熱管換熱器裝置的研究與應(yīng)用

高春梅，周 陽(yáng)

（中國(guó)樂(lè)凱集團(tuán)有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

光學(xué)薄膜生產(chǎn)的必備工序是流延成型[1]，光學(xué)薄膜成型過(guò)程中在機(jī)體內(nèi)通入設(shè)定溫度的熱風(fēng)對(duì)薄膜烘干，回風(fēng)攜帶揮發(fā)的氣體進(jìn)入冷凝裝置進(jìn)行冷凝，并經(jīng)蒸汽進(jìn)行二次加熱循環(huán)送回至機(jī)體?；仫L(fēng)中含有較高的熱量，經(jīng)冷凝裝置降溫冷凝，又進(jìn)行蒸汽二次加熱造成了熱量的浪費(fèi)，回風(fēng)是一種優(yōu)質(zhì)的余熱資源，具備薄膜成型的余熱回收的高溫、風(fēng)量大的特點(diǎn)。以TAC光學(xué)薄膜生產(chǎn)線為例，回風(fēng)溫度40 ℃，風(fēng)量1 600～1 700 m3/h，是重要的次生熱能資源。

利用熱管進(jìn)行余熱回收的換熱裝置，與一般的換熱裝置比較，有換熱效率高的優(yōu)勢(shì)。占用設(shè)備空間也有較明顯的優(yōu)勢(shì)，僅是一般換熱裝置的1/3。本文重點(diǎn)討論熱管余熱回收裝置在光學(xué)薄膜生產(chǎn)中的應(yīng)用，利用熱管將光學(xué)薄膜機(jī)體回風(fēng)中的余熱回收，并通過(guò)熱管余熱回收裝置經(jīng)冷凝裝置后的回風(fēng)，提升回風(fēng)溫度，降低利用蒸汽進(jìn)行二次加熱回風(fēng)帶來(lái)的熱量浪費(fèi)，減少蒸汽消耗。

2 熱管換熱器概述

2.1 熱管換熱器結(jié)構(gòu)

熱管換熱器裝置主要由設(shè)備外殼、熱管元件及低溫、高溫氣體進(jìn)出裝置連接口組成。設(shè)備外殼主要為鋼結(jié)構(gòu)，下半部為高溫氣體通道，上半部為低溫氣體通道，中間用管板進(jìn)行分隔，見(jiàn)圖1。

圖1 熱管換熱器結(jié)構(gòu)Fig1 Heat pipe heat exchanger structure

2.2 超導(dǎo)熱管的工作原理

超導(dǎo)熱管是熱管換熱器裝置的主要熱傳導(dǎo)元件，超導(dǎo)熱管的換熱效率很高，這是任何一種普通熱交換器無(wú)法達(dá)到的，其工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 超導(dǎo)熱管換熱原理圖Fig2 Superconducting tube heat transfer principle diagram

上半部通過(guò)低溫氣體,下半部通過(guò)高溫氣體,中間有隔板分開(kāi)實(shí)現(xiàn)氣體分割，互不干擾。高溫氣體由下半部通向熱管換熱器，由左邊通道通向熱管換熱器蒸發(fā)段,高溫氣體通過(guò)熱管時(shí)，熱管內(nèi)的介質(zhì)將熱量傳導(dǎo)到熱管的上半部，熱管下部的介質(zhì)吸熱，高溫氣體經(jīng)過(guò)熱管后溫度下降。低溫氣體通過(guò)熱管的上半部，介質(zhì)放熱將低溫氣體加熱，使低溫氣體溫度升高。

根據(jù)設(shè)計(jì)選擇適量的超導(dǎo)熱管，組成熱管換熱器裝置,安裝排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口，將回風(fēng)中的熱量吸收，并通過(guò)傳熱介質(zhì)將熱量高速傳導(dǎo)至熱管換熱器上部，回風(fēng)高溫氣體溫度降低；降低溫度后的回風(fēng)通過(guò)熱管換熱器上部，將傳熱介質(zhì)中的熱量吸收進(jìn)行預(yù)熱，再經(jīng)過(guò)空調(diào)進(jìn)一步升溫到合適的溫濕度送到空間，利用超導(dǎo)熱管換熱原理，可將通過(guò)超導(dǎo)熱管的高溫回風(fēng)氣體進(jìn)行余熱回收，降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗[2]。

3 熱管換熱器在TAC光學(xué)薄膜生產(chǎn)線中的應(yīng)用

3.1 TAC光學(xué)薄膜生產(chǎn)線機(jī)體干燥現(xiàn)狀

5#生產(chǎn)線機(jī)體干燥利用風(fēng)機(jī)送風(fēng)至機(jī)體，通過(guò)調(diào)節(jié)A、B閥，部分循環(huán)至機(jī)體內(nèi)，部分回風(fēng)（溫度40℃）進(jìn)入冷凝器（冷媒-28℃鹽水）進(jìn)行溶劑回收，風(fēng)溫由40℃降至0℃。然后經(jīng)過(guò)加熱器（介質(zhì)為蒸汽）將風(fēng)溫加熱至100℃，由風(fēng)機(jī)送入機(jī)體內(nèi)，從而形成機(jī)體循環(huán)干燥系統(tǒng)。5#生產(chǎn)線機(jī)體循環(huán)干燥示意圖，見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)體循環(huán)干燥示意圖Fig3 Schematic diagram of circulation drying

流延回風(fēng)由40℃降低至0℃的余熱未得到有效利用，并經(jīng)二次加熱將回風(fēng)由0℃加熱至100℃，造成部分能源二次浪費(fèi)。

3.2 TAC光學(xué)薄膜生產(chǎn)線機(jī)體干燥優(yōu)化

選擇合適的熱管換熱器，利用超導(dǎo)熱管換熱器可將回風(fēng)出口溫度由0℃提高至15℃，再經(jīng)加熱將風(fēng)溫提升至100℃，送回流延機(jī)。

在TAC光學(xué)薄膜生產(chǎn)線流延風(fēng)管上加裝一臺(tái)熱管換熱器裝置，流延排風(fēng)先經(jīng)預(yù)冷預(yù)熱裝置的預(yù)冷段進(jìn)行余熱回收后，風(fēng)溫降低，再進(jìn)入冷凝器進(jìn)行溶劑回收，通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)入熱管換熱器裝置的加熱段進(jìn)行一次加熱，后經(jīng)加熱器進(jìn)行二次加熱到流延干燥，形成循環(huán)干燥系統(tǒng)[3]。

為確定熱管換熱器的尺寸、排管數(shù)量等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，確定輸入條件，熱管換熱器換熱效率＞60%,各項(xiàng)換熱器選型工藝技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 換熱器選型工藝技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of heat exchanger selection process

現(xiàn)將風(fēng)機(jī)出口設(shè)定為1點(diǎn)，加熱器出口設(shè)定為2點(diǎn)，由理想氣體狀態(tài)方程PV=NRT[4]，可推出P1V1/T1=P2V2/T2，進(jìn)而推出：V1/V2=T1P2/T2P1。在TAC光學(xué)薄膜生產(chǎn)線機(jī)體的循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)中，P、N可忽略不計(jì)，即：V1/V2=T1/T2

T1=(273+0)=273，T2=(273+100)=373，帶入V1/V2=T1/T2中，即：1400/V2=273/373，得出：V2=1913 m3/h,以此類推得出以上各點(diǎn)風(fēng)量。

增加熱管換熱器后，TAC光學(xué)薄膜生產(chǎn)線機(jī)體循環(huán)干燥示意圖，見(jiàn)圖4。

圖4 安裝熱管后循環(huán)干燥示意圖Fig4 Schematic diagram of circulating drying after installing heat pipe

4 節(jié)能效益

4.1 換熱量計(jì)算

熱側(cè)換熱量計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 換熱量計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of heat transfer calculation

Q=空氣質(zhì)量×空氣比熱容×溫差=1 600×1.205×1.0×20/3 600=10.7 KJ/s

換熱系數(shù)取0.85，

冷側(cè)節(jié)約的熱量為：10.7×0.85=9.1 KJ/s

4.2 節(jié)能成本

能源單價(jià)按以下計(jì)算：

蒸汽單價(jià)：236元/t；-28℃冷鹽水：196元/J

節(jié)約的蒸汽熱量費(fèi)用：

蒸汽量：9.1×3 600×24×270/2 740=77t

蒸汽熱量費(fèi)用：77×236元/t=1.8萬(wàn)元

節(jié)約的鹽水冷量費(fèi)用：

10.7×103×3 600×24×270/109×196×0.5=2.4萬(wàn)元

節(jié)約的總能源費(fèi)用：1.8+2.4=4.2萬(wàn)元/年

通過(guò)增加熱管換熱器，熱管換熱器熱側(cè)出后風(fēng)溫由0 ℃提升至15 ℃,熱側(cè)效率實(shí)現(xiàn)63%，冷側(cè)效率實(shí)現(xiàn)65%，減少蒸汽消耗，降低-28 ℃冷鹽水冷量消耗，每年節(jié)約4萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

將熱管換熱器余熱回收技術(shù)應(yīng)用于5#生產(chǎn)線光學(xué)薄膜生產(chǎn)中，利用超導(dǎo)熱管換熱器高換熱效率的優(yōu)點(diǎn)，將生產(chǎn)線機(jī)體回風(fēng)中的余熱回收，減少蒸汽二次加熱帶來(lái)的能源浪費(fèi)，達(dá)到了節(jié)能減排目的。