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木材干燥的振荡流热管换热器设计与试验

晨怡热管 山东大学机械工程学院 柴本银 李选友 周慎杰 史勇春 2010-2-2 1:45:48
【摘要】 设计了自激振荡流热管换热器余热回收系统并进行了试验,考察了湿空气和操作参数对热回收效率 的影响。试验结果表明,自激振荡流热管换热器能够满足高湿废气余热回收的要求,在给定的操作条件下,系统的 热回收效率高于18%。
    关键词:木材 余热回收 高湿废气 换热器 自激振荡流热管
    中图分类号:X706; TK124文献标识码:A
    引言
    据统计,我国干燥单元的能源利用率为40%~ 50%[1],大部分热量被尾气排放掉。许多农副产品干燥系统排放的高湿废气含有大量余热,并且含水率可达到90%[2],因此回收这部分高湿尾气热量是一项重要而有广阔前景的节能任务。利用振荡流热管换热器把高湿废气中热能转换到新鲜空气中是理想的节能途径之一。振荡流热管是日本学者 Akachi H于1994年发明的一种高效传热元件。振荡流热管具有热通量大(大约为同直径普通热管的 20倍)、适应性好、结构简单、易清理、热响应快等优点[3~5]。本文采用自激振荡流热管换热器对高湿废气(以木材干燥尾气余热回收为例)的余热回收进行试验研究。
    1 换热器设计参数
    自激振荡流热管是毛细管弯曲成的蛇形管路由细直管道和弯头组成,分为加热段、冷凝段和隔热段,如图1所示。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、汽相间的柱塞。在加热段,汽泡或汽柱与管壁之间的液膜因受热而不断蒸发,导致汽泡膨胀,并推动汽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。由于汽液柱塞交错分布,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[6~9]。
                 
    一般来说,高湿废气因携带水蒸气,出口气体流 量和进口气体流量的比率大约是1·7。本文以木材 干燥尾气余热回收为例来设计振荡流热管换热器, 其尾气参数及热回收效率标准为:尾气流量96 m3/h, 温度80℃,相对湿度85%~90%,新鲜气体流量 48 m3/h,温度25℃,热回收效率大于18%。
    热回收效率的计算公式为[3]
                  
    通常,在木材干燥隧道中,木材干燥所需新鲜干燥空气的进口和出口每3 h转换一次,且进口和出口一般垂直安装。因此,如果换热器被用来进行木材干燥机尾气余热回收,就必须能互换新鲜气体和废气流动通道。此时,要求底部加热的重力热管换热器无法满足这一要求。
    根据木材干燥的要求和高湿物料后的尾气温度和湿度条件,设计了自激振荡流热管换热器,并对其进行测试。换热器由9组不锈钢自激振荡流热管组成,如图2所示。每根热管的总长度为22 m,共有26个弯头,其外径为4 mm,内径为3 mm。尾气和新鲜气流的通道面积均为400 mm×400mm的方形 界面,长度为1 m。管中工作流体的充液率为50%。
                
    2 试验系统
    试验系统由自激振荡流热管换热器、空气预热器、蒸气发生器、数据采集器、气体流量计等组成,如图3所示。
                
    为了研究尾气的相对湿度对自激振荡流热管 换热器性能的影响,试验系统中安装了一套由盛水 容器、水泵、水流量计及电加热器组成的蒸气发生 器,并将其产生的过热蒸气加入到热气体气流中。 为了得到预期的热气体进口温度,在热气体管蒸气 入口的前、后位置分别安装了一组电加热器。电加 热器的总功率是48 kW,每个加热器(包括蒸气发生 器)由可控硅控制调节。2个气体流量计分别连接 到冷、热空气管上用以控制冷、热气体的流量,用热 球风速仪(QDF-Ⅱ型)测量冷、热空气流速。一组E 型热电偶分别敷设于热气流和冷气流的入口及热管 的表面,用以测量相应的温度。测量数据通过数据 采集器(Agilent 349770A型)传输至计算机中进行 自动记录。在每个风机上设置变频测量器,以提供 0~1 000 m3/h的流量。
    3 结果与讨论
    3·1 热气体进口温度对热回收效率的影响
    试验中,在不启动蒸气发生器情况下,空气由风 机经电加热器加热后进入换热器热气体通道,通过 换热器中振荡流热管和冷气体通道中冷空气进行热 交换。由风机变频电动机控制热气体(尾气)和冷气 体(新鲜空气)的流量。气体流量固定不变,其中热 气体流量为103 m3/h,冷气体流量为62 m3/h,控制 高湿物料经过干燥器干燥后出口尾气的温度,试验 研究不同的热气体进口温度对自激振荡流热管换热 器热回收效率的影响。热气流进口温度控制在70~ 95℃,每5℃为一个工况,当温度稳定后,记录运行参数。
                
    图4给出了自激振荡流热管换热器的热回收效率随热气体进口温度的变化。可以看出,当热气体进口温度达到一定值后,热回收效率随着热气体进口温度的升高而明显增大,当进口温度在95℃时热 回收效率达到20·2%。这主要是因为热气体进口 温度升高后,热气流和冷气流之间的温差增加,从而 使得热效率增加。同时还可以发现,当进口温度由 70℃增加到75℃时热回收效率变化明显,在70℃时 热回收效率仅为10%左右,振荡流热管效率比较 低。这是因为振荡热管存在一个启动温度,当热气体进口温度高于启动温度时振荡流热管才开始工 作,反之振荡流热管换热效率低下甚至停止工作,启动温度主要受到热管中的压力、工作流体的种类、热管的材料等因素的影响。试验表明,在本试验的温 度范围内,热管已经启动工作,在进口温度80℃时 热回收效率达到18%,振荡流热管设计合理高效。
    3·2 热气体进口相对湿度对于热回收效率的影响
    在启动蒸气发生器情况下,固定热气体流量为 7 m3/h,冷气体流量为15 m3/h,改变热气体相对湿度进行试验。试验结果如图5所示。从图中可以看 出,当热气体的相对湿度为5·9%时,换热器的回收 效率仅为15%,而当相对湿度增加到98%时热回收效率达到了34%,即随着相对湿度的增加,热回收 效率明显增加,设计的自激振荡流热管换热器表现 出优异的换热性能。对于高湿物料来说,热气体进口湿度可达到80%以上,采用本试验设计的自激振荡流热管换热器可以很好地进行余热回收。
                 
    4 结论
    (1)热回收效率随着热空气入口温度和相对湿 度的增加而明显增大。
    (2)自激振荡流热管存在一个启动温度,只有当 热气体温度高于这个启动温度时,换热器才能有较 高的换热效率。
    (3)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农副产品干燥尾气高湿废气的余热回收。
参考文献
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