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振荡流热管研究现状及在干燥系统中的应用研究点击：1928 日期：[ 2014-04-26 21:57:56 ] |
| 振荡流热管研究现状及在干燥系统中的应用研究 柴本银 李选友 周慎杰 史勇春 彭丽华 (山东大学) (山东省科学院) (山东大学) (山东省科学院) 摘要：对振荡流热管及振荡流热管换热器研究现状进行了分析,并对振荡流热管换热器用于干燥余热回收系统进行了研究。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的余热回收。 关键词：振荡流热管 换热器 余热回收 干燥系统 中图分类号：TQ051·5 文献标识码：A 文章编号：0254-6094(2009)02-0078-05 国家“十一五”十大重点节能工程实施意见,把余热余压利用作为十大重点节能工程之一。干燥广泛涉及化工、石化、建材及环保等领域,它不仅是大批产品不可或缺的基本生产环节,也是其生产过程的主要耗能环节,国外干燥设备能源利用率在70%以上,而我国普遍使用的干燥设备能源利用率为40% ~50%。因此,节能的潜力巨大。热管作为一种高效传热元件,广泛用于热能转换和利用的各个领域,在各种换热设备特别是系统余热回收中发挥着越来越重要的作用。振荡流热管是AkachiH等日本学者[1, 2]于1994年发明的一种新型高效的传热元件,它是将长的毛细管弯曲成的蛇形管(由若干细直管道和若干弯头组成),划分为加热段、冷凝段和隔热段3部分,当管径足够小时,在真空下封装在管内的工质将在管内形成液、气相间的柱塞。由于气液柱塞交错分布,因而在管内产生强烈的往复振荡运动,从而实现高效热传递。 1 振荡流热管研究现状 1.1 工作原理研究 振荡流热管的工作原理和结构特点与普通热管相比有很大的差异[3]。其工作原理是:当管径足够小时,在真空下封装在管内的工质将在管内形成液、气相间的柱塞。在加热段,气泡或气柱与管壁之间的液膜因受热而不断蒸发,导致气泡膨胀,并推动气液柱塞流向冷端冷凝收缩,从而在冷、热端之间形成较大的压差。由于气液柱塞交错分布,因而在管内产生强烈的往复振荡运动,从而实现高效热传递。 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。此外,振荡流热管还具有以下特点[3, 4]: a.体积小,结构简单,成本低。管径小决定了整体尺寸小;不需要吸液芯,这就减少了热管结构的复杂性和生产成本;振荡动力来自于振荡热管本身,无需其他附属设备,从而降低了运行和维护成本。 b.传热性能好。除通过相变传热外,振荡热管还通过气液振荡传递显热以及将热量转为功;在合适的充液率下,振荡热管的热流密度可以很大而不会烧干(充有50%的R142b、内径为0. 5mm的玻璃管式振荡流热管,在竖直工作时传输的热流密度可达1 000W /cm2,显著高于普通吸液芯热管的50W /cm2)[5]。 c.适应性好。振荡流热管的形状可以任意弯曲;可有多个加热段和冷却段,而且加热和冷却的部位任意选取;能在任意倾斜角度和加热方式下工作,这就大大增加了它的适应性,扩大了应用领域。 1.2 振荡流热管传热的影响因素研究 影响振荡流热管运行与性能的因素有很多,国内外已有研究主要集中于以下方面:几何参数对传热效果的影响,如振荡热管的总长、直径、截面形状以及加热段(冷却段或绝热段)的长度和通道弯数;物理参数对传热效果的影响,如工作介质的填装率和物性,管子材料的物性;运行参数对传热效果的影响,如加热和冷却的方法、位置及热流密度的大小,工作时热管的倾斜角度。 1.2.1 最大管径的确定 管径须足够小,才能使液塞和气泡能够在表面张力的作用下共存,最大内直径可由下式确定[6]: 式中 σ———液体工作介质的表面张力; ρ1———液体工作介质的密度; g———重力加速度。 常用工作介质对应的最大管径为水—5. 154mm、丙酮—3. 136mm、乙醇—3. 125mm、R142b—2. 104mm。如果管径太小,则克服毛细力的压头就要明显升高,从而影响振荡效果。 Charoensawan P等人[7]比较了不同管径闭合回路振荡热管中水、R123和乙醇对传热性能的影响发现,管径为2mm时,水的传热效果最好;管径为1mm时,水的传热效果最差。该结论就是物性和管径耦合作用的结果。 1.2.2 通道弯数与倾斜角度 AkachiH等[1]研究发现,当振荡流热管的通道弯数大于某一数值时,其热阻与倾斜角度无关。即在相同的实验条件下,底端加热、水平加热和顶端加热时的热阻相近,通道弯数的临界值为80。SchneiderM等[8]证实了临界值的存在,认为临界值与介质、管径和热流密度有关。当通道弯数小于临界值时,水平和顶端加热时运行较差;底端加热,垂直放置的工况下传热量最大。 1.2.3 充液介质物性 充液介质物性包括表面张力、比热容、汽化潜热、动力黏度、密度以及饱和状态下压力随温度的变化率等,其中汽化潜热和饱和状态下压力随温度的变化率对振荡特性的影响比较显著。 SchneiderM等[8]分析认为,应该存在一个最佳的汽化潜热值。由于加热段气泡的生成和长大速率与汽化潜热值成反比,如果潜热值太小,那么气泡生成得过快,把液柱都压到冷却段,导致传热恶化,该问题可以通过增加充液率来改善;如果潜热值太大,那么气泡生成和长大的速度减慢,压力脉冲也相应减小,从而影响振荡的频率和幅度。Rittidech S等[9]研究开放回路振荡热管,通过对比水、乙醇和R123得出结论:汽化潜热值愈低,最大传热量与水平放置传热量的比值就愈大,并得出拟合公式: Qmax/Q0=2. 53-0. 0001H 式中 Qmax/Q0———最大传热量与水平放置传热量的比值; H———汽化潜热, kJ/kg。 1.2.4 充液率 充液率为工作介质的总体积占振荡热管内部总容积的百分比。AkachiH等[1]认为充液率应大于50%; Charoensawan P等[10]在铜-水闭合回路振荡流热管实验中得出最佳充液率为50% ~70%;GiK等[11]在聚四氟乙烯-R142b的可视化实验中得出的最佳充液率为50% ~60%;Miyaza-kiY等[12]研究了内径为1mm、通道弯数为30的铜-R142b闭合回路振荡热管在不同加热方式条件下的传热特性发现,不同的加热方式对应着不同的最佳充液率:底端加热时合适的充液率较宽;水平加热的最佳充液率在45% ~55%;顶端加热时,基本限制在35%左右。 1.3 振荡流热管单元强化传热研究 1.3.1 自激强化 自激强化即没有外场作用的强化方法。非均匀截面热管和采用纳米流体做为工作液体均属于自激强化。许多学者研究表明,将纳米粒子加在流体中形成的工质———纳米流体,它的导热系数比其他流体大很多[13, 14],将其用作振荡流热管的工作液体无疑会强化热管的传热性能。华北电力大学商福民等人[15]实验结果显示,非均匀截面热管和以纳米流体为工作液体的热管传热性能有显著提高。 1.3.2 受激强化 受激强化即通过施加外场强化热管的传热。脉冲加热与声控化强化传热的方法均属于受激强化。脉冲加热即采用高热流、短脉冲的加热方式代替常规连续热源加热,通过外部施加的热冲击增强管内工质脉动机制,达到强化传热的效果。华北电力大学冼海珍等人[16]前期研究结果表明,相同加热功率条件下,当脉宽在200~1 000m时,脉冲加热热管的传输热量与当量导热系数均显著大于连续加热时。声控化是指向液体中辐射超声波并使声强达到一定阈值时,在液体中出现的微小气泡束随着声压的变化做脉动、振荡,并伴随有生长、收缩以至破灭的现象。声控化对传热强化效果显著,Nomura S和MurakamiK[17]就超声波振动方向对水平板传热的影响进行了实验研究。结果表明,声控化强化单相对流传热效果可高达3倍。 1.4 振荡流热管换热器研究 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[18, 19],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。 2 振荡流热管换热器在干燥系统中的应用 通常,包括水蒸气的潜热,从干燥器出来尾气携带了输入系统总热量的80%,国内外许多研究者对干燥机尾气的余热利用进行了大量的工作,但由于干燥机尾气的温度较低(70~150℃)且缺少成本低、效率高的换热方法和换热装置,作者研究证明,振荡流热管换热器用于干燥尾气余热回收,效果明显。 2.1 干燥余热回收系统 如图1所示,湿物料由输送机输送至干燥机的进料口,落入干燥机内。自然风通过振荡流热管空气换热器被预热,经鼓风机加压,送入系统换热器被加热至干燥所需温度后,进入干燥机,使干燥机内物料干燥。通过控制物料在干燥机内的停留时间,使物料进行充分的干燥。干燥合格的物料通过干燥机出料口排出,可与从旋风除尘器收集的干粉一起输送至成品料区。从干燥机排出的尾气经旋风除尘器净化后,由系统引风机吸送至振荡流热管空气预热器,预热干燥介质后排空。 尾气进入振荡流热管换热器的下部尾气集箱,冲刷振荡流热管加热端,热管被激活,热管内形成的气-液柱塞产生强烈的往复振荡,从而实现热量的高效传递。将热量传递至上部冷却端。尾气中的水蒸气冷凝放热后,冷凝水由尾气集箱底部的排水口排出。常温空气在鼓风机作用下,沿空气集箱冷却端逆向流动冲刷热管冷却端,吸收冷却端放出的热量,温度升高。 2.2 振荡流热管换热器 2.2.1 气-气振荡流热管换热器 气-气振荡流热管换热器可以作为新风预热器使用。在工业生产中有大量低品位尾气余热资源,振荡流热管换热器可以回收排放的尾气余热同时预热新风,预热后的新风借助动力可以到达工厂内需要热风的场所,从而实现余热资源回收利用。例如在干燥、煅烧系统中被空气预热器加热的新风可以回到原系统作为干燥、煅烧介质使用从而真正达到节能减排的目的。 2.2.2 气-液振荡流热管换热器 气-液振荡流热管换热器可以作为热水的热源使用。振荡流热管换热器可以回收工业排放的尾气余热同时加热冷水,受加热后的热水借助动力可以到达工厂内需要热水的场所,从而实现余热资源回收利用。例如锅炉烟气(干燥、煅烧系统尾气)余热被振荡流热管换热器回收可以作为热水的热源使用从而达到节能降耗的目的。2.3 振荡流热管换热器的换热性能评价振荡流热管换热器的换热性可以用热回收效率来评价,热回收效率η的计算公式为： 2.4 应用实例 以木材干燥为例,一般来说,在木材干燥隧道中,出口气体流速和进口气体流速的比率大约是1. 7。因为废气流中携带水气,换热器按照如下条件设计: 尾气流量(80℃) 96m3/h 相对湿度 85% ~90% 新鲜气体流量( 25℃) 48m3/h 热回收率 大于18% 根据以往的实验数据,设计自激振荡流热管换热器,并对其进行测试。换热器是由9组不锈钢自激振荡流热管组成(图2),每根热管的长度为22m,共有26弯。尾气和新鲜气流的通道面积都是400×400mm2的方形截面,长度为1m,管中工作流体是充液率为50%的酒精。测试结果表明,热回收率在19%以上[19]。 3 结束语 随着振荡流热管实验和理论研究日益深入,人们对高效传热元件———振荡流热管有了新的认识,它不仅具有优良的传热性能,还有结构简单、能随意弯曲、可采用不同的加热方式和加热位置等优点,较传统热管技术有明显的优势,利用该热管研制出的高效换热器完全适用于干燥尾气的余热回收。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。 参考文献：略 |
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