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热管换热器在精制盐干燥系统余热回收中的实验研究点击：1919 日期：[ 2014-04-26 21:53:56 ] |
| 热管换热器在精制盐干燥系统余热回收中的实验研究 柴本银1,李选友2,马训强2,周慎杰1,彭丽华2,张庆磊2 (1.山东大学机械工程学院,山东济南 250061; 2.山东省科学院工业节能研究中心,山东济南 250014) 摘 要：干燥是精制盐工业生产中的高耗能环节。国内常用精制盐干燥系统的干燥尾气携带部分干燥供给热能,有较高的余热回收价值。文章针对精制盐干燥尾气的性质和振荡流热管的特性,将热管换热器用于精制盐干燥系统的余热回收,提出了两种干燥工艺改造方案,比较了两种方案的特点;在相同工况下对重力热管和振荡流热管的余热回收效果进行了实验。实验结果表明:振荡流热管用于精制盐干燥尾气的余热回收,效果较好;其中,振荡流热管基于其传热性能好、结构简单、加工方便等特性,避免了重力翅片热管换热器体积大、设备笨重、成本较高等缺点,在精制盐干燥尾气余热回收中有很好的应用前景。 关键词：精制盐;余热回收;热管换热器;振荡流热管 中图分类号：TQ051. 8 文献标识码：A 文章编号：1673-6850(2010)03-0036-04 1·精制盐常用干燥系统工艺现状 在精制盐的工业生产中,干燥是高耗能环节。精制盐工业干燥主要采用流化床干燥方式,分普通流化床和埋管流化床两种,两种方式均以空气为流化介质,其中普通流化床的干燥热能都来自热空气,埋管流化床的干燥热能则来自热风和流化床内埋管中的蒸汽。其中作为流化介质的空气的工艺流程如下:干燥空气经干燥鼓风机进入空气换热器,被加热到干燥所需温度后进入流化床,热风在保持精制盐料层流态化的同时,与精制盐充分换热,将其中水分蒸发;冷却风由冷却鼓风机直接输送至流化床,用于干燥后热物料的流化及冷却。换热后的热风与冷却风混合,携带水蒸气及部分细颗粒盐尘由流化床排风口进入旋风除尘器,其中大部分盐尘被回收,然后热风进入湿式除尘器进行二次除尘,最后由引风机排入大气,如图1所示。 干燥系统部分供给热能以尾气显热和水蒸汽的潜热形式由尾气携带排出,其中普通流化床尾气约占系统供给热能的40% ~50%。干燥系统尾气若经除尘后直接排空,势必造成能源浪费,这显然不符合国家节能减排政策。但由于精制盐干燥尾气难于循环使用,而且温度较低(一般在80℃左右),回收难度较大。 已经广泛用于废热回收和工艺过程中热能利用的重力热管,由于其启动温度较高,传热系数较低,也难以达到无机盐干燥尾气余热回收的要求。近年来,由日本学者Akachi[1-2]于20世纪90年代初提出的振荡流热管(OscillatingHeatPipe, OHP)又称脉动热管(PulsatingHeatPipe, PHP),在电子元器件的散热中开始应用,但其在工业生产节能中的实验研究已引起相关业内人士的重视。 2·振荡流热管换热器 振荡流热管有两种基本结构型式:闭合回路结构和开放回路结构,如图2中a, b所示。图2中c是带单向阀的闭合回路结构是闭合回路结构的一个派生种类,在管路中加一个或几个单向阀来控制工作介质的单向流动。 2. 1 振荡流热管的性能 小管径和冷热端反复的折弯是形成振荡流热管的两个基本条件。振荡流热管还具有如下基本特点[3]:不需要吸液芯;可以有多个加热段和冷却段,绝热段可有可无;无需外加动力,自激振荡;表面张力占主导地位,但重力也影响传热性能;自激振荡的工作流体同时传递潜热和显热。基于上述特点,与普通热管相比,振荡热管具有体积小,结构简单,成本低、传热性能好、适应性好等显著优点[4]。 2. 2 振荡流热管换热器 山东省科学院工业节能研究中心2008年研制了国内首台振荡流热管换热器[5-6],进行了性能测试和干燥尾气余热回收的实验研究,结果表明,自激振荡流热管是一种高效的传热元件,利用这种热管研制出的高效换热器完全适用于干燥尾气高湿废气的余热回收。振荡流热管换热器作为一种先进的热管技术和装备,有着广阔的应用前景和研究意义。 3·用振荡流热管换热器进行尾气余热回收的精制盐干燥新工艺 基于精制盐干燥尾气温度较低特点及振荡流热管的特有性能,对现有的精制盐干燥工艺系统进行了改进,用振荡流热管换热器对干燥尾气的余热进行回收,用于加热进入空气换热器前的干燥空气。 3. 1 新工艺Ⅰ 先是在不改变精细盐干燥工艺设备的条件下进行改进,在系统引风机和旋风除尘器之间加入热管换热器,得到新的干燥工艺Ⅰ。对于新工艺Ⅰ,冷却空气的流程不变;干燥空气则先进入热管换热器的冷端被预热,然后送入空气换热器被加热至干燥所需温度后,再进入干燥机。从干燥机排出的尾气经旋风除尘器除尘净化后,在引风机的作用下进入热管换热器的热端,预热干燥介质后再进入湿式除尘器进行二次除尘,达到排放标准后排空,如图3所示。 3. 2 新工艺Ⅱ 由于旋风除尘器排出的尾气是干燥空气和冷却空气的混合体,温度较低,不利于热管的启动。所以建议将干燥空气和冷却空气分开,只回收干燥部分的尾气。这样就需要对干燥系统的旋风除尘器重新选型:采用两个旋风除尘器,一个用于干燥尾气的除尘,一个用于冷却尾气的除尘。这样得到新干燥工艺Ⅱ,其流程如下:干燥空气经干燥鼓风机进入热管换热器,回收干燥尾气余热后进入空气换热器,被加热到干燥所需温度后进入流化床,完成干燥后携带水蒸气由流化床干燥排风口排出,进入干燥旋风除尘器,然后再进入热管换热器,被回收余热后依次进入引风机、湿式除尘器,最后排空;冷却风由冷却鼓风机直接输送至流化床,完成物料冷却后,由流化床冷却排风口排出,再依次进入冷却旋风、引风机、湿式除尘器最后排空,如图4所示。 3. 3 新工艺分析 新工艺Ⅰ和新工艺Ⅱ在完成余热回收的同时,使原系统中空气换热器的所需换热量减少,所以也降低了空气换热器的换热面积,节约了换热器成本。对于新工艺Ⅰ,只需在系统中新加入热管换热器以及对系统管道进行改进,系统新增成本较低。新工艺Ⅰ的余热回收对象是干燥尾气和冷却尾气的混合体,风量较大,但尾气温度较低,热回收率较低。对于新工艺Ⅱ,除了在系统中新加入热管换热器以及对系统管道进行改进外,还需要两个处理风量较小的旋风除尘器代替原系统中处理风量较大的除尘器,系统新增成本较高。新工艺Ⅱ的余热回收对象是干燥尾气,风量较小,但尾气温度较高,热回收率较高。 4 热管换热器用于精制盐干燥尾气余热回收的工业实验 为了验证振荡流热管换热器在精制盐干燥系统中的余热回收效果,并和普通重力热管换热器进行比较,按照新工艺Ⅱ建立了干燥尾气余热回收工业化热管换热器实验系统,在相同工况下分别对重力翅片热管和振荡流热管的换热效果进行了测试。 4. 1 热管实验参数及工艺流程 实验中,进入热管换热器热端的热风成分与精制盐干燥尾气成分相同,进入热管冷端的冷风采用20℃的自然空气。热管换热器热端:尾气风量Vh=12 000m3/h,尾气温度th=80℃,其中含水蒸气800kg/h;冷端:进风风量Vc=10 000 m3/h,进风温度tc=20℃。 热风进入换热器热端,冲刷换热管壁,放出的热量由热管传递到换热器冷端,其中尾气中的水蒸汽冷凝放热后,部分变成冷凝水由尾气集气箱底部的排水口排出;自然空气进入换热器冷端,与热风的流向相反,逆向流动冲刷热管冷端,吸收冷却端放出的热量,温度升高,如图5所示。 4. 2 换热器结构参数 振荡流热管换热器是由外径5 mm,内径3 mm的不锈钢管折弯而成的蛇形回路热管组成。共20根热管,每根热管60个回转通道,热管高度1 m,采用错排排列。振荡流热管换热器高1. 2 m,宽0. 6 m,纵深0. 65 m。 重力热管换热器采用翅片管,其中光管采用外壁40 mm,内壁34 mm的20号无缝钢管,翅片采用不锈钢。共14排,每排5根,热管高度1. 8 m,采用错排排列。重力热管换热器高2. 0 m,宽1. 1 m,纵深0. 7 m。以上热管换热器冷热端壳体对称分布,热管换热面积冷热端比例为0. 8∶1。经旋风除尘后的干燥尾气仍含有少量细盐粉尘,为防止粉尘粘结换热器热端管壁,影响换热效果,在两个热管换热器热端均设有清洗水进口和排水口,以便于对热端换热管进行清洗。 4. 3 实验结果 实验数据如表1,表2所示。在振荡流热管换热器实验中,热端热空气温度降低15℃,冷端自然空气温度升高28℃;在重力翅片热管实验中,热端热空气温度降低5℃,冷端自然空气温度升高8℃。 4. 4 实验结果分析 ( 1)两个实验中,冷端空气温度增幅均高于热端尾气温度降幅,分析其原因是由于热端空气中的水蒸气冷凝放出大量气化潜热。同时由于振荡流热管换热器尾气温度降幅较大,热端热空气中的水蒸气冷凝效果较好,回收的气化潜热更多,所以振荡流热管换热器实验中的自然空气的温度增幅远远高于普通重力热管实验中自然空气的温度增幅。振荡流热管热回收效率为远高于重力翅片热管的热回收效率。 (2)实验台中振荡流热管换热器的换热空间为1. 20 m×0. 60 m×0. 65 m,换热面积为20 m2;重力翅片热管换热器的换热空间为2. 00 m×1. 10 m×0. 7 m,换热面积为50 m2。振荡流热管换热器的换热空间较小。另外振荡流热管为光管,在使用过程中维护比重力翅片热管换热器方便。 5·结论 1)由于精制盐干燥尾气温度较低(一般在80℃左右),一般的余热回收装置难以满足回收要求。热管换热器用于精制盐干燥尾气的余热回收,振荡流热管换热器换热性能显著,明显好于重力翅片热管换热器,且设备体积小于重力翅片热管换热器、易维护,值得大力推广。但由于尾气经旋风除尘后进入热管换热器热端,仍然可能会出现盐尘粘结管壁的现象,所以在设备加工方面要满足设备的清洗要求。 2)对于新工艺Ⅰ和新工艺Ⅱ,还需要综合考虑新增设备成本投入、节省设备成本和余热回收效果等多方面因素,来最终确定更适合精细盐干燥系统与热回收的新方案。 [参考文献] [1] H Akach,i Looped Capillary Heat Pipe, Proc. 71st JSME Spring AnnualMeeting, 1994,Vo.l 3, No. 940-10, pp. 606-611. [2] Y Miyazaki& H Akach,i HeatTransfer Characteristics of Looped CapillaryHeatPipe, 5th IHPS, 1996. [3] KhandekarS, SchneiderM, GrollM. MathematicalModeling of Pul-sating HeatPipes: State of theArtand Future Challenges[C]. 5thASME/ ISHMT Joint InternationalHeat andMass Transfer Confer-ence,Kolkata, India, 2002. [4]马永锡,庄骏,张红.振荡热管———一种新型独特的传热元件[J].化工进展, 2004, 23(9): 1008-1009. [5]史勇春,李选友,柴本银,等.自激振荡流热管换热器回收干燥尾气余热的实验研究[C].中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集, 2008: 444-448. [6]柴本银,李选友,周慎杰,等.自激振荡流热管换热器在木材干燥节能中的应用[C].中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集, 2008: 444-448. |
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