用于热定型机余热回收的热管换热器设计

王海萍，周亚素，郑建范⋆，邢晋

（东华大学环境科学与工程学院,⋆宁波象山恒大印染新厂）

0 引言

印染行业是我国的重要产业之一，而热定型机是印染行业常用设备，用于将已经经过染色与洗涤过程的湿布进行烘干，以达到消除褶皱、去除布匹表面细小绒毛的目的，其工作原理是将织物在适当张力下通过热空气加热至所需温度（约为160-240℃），并在此温度下保温一段时间，然后迅速冷却，之后热空气作为废气排放掉。

热定型机废气温度约为140-220℃，含有大量热能，如果直接排放，不仅破坏环境，而且会浪费大量能源，因此在排放前需要进行余热回收。

1 换热器选择

热定型机余热回收多用于预热新鲜空气补入定型机热风房，一方面，废气温度降低有利于后续净化，另一方面，新鲜空气温度从室温提高到120℃左右，提高了定型机的热能利用率，起到节能的作用。

用于回收热定型机余热的换热器可以采用板式、管式、再生式换热器，但热管换热器由于以下优点使其更占优势：

1）由于热管换热器换热系数与对数平均温差都比较大，所以其传热量大；

2）体积小，重量轻，结构紧凑；

3）流动阻力小，减小了运行时的动力消耗；

4）结构灵活，某根热管损坏不影响换热器整体，检修方便等。

2 热管换热器设计

2.1 设计原理

热管换热器示意图如图1所示，热流体流过隔板一侧，将热量传递给带有翅片的热管，并通过热管将热量传至隔板另一侧。在气体横向掠过热管的情况下，其内部热阻只占总传热热阻的10%左右，对外部对流换热几乎没有影响，理论上可以把热管群看作一块热阻很小的间壁，热流体通过间壁一侧不断冷却，冷流体通过间壁另一侧不断被加热。因此可以把热管换热器等效为逆流间壁式换热器，两者计算方法相同[1]。下面以宁波某印染厂定型机排放废气作为工程实例，简要叙述热管换热器设计过程。

2.2 主要参数

定型机每小时废气排放量Vh=1.17×105m3/h（标准状况）；定型机废气排烟温度（即换热器烟气进行温度）th1=162℃；需要预热的空气量Vc=104m3/h（标准状况）；空气进入热管换热器温度tc1=20℃；为避免烟气结露，设定烟气出口温度th1=110℃。

热管换热器管子排列形式为等边三角形排列，如图2所示，横向管子中心距ST为0.067m；SL=ST=0.067m。

图2 热管排布示意图

2.3 设计计算

1）传热量

首先计算烟气定性温度th，可用下列公式：

△tm=80.6℃。

2）确定迎风面积Aex以及迎风面管排数B

设冷热侧迎风面积相等，热管几何尺寸以及翅片参数也相等，并取标准迎面风速wN=2.5m/s。取迎面管排数B为13，迎面横向管间距0.067m，则计算迎面宽度可用下列公式：

E=ST×B （3）

计算实际迎风面积用下列公式：

Aex=E×L/2 （4）

求出实际迎风面积之后根据以下公式复核实际迎面风速：

3）总传热系数

对于无吸液芯的重力式热管，热管传热的热阻主要包括翅片导热热阻、热端流体与热管外表面的对流热阻、热端管壁的导热热阻、热端管壁内表面与管内流体的对流热阻、热管内部蒸发和冷凝传热热阻和冷端相应的对流和导热热阻以及污垢热阻等。

由于沿热流方向翅片本身存在温度梯度，所以需要有肋效率（η）的概念，肋效率通常定义为翅片实际传热率除以翅片处在管壁温度下的传热率，可由图3查出。其中，lf是翅片高，rf翅片外径，ro是管子外径，hf是流体对翅片管的换热系数，λf翅片材料的热导率，δf是翅片厚度。

查表可得污垢热阻（ry），然后综合考虑前文所述各项导热与对流热阻，可得下列公式用于计算热管总传热系数UH：

式中，hfe——管外有效换热系数（W/（m2·℃））；

rw——金属管壁热阻（m2·℃/W）；

Ah——每米热管管外总表面积（m2）；

Aw——热侧管子内表面积（m2）；

Ai——以管子中径为基准的圆管面积，有Ai=2πri（L/2）=0.127m2；

将数值代入式（7），则得出总传热系数：

UH=17.13W/(m2·℃)。

4）热管换热器的体积参数

分别由以下公式计算加热侧总传热面积、所需热管数以及换热器纵深排数：

代入有关参数数据得到加热侧总传热面积AhH为165m2，所需热管数为n=74根，换热器纵深排数m=5.7，取6排，排列方式为正三角形叉排方式，13、12依次排开（如图2所示），管子总数为

n′=(13+12)×3=75。

5）通过热管换热器的压力降

通过以下公式计算流体通过换热器的压降Δp：

式中，f——摩擦系数；

Gf,max——冷热流体最大质量流量（kg/(m2·h)）；

μw——壁温下的流体黏度（kg/(m·s)）；

Dev——冷热侧容积当量直径（m）；

gc——重力换算系数，取1.3×107；

代入有关参数数据可得计算结果为：热侧压降Δph=276.6Pa，冷侧压降 Δpc=210.6Pa[2]。

经计算得到热管换热器各参数如表1所示。

3 经济分析

热管价格为260元/根，壳体加工费用1.1万元，现场施工费用0.5万元，因而设备初投资为：0.026×75+1.1+0.5=3.55万元。

维护费用包括人工维护清洗费用和电费，其中，人工维护清洗费用为0.5万/年；根据以下公式计算冷热侧电耗：

其中η为设备效率，取0.68，计算结果为：热侧耗电Nh=1.32kW，冷侧耗电Nc=0.86kW，设备总电耗为：N=Nh+Nc=2.18kW，该设备平均年工作小时数为5000h，每kWh电价为1元，所以每年维护费用为1.59万元。

定型机原来用导热油加热空气，导热油锅炉燃料为煤，煤的热值为20937KJ/kg，换热器热量折合成煤量为36.9kg/h，年节约煤量为184.5t/年。煤炭每吨价格为990元，则每年节约费用为18.3万元，减去维护费用，实际每年节省16.71万元。

成本回收时间为：

即换热器投资的成本只需要2个半月就可回收。

4 结论

由上可知，将热管换热器等效为间壁式换热器这一计算方法可行，而且可以带来可观的经济效益。

热管换热器各个参数之间相互影响，在计算初始必须对部分参数进行估算后，才能进一步进行精确计算，并将精确计算所得参数对前面估算进行验证，若两者相差较大或者出现矛盾，必须用精确计算结果进行重复计算，直到两者接近或者不相矛盾[3]。

[1]蒋章焰 and马同泽,气-气热管换热器设计中的一些问题.工程热物理学报,1985(03)∶p.255-262.

[2]王磊,热管换热器的设计计算.纯碱工业,2001(03)∶p.39-43.

[3]Yang,F.,X.Yuan,and G.Lin,Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger for heating automobile using exhaustgas.Applied Thermal Engineering,2003.23(3)∶p.367-372.