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余热回收的高效节能热管换热器介绍点击：1882 日期：[ 2014-04-26 22:00:29 ] |
| 余热回收的高效节能热管换热器介绍 邢振祥1, 郭会敏2, 方 彬3 (1.天津城市建设学院,天津 300384; 2.天津华能集团能源设备有限公司,天津 蓟县 301900; 3.哈尔滨工业大学,黑龙江 哈尔滨 150001) 0 引言 热管换热器与制冷机、热泵一样,在解决诸如温室效应、CO2的排放和能源缺乏等世界性问题中,起到非常重要的作用。热管换热器就是从丰富的自然 环境和大量的余热资源吸收余热,且吸热的温度范围非常广泛,可以从诸如地热自然环境的10℃到工业余热资源的1 000℃。在吸收余热温度范围上,热管换热器比制冷机和热泵要广泛的多,温度要高的多,另外,还不消耗任何形式的能量。 热管换热器不制造、不消耗、也不储存能量,只是高效率地传递能量,从余热资源中吸收余热,然后转化给工业和生活中需要的水、空气和蒸汽等。用于工业用热水、热风、蒸汽、采暖、空调、烘干、排潮、炉膛助燃、锅炉供水等,从而减少大量的一次能源的消耗。 1 热管的工作原理 热管换热器由许多根热管,按一定的排列方式组成,每只热管都是独立的换热元件,所以,其传热效率的高低取决于每只热管,即热管换热器传热量的大小取决于热管传热量的大小。 热管是真空工作介质相变,无外界动力的高效传热元件,是凭借充满在热管内封闭的工作介质,反复蒸发和冷凝相变,进行热量传递的高效传热元件。热管从结构上分为加热段、绝缘段和冷凝段。其中加热段与余热热源接触吸收余热。热管工作介质不 论是液态还是固态,在开始传热时总是集中在加热段。当加热段接触吸收余热时,热管工作介质就蒸发或升华,并以高速度向冷却段运动,同时将热量传递到冷却段。传递的热量是热管工作介质的汽化潜热,放出汽化潜热后,工作介质就凝结成液体,在重力作用下又返回到加热段。如此连续工作,形成连 续不断地吸收余热传递热量的过程[1]。热管工作介质传递热量要求在真空情况下进行,真空度越高越好。在制造热管时,一般能达到0.133 Pa~0.001 33 Pa,在 这种真空度下热管工作介质就易于蒸发,易于启动和工作。热管工作介质是在流动的情况下传递热量的,其工作不靠外界动力,而是巧妙地利用了重力和毛细力,使介质回流和克服流动阻力的。 一般工业上应用的热管传递量,对1m长的普 通热管约为2 kW,但是,再高就受到携带限的限制所以目前1台热管换热器的热管数目是相当多的,对于大功率的热管换热器其热管的数目是相当可观的。 2 热管与热管换热器的主要特点 2.1 传热系数高 传热量的计算公式为: Q=KFΔt, 式中:Q———热管的传热量,kJ/h;K———传热系数 kJ/m2·h·℃;F———传热面积,m2;Δt———传热温 差,℃,管传热量大的原因是热管的传热系数值高 热管K=268 kJ/m2·h·℃,而翅生管K=37 kJ/m2· h·℃,光管K=20 kJ/m2·h·℃,通过对3种传热元 件的传热系数比较,热管是翅生管的7倍,是光管的 13倍。其原因是对气—气换热,热管管外全部翅片 化的结果。热管的热量要比铜棒高出103倍~10 倍[2]。 2.2 体积小 重量轻 结构紧凑 由于热管的传热系数高,在传热量不变的情况下,可以减少传热面积F,因此使热管的根数减少达到热管换热器的体积小,重量轻,结构紧凑的结 果,同时钢管的消耗量,加工量,成本和工人的劳动 强度等也都减少了。 2.3 热管的等温性好 壁面温度高耐腐蚀 例如1 m长热管2端的温差可以≤1℃,热管的 壁面温度高,不像其他传热元件的壁温主要取决于冷体温度,而热管的壁面温度是取决于热、冷流体温度的平均值,所以,就有壁面温度高、耐腐蚀强的特点。 2.4 不易积灰 由于热管有等温性好,壁面温度高,耐腐蚀的特点,同时就有了不易积灰的特点,而且积灰是松软的 灰,很容易清灰。积灰对传热的影响非常重要,通过 对蒸汽机车锅炉的排烟余热回收气—气热管积灰等多年的实验研究得出结论:a)排烟温度降低20℃蒸汽锅炉的热效率提高1%,b)积灰以后,蒸汽锅炉的排烟温度由原先数值上升了40℃。因此,热管换热器积灰对传热的影响是非常严重的[3,4]。 2.5 应用非常广泛 各行各业,各种热力设备的排烟、排气、排水、排渣等,凡是有余热的可回收的地方都可以应用[5]。 3 热管对其工作介质的主要要求 3.1 稳定性的要求 不论是低温热管、中温热管还是高温热管,也不 论它的工作寿命多长,凡是在工作期间,热管工作介质的性质必须是稳定的,不准有任何质的变化。 3.2 相容性的要求工作介质必须与热管管壳相容,不得产生化学反应。世界上知名的热管专家说过“对工业热管来说,最好的热管是钢水热管”。 3.3 润湿性的要求 热管管壳与工作介质应该是润湿的,这对热管吸热和传热都是有好处的。以水为主要成分的工作介质与钢管壳是湿润的,而工作介质汞就不润湿。 3.4 传热量要大 工作介质的汽化潜热要大。汽化潜热是物性参数,主要与饱和状态的温度有关系。如,工作介质水的汽化潜热就很大,在同温度下萘就很小。 3.5 饱和温度要高 相应的饱和压力要低 这项要求目的是使热管有高的传热量,同时热管的强度容易通过。如,萘热管传热量不大,但强度容易通过,水热管正好与萘热管相反。 3.6 安全性要绝对保证 包括不易燃、不易爆、无刺激性等。对工人的健康要绝对有保障,确保生产和工作人员的安全,确保不对环境有污染。 4 应用计算机优化热管换热器的设计计算 a)热管换热器的应用非常广泛,已知参数和边 界条件又很复杂。如果采用计算机程序进行计算, 不仅可以重复计算,减少繁琐过程,而且可以优化计算。 b)用计算机计算对各种形式的热管换热器进行设计计算能够针对诸如气—气式、气—液式、气—汽式不同形式的热管换热器的特点,强化各类的差异和特点。 c)对传热系数K值的计算,是对热管换热器进行设计必算的一项,也是最重要的一项。人工计算只能完成3项~7项热阻计算,很不精确,采用计算机计算,就可以完成10余项,大大提高设计精度。 d)采用计算机优化,可计算出最佳传热面积,得出经济性最佳的方案。对热管换热器设计而言, 可实现节省热管的根数、节约钢材、节省工作量,减少工时、减少热管加工设备的能耗以及降低设备的成本和造价等。 5 结语 a)热管换热器在余热回收、降低能耗、节约能源、减少CO2排放、改善环境等方面所带来的综合效益是巨大的,b)热管换热器在工业上的应用和发展 还存在非常大的空间,在应用和发展上还不平衡和不够广泛,c)在生产和研究上重生产轻研究的倾向有所存在,在生产上注意标准化、系列化和自动化的问题还有待提高和解决,d)参加热管换热器的研究、设计、加工和制造等人员的基础知识、专业水平均应提高。 参考文献: [1]方彬.锅炉和窑炉节能热管换热器[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1985. [2]方彬.热管的热用分析[J].节能技术,1987(1):28- 30. [3]方彬.热管在立式锅炉应用中的几个问题[J].山东能源,1990(1):23-25. [4]方彬,赵北万,富金钢,等.应用热管提高蒸汽机车锅炉的热效率[J].哈尔滨工业大学学报,1983(2):69-73. [5]方彬.小化肥厂余热回收[J].节能技术,1990(4):41. |
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