振蕩流熱管研究現(xiàn)狀及在干燥系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

   柴本銀　　　　李選友　　　　　周慎杰　　　　史勇春　彭麗華

  (山東大學(xué))　(山東省科學(xué)院)　　(山東大學(xué))　　　 (山東省科學(xué)院)

    摘要：對(duì)振蕩流熱管及振蕩流熱管換熱器研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,并對(duì)振蕩流熱管換熱器用于干燥余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,自激振蕩流熱管是一種高效的傳熱元件,利用這種熱管研制出的高效換熱器完全適用于干燥尾氣的余熱回收。

    關(guān)鍵詞：振蕩流熱管　換熱器　余熱回收　干燥系統(tǒng)

    中圖分類號(hào)：TQ051·5　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　　文章編號(hào)：0254-6094(2009)02-0078-05

    國家“十一五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見,把余熱余壓利用作為十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。干燥廣泛涉及化工、石化、建材及環(huán)保等領(lǐng)域,它不僅是大批產(chǎn)品不可或缺的基本生產(chǎn)環(huán)節(jié),也是其生產(chǎn)過程的主要耗能環(huán)節(jié),國外干燥設(shè)備能源利用率在70%以上,而我國普遍使用的干燥設(shè)備能源利用率為40% ~50%。因此,節(jié)能的潛力巨大。熱管作為一種高效傳熱元件,廣泛用于熱能轉(zhuǎn)換和利用的各個(gè)領(lǐng)域,在各種換熱設(shè)備特別是系統(tǒng)余熱回收中發(fā)揮著越來越重要的作用。振蕩流熱管是AkachiH等日本學(xué)者[1, 2]于1994年發(fā)明的一種新型高效的傳熱元件,它是將長的毛細(xì)管彎曲成的蛇形管(由若干細(xì)直管道和若干彎頭組成),劃分為加熱段、冷凝段和隔熱段3部分,當(dāng)管徑足夠小時(shí),在真空下封裝在管內(nèi)的工質(zhì)將在管內(nèi)形成液、氣相間的柱塞。由于氣液柱塞交錯(cuò)分布,因而在管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)高效熱傳遞。

    1　振蕩流熱管研究現(xiàn)狀

    1.1　工作原理研究

    振蕩流熱管的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與普通熱管相比有很大的差異[3]。其工作原理是:當(dāng)管徑足夠小時(shí),在真空下封裝在管內(nèi)的工質(zhì)將在管內(nèi)形成液、氣相間的柱塞。在加熱段,氣泡或氣柱與管壁之間的液膜因受熱而不斷蒸發(fā),導(dǎo)致氣泡膨脹,并推動(dòng)氣液柱塞流向冷端冷凝收縮,從而在冷、熱端之間形成較大的壓差。由于氣液柱塞交錯(cuò)分布,因而在管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)高效熱傳遞。

    小管徑和冷熱端反復(fù)的折彎是形成振蕩流熱管的兩個(gè)基本條件。此外,振蕩流熱管還具有以下特點(diǎn)[3, 4]:

    a.體積小,結(jié)構(gòu)簡單,成本低。管徑小決定了整體尺寸小;不需要吸液芯,這就減少了熱管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本;振蕩動(dòng)力來自于振蕩熱管本身,無需其他附屬設(shè)備,從而降低了運(yùn)行和維護(hù)成本。

    b.傳熱性能好。除通過相變傳熱外,振蕩熱管還通過氣液振蕩傳遞顯熱以及將熱量轉(zhuǎn)為功;在合適的充液率下,振蕩熱管的熱流密度可以很大而不會(huì)燒干(充有50%的R142b、內(nèi)徑為0. 5mm的玻璃管式振蕩流熱管,在豎直工作時(shí)傳輸?shù)臒崃髅芏瓤蛇_(dá)1 000W /cm2,顯著高于普通吸液芯熱管的50W /cm2)[5]。

    c.適應(yīng)性好。振蕩流熱管的形狀可以任意彎曲;可有多個(gè)加熱段和冷卻段,而且加熱和冷卻的部位任意選取;能在任意傾斜角度和加熱方式下工作,這就大大增加了它的適應(yīng)性,擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。

    1.2　振蕩流熱管傳熱的影響因素研究

    影響振蕩流熱管運(yùn)行與性能的因素有很多,國內(nèi)外已有研究主要集中于以下方面:幾何參數(shù)對(duì)傳熱效果的影響,如振蕩熱管的總長、直徑、截面形狀以及加熱段(冷卻段或絕熱段)的長度和通道彎數(shù);物理參數(shù)對(duì)傳熱效果的影響,如工作介質(zhì)的填裝率和物性,管子材料的物性;運(yùn)行參數(shù)對(duì)傳熱效果的影響,如加熱和冷卻的方法、位置及熱流密度的大小,工作時(shí)熱管的傾斜角度。

    1.2.1　最大管徑的確定

    管徑須足夠小,才能使液塞和氣泡能夠在表面張力的作用下共存,最大內(nèi)直徑可由下式確定[6]:

                   

    式中　σ———液體工作介質(zhì)的表面張力;

    ρ1———液體工作介質(zhì)的密度;

    g———重力加速度。

    常用工作介質(zhì)對(duì)應(yīng)的最大管徑為水—5. 154mm、丙酮—3. 136mm、乙醇—3. 125mm、R142b—2. 104mm。如果管徑太小,則克服毛細(xì)力的壓頭就要明顯升高,從而影響振蕩效果。

    Charoensawan P等人[7]比較了不同管徑閉合回路振蕩熱管中水、R123和乙醇對(duì)傳熱性能的影響發(fā)現(xiàn),管徑為2mm時(shí),水的傳熱效果最好;管徑為1mm時(shí),水的傳熱效果最差。該結(jié)論就是物性和管徑耦合作用的結(jié)果。

    1.2.2　通道彎數(shù)與傾斜角度

    AkachiH等[1]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)振蕩流熱管的通道彎數(shù)大于某一數(shù)值時(shí),其熱阻與傾斜角度無關(guān)。即在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,底端加熱、水平加熱和頂端加熱時(shí)的熱阻相近,通道彎數(shù)的臨界值為80。SchneiderM等[8]證實(shí)了臨界值的存在,認(rèn)為臨界值與介質(zhì)、管徑和熱流密度有關(guān)。當(dāng)通道彎數(shù)小于臨界值時(shí),水平和頂端加熱時(shí)運(yùn)行較差;底端加熱,垂直放置的工況下傳熱量最大。

    1.2.3　充液介質(zhì)物性

    充液介質(zhì)物性包括表面張力、比熱容、汽化潛熱、動(dòng)力黏度、密度以及飽和狀態(tài)下壓力隨溫度的變化率等,其中汽化潛熱和飽和狀態(tài)下壓力隨溫度的變化率對(duì)振蕩特性的影響比較顯著。

    SchneiderM等[8]分析認(rèn)為,應(yīng)該存在一個(gè)最佳的汽化潛熱值。由于加熱段氣泡的生成和長大速率與汽化潛熱值成反比,如果潛熱值太小,那么氣泡生成得過快,把液柱都?jí)旱嚼鋮s段,導(dǎo)致傳熱惡化,該問題可以通過增加充液率來改善;如果潛熱值太大,那么氣泡生成和長大的速度減慢,壓力脈沖也相應(yīng)減小,從而影響振蕩的頻率和幅度。Rittidech S等[9]研究開放回路振蕩熱管,通過對(duì)比水、乙醇和R123得出結(jié)論:汽化潛熱值愈低,最大傳熱量與水平放置傳熱量的比值就愈大,并得出擬合公式:

    Qmax/Q0=2. 53-0. 0001H

    式中　Qmax/Q0———最大傳熱量與水平放置傳熱量的比值;

    H———汽化潛熱, kJ/kg。

    1.2.4　充液率

    充液率為工作介質(zhì)的總體積占振蕩熱管內(nèi)部總?cè)莘e的百分比。AkachiH等[1]認(rèn)為充液率應(yīng)大于50%; Charoensawan P等[10]在銅-水閉合回路振蕩流熱管實(shí)驗(yàn)中得出最佳充液率為50% ~70%;GiK等[11]在聚四氟乙烯-R142b的可視化實(shí)驗(yàn)中得出的最佳充液率為50% ~60%;Miyaza-kiY等[12]研究了內(nèi)徑為1mm、通道彎數(shù)為30的銅-R142b閉合回路振蕩熱管在不同加熱方式條件下的傳熱特性發(fā)現(xiàn),不同的加熱方式對(duì)應(yīng)著不同的最佳充液率:底端加熱時(shí)合適的充液率較寬;水平加熱的最佳充液率在45% ~55%;頂端加熱時(shí),基本限制在35%左右。

    1.3　振蕩流熱管單元強(qiáng)化傳熱研究

    1.3.1　自激強(qiáng)化

    自激強(qiáng)化即沒有外場作用的強(qiáng)化方法。非均勻截面熱管和采用納米流體做為工作液體均屬于自激強(qiáng)化。許多學(xué)者研究表明,將納米粒子加在流體中形成的工質(zhì)———納米流體,它的導(dǎo)熱系數(shù)比其他流體大很多[13, 14],將其用作振蕩流熱管的工作液體無疑會(huì)強(qiáng)化熱管的傳熱性能。華北電力大學(xué)商福民等人[15]實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,非均勻截面熱管和以納米流體為工作液體的熱管傳熱性能有顯著提高。

    1.3.2　受激強(qiáng)化

    受激強(qiáng)化即通過施加外場強(qiáng)化熱管的傳熱。脈沖加熱與聲控化強(qiáng)化傳熱的方法均屬于受激強(qiáng)化。脈沖加熱即采用高熱流、短脈沖的加熱方式代替常規(guī)連續(xù)熱源加熱,通過外部施加的熱沖擊增強(qiáng)管內(nèi)工質(zhì)脈動(dòng)機(jī)制,達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。華北電力大學(xué)冼海珍等人[16]前期研究結(jié)果表明,相同加熱功率條件下,當(dāng)脈寬在200~1 000m時(shí),脈沖加熱熱管的傳輸熱量與當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)均顯著大于連續(xù)加熱時(shí)。聲控化是指向液體中輻射超聲波并使聲強(qiáng)達(dá)到一定閾值時(shí),在液體中出現(xiàn)的微小氣泡束隨著聲壓的變化做脈動(dòng)、振蕩,并伴隨有生長、收縮以至破滅的現(xiàn)象。聲控化對(duì)傳熱強(qiáng)化效果顯著,Nomura S和MurakamiK[17]就超聲波振動(dòng)方向?qū)λ桨鍌鳠岬挠绊戇M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,聲控化強(qiáng)化單相對(duì)流傳熱效果可高達(dá)3倍。

    1.4　振蕩流熱管換熱器研究

    山東省科學(xué)院工業(yè)節(jié)能研究中心2008年研制了國內(nèi)首臺(tái)振蕩流熱管換熱器[18, 19],進(jìn)行了性能測試和干燥尾氣余熱回收的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,自激振蕩流熱管是一種高效的傳熱元件,利用這種熱管研制出的高效換熱器完全適用于干燥尾氣高濕廢氣的余熱回收。

    2　振蕩流熱管換熱器在干燥系統(tǒng)中的應(yīng)用

    通常,包括水蒸氣的潛熱,從干燥器出來尾氣攜帶了輸入系統(tǒng)總熱量的80%,國內(nèi)外許多研究者對(duì)干燥機(jī)尾氣的余熱利用進(jìn)行了大量的工作,但由于干燥機(jī)尾氣的溫度較低(70~150℃)且缺少成本低、效率高的換熱方法和換熱裝置,作者研究證明,振蕩流熱管換熱器用于干燥尾氣余熱回收,效果明顯。

    2.1　干燥余熱回收系統(tǒng)

    如圖1所示,濕物料由輸送機(jī)輸送至干燥機(jī)的進(jìn)料口,落入干燥機(jī)內(nèi)。自然風(fēng)通過振蕩流熱管空氣換熱器被預(yù)熱,經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓,送入系統(tǒng)換熱器被加熱至干燥所需溫度后,進(jìn)入干燥機(jī),使干燥機(jī)內(nèi)物料干燥。通過控制物料在干燥機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間,使物料進(jìn)行充分的干燥。干燥合格的物料通過干燥機(jī)出料口排出,可與從旋風(fēng)除塵器收集的干粉一起輸送至成品料區(qū)。從干燥機(jī)排出的尾氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器凈化后,由系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)吸送至振蕩流熱管空氣預(yù)熱器,預(yù)熱干燥介質(zhì)后排空。

                    

    尾氣進(jìn)入振蕩流熱管換熱器的下部尾氣集箱,沖刷振蕩流熱管加熱端,熱管被激活,熱管內(nèi)形成的氣-液柱塞產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩,從而實(shí)現(xiàn)熱量的高效傳遞。將熱量傳遞至上部冷卻端。尾氣中的水蒸氣冷凝放熱后,冷凝水由尾氣集箱底部的排水口排出。常溫空氣在鼓風(fēng)機(jī)作用下,沿空氣集箱冷卻端逆向流動(dòng)沖刷熱管冷卻端,吸收冷卻端放出的熱量,溫度升高。

    2.2　振蕩流熱管換熱器

    2.2.1　氣-氣振蕩流熱管換熱器

    氣-氣振蕩流熱管換熱器可以作為新風(fēng)預(yù)熱器使用。在工業(yè)生產(chǎn)中有大量低品位尾氣余熱資源,振蕩流熱管換熱器可以回收排放的尾氣余熱同時(shí)預(yù)熱新風(fēng),預(yù)熱后的新風(fēng)借助動(dòng)力可以到達(dá)工廠內(nèi)需要熱風(fēng)的場所,從而實(shí)現(xiàn)余熱資源回收利用。例如在干燥、煅燒系統(tǒng)中被空氣預(yù)熱器加熱的新風(fēng)可以回到原系統(tǒng)作為干燥、煅燒介質(zhì)使用從而真正達(dá)到節(jié)能減排的目的。

    2.2.2　氣-液振蕩流熱管換熱器

    氣-液振蕩流熱管換熱器可以作為熱水的熱源使用。振蕩流熱管換熱器可以回收工業(yè)排放的尾氣余熱同時(shí)加熱冷水,受加熱后的熱水借助動(dòng)力可以到達(dá)工廠內(nèi)需要熱水的場所,從而實(shí)現(xiàn)余熱資源回收利用。例如鍋爐煙氣(干燥、煅燒系統(tǒng)尾氣)余熱被振蕩流熱管換熱器回收可以作為熱水的熱源使用從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。2.3　振蕩流熱管換熱器的換熱性能評(píng)價(jià)振蕩流熱管換熱器的換熱性可以用熱回收效率來評(píng)價(jià),熱回收效率η的計(jì)算公式為：

                   

    2.4　應(yīng)用實(shí)例

    以木材干燥為例,一般來說,在木材干燥隧道中,出口氣體流速和進(jìn)口氣體流速的比率大約是1. 7。因?yàn)閺U氣流中攜帶水氣,換熱器按照如下條件設(shè)計(jì):

    尾氣流量(80℃)　96m3/h

    相對(duì)濕度　85% ~90%

    新鮮氣體流量( 25℃)　48m3/h

    熱回收率　大于18%

    根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)自激振蕩流熱管換熱器,并對(duì)其進(jìn)行測試。換熱器是由9組不銹鋼自激振蕩流熱管組成(圖2),每根熱管的長度為22m,共有26彎。尾氣和新鮮氣流的通道面積都是400×400mm2的方形截面,長度為1m,管中工作流體是充液率為50%的酒精。測試結(jié)果表明,熱回收率在19%以上[19]。

                  

    3　結(jié)束語

    隨著振蕩流熱管實(shí)驗(yàn)和理論研究日益深入,人們對(duì)高效傳熱元件———振蕩流熱管有了新的認(rèn)識(shí),它不僅具有優(yōu)良的傳熱性能,還有結(jié)構(gòu)簡單、能隨意彎曲、可采用不同的加熱方式和加熱位置等優(yōu)點(diǎn),較傳統(tǒng)熱管技術(shù)有明顯的優(yōu)勢,利用該熱管研制出的高效換熱器完全適用于干燥尾氣的余熱回收。振蕩流熱管換熱器作為一種先進(jìn)的熱管技術(shù)和裝備,有著廣闊的應(yīng)用前景和研究意義。

    參考文獻(xiàn)：略