一種新型相變材料及列管式換熱器的研究熱器

宋灃(荊楚理工學院，湖北荊門 448000)

一種新型相變材料及列管式換熱器的研究熱器

宋灃(荊楚理工學院，湖北荊門 448000)

1 相變材料

1.1 機理分析

氫氧化鋇作為白色結晶或者無色單斜結晶，熔點為72℃，密度是2.189／cm3，相變潛熱較高，一般是244kJ／kg，微溶于醇，可以溶于水，不溶于丙酮，其水溶液呈現強堿性，在空氣中可以碳酸鋇進行吸收。然而氫氧化鋇一般是有毒的，腐蝕性也往往較強，從而刺激著皮膚。同時在實際的使用過程中，仍然具有一定局限性。若是把其在陶瓷基中進行運用時，需要把其置入陶瓷機體中，對其這類缺陷進行彌補。利用重晶石高溫狀況還原焙燒，有效的浸取，對澄清液靜置，并且和鹽酸進行反應，100℃～11O℃環境中，從而生成氯化鋇溶液，同時促進其和過量燒堿于展開復分解反應。

1.2 添加劑篩選實驗

在實際的添加劑篩選實驗中，需要選擇添加劑，即硫酸鋇、氯化鋇。分別把其融入至氫氧化鋇內，從而構成兩種實驗所需要使用的氫氧化鋇蓄熱體系。在測定蓄熱體系相變持續時間以及相變溫度的基礎上，挖掘出有著優良成核效果的添加劑。選取以下組合。其一就是將氫氧化鋇融入硫酸鋇中，使其質量占在蓄熱體系中的6%；其二就是純物質氫氧化鋇；其三就是在氯化鋇融入氫氧化鋇，使其所占的質量為蓄熱體系的6%。第一組的融化凝固狀態較為穩定，過冷度部超過3℃，相變過程科研持續30min上下，其過程較為平穩，然而在實際的熔融狀態極易發生分層情況，通過觀察一般可以分為三層。第一層呈現白色泡沫狀，第二層呈現透明狀液體，第三層呈現白色沉淀狀。一般情況下，熔融狀態與凝固狀態發生的狀況是保持一致的。由此可知，要想有效的解決氫氧化鋇問題，首當其沖就是除了分層現象。第二組蓄熱體系還具有顯著的分層現象，和純物質氫氧化鋇相比，此蓄熱體系可以分為兩層，白色泡沫體逐漸消失，白色沉淀卻在逐漸的增多。所以，可以知道融入硫酸鋇并不可以對氫氧化鋇的實際分層問題進行有效的解決。對于熔融、凝固狀態而言，第三組的蓄熱體系科研展現出優良的相變儲能材料性能，過冷度部超過l℃，相變過程連續超過26min，過程較為平穩，沒有出現顯著的分層情況，由此可知在融入6%氯化鋇后，過冷度得到了一定程度上的減小，分層現象也在逐漸的消失。綜上所述，該類組合可以算是一類理想的蓄熱器。

2 列管式換熱器

2.1 基本結構

列管式換熱器的實際工作原理其實就是通過進口把熱流體向熱管內部進行傳入，在完成與冷流體的交匯后，展開換熱，待溫度降低后，再由出口排出，與此同時，由空氣進口將冷流體傳至末節換熱器，借助橫流的方式進行換熱，再利用隔流板進行折流，接著通過第二節換熱器，從而引發第二次的折流，接著再通過換熱器，最終就把具有較高溫度的冷流體向熱裝置導入。針對列管式換熱器的基本結構來說，主要涉及了管板、封頭、殼體、換熱管等方面，同時其傳熱管就是核心部位，而傳熱管束其實就是數根傳熱管展開組合的結果，若是將傳熱管束在管殼內進行固定，從而構成列管式換熱器。

2.2 類型

一般情況下，主要是依據管殼以及管板兩者之間的聯結模式來對列管式換熱器的類型進行劃分，通常涉及了U形管式、固定管板式、雙管板式、浮頭式、插管式等。眾所周知，固定管板式的換熱器在結構上較為簡單，所需要的制造成本一般不高，廣泛的應用于小型爐上中，然而正是因為管道外側清掃起來較為麻煩，再加之冷熱流體溫度存在較大的差異性，致使管殼材質極易出現熱膨脹的情況，從而引發斷裂現象的出現。比如對于浮頭式換熱器而言，管殼是與下端管板進行連接的，其上端管板是浮動式，可以自由進行移動，其結構叫我牢靠，安裝方便，不具有熱膨脹效果，然而最大的問題就是其造價較高，對浮動管板的密封性也具有較高的要求。針對U形管式換熱器來說，主要的按照其傳熱管形狀來進行命名的，其結構本身就是一頭是懸空的狀態，一頭是管板，管束與管板可以隨意取出，管子可以自由膨脹，清掃起來也較為方便，然而難以清掃傳熱管道內部，無法進行更換;

2.3 列管式換熱器設計

在實際的列管式換熱器設計過程中，需要在保證傳熱需求的同時，還需要使傳熱效率與具體的設計規范相適應，在一定程度上由于列管式換熱器本身就具有便于維護、體積小、消耗材料少、質量輕等優點，這就需要在設計工作中嚴格依據實際的化工生產工藝條件對化工工藝展開計算，以期計算得到換熱器的具體傳熱面積，接著逐個對管長、管徑、管程數、管數、殼程數進行明確，展開相關的機械設計。其中機械設計主要涉及了:（一）壓力容器法蘭、換熱器封頭型號；（二）開孔補強、接管法蘭、接管；（三）客體、殼體直徑壁厚；（四）管板尺寸；（五）計算折流板；（六）計算管子拉脫力；（七）溫差應力。

3 設計過程

第一步：選取換熱器類型，片段兩類流體的溫度變化情況，換熱器選擇的是自來水展開冷卻，充分考慮換熱器的實際殼體溫度與管壁溫度的溫差，由此應用的是U型管式換熱器。由于冷卻水極易出現水垢，要想清洗方便，還需要進一步保證空氣走殼程，循環水走管程，嚴格依據管內的流體流速范圍，選取參數值，確保其管內流速是1m/s。由于空氣為熱流體、水為冷流體，這些均是不具有腐蝕性的物質，鑒于此，換熱器的材質就可以選取經濟較強的碳鋼，也就是碳鋼管。將相變材料換熱技術有機的結合熱管技術被作為是一種行之有效的新型節能技術，其相變材料導熱系數不高，在相變蓄熱領域中大力的應用熱管作為換熱元件可以對相變蓄熱系統進行有效的改進，進一步強化換熱效率，另一方面，還可以對排氣余熱進行充分的利用，不僅節省了燃料，還減少了實際的污染物排放量，和我國可持續發展的戰略需要相適應。