劉家雷 強(qiáng)天偉 張 卓 向 俊

重力式氣-液型熱管換熱器的設(shè)計及應(yīng)用

劉家雷 強(qiáng)天偉 張 卓 向 俊

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

重力熱管是一種依靠工質(zhì)介質(zhì)相變傳熱，具有傳熱溫差小、熱響應(yīng)速度快、換熱量大等優(yōu)點(diǎn)的傳熱元件。為研究由重力熱管組裝而成的熱管換熱器在余熱回收方面的優(yōu)勢，以西安某工程為例，根據(jù)設(shè)計要求，依據(jù)常規(guī)設(shè)計方法、整體設(shè)計思路，完整詳細(xì)地介紹了重力式氣-液型熱管換熱器的選型設(shè)計。最終經(jīng)計算，選取54根長度為1500mm的重力熱管，按照4排叉排布管組裝成熱管換熱器，對4噸的燃?xì)忮仩t高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱回收。通過經(jīng)濟(jì)性計算分析，該設(shè)備投入使用一個采暖季可節(jié)省3977.89NCMH天然氣資源的消耗，可節(jié)省約7088.6元，設(shè)備前期的投資成本可在第二個采暖季末期收回。在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能降耗的背景下，該設(shè)備具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益。

重力熱管；熱管換熱器；設(shè)計計算；余熱回收；節(jié)能

0 引言

將適量的工質(zhì)介質(zhì)充入管內(nèi)并抽成負(fù)壓后，密封形成的高效傳熱元件稱之為熱管[1]。熱管因管內(nèi)液體沸騰相變、蒸氣凝結(jié)回流而能快速傳熱，熱管的傳熱速率及導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)超目前已知的任何金屬[2]。熱管原理最早被R S Gaugler于1944年提出。G M Grover在1963年再次獨(dú)立發(fā)表聲明了類似R S Gaugler的傳熱元件，并進(jìn)行了性能測試實(shí)驗，正式命名該傳熱元件為熱管“Heat pipe”。Cotter在1965年首次提出了較為完整的熱管理論。我國于上世紀(jì)80年代初，熱管研究方向才轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源綜合利用方面，隨著生產(chǎn)工藝的提升，重力熱管被應(yīng)用于太陽能、糧食儲藏、能源回收利用等領(lǐng)域，近年來又提出了熱管制冰技術(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者在熱管理論方面不斷地深入研究。Han S E[3]等對內(nèi)部有開槽的重力熱管的傳熱性能進(jìn)行了研究，得出內(nèi)部有凹槽重力熱管的傳熱系數(shù)約是無凹槽管的2.5倍。林春花[4]等研究通過對熱管內(nèi)部表面拉螺紋槽，熱管內(nèi)部工質(zhì)的流動特性得以改變，通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化傳熱效果。Cho D H[5]等發(fā)現(xiàn)傾角對冷凝段的軸向加翅片重力熱管有比較顯著的影響。李科群[6]等提出冷熱流體可采用溫度連續(xù)式分布模型，導(dǎo)出了熱管換熱器換熱量的表達(dá)式。王丹[7]等借助Fluent軟件對熱管換熱器蒸發(fā)段進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同流速和管距對換熱器的換熱效率、單位壓降換熱系數(shù)及管內(nèi)蒸汽溫度的影響。孫星星[8]建立了熱管換熱器的CFD簡化模型，探究不同管間距和水流量下熱管換熱器傳熱及阻力變化規(guī)律。張勁草[9]等以銅-水重力熱管為研究對象，研究其蒸發(fā)段和冷凝段的長度及位置對重力熱管傳熱性能的影響。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者不斷地對影響熱管換熱效率的充液率、傾斜角度、長度比、排間距等因素進(jìn)行深入研究，為熱管換熱器的設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)。目前，對于重力式氣-液型熱管換熱器的選型設(shè)計計算的研究較少，因此本文將根據(jù)實(shí)際工程的工況參數(shù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，采用常規(guī)的設(shè)計方法進(jìn)行選型計算，設(shè)計選型出合適的重力式氣-液型熱管換熱器對4噸燃?xì)忮仩t進(jìn)行余熱回收，提高鍋爐工作效率并帶來節(jié)能效益，為重力式氣-液型熱管換熱器在節(jié)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供設(shè)計參考。

1 熱管換熱器介紹

1.1 工作原理

重力式氣-液型熱管換熱器由單支熱管組合而成，每根熱管獨(dú)立運(yùn)行，冷熱流體被隔板分離[10]。隔板下側(cè)為高溫?zé)煔鈧?cè)，上側(cè)為水側(cè)。高溫?zé)煔馑鶖y帶熱量流經(jīng)熱管蒸發(fā)段時，管內(nèi)工質(zhì)受熱發(fā)生相變汽化，經(jīng)絕熱段將熱量傳遞至冷凝段，冷流體被加熱，工質(zhì)冷卻回流，在重力及毛細(xì)作用力下回流至蒸發(fā)段，依次完成熱量的傳遞[11]，圖1為氣-液型熱管換熱器的基本構(gòu)造，圖2為熱管原理圖。

圖1 換熱器設(shè)計圖

圖2 熱管原理圖

1.2 安裝位置

熱管換熱器設(shè)備就近安裝于鍋爐排煙尾部，采取逆流換熱方式，將鍋爐排煙口與換熱器煙氣側(cè)采用風(fēng)管法蘭連接，保證密封不漏氣。高溫?zé)煔饨?jīng)換熱器后被冷卻，由排煙管道排出；在換熱器水側(cè)采用焊接方式，供熱系統(tǒng)一次側(cè)部分回水經(jīng)換熱器入口流入換熱設(shè)備，被高溫?zé)煔饧訜岷?，由出口與供熱系統(tǒng)一次側(cè)供水管道連接，在一次側(cè)水泵的作用下，參與系統(tǒng)換熱，構(gòu)成一個循環(huán)。分別在煙氣側(cè)進(jìn)出位置預(yù)留壓力與溫度監(jiān)測點(diǎn)，在換熱器水側(cè)進(jìn)出口及一次側(cè)供回水管道預(yù)留溫度檢測點(diǎn)，便于檢測設(shè)備探頭的安裝。圖3為設(shè)備安裝及檢測點(diǎn)示意圖。

圖3 設(shè)備安裝及檢測點(diǎn)示意圖

2 工程概況及設(shè)計要求

2.1 工程概況

西安市某小區(qū)采用型號為CWNS2.8-95/65-Q的兩臺2.8MW常壓臥式燃?xì)鉄崴仩t作為熱源，采用并聯(lián)模式安裝，向供熱系統(tǒng)提供熱量。鍋爐煙氣采用自然排煙法排放，無動力輔助設(shè)備。表1為鍋爐基本參數(shù)表，供換熱器選型設(shè)計參考。

表1 燃?xì)忮仩t基本參數(shù)表

2.2 設(shè)計要求

保證系統(tǒng)正常運(yùn)作下，采用重力式氣-液型熱管換熱器回收煙氣余熱，用于加熱一次側(cè)回水，使水側(cè)溫度升高不低于15℃。在換熱器水側(cè)，要求設(shè)備安裝運(yùn)行后，保證不影響供熱系統(tǒng)一次側(cè)水力平衡，不發(fā)生漏水現(xiàn)象。在換熱器煙氣側(cè)，要求換熱器所造成的壓損不影響鍋爐系統(tǒng)正常排煙，避免出現(xiàn)阻力過大從而影響鍋爐正常開車，避免出現(xiàn)酸腐蝕情況，保證系統(tǒng)正常運(yùn)作，換熱器煙氣側(cè)壓降控制在80Pa以內(nèi)。表2為換熱器設(shè)計要求。

表2 換熱器設(shè)計要求

3 熱管換熱器的設(shè)計及計算

3.1 設(shè)計思路及方法

熱管換熱器的設(shè)計，其主要任務(wù)在于確定熱管的總傳熱系數(shù)[12]，根據(jù)總熱負(fù)荷及傳熱溫差求得總傳熱面積，從而確定熱管的根數(shù)。熱管換熱器的設(shè)計方法與常規(guī)換熱器的設(shè)計方法類似，需考慮換熱器的迎面風(fēng)速（2～3m/s），選定合適的翅片管參數(shù)，控制換熱器的壓降和溫降，對于工程實(shí)踐在缺少經(jīng)驗的前提下，對于重要設(shè)計參數(shù)公式應(yīng)進(jìn)行驗證。

熱管換熱器的設(shè)計方法主要有常規(guī)設(shè)計法、離散型設(shè)計法和定壁溫設(shè)計法[13]。本文研究的是換熱器為重力式氣-液型熱管換熱器，根據(jù)實(shí)際工程參數(shù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求采用常規(guī)計算方法，整體設(shè)計思路，將熱管換熱器看作為一塊熱阻很小的“間壁”，認(rèn)為熱量經(jīng)熱管從蒸發(fā)段不斷地傳遞至冷凝段，熱流體沿流動方向不斷地被連續(xù)冷卻。以蒸發(fā)段外表面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)作為設(shè)計依據(jù)[14]對換熱器進(jìn)行選型設(shè)計計算。

3.2 工質(zhì)與管材選型

由表2所列參數(shù)計算煙氣側(cè)放熱量Q，根據(jù)熱量傳遞質(zhì)量守恒可計算出熱量從加熱段傳遞至冷凝段的熱量Q，考慮熱量傳遞過程中存在熱量損失值，取熱損值為3%[12]。

煙氣放熱量Q：

傳遞至冷流體側(cè)的熱量Q：

則可加熱熱水量2：

根據(jù)表2中的參數(shù)，計算熱管的工作溫度，進(jìn)而確定工質(zhì)和管材。該換熱器為氣-液型熱管換熱器，取=3[15]，計算如下：

煙氣入口側(cè)的熱管工作溫度T：

煙氣出口處的熱管工作溫度T：

根據(jù)客戶意見并考慮換熱器加工制造成本，故選取氨作為熱管管內(nèi)工質(zhì)，選取鋁管作為基管管材，翅片采取直接切削擠壓一次成型。煙氣側(cè)采用翅片管，水側(cè)采用光管，所用熱管的規(guī)格尺寸如下表3所示。熱管在換熱器內(nèi)采用正三角形叉排布管（見圖4），橫向管排間距1=52mm，縱向間距2=45.03mm。

表3 熱管幾何特性

圖4 熱管平面叉排布置圖

3.3 每米管長上的計算

每米管長的翅片數(shù)目n：

n=1000/6=166片

每米管長上的翅片面積A：

式中，d為翅片管外徑，mm；0為光管外徑，mm；為翅片厚度，mm。

每米管長上的翅片間光管面積A：

式中，為翅片間距，mm。

每米管長上的光管面積0：

翅化比：

3.4 確定結(jié)構(gòu)尺寸長度比值

加熱冷凝段長度比選擇，根據(jù)實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗值，計算熱管經(jīng)濟(jì)長度比值，取加熱段傳熱系數(shù)1=260W/(m2·℃)，冷凝段傳熱系數(shù)2=2200W/(m2·℃)

經(jīng)

由安全長度比[]公式驗證經(jīng)濟(jì)性長度比的可行性，要求經(jīng)[]，以保證熱管的安全運(yùn)行[15]。

取1=120℃，[T]=120℃，2=65℃，帶入計算的[]=8.2，則經(jīng)濟(jì)性長度比符合設(shè)計要求，本設(shè)計中擬采用長度比為3。

3.5 參數(shù)設(shè)定及結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計中選取的煙氣側(cè)迎面風(fēng)速=2.5m/s，管間距為52mm時的熱管換熱器導(dǎo)熱能力最佳[7]。計劃采用1500mm的管材制作熱管，根據(jù)長度比及加熱工藝取蒸發(fā)段L=1080mm，冷凝段L=360mm，絕熱段0=30mm，預(yù)留加工耗損30mm。實(shí)際長度比為3，水側(cè)采取單管程設(shè)計流道。

煙氣側(cè)迎風(fēng)面積1：

選取熱管設(shè)計迎風(fēng)面寬度為0.71m，第一排管根數(shù)=0.71/0.052=13.65m根。設(shè)計選取第一排管為14根。則實(shí)際寬度為14×52+44=772mm，則定型寬度取值為780mm。

實(shí)際迎風(fēng)面質(zhì)量流速1：

水側(cè)質(zhì)量流速2：

3.6 換熱面積與根數(shù)的確定

考慮到生產(chǎn)工藝與阻垢的影響，由文獻(xiàn)[15]選取傳熱系數(shù)0=150W/(m2·℃)進(jìn)行設(shè)計計算。當(dāng)Δ1Δ2≤2時，可以用平均溫差替代對數(shù)溫差，誤差控制范圍在4%。

平均溫差Δ：

傳熱面積：

管根數(shù)N：

式中，1為蒸發(fā)段熱管長度，mm。

根據(jù)熱管叉排布局及阻力問題，選取10%的富余量，則熱管選取54根，采取14/13/14/13的4排管分布。

實(shí)際傳熱面積A：

單支熱管的傳熱量：

4 設(shè)計校核及換熱器規(guī)格定型

根據(jù)表2中的參數(shù)計算出煙氣側(cè)平均溫度1=95℃，水側(cè)平均溫度2=52.5℃，查得冷熱流體熱物性參數(shù)（見表4）。

表4 冷熱流體熱物理物性參數(shù)

4.1 管外表面換熱系數(shù)的計算

煙氣側(cè)最窄流通面積1：

式中，1為垂直于氣流方向橫向管間距，mm；為翅片高度，mm；為迎風(fēng)面的熱管數(shù)，支。

水側(cè)最窄流通面積2：

煙氣側(cè)雷諾數(shù)Re1：

水側(cè)雷諾數(shù)Re2：

對于叉排環(huán)形翅片管換熱系數(shù)以翅片管外表面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)α計算[15]，對于高翅片管束：，。

4.2 管壁熱阻計算

考慮到煙氣中雜質(zhì)流經(jīng)熱管時所產(chǎn)生的黏附現(xiàn)象，在計算熱阻時，增設(shè)污垢熱阻污[14]。取污=0.0003W/(m2·℃)，由下式計算0：

由公式Q=KADT=154.56×16.12×42.5= 105.889kW >95.12kW。由于>Q，則設(shè)計換熱器能滿足傳熱需求。

4.3 煙氣側(cè)阻力計算

計算摩擦系數(shù)：

則單排管壓降為6.492/4=1.623mmH2O，約為15.9Pa。

進(jìn)行壓力驗證：

即阻力符合設(shè)計要求。

4.4 管壁溫度計算

為保證熱管在運(yùn)行過程中不發(fā)生露點(diǎn)腐蝕，對末排熱管的管壁溫度進(jìn)行校核計算[16]，由下式計算

計算發(fā)現(xiàn)換熱器的末排（第4排）熱管管壁可能出現(xiàn)腐蝕，故需在熱管表面噴涂高溫防腐蝕漆來進(jìn)行防腐處理。

4.5 熱管換熱器的定型

所有參數(shù)均在設(shè)計要求下定型，選取中點(diǎn)溫度所對應(yīng)熱物理性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計風(fēng)速為2.5m/s，迎風(fēng)口規(guī)格為1080mm×780mm（寬×高）。經(jīng)過校核計算，最終選定以1500mm鋁管做基管，采用正三角形叉排布管，共用54根熱管，4排管排列，長度比為3，蒸發(fā)段長度為1080mm，冷凝段長度為360mm，蒸發(fā)側(cè)有效換熱面積為16.12m2，冷凝段有效換熱面積為1.47m2，壓降為63.66Pa。圖5為熱管換熱器設(shè)計圖，圖6為重力式氣-液型熱管換熱器實(shí)物圖，圖7為安裝施工現(xiàn)場圖。

圖5 熱管換熱器設(shè)計圖

圖6 換熱器實(shí)物圖

圖7 現(xiàn)場安裝圖

5 節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性分析

重力式熱管換熱器對燃?xì)忮仩t進(jìn)行余熱回收的總投資為16000元，按西安市采暖季120天計算，經(jīng)實(shí)測鍋爐煙氣降低7.2℃（取全天平均值），則1小時煙氣回收節(jié)約的熱量：

1.07×7000×0.91×(95.5-88.3)=49074.48kJ/h=1174.31kcal/h

天然氣低位發(fā)熱值按8500kcal/NCMH計算，則每小時節(jié)約天然氣：

1174.31/8500=1.382NCMH

設(shè)備在一個采暖季可節(jié)約3977.89NCMH，按天燃?xì)鈫蝺r1.98元/Nm3，鍋爐效率取90%計算，則一個采暖季可節(jié)省7088.6元。熱管換熱器運(yùn)行期間無需專人維護(hù)，可在第二個采暖季末期收回設(shè)備前期投資成本。

6 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程對熱管換熱器的選型設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，為解決類似的工程問題提供了設(shè)計思路，從整個設(shè)計計算過程來看，熱管換熱器的各個參數(shù)相互關(guān)聯(lián)影響，在估算選出熱管的基礎(chǔ)上，需要對估算值進(jìn)行驗證，以此來檢驗選型設(shè)計是否合理。

本文設(shè)計出4排重力式氣-液型熱管換熱器對燃?xì)忮仩t的高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱回收，以提高鍋爐效率，達(dá)到節(jié)能減排要求為目的。該熱管換熱器總投資約16000元，按西安市采暖季為120天計算，一個采暖季所帶來的節(jié)能效益可達(dá)7088.6元，可在第二個采暖季末期收回設(shè)備投資成本。

現(xiàn)場安裝測試時，發(fā)現(xiàn)煙氣出口溫度普遍偏高，原因在于煙氣與熱管之間的換熱不充分，熱管排數(shù)過少而導(dǎo)致的。因此，在以后的設(shè)計中盡量優(yōu)化熱管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計，適量加大迎風(fēng)面風(fēng)速，在安全長度比許可范圍內(nèi)，使用較大長度比加強(qiáng)熱管煙氣側(cè)換熱長度，將重力式氣-液型熱管換熱器的外型設(shè)計為長窄式并增加熱管排數(shù)來提高換熱效率。

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Design and Application of Gravity-type Gas-liquid Heat Pipe Exchanger

Liu Jialei Qiang Tianwei Zhang Zhuo Xiang Jun

( Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048)

The gravity heat pipe is a heat transfer element that relies on the phase change of the working medium to transfer heat, and has the advantages of small heat transfer temperature difference, fast thermal response, and large heat exchange. In order to study the advantages of heat pipe heat exchangers assembled by gravity heat pipes in waste heat recovery, this article takes a project in Xi’an as an example. According to design requirements, conventional design methods and overall design ideas, a complete and detailed introduction of gravity gas- Selection design of liquid heat pipe heat exchanger. Finally, after calculation, 54 gravitational heat pipes with a length of 1500mm are selected and assembled into a heat pipe heat exchanger according to the four-row cross-arranged pipes to recover waste heat from the high-temperature flue gas of a 4-ton gas boiler. Through economic calculation and analysis, the equipment used in one heating season can save the consumption of 3,77.89NCMH natural gas resources, which can save about 7088.6 yuan, and the initial investment cost of the equipment can be recovered at the end of the second heating season. Under the background that the country vigorously advocates energy saving and consumption reduction, the equipment has very considerable economic and energy-saving benefits.

Gravity heat pipe; heat pipe heat exchanger; Design Calculation; Waste heat recovery; Energy saving

1671-6612（2021）03-419-08

TK172

A

劉家雷（1996.05-），男，在讀碩士研究生，E-mail：286685129@qq.com

強(qiáng)天偉（1970.11-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域為暖通空調(diào)、樓宇自控、空氣潔凈，E-mail：254599797@qq.com

2020-12-15