湛 藍，孫星星，林真國，周士棋

（1.重慶大學；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；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%。可分析為隨著管間距的減小，冷熱流體的流速增大，導致流體擾動加強，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%。可總結(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.

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

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［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］.中國工程熱物理學會2008年傳熱傳質(zhì)學學術(shù)會議，2008.

TQ174.655.9

A

2095-2066（2016）29-0064-02

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

2016-9-30