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        熱管換熱器在鍋爐尾氣余熱回收應(yīng)用中的影響因素探討

        2016-11-09 01:35:48孫星星林真國周士棋
        低碳世界 2016年29期
        關(guān)鍵詞:壓力降水流量熱阻

        湛 藍,孫星星,林真國,周士棋

        (1.重慶大學(xué);2.新疆天格信息科技有限公司)

        熱管換熱器在鍋爐尾氣余熱回收應(yīng)用中的影響因素探討

        湛 藍1,孫星星1,林真國1,周士棋2

        (1.重慶大學(xué);2.新疆天格信息科技有限公司)

        為了充分利用燃氣鍋爐尾氣余熱,本文基于重力式熱管的相關(guān)理論,通過降低熱管傳熱控制熱阻提高換熱量,提出采用減少熱管管間距、增大水流量的方式強化傳熱。文章中通過數(shù)值模擬的方法,針對不同管間距、水流量下熱管換熱器的傳熱性能、阻力特性進行研究,為燃氣鍋爐尾氣余熱利用熱管換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和換熱強化進行了分析探討。

        熱管換熱器;管間距;水流量

        1 概述

        在節(jié)能減排的背景下,民用燃氣鍋爐的余熱回收是重要的節(jié)能途徑之一。民用燃氣鍋爐中大量的尾氣廢熱未充分回用而直接排放,且尾氣排放點較為分散[1]。該種余熱品味較低,回收時傳熱溫差較小,露點腐蝕問題更為嚴重,且常規(guī)的換熱器換熱較困難,設(shè)備體積大,占地多,對煙氣流動的阻力也大[2~3]。為滿足低溫煙氣工況下小溫差傳遞大熱流量的需求,煙氣余熱回收熱管換熱器逐漸得到開發(fā)利用[4~5]。將熱管換熱器應(yīng)用到鍋爐尾氣余熱回收系統(tǒng)中具有重要的節(jié)能減排意義。

        熱管換熱器中的重力式熱管由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、傳熱性能優(yōu)良[6]的特點得到廣泛應(yīng)用?;谥亓κ綗峁軗Q熱器的廣泛應(yīng)用,針對其換熱效果提升的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計很有必要。根據(jù)David Reay[7]等人的理論,重力式熱管的控制熱阻是蒸發(fā)段外壁和凝結(jié)段外壁的對流換熱熱阻。因此,針對這兩項熱阻進行針對性優(yōu)化,可以顯著降低熱管總熱阻,這對強化熱管換熱器性能、提高低溫煙氣余熱回收效率具有很大的意義。

        本文基于強化鍋爐尾氣-水換熱器的余熱回收,采用數(shù)值模擬的方法,通過減小換熱管間距、增大中介水流量的措施,強化煙氣余熱回收氣-液式熱管換熱器的傳熱性能。以期優(yōu)化煙氣余熱回收氣-液式熱管換熱器的結(jié)構(gòu)特性。

        2 煙氣余熱回收氣-液式熱管換熱器影響因素分析

        本文選定70mm、65mm、60mm、55mm四個管間距值;選定水流量為2000kg/h,對比分析中以額定水流量的1.0、1.5、2.0、3.0、5.0、10.0、30.0、50.0倍值進行換熱器傳熱性能、阻力特性的研究。

        2.1 管間距影響分析

        數(shù)值模擬所得各水流量下,換熱器總換熱量隨管間距變化的趨勢如圖1。

        圖1 不同管間距下?lián)Q熱量示意圖

        從圖1中可以看出,水流量一定時,煙氣的總換熱量隨著管間距的減小而增加。由70mm縮小至65mm、60mm、55mm,換熱量平均增幅分別為4.2%、9.4%、16.4%??煞治鰹殡S著管間距的減小,冷熱流體的流速增大,導(dǎo)致流體擾動加強,對流換熱系數(shù)增大,進而提高了總換熱量。

        數(shù)值模擬所得不同管間距及水流量下,冷熱流體的壓降統(tǒng)計結(jié)果如圖2~3。

        圖2 水壓力降變化趨勢

        圖3 煙氣壓力降變化趨勢圖

        由圖2~3可以看出,隨著管間距的減小,流速逐漸增大,煙氣及水的壓力降均呈增大趨勢。管間距由70mm縮小至65mm、60mm、55mm,煙氣壓力降平均增幅分別為 20.3%、48.8%、89.8%,水壓力降平均增幅分別為 40.2%、92.9%、158.6%。分析可知管間距減小時,兩側(cè)流體流速增大,管外對流換熱系數(shù)增大,總傳熱熱阻降低,傳熱增強。

        2.2 水流量影響分析

        數(shù)值模擬所得各管間距下?lián)Q熱量隨水流量變化的趨勢如圖4。

        水流量逐漸增大過程中,相比較于1.0倍流量,1.5倍、2.0倍、3.0倍、5.0倍、10.0倍、30.0倍、50.0倍水流量下?lián)Q熱量的平均增長率為 7.3%、13.4%、22.2%、25.8%、30.6%、38.0%、41.5%??煽偨Y(jié)為管間距一定時,隨著水流量的增加,換熱量顯著增大,但增大趨勢逐漸變緩。

        3 結(jié)論

        本文從氣-液式熱管換熱器的換熱性能、阻力損失等方面對不同管間距、水流量組合下的數(shù)值模擬計算結(jié)果進行了比較分析。結(jié)果表明:減小管間距可增大冷熱流體壓力降,提高換熱量,強化傳熱;增大水流量可提高換熱量,強化傳熱。相關(guān)設(shè)計中應(yīng)選擇選擇較小的管間距,較高的水流量及水流速度,以提高煙氣余熱回收效率。

        圖4 換熱量變化趨勢圖

        [1]李愛平,佟啟玉,鄭玉杰.余熱回收與熱管換熱器[J].應(yīng)用能源技術(shù),2001(4):26~28.

        [2]熱管在熱能工程中的應(yīng)用.

        [3]Wu G,Song JH,Chen J F,et al.Research on Waste Heat Recovery and Utilization of Hydrogen Production Industry Based on Heat Pipe Heat Exchanger Technology[J].Advanced Materials Research,2014,1033~103 4:1362~1365.

        [4]Noie-Baghban SH,Majideian GR.Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger(HPHE)for surgery rooms in hospitals[J].Applied Thermal Engineering,2000,20(14):1271~1282.

        [5]Yang F,Yuan X,Lin G.Waste heat recovery using heat pipe heat ex changer for heating automobile using exhaust gas[J].Applied Thermal Engineering,2003,23(3):367~372.

        [6]Azad E,Geoola F.A design procedure for gravity-assisted heat pipe heatexchanger[J].Journal of HeatRecovery Systems,1984,4(2):101~111.

        [7]David Reay,Peter Kew.Heat Pipes(Theory,Design and Applications)[M].Fifth Edition,ECsevier B H,2006.

        [8]高麗麗,唐志偉,蔣章焰.低溫廢水余熱回收熱管換熱器的設(shè)計[C].中國工程熱物理學(xué)會2008年傳熱傳質(zhì)學(xué)學(xué)術(shù)會議,2008.

        TQ174.655.9

        A

        2095-2066(2016)29-0064-02

        重慶市科委重點項目(cstc2014yykfB90004);烏魯木齊市科學(xué)技術(shù)計劃項目(H141015001)。

        2016-9-30

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