張 望

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

概 要：本文針對(duì)熱管換熱器的熱管進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得知換熱器的換熱效率會(huì)隨著厚度和內(nèi)徑的增加而降低。當(dāng)熱管的內(nèi)徑和厚度發(fā)生變化時(shí)，材料的厚度和內(nèi)徑將被限制，使其強(qiáng)度大于[σ]=3.5 kgf/mm2，以滿足強(qiáng)度校驗(yàn)，得出在某個(gè)范圍內(nèi)對(duì)熱管參數(shù)進(jìn)行取值，換熱器整體的經(jīng)濟(jì)性效益與換熱器外徑的換熱量的關(guān)系最優(yōu)。

0 前言

現(xiàn)如今在煙氣余熱回收利用的方向，缺乏研究設(shè)計(jì)優(yōu)化。如何去好好利用煙氣余熱提高經(jīng)濟(jì)效益是一個(gè)值得研究的問題。雖然低溫?zé)煔獾臏囟鹊停艧熈看?，因此回收該部分煙氣?duì)于熱量回收是有益的[1]。熱管換熱器中熱管擁有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低廉的成本和高效的換熱效果[2]，值得我們?nèi)ヌ剿饔糜诘蜏貤l件下的熱管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

相較于中高溫?zé)煔庥酂?，低溫?zé)煔庥酂岬钠焚|(zhì)低，并且主要出現(xiàn)在各種民用鍋爐中，分布得極其分散，難以集中回收、排煙溫度較低，更容易造成腐蝕、傳熱端差造成的效率低等諸多方面的缺陷。因此，對(duì)于此類低溫?zé)煔庥酂峄厥盏墓こ淘O(shè)備中就要求換熱器具備傳熱效率高、阻力小、體積小、耐腐蝕、易維修、能適應(yīng)小溫差傳熱的特點(diǎn)。

本文通過計(jì)算熱管內(nèi)徑、厚度和外徑變化后的換熱器的換熱總量和換熱系數(shù)，得出低溫?zé)煔鈼l件下熱管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其中包括強(qiáng)度校驗(yàn)和給定煙氣條件下的最低換熱總量的考慮，給換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 熱管換熱器基本參數(shù)

本文中熱管換熱器數(shù)據(jù)以《低溫?zé)煔庥酂峄厥沼脷?液收式熱管換熱器設(shè)計(jì)》中所設(shè)計(jì)換熱器為基準(zhǔn)[3]，優(yōu)化設(shè)計(jì)中所用的具體參數(shù)如表1所示。

表1 煙氣和熱管參數(shù)

由表1可知排煙溫度至160℃降低到110℃，可以計(jì)算出在此煙氣條件下至少需要的換熱量Q=37.15 KW。

2 熱管內(nèi)徑和許用壓力

此熱管的許用壓力為28.5kg/cm2，在溫度為230℃的情況下，材質(zhì)為鋼—水，由此有[σ]=3.5 kgf/mm2，由公式管徑和壓力關(guān)系[4]：PV=(δ×2[σ])/(d0-δ)， 管 壁中內(nèi)徑加厚度等于外徑。根據(jù)已知管徑和壓力關(guān)系計(jì)算出壓力如表2所示。

表2 內(nèi)徑di變化后的最低厚度取值變換

由表2的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，當(dāng)熱管內(nèi)徑增大時(shí)對(duì)熱管的厚度要求就越大，為保證能達(dá)到許用壓力，在安全合規(guī)的范圍內(nèi)運(yùn)行。因此當(dāng)試圖以提高管內(nèi)徑來增大換熱效率時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意熱管的厚度能否達(dá)到規(guī)范的要求，以保證安全運(yùn)行。

3 熱管的換熱系數(shù)和換熱總量

當(dāng)熱管內(nèi)徑和厚度變化時(shí)，會(huì)使得熱管的外徑發(fā)生相應(yīng)的數(shù)值變化，當(dāng)外徑發(fā)生改變時(shí)，換熱器的換熱系數(shù)也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。

換熱器在水側(cè)的換熱系數(shù)隨熱管內(nèi)徑變化如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)有當(dāng)熱管外徑增大時(shí)，單個(gè)熱管的換熱系數(shù)是趨向于減小的，由之前管徑和厚度的計(jì)算數(shù)據(jù)關(guān)系可知，當(dāng)管徑選擇過大時(shí)，熱管的厚度也要增加，但隨之會(huì)造成換熱器的換熱系數(shù)下降的問題。但是，換熱器熱管管徑也不可選的過小，不然會(huì)影響效率，同時(shí)換熱的面積也會(huì)減小，影響換熱器的運(yùn)行。

表3 外徑變化時(shí)換熱系數(shù)的變化

總的換熱量計(jì)算如下，影響換熱總量的不僅僅是換熱系數(shù)，還有管徑所影響的熱管在煙氣側(cè)的外表面積，具體影響效果如表4所示。

表4 總換熱量隨熱管外徑的變化

從圖中數(shù)據(jù)可知，為滿足設(shè)計(jì)的換熱量，最小熱管外徑不得過小，當(dāng)熱管管徑縮小時(shí)容易節(jié)約經(jīng)濟(jì)并且滿足換熱器的強(qiáng)度校核，但是換熱器在煙氣側(cè)的換熱面積卻難以滿足。當(dāng)d0=0.0245時(shí)有Q=37.46＞37.15，因此，該規(guī)格外徑為滿足換熱器效率要求條件下的最低換熱器熱管外徑。

4 換熱器經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

以最近六月的碳鋼報(bào)價(jià)的平均數(shù)作為作為基準(zhǔn)，為5146.66元每噸碳鋼的密度為ρ=7.85g/cm3從前文計(jì)算的結(jié)果，得知在滿足經(jīng)濟(jì)性的條件下，熱管的厚度越薄越好，但是為滿足強(qiáng)度，厚度不可能太低。同時(shí)，為達(dá)到換熱系數(shù)的條件換熱器的外徑也不能過小。

假定換熱器外殼花費(fèi)在熱變化的情況下變化不大，那么換熱器的主要耗材變化就體現(xiàn)在換熱器的熱管厚度變化上，如表5所示，當(dāng)厚度在大于或等于δ=1.6mm以上時(shí)，能夠很好的滿足20至25的內(nèi)徑需求，同時(shí)又能夠更好滿足換熱總量提升上對(duì)熱管外徑的需求。為簡(jiǎn)化計(jì)算，此處忽略掉δ=1.5 mm以下的情況，僅考慮δ=1.6 ～2.0 mm、di=20～25 mm的情況。

由此通過計(jì)算熱管的體積得出在 根熱管的情況下的熱管材料總花費(fèi)如表5所示（單位：元）。

表5 內(nèi)徑和厚度變化下的理論花費(fèi)

在圖中可明顯的看出，換熱器不論是內(nèi)徑還是外徑的增大都會(huì)使得費(fèi)用相對(duì)的增加，尤其是內(nèi)徑的增加使得費(fèi)用增加更為明顯。

但是，換熱器總換熱量也與換熱器的熱管內(nèi)徑和外徑取值有著巨大的關(guān)聯(lián)。

從以上內(nèi)容可知，最大換熱量條件下的換熱器外徑不一定是最合適的取值，由此可以得出，換熱器的取值在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下盡可能的降低熱管內(nèi)徑為最優(yōu)。在這種情況下熱管具有更好的換熱能力。

在以上內(nèi)容中，討論了換熱器經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)中，厚度和內(nèi)徑變化后的換熱器強(qiáng)度校核計(jì)算和換熱器總的換熱量的計(jì)算，在計(jì)算中有如下特點(diǎn)：

在強(qiáng)度校核中要求厚度足夠厚，在一定情況下熱管內(nèi)徑越小強(qiáng)度就越好。

在換熱總量上要求熱管外徑越大則擁有越大的換熱總量。

在經(jīng)濟(jì)性上要求換熱器的熱管盡量的小且盡量節(jié)省材料。

綜合思考下，優(yōu)先滿足換熱器強(qiáng)度再考慮換熱器的總換熱量和材料的節(jié)省。

5 經(jīng)濟(jì)效益上的優(yōu)化

為了能將具體運(yùn)算做簡(jiǎn)化，且有一個(gè)直觀的運(yùn)算邏輯，一般換熱器的使用年限根據(jù)材料和方向的不同而不一，由于此處換熱器使用低溫?zé)煔?，換熱器極其容易被腐蝕，因此換熱器的使用年限應(yīng)為四年。

此處假設(shè)加熱后的水用于供暖，則熱量的價(jià)格取決于熱水的給水量。此處取熱水價(jià)格為50元每升，同時(shí)根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)，水的比熱容為c3=4.2×103J·kg/℃，在此條件下可算出外徑變化下的可加熱水的水量如表6所示。

表6 隨換熱器外徑變化下的可加熱水的量

在該換熱量下，熱管外徑越大越好，直到換熱器材料成本可以覆蓋掉換熱器的設(shè)計(jì)成本。但是考慮到設(shè)備換熱器本身的換熱系數(shù)，根據(jù)前文的計(jì)算數(shù)據(jù)，在此取值為di=23mm、δ=1.5mm。在這個(gè)情況下，得到的可加熱水量所帶來的經(jīng)濟(jì)效益如表7所示。

表7 換熱器的估計(jì)經(jīng)濟(jì)效益

在實(shí)際的工程運(yùn)用和實(shí)踐中，對(duì)應(yīng)的使用年限下能夠產(chǎn)生的年經(jīng)濟(jì)收益為20萬多元，基本和實(shí)際情況符合[5]。在一定程度下可以選取更厚的外徑，由此來得到更多的換熱量。但是在這種情況下又不得不去面對(duì)一個(gè)情況，即為了更高的換熱量增加外徑，也就意味著需要更高的質(zhì)量流量，因此厚度必須在滿足換熱器強(qiáng)度的核算下，在增加厚度的同時(shí)使得換熱系數(shù)降低。

6 結(jié)論

在熱管換熱器的熱管設(shè)計(jì)中，熱管內(nèi)徑、厚度和外徑影響著換熱效率和換熱總量，而強(qiáng)度校驗(yàn)和換熱總量的計(jì)算限制著熱管的取值范圍。若要保證強(qiáng)度能通過校驗(yàn)就要使厚度增大；若要保證換熱效率就要使厚度和外徑減?。蝗粢ＷC換熱總量就要使熱管外徑增大從而獲得更多的熱量。在進(jìn)行換熱總量的估算中，所要求的是換熱總量增高，當(dāng)熱管換熱總量增加時(shí)，可在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更高的供熱，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，因此此處要求的熱管外徑要盡可能的增加，同時(shí)熱管內(nèi)徑和厚度變化對(duì)造價(jià)影響不大。

從上述方面可知兩個(gè)不同的熱管設(shè)計(jì)方向，第一種優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)性估算而不用過于考慮造價(jià)方面，即適當(dāng)?shù)脑黾訜峁芡鈴揭垣@得更多的熱量。在滿足強(qiáng)度校驗(yàn)的情況下，選取合適的厚度來獲得較優(yōu)的換熱效率。第二種優(yōu)先考慮換熱效率，此時(shí)厚度和內(nèi)徑的取值要求就要偏小，但是必須滿足煙氣計(jì)算中的最低換熱效率。