基于废热利用的月牙式换热器结构设计

李姗姗，王帅军

(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022)

目前在我国回收利用的余热大部分来自于高温度废气排放的显热和生产过程释放的可燃气热，其中低温余热(即低品位废热)尚未进行回收。经过调查发现，低品位废热作为产能和用能是解决余热回收的一个关键步骤，所以低品位废热在回收资源利用方面仍然占有很大的比例。[1]另外，现阶段的换热器是用板板接触式的换热器，板式换热器是一种高效节能型换热装置，具有传热效能高、质地较轻、占地面积比较小、易于修整等优势，在很多行业中具有不可或缺的作用。但是，它也有很明显的缺点，由于其流路的狭窄以及角孔的限制，难以实现高流速；板与板之间密封垫及板片与框架机械强度的局限，产生了不能承受太高工作压力、高温度损坏换热器等影响。[2]

为解决低品位废热无法利用以及板式换热器存在各种不足的问题，本文提出了一种月牙式换热器，本装置利用船舶上的低品位废热，采用月牙式版型的曲面，使其可转动连接，在一定程度上补充了板式换热器的缺陷。另外考虑到板与板之间空隙的内部空气导热能力太差，大部分热量会散失，因此在板与板接触空隙中填充新介质，即纤维状高导热碳粉来提高装置的导热效率，同时采用自动温控开关系统和气泡泵等来优化本文的换热器结构。

1 低品位废热二次利用的月牙式换热器

本文设计的月牙式换热器如图1所示。装置主要有热源，柴油机废气锅炉通过尾气道，锅炉废气排进入口通道，上油道(锅炉废气排进入口通道)，上油道管路中的气泡泵和排压控制阀，下油道，下油道管路上安装控制阀和压力显示器。月牙式换热器分为左右两半，左边为圆弧内曲面，右边为月牙筒状，传热管道穿过月牙筒并在左侧安装齿轮与步进电机相连，通过步进电机带动齿轮旋转能使组合式能量转移器实现分开或贴合，组合式能量转移器为铝合金材料。使用时右边的月牙形腔体和左边的曲面进行贴合，未使用时自动温控开关系统将其隔开(即如图1所示状态)，腔体空隙之间会加入纤维状高导热碳粉，之后通过右边的是导热管路，导热管路上有控制阀，然后在并联式换热器进行热量传递，通过液氮加热器来加热液氮，加热过废气呈现温度的最大化保留，将其利用在日用油柜的保温或船员日常生活的保温。

1-热源;2-导热管路;3-曲面板;4-被保温物质;5-导热管路;6-月牙形空腔图1 月牙式换热器示意图

2 主要结构设计

2.1 月牙式换热器

在设计月牙式换热器之前，经过实地考察和研究发现，现有的板式换热器的缺陷是2块铝板进行贴合传热之后，未加热时要将其隔开，这会导致尖式气缸顶开两铝板时两边的管路发生伸缩。于是经过改良，将板板式改为圆筒式[3]，圆筒式思路是在改善板式换热器和套筒加软管方式后进一步得出的，利用圆筒滚动的理念又将腔体改成月牙形腔体，再根据齿轮转动完成加热和不加热的过程。首先设计出了第一代装置——平板式换热器，这种设计是由2块铝板相互贴合传热，当温度达到设定温度时，尖式气缸将两板顶开，停止板与板之间的传热。在设计过程中所遇到的最大难题是如何解决铝板运动过程带来的管路伸缩问题，为了解决这个问题，加上了套筒加软管的设计，其采用的是两端管道中间夹一个弹簧并将软管放置在弹簧内侧的结构，如图2所示。但在实验中发现，弹簧的形变方向难以控制，在有机热载体传热过程中弹簧进行形变后两边弹簧的形变方向都会受到温度和压强变化的影响，无法进行详细的分析得出弹簧明确的形变方向。在经过几番讨论后，决定在弹簧外侧套一个套筒来限制形变方向，这也是所采用的初步设计方案，然而在后期的实验中发现软管被压缩会导致管路内压强增大，存在很大的安全隐患。

图2 套筒加软管设计图

为合理地解决这个问题，本设计跳过管道的伸缩问题，直接对组合式能量转换器进行适度的改进，用步进电机带动齿轮替换尖式气缸的作用，将转换器的转换方式由原来的平动改为转动，考虑到平板的换热板不适合转动，又提出了将传热边平板的形状换成内曲面形，受热边的平板换成月牙形腔体，如图3所示，将平动改为转动的应对方案，其次考虑到换热器的热应力问题，将其实心平板改为腔体结构，最后合理的解决了这个板式换热器问题，并且将齿轮安装在腔体一侧，也可以更好地带动腔体的转动。

(a)传热工作时腔体接触图 (b)停用时腔体图图3 月牙式模型

2.2 其他改良性设计

2.2.1 换热器材料的选取

本文在换热器材料选取上主要依据材料的导热系数[4]，并根据成本进行评估选取。导热系数是指材料直接传导热量的能力，或称热导率。热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量，其单位为W/(m·℃)。用导热系数测试仪可以测量各种温度下金属的导热系数值，所测的数据如表1。

表1 不同温度下几种常见金属的导热系数值 W/(m·℃)

大部分换热器采用金属材料，不同金属材料的导热系数相差很大，而且同种材料在不同温度下的导热系数也不一样。由表1知，常用材料中银的导热系数最高，仅次于银的为铜和铝。但考虑到银和铜的经济成本过高，所以经过实际的分析，得出用铝合金作为换热器材料有益于节约成本。[5]

2.2.2 纤维状高导热碳粉

由于曲面和月牙形腔体在接触时相互会产生一定的摩擦及腔体表面存在细微不平整的问题，计划在接触面喷洒一种不影响传热并能起到一定润滑作用的物质。经过研究发现，纤维状高导热碳粉的导热率是铜的2～3倍，并且还具有良好的润滑性能，使用这种碳粉一方面可以减少接触时的摩擦，另一方面可以补偿板板换热时带来的部分热损失，在此基础上本文创新的月牙式换热器经过比较，可行性比原设计高，换热器接触面见图4。

图4 换热器接触面

2.2.3 气泡泵

在装置中还加入了气泡泵的思路，原设计中没有气泡泵，高温度的余热进入管道内，由于管道内部温度升高，压强增大，会致使管路遭到受热膨胀甚至破裂。若将管路留部分空隙进行受热膨胀，就减少了废热排放量，降低了余热利用率。为了克服这一缺点，提出气泡泵的思想，气泡泵就是真空容器中的溶液在外部热源作用下产生气泡，气泡上升到液体界面上方，使系统产生压力，在显热散热交换器和加热热交换器的作用下产生密度差的溶液，可利用热量进行循环，朝任意的方向传热。这样就把导热管路建造成封闭环境，不仅无需外接动力便能让导热物质流动起来，也无须增减导热物质，使用更加方便也更加安全。[6]

2.2.4 自动控制系统

利用单片机控制的原理将自动化加入到本文的设计中，用程序控制温度监测器和步进电机，到达设定温度时，步进电机开始工作，加热过程结束。当温度低于设定值时再次启动电机开始加热。当温度低于或高于船员所设的警戒温度时会发出警报，船员可以切换至手动模式，强制连通或断开换热器，以保证被保温物质的安全。[7]

3 月牙式换热器运行流程

月牙式换热器3D简化图如图5所示，它在整体上表达了月牙式换热器的设计理念，从船舶开始启动后，将本应该排废气给烟囱的船舶废气锅炉的尾气进入尾气道，通过排管换热器经过油路进入到月牙式换热器，此处曲面和月牙形腔体接触传递热量，为避免一定热量的损失以及能源的消耗，在月牙式换热器之间加入自动温控开关系统控制，再经导热管路进入到并联式换热器利用液氮加热器对液氮进行加热，当停止加热，即温度达到设定值时，自动化温控系统将自动启动，使得月牙式换热器相互分开从而阻止能量的传递。当装置停止工作时，排压保护阀能够存储和释放内部压力，防止油管爆裂。总体而言，其创新的思路就是通过船舶废气锅炉排出的尾气进行一个热交换，然后热传导物质将热量传递到中间创新的月牙式换热器，再借此传递给另一侧的换热物质，从而实现给货物或者油柜的保温。本文所设计的换热系统主要由传热物质，新型的组合式能量转移器，管道等组成，通过改变能量转换器一个接触情况来进行热量交换，更加简单、方便。

图5 月牙式换热器3D简化图

从柴油机排出的废气是通过二次利用被加热到400 ℃左右，通过废气涡轮增压机将废气吸入并压缩到一定的压力，然后经管路送至中间空气冷却器冷却，经冷却降温后的气体进入柴油机扫气箱，这时废气的温度达到300 ℃左右，废气从管道到达废气锅炉，再由废气锅炉传到排管换热器，此时废气温度为80～90 ℃，之后采用本文月牙式换热器的设计通过排管换热器进入油路进行废气的三次利用，运输到月牙形腔体的换热器中，用纤维状高导热碳粉减少摩擦，促进废气的传热以保持温度，然后通过油路进入到右边的并联式换热器，最后经过液氮加热器将热量传送到油柜对物品起到保温等作用。[8]废气再利用主要流程示意图如图6所示。

图6 废气再利用主要流程示意图

4 结束语

本文设计的月牙式换热器的工作过程是复杂的，中途的热量转化涉及到许多部件的协调工作。其主要研究了如何有效利用低品位废热，从而达到尾气的三次利用。目前为止本文已经对整个装置的结构设计进行了初步的分析，增加了船舶对于尾气的再利用环节，有效的减少了船舶对能量的损耗，同时本装置发展空间大，可以对多种船舶需要物质进行加热，对航运业的发展起到了推动作用。另外，由于全球变暖，北极航道的开辟[9]将成为航运业发展的必然趋势，但北极航道温度整体较低，对船舶日用油的保温控制就显得尤为重要，若将本装置安装在北极航道的船舶上，可以很大程度上解决日用油使用前的加热问题。虽然本装置现仍处于初级阶段，但是优点明显，随着科技的进步，本装置的体积将会逐步减小，不仅可以用于航运业，还可以转向陆地运输方向，在高铁、动车等交通运输工具上安装，推动陆地交通的发展。