方便等。

2 熱管換熱器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

熱管換熱器示意圖如圖1所示，熱流體流過(guò)隔板一側(cè)，將熱量傳遞給帶有翅片的熱管，并通過(guò)熱管將熱量傳至隔板另一側(cè)。在氣體橫向掠過(guò)熱管的情況下，其內(nèi)部熱阻只占總傳熱熱阻的10%左右，對(duì)外部對(duì)流換熱幾乎沒(méi)有影響，理論上可以把熱管群看作一塊熱阻很小的間壁，熱流體通過(guò)間壁一側(cè)不斷冷卻，冷流體通過(guò)間壁另一側(cè)不斷被加熱。因此可以把熱管換熱器等效為逆流間壁式換熱器，兩者計(jì)算方法相同[1]。下面以寧波某印染廠定型機(jī)排放廢氣作為工程實(shí)例，簡(jiǎn)要敘述熱管換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.2 主要參數(shù)

定型機(jī)每小時(shí)廢氣排放量Vh=1.17×105m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀況）；定型機(jī)廢氣排煙溫度（即換熱器煙氣進(jìn)行溫度）th1=162℃；需要預(yù)熱的空氣量Vc=104m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀況）；空氣進(jìn)入熱管換熱器溫度tc1=20℃；為避免煙氣結(jié)露，設(shè)定煙氣出口溫度th1=110℃。

熱管換熱器管子排列形式為等邊三角形排列，如圖2所示，橫向管子中心距ST為0.067m；SL=ST=0.067m。

圖2 熱管排布示意圖

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

1）傳熱量

首先計(jì)算煙氣定性溫度th，可用下列公式：

△tm=80.6℃。

2）確定迎風(fēng)面積Aex以及迎風(fēng)面管排數(shù)B

設(shè)冷熱側(cè)迎風(fēng)面積相等，熱管幾何尺寸以及翅片參數(shù)也相等，并取標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速wN=2.5m/s。取迎面管排數(shù)B為13，迎面橫向管間距0.067m，則計(jì)算迎面寬度可用下列公式：

E=ST×B （3）

計(jì)算實(shí)際迎風(fēng)面積用下列公式：

Aex=E×L/2 （4）

求出實(shí)際迎風(fēng)面積之后根據(jù)以下公式復(fù)核實(shí)際迎面風(fēng)速：

3）總傳熱系數(shù)

對(duì)于無(wú)吸液芯的重力式熱管，熱管傳熱的熱阻主要包括翅片導(dǎo)熱熱阻、熱端流體與熱管外表面的對(duì)流熱阻、熱端管壁的導(dǎo)熱熱阻、熱端管壁內(nèi)表面與管內(nèi)流體的對(duì)流熱阻、熱管內(nèi)部蒸發(fā)和冷凝傳熱熱阻和冷端相應(yīng)的對(duì)流和導(dǎo)熱熱阻以及污垢熱阻等。

由于沿?zé)崃鞣较虺崞旧泶嬖跍囟忍荻龋孕枰欣咝剩é牵┑母拍?，肋效率通常定義為翅片實(shí)際傳熱率除以翅片處在管壁溫度下的傳熱率，可由圖3查出。其中，lf是翅片高，rf翅片外徑，ro是管子外徑，hf是流體對(duì)翅片管的換熱系數(shù)，λf翅片材料的熱導(dǎo)率，δf是翅片厚度。

查表可得污垢熱阻（ry），然后綜合考慮前文所述各項(xiàng)導(dǎo)熱與對(duì)流熱阻，可得下列公式用于計(jì)算熱管總傳熱系數(shù)UH：

式中，hfe——管外有效換熱系數(shù)（W/（m2·℃））；

rw——金屬管壁熱阻（m2·℃/W）；

Ah——每米熱管管外總表面積（m2）；

Aw——熱側(cè)管子內(nèi)表面積（m2）；

Ai——以管子中徑為基準(zhǔn)的圓管面積，有Ai=2πri（L/2）=0.127m2；

將數(shù)值代入式（7），則得出總傳熱系數(shù)：

UH=17.13W/(m2·℃)。

4）熱管換熱器的體積參數(shù)

分別由以下公式計(jì)算加熱側(cè)總傳熱面積、所需熱管數(shù)以及換熱器縱深排數(shù)：

代入有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)得到加熱側(cè)總傳熱面積AhH為165m2，所需熱管數(shù)為n=74根，換熱器縱深排數(shù)m=5.7，取6排，排列方式為正三角形叉排方式，13、12依次排開(kāi)（如圖2所示），管子總數(shù)為

n′=(13+12)×3=75。

5）通過(guò)熱管換熱器的壓力降

通過(guò)以下公式計(jì)算流體通過(guò)換熱器的壓降Δp：

式中，f——摩擦系數(shù)；

Gf,max——冷熱流體最大質(zhì)量流量（kg/(m2·h)）；

μw——壁溫下的流體黏度（kg/(m·s)）；

Dev——冷熱側(cè)容積當(dāng)量直徑（m）；

gc——重力換算系數(shù)，取1.3×107；

代入有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)可得計(jì)算結(jié)果為：熱側(cè)壓降Δph=276.6Pa，冷側(cè)壓降 Δpc=210.6Pa[2]。

經(jīng)計(jì)算得到熱管換熱器各參數(shù)如表1所示。

3 經(jīng)濟(jì)分析

熱管價(jià)格為260元/根，殼體加工費(fèi)用1.1萬(wàn)元，現(xiàn)場(chǎng)施工費(fèi)用0.5萬(wàn)元，因而設(shè)備初投資為：0.026×75+1.1+0.5=3.55萬(wàn)元。

維護(hù)費(fèi)用包括人工維護(hù)清洗費(fèi)用和電費(fèi)，其中，人工維護(hù)清洗費(fèi)用為0.5萬(wàn)/年；根據(jù)以下公式計(jì)算冷熱側(cè)電耗：

其中η為設(shè)備效率，取0.68，計(jì)算結(jié)果為：熱側(cè)耗電Nh=1.32kW，冷側(cè)耗電Nc=0.86kW，設(shè)備總電耗為：N=Nh+Nc=2.18kW，該設(shè)備平均年工作小時(shí)數(shù)為5000h，每kWh電價(jià)為1元，所以每年維護(hù)費(fèi)用為1.59萬(wàn)元。

定型機(jī)原來(lái)用導(dǎo)熱油加熱空氣，導(dǎo)熱油鍋爐燃料為煤，煤的熱值為20937KJ/kg，換熱器熱量折合成煤量為36.9kg/h，年節(jié)約煤量為184.5t/年。煤炭每噸價(jià)格為990元，則每年節(jié)約費(fèi)用為18.3萬(wàn)元，減去維護(hù)費(fèi)用，實(shí)際每年節(jié)省16.71萬(wàn)元。

成本回收時(shí)間為：

即換熱器投資的成本只需要2個(gè)半月就可回收。

4 結(jié)論

由上可知，將熱管換熱器等效為間壁式換熱器這一計(jì)算方法可行，而且可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

熱管換熱器各個(gè)參數(shù)之間相互影響，在計(jì)算初始必須對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行估算后，才能進(jìn)一步進(jìn)行精確計(jì)算，并將精確計(jì)算所得參數(shù)對(duì)前面估算進(jìn)行驗(yàn)證，若兩者相差較大或者出現(xiàn)矛盾，必須用精確計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，直到兩者接近或者不相矛盾[3]。

[1]蔣章焰 and馬同澤,氣-氣熱管換熱器設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題.工程熱物理學(xué)報(bào),1985(03)∶p.255-262.

[2]王磊,熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算.純堿工業(yè),2001(03)∶p.39-43.

[3]Yang,F.,X.Yuan,and G.Lin,Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger for heating automobile using exhaustgas.Applied Thermal Engineering,2003.23(3)∶p.367-372.