焦春玲 白延斌 霍海紅 白亞娟

某工程熱管換熱技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用分析

焦春玲1白延斌2霍海紅3白亞娟4

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司 西安 710065；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 西安 710054；3.陜西大唐新能電力設(shè)計股份有限公司 西安 710048；4.陜西省煤炭科學(xué)研究所 西安 710054）

針對某礦井進(jìn)風(fēng)井口防凍用熱問題，分析了具體用熱需求與余熱資源狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)有條件，針對性設(shè)計了熱管換熱方案，理論分析了熱管換熱技術(shù)的可行性，并對其換熱效率高低影響換熱效果進(jìn)行了分析，指出了極端氣象條件下所需的保證措施與實施方案。進(jìn)一步結(jié)合實際初步運行效果，驗證了熱管換熱技術(shù)的可行性，并分析了其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題。

熱管；余熱；供熱；換熱器

0 引言

熱管被稱為“超導(dǎo)熱體”，是上世紀(jì)40年代出現(xiàn)的新技術(shù)，熱管的出現(xiàn)在航天航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。標(biāo)準(zhǔn)熱管的原理是在1942年由美國人P S Gaugler首次提出，1962年被相關(guān)學(xué)者運用到空間系統(tǒng)中。此后，熱管的研究技術(shù)與開發(fā)受到了各國學(xué)者的極大重視。近年來，重力熱管的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，重力熱管是一種結(jié)果簡單、成本、低傳熱性能好的優(yōu)點，缺點是熱量只能有它的下端向上端傳遞，但是在余熱利用中可以很好的克服其缺點。工業(yè)性的熱管應(yīng)用，尤其是在余熱熱回收領(lǐng)域中大量開發(fā)和利用，重力熱管受到了大家的重視。當(dāng)前，大規(guī)模的熱管研究已經(jīng)從空間應(yīng)用轉(zhuǎn)向工業(yè)及民用，從熱管的理論性探索階段轉(zhuǎn)入推廣應(yīng)用及新型熱管的開發(fā)階段[2-5]。本文將從某礦井企業(yè)實際供熱需求分析熱管技術(shù)的成功應(yīng)用。

1 項目概況

該項目屬于某集團(tuán)公司下屬礦井，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為20.0Mt/a，地處偏遠(yuǎn)，該礦風(fēng)井場地遠(yuǎn)離主工業(yè)廣場。該風(fēng)井區(qū)設(shè)有回風(fēng)井一座，回風(fēng)風(fēng)量20000m3/min；進(jìn)風(fēng)井一座，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量15000m3/min。原有井口防凍采用3臺6t/h燃煤熱風(fēng)爐提供熱源。根據(jù)陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)DB61/1226-2018《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求陜北地區(qū)燃煤鍋爐大氣污染物排放濃度限值：顆粒物10mg/m3、二氧化硫35mg/m3、氮氧化物50mg/m3、汞及其化合物0.03mg/m3[6]。現(xiàn)有場地鍋爐房污染物排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重超標(biāo)，必須限期整改。根據(jù)《榆林市人民政府關(guān)于印發(fā)鐵腕治霾打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動方案（2018—2020年）（修訂版）的通知》榆政發(fā)〔2018〕33號文件要求：全市不再新建每小時35蒸噸以下的燃煤鍋爐，每小時65蒸噸及以上燃煤鍋爐全部完成節(jié)能和超低排放改造[7]。因此該場地必須尋找新的替代熱源，滿足礦井正常生產(chǎn)。

2 方案設(shè)計

2.1 方案設(shè)想

依據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》該地室外空氣計算參數(shù)：冬季供暖室外計算溫度：-15.1℃，冬季通風(fēng)室外計算溫度：-9.4℃，極端最低溫度值：-30.0℃，歷年極端最低溫度平均值：-24.2℃。本系統(tǒng)中，采礦專業(yè)工藝設(shè)計礦井設(shè)計排風(fēng)量15000m3/min，礦井設(shè)計排風(fēng)量20000m3/min，排風(fēng)溫度常年恒溫16℃，進(jìn)風(fēng)井與排風(fēng)在同一場地。

根據(jù)《煤炭安全技術(shù)規(guī)程》采用歷年極端最低溫度平均值-24.2℃計算礦井進(jìn)風(fēng)需熱量，礦井進(jìn)風(fēng)井井口溫度按照2℃考慮，計算得知進(jìn)風(fēng)需熱量為9301kW。

依據(jù)供暖室外計算溫度為基準(zhǔn)，計算得知進(jìn)風(fēng)需熱量為6070kW。

礦井排風(fēng)溫度常年恒定值為16℃，設(shè)想換熱端差為2℃，由于排風(fēng)量大于進(jìn)風(fēng)量，所以利用該排風(fēng)的余熱量約8000kW。

由于余熱量初步估算大于供暖室外計算溫度需熱量，小于極端最低溫度平均值需熱量，因此考慮采用熱管換熱方式，結(jié)合場地布置回收余熱資源進(jìn)行供熱，小于極端溫度平均值的需熱量通過電加熱配置，來保證系統(tǒng)極端工況運行。熱管換熱布置示意圖如圖1所示。

圖1 熱管換熱布置示意圖

2.2 可行性分析

熱管式換熱器設(shè)計計算方法所依據(jù)的計算模型主要有兩種：等效連續(xù)間壁式計算模型和離散間壁式計算模型[8-10]。

所謂等效連續(xù)間壁式計算模型，就是把熱管式換熱器設(shè)想成在連續(xù)的折算傳熱面上串聯(lián)熱管傳熱熱阻的間壁式換熱器，因而可以借助常規(guī)的間壁式換熱器的工程計算方法來計算。這個計算模型成立的依據(jù)是:熱管的內(nèi)部熱阻極小，以至對其外部對流換熱特性幾乎沒有什么影響，實際計算表明，在氣體橫向沖刷帶肋熱管的情況下，熱管內(nèi)部熱阻只約占總傳熱熱阻的10%左右。

把熱管外部介質(zhì)的流動看作一維流動，不計換熱面的離散分布和傳熱系數(shù)沿?fù)Q熱面的變化，根據(jù)整個傳熱面的能量平衡，由等效連續(xù)間壁式計算模型得到的熱管式換熱器的傳熱基本方程為：

式中：為總換熱量，kW；為系統(tǒng)傳熱系數(shù)。W/m2·℃；為熱管根數(shù)；為換熱管面積；Δt為對數(shù)平均溫差。

對于排風(fēng)熱回收計算將進(jìn)出口平均溫度作為定性溫度，放熱側(cè)的冷流體（室外空氣）吸熱量2與吸熱側(cè)熱流體（礦井排風(fēng)）放熱量1之間關(guān)系如下：

為了實際運行得到2的熱量，可以得知2與1之間存在以下關(guān)系，為了分析熱管系統(tǒng)的可行性，2與1之間的關(guān)系分析如公式（3），現(xiàn)在主要的問題是分析其效率高低對換熱效果的影響，及其需要采取的電加熱量保證措施。圖2所示了不同換熱效率下，實際得熱量計算值，圖3所示為不同室外計算溫度下需熱量。通過圖2、圖3對比分析得知，需熱量基本負(fù)荷為6071kW，極限負(fù)荷為9301kW，綜合分析考慮選取設(shè)計換熱效率為0.85的熱管式換熱器滿足基本負(fù)荷要求，保證基本負(fù)荷運行工況。對于供熱負(fù)荷與極限負(fù)荷之間的差值負(fù)荷通過配置電加熱器來保證該部分負(fù)荷需求，電加熱負(fù)荷為2501kW，對比圖如圖4、圖5所示。

對于實際運行的項目來說，室外氣象參數(shù)一致變動工況，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，該地區(qū)極限溫度出現(xiàn)的頻次較少，大部分供暖時間是處于基本負(fù)荷范圍內(nèi)，因此電加熱實際運行小時數(shù)占比較少，通過配置良好的自控系統(tǒng)來保證根據(jù)室外溫度變化啟停加熱器的實際運行時間，項目可以節(jié)能運行。

圖2 不同換熱效率下的Q2

圖3 計算溫度下需熱量

圖4 熱負(fù)荷對比圖

圖5 電加熱量對比圖

3 選型設(shè)計

考慮達(dá)到現(xiàn)場條件，根據(jù)現(xiàn)場場地占用情況，為方便布置及后期運行管理方便，集中布置換熱機(jī)房，機(jī)房屋頂布置熱管換熱器平臺，搭建新的通風(fēng)道，根據(jù)換熱器性能要求設(shè)計選型換熱器及布置通風(fēng)機(jī)，同時風(fēng)道布置2501kW電加熱器。將礦井排風(fēng)通過熱管換熱器的蒸發(fā)段后排至大氣，新建新風(fēng)管道通過熱管換熱器的冷凝段吸收熱量后通過送風(fēng)機(jī)送至進(jìn)風(fēng)井。系統(tǒng)布置示意圖如圖6所示。換熱器計算選型詳細(xì)參數(shù)步驟不在贅述，通過計算布置了換熱器選型布置過程如下：

熱平衡計算，確定換熱量、冷熱流體流量、進(jìn)出口溫度；

↓

選擇和確定熱管及熱管式換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、排列方式和基本參數(shù)(包括擴(kuò)展換熱面布置、流速選擇等)；

↓

熱管冷熱側(cè)換熱系數(shù)的計算；

↓

計算熱管的各分熱阻和總熱阻,計算傳熱系數(shù)；

↓

驗證熱管的尺寸和布置,確定熱管的根數(shù)和排數(shù)；

↓

熱管的最高管內(nèi)工作溫度和最低管壁溫度的計算和校驗；

↓

換熱器的冷熱側(cè)流動阻力的計算和校驗；

↓

安全性校核、經(jīng)濟(jì)性分析。

圖6 換熱機(jī)房系統(tǒng)流程示意圖

4 結(jié)論

項目運行期一年內(nèi)實際運行達(dá)到了良好的效果，滿足了現(xiàn)場需求，通過實際熱管換熱方式結(jié)合電加熱的組合布置，起到了很好的節(jié)能作用。由于電輔電熱模塊僅僅是為了在極端氣候條件下，避免蒸發(fā)器的結(jié)霜和防凍，確保系統(tǒng)運行的可靠性而設(shè)計，因此，通常情況下電輔加熱模塊無需開啟。即使在極端氣候條件下，為了在保證系統(tǒng)運行可靠性的前提下，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。每一個電輔加熱模塊又劃分為多個獨立的加熱單元，每一個加熱單元通過計算機(jī)控制，根據(jù)風(fēng)溫監(jiān)控返回的信號，實現(xiàn)自動開啟和停止。熱管換熱有很好的導(dǎo)熱性，理想的等溫性，傳熱方向的不可逆及兩側(cè)熱阻的可調(diào)性，加熱段和放熱段的長度可以靈活的選擇布置。因此在礦井等類似場所對余熱資源的回收啟到很好的作用，值得的合適的地方加以推廣應(yīng)用。

[1] 屠傳經(jīng),王鵬舉,洪榮華.重力熱管換熱器及其在余熱利用中的應(yīng)用[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1989.

[2] 姚強(qiáng).熱管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計與應(yīng)用[D].上海:華東理工大學(xué),2012.

[3] 白延斌,焦春玲,霍海紅.新形勢下煤礦暖通設(shè)計的探討[J].制冷與空調(diào),2017,31(3):281-285.

[4] 杜春濤,朱元忠,孟國營,等.礦井回風(fēng)噴淋換熱器換熱效率數(shù)學(xué)模型研究[J].煤炭工程,2015,47(10):104- 107.

[5] 程冉冉.重力熱管換熱器傳熱分析與數(shù)值模擬[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué),2016.

[6] DB61/1226-2018,鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].陜西:陜西省市場監(jiān)督管理局,2018.

[7] http://www.yl.gov.cn/P/C/45036.htm

[8] 陳彥澤.兩相閉式熱虹吸傳熱過程及其非線性特征研究[D].大連:大連理工大學(xué),2005.

[9] 劉存玉.多功能變工況熱泵系統(tǒng)分析及其在梧桐莊礦的應(yīng)用研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2013.

[10] 孫洋.熱管換熱器回收羊東礦礦井回風(fēng)熱能預(yù)熱新風(fēng)的研究[D].保定:河北大學(xué),2015.

Design and Test Analysis of a Heating System for Ventilation Air Methane

Jiao Chunling1Bai Yanbin2Huo Haihong3Bai Yajuan4

( 1.Scegc Installation Group Co., Ltd, Xi'an, 710048; 2.China Coal Energy Research Institute Co., Ltd, Xi'an, 710054;3.Shaanxi Datang New Energy Power Design Co., Ltd, Xi'an, 710048; 4.Shaanxi Coal Research Institute, Xi'an, 710054 )

In view of the problem of anti-freezing heat used in the inlet well head of a mine, the specific heat demand and the state of waste heat resources are analyzed. According to the existing conditions, a heat pipe heat exchange scheme was designed, the feasibility of heat pipe heat exchange technology was theoretically analyzed, and the influence of heat exchange efficiency on heat exchange effect was analyzed, and the necessary guarantee measures and implementation scheme under extreme weather conditions were pointed out. Furthermore, the feasibility of heat pipe heat exchange technology is verified by combining with the actual preliminary operation effect, and the key technical problems of its application are analyzed.

heatpipe; wasteheat; supplyheat; heatexchanger

TU831.4

A

1671-6612（2021）02-263-04

焦春玲（1979-），女，高級工程師，E-mail：76995356@qq.com

白延斌（1985-），男，工程師，E-mail：BDL168168@163.com

2020-07-19