劉家雷 強天偉 張 卓 向 俊

重力式氣-液型熱管換熱器的設計及應用

劉家雷 強天偉 張 卓 向 俊

（西安工程大學 西安 710048）

重力熱管是一種依靠工質介質相變傳熱，具有傳熱溫差小、熱響應速度快、換熱量大等優點的傳熱元件。為研究由重力熱管組裝而成的熱管換熱器在余熱回收方面的優勢，以西安某工程為例，根據設計要求，依據常規設計方法、整體設計思路，完整詳細地介紹了重力式氣-液型熱管換熱器的選型設計。最終經計算，選取54根長度為1500mm的重力熱管，按照4排叉排布管組裝成熱管換熱器，對4噸的燃氣鍋爐高溫煙氣進行余熱回收。通過經濟性計算分析，該設備投入使用一個采暖季可節省3977.89NCMH天然氣資源的消耗，可節省約7088.6元，設備前期的投資成本可在第二個采暖季末期收回。在國家大力倡導節能降耗的背景下，該設備具有非常可觀的經濟效益和節能效益。

重力熱管；熱管換熱器；設計計算；余熱回收；節能

0 引言

將適量的工質介質充入管內并抽成負壓后，密封形成的高效傳熱元件稱之為熱管[1]。熱管因管內液體沸騰相變、蒸氣凝結回流而能快速傳熱，熱管的傳熱速率及導熱能力遠超目前已知的任何金屬[2]。熱管原理最早被R S Gaugler于1944年提出。G M Grover在1963年再次獨立發表聲明了類似R S Gaugler的傳熱元件，并進行了性能測試實驗，正式命名該傳熱元件為熱管“Heat pipe”。Cotter在1965年首次提出了較為完整的熱管理論。我國于上世紀80年代初，熱管研究方向才轉向節能及能源綜合利用方面，隨著生產工藝的提升，重力熱管被應用于太陽能、糧食儲藏、能源回收利用等領域，近年來又提出了熱管制冰技術。

國內外學者在熱管理論方面不斷地深入研究。Han S E[3]等對內部有開槽的重力熱管的傳熱性能進行了研究，得出內部有凹槽重力熱管的傳熱系數約是無凹槽管的2.5倍。林春花[4]等研究通過對熱管內部表面拉螺紋槽，熱管內部工質的流動特性得以改變，通過改變內部結構，可以優化傳熱效果。Cho D H[5]等發現傾角對冷凝段的軸向加翅片重力熱管有比較顯著的影響。李科群[6]等提出冷熱流體可采用溫度連續式分布模型，導出了熱管換熱器換熱量的表達式。王丹[7]等借助Fluent軟件對熱管換熱器蒸發段進行數值模擬，分析不同流速和管距對換熱器的換熱效率、單位壓降換熱系數及管內蒸汽溫度的影響。孫星星[8]建立了熱管換熱器的CFD簡化模型，探究不同管間距和水流量下熱管換熱器傳熱及阻力變化規律。張勁草[9]等以銅-水重力熱管為研究對象，研究其蒸發段和冷凝段的長度及位置對重力熱管傳熱性能的影響。

綜上所述，國內外學者不斷地對影響熱管換熱效率的充液率、傾斜角度、長度比、排間距等因素進行深入研究，為熱管換熱器的設計提供理論數據。目前，對于重力式氣-液型熱管換熱器的選型設計計算的研究較少，因此本文將根據實際工程的工況參數，結合實際生產需求，采用常規的設計方法進行選型計算，設計選型出合適的重力式氣-液型熱管換熱器對4噸燃氣鍋爐進行余熱回收，提高鍋爐工作效率并帶來節能效益，為重力式氣-液型熱管換熱器在節能領域的廣泛應用提供設計參考。

1 熱管換熱器介紹

1.1 工作原理

重力式氣-液型熱管換熱器由單支熱管組合而成，每根熱管獨立運行，冷熱流體被隔板分離[10]。隔板下側為高溫煙氣側，上側為水側。高溫煙氣所攜帶熱量流經熱管蒸發段時，管內工質受熱發生相變汽化，經絕熱段將熱量傳遞至冷凝段，冷流體被加熱，工質冷卻回流，在重力及毛細作用力下回流至蒸發段，依次完成熱量的傳遞[11]，圖1為氣-液型熱管換熱器的基本構造，圖2為熱管原理圖。

圖1 換熱器設計圖

圖2 熱管原理圖

1.2 安裝位置

熱管換熱器設備就近安裝于鍋爐排煙尾部，采取逆流換熱方式，將鍋爐排煙口與換熱器煙氣側采用風管法蘭連接，保證密封不漏氣。高溫煙氣經換熱器后被冷卻，由排煙管道排出；在換熱器水側采用焊接方式，供熱系統一次側部分回水經換熱器入口流入換熱設備，被高溫煙氣加熱后，由出口與供熱系統一次側供水管道連接，在一次側水泵的作用下，參與系統換熱，構成一個循環。分別在煙氣側進出位置預留壓力與溫度監測點，在換熱器水側進出口及一次側供回水管道預留溫度檢測點，便于檢測設備探頭的安裝。圖3為設備安裝及檢測點示意圖。

圖3 設備安裝及檢測點示意圖

2 工程概況及設計要求

2.1 工程概況

西安市某小區采用型號為CWNS2.8-95/65-Q的兩臺2.8MW常壓臥式燃氣熱水鍋爐作為熱源，采用并聯模式安裝，向供熱系統提供熱量。鍋爐煙氣采用自然排煙法排放，無動力輔助設備。表1為鍋爐基本參數表，供換熱器選型設計參考。

表1 燃氣鍋爐基本參數表

2.2 設計要求

保證系統正常運作下，采用重力式氣-液型熱管換熱器回收煙氣余熱，用于加熱一次側回水，使水側溫度升高不低于15℃。在換熱器水側，要求設備安裝運行后，保證不影響供熱系統一次側水力平衡，不發生漏水現象。在換熱器煙氣側，要求換熱器所造成的壓損不影響鍋爐系統正常排煙，避免出現阻力過大從而影響鍋爐正常開車，避免出現酸腐蝕情況，保證系統正常運作，換熱器煙氣側壓降控制在80Pa以內。表2為換熱器設計要求。

表2 換熱器設計要求

3 熱管換熱器的設計及計算

3.1 設計思路及方法

熱管換熱器的設計，其主要任務在于確定熱管的總傳熱系數[12]，根據總熱負荷及傳熱溫差求得總傳熱面積，從而確定熱管的根數。熱管換熱器的設計方法與常規換熱器的設計方法類似，需考慮換熱器的迎面風速（2～3m/s），選定合適的翅片管參數，控制換熱器的壓降和溫降，對于工程實踐在缺少經驗的前提下，對于重要設計參數公式應進行驗證。

熱管換熱器的設計方法主要有常規設計法、離散型設計法和定壁溫設計法[13]。本文研究的是換熱器為重力式氣-液型熱管換熱器，根據實際工程參數，結合實際生產需求采用常規計算方法，整體設計思路，將熱管換熱器看作為一塊熱阻很小的“間壁”，認為熱量經熱管從蒸發段不斷地傳遞至冷凝段，熱流體沿流動方向不斷地被連續冷卻。以蒸發段外表面積為基準的換熱系數作為設計依據[14]對換熱器進行選型設計計算。

3.2 工質與管材選型

由表2所列參數計算煙氣側放熱量Q，根據熱量傳遞質量守恒可計算出熱量從加熱段傳遞至冷凝段的熱量Q，考慮熱量傳遞過程中存在熱量損失值，取熱損值為3%[12]。

煙氣放熱量Q：

傳遞至冷流體側的熱量Q：

則可加熱熱水量2：

根據表2中的參數，計算熱管的工作溫度，進而確定工質和管材。該換熱器為氣-液型熱管換熱器，取=3[15]，計算如下：

煙氣入口側的熱管工作溫度T：

煙氣出口處的熱管工作溫度T：

根據客戶意見并考慮換熱器加工制造成本，故選取氨作為熱管管內工質，選取鋁管作為基管管材，翅片采取直接切削擠壓一次成型。煙氣側采用翅片管，水側采用光管，所用熱管的規格尺寸如下表3所示。熱管在換熱器內采用正三角形叉排布管（見圖4），橫向管排間距1=52mm，縱向間距2=45.03mm。

表3 熱管幾何特性

圖4 熱管平面叉排布置圖

3.3 每米管長上的計算

每米管長的翅片數目n：

n=1000/6=166片

每米管長上的翅片面積A：

式中，d為翅片管外徑，mm；0為光管外徑，mm；為翅片厚度，mm。

每米管長上的翅片間光管面積A：

式中，為翅片間距，mm。

每米管長上的光管面積0：

翅化比：

3.4 確定結構尺寸長度比值

加熱冷凝段長度比選擇，根據實際運用經驗值，計算熱管經濟長度比值，取加熱段傳熱系數1=260W/(m2·℃)，冷凝段傳熱系數2=2200W/(m2·℃)

經

由安全長度比[]公式驗證經濟性長度比的可行性，要求經[]，以保證熱管的安全運行[15]。

取1=120℃，[T]=120℃，2=65℃，帶入計算的[]=8.2，則經濟性長度比符合設計要求，本設計中擬采用長度比為3。

3.5 參數設定及結構設計

設計中選取的煙氣側迎面風速=2.5m/s，管間距為52mm時的熱管換熱器導熱能力最佳[7]。計劃采用1500mm的管材制作熱管，根據長度比及加熱工藝取蒸發段L=1080mm，冷凝段L=360mm，絕熱段0=30mm，預留加工耗損30mm。實際長度比為3，水側采取單管程設計流道。

煙氣側迎風面積1：

選取熱管設計迎風面寬度為0.71m，第一排管根數=0.71/0.052=13.65m根。設計選取第一排管為14根。則實際寬度為14×52+44=772mm，則定型寬度取值為780mm。

實際迎風面質量流速1：

水側質量流速2：

3.6 換熱面積與根數的確定

考慮到生產工藝與阻垢的影響，由文獻[15]選取傳熱系數0=150W/(m2·℃)進行設計計算。當Δ1Δ2≤2時，可以用平均溫差替代對數溫差，誤差控制范圍在4%。

平均溫差Δ：

傳熱面積：

管根數N：

式中，1為蒸發段熱管長度，mm。

根據熱管叉排布局及阻力問題，選取10%的富余量，則熱管選取54根，采取14/13/14/13的4排管分布。

實際傳熱面積A：

單支熱管的傳熱量：

4 設計校核及換熱器規格定型

根據表2中的參數計算出煙氣側平均溫度1=95℃，水側平均溫度2=52.5℃，查得冷熱流體熱物性參數（見表4）。

表4 冷熱流體熱物理物性參數

4.1 管外表面換熱系數的計算

煙氣側最窄流通面積1：

式中，1為垂直于氣流方向橫向管間距，mm；為翅片高度，mm；為迎風面的熱管數，支。

水側最窄流通面積2：

煙氣側雷諾數Re1：

水側雷諾數Re2：

對于叉排環形翅片管換熱系數以翅片管外表面積為基準的換熱系數α計算[15]，對于高翅片管束：，。

4.2 管壁熱阻計算

考慮到煙氣中雜質流經熱管時所產生的黏附現象，在計算熱阻時，增設污垢熱阻污[14]。取污=0.0003W/(m2·℃)，由下式計算0：

由公式Q=KADT=154.56×16.12×42.5= 105.889kW >95.12kW。由于>Q，則設計換熱器能滿足傳熱需求。

4.3 煙氣側阻力計算

計算摩擦系數：

則單排管壓降為6.492/4=1.623mmH2O，約為15.9Pa。

進行壓力驗證：

即阻力符合設計要求。

4.4 管壁溫度計算

為保證熱管在運行過程中不發生露點腐蝕，對末排熱管的管壁溫度進行校核計算[16]，由下式計算

計算發現換熱器的末排（第4排）熱管管壁可能出現腐蝕，故需在熱管表面噴涂高溫防腐蝕漆來進行防腐處理。

4.5 熱管換熱器的定型

所有參數均在設計要求下定型，選取中點溫度所對應熱物理性參數進行設計，設計風速為2.5m/s，迎風口規格為1080mm×780mm（寬×高）。經過校核計算，最終選定以1500mm鋁管做基管，采用正三角形叉排布管，共用54根熱管，4排管排列，長度比為3，蒸發段長度為1080mm，冷凝段長度為360mm，蒸發側有效換熱面積為16.12m2，冷凝段有效換熱面積為1.47m2，壓降為63.66Pa。圖5為熱管換熱器設計圖，圖6為重力式氣-液型熱管換熱器實物圖，圖7為安裝施工現場圖。

圖5 熱管換熱器設計圖

圖6 換熱器實物圖

圖7 現場安裝圖

5 節能及經濟性分析

重力式熱管換熱器對燃氣鍋爐進行余熱回收的總投資為16000元，按西安市采暖季120天計算，經實測鍋爐煙氣降低7.2℃（取全天平均值），則1小時煙氣回收節約的熱量：

1.07×7000×0.91×(95.5-88.3)=49074.48kJ/h=1174.31kcal/h

天然氣低位發熱值按8500kcal/NCMH計算，則每小時節約天然氣：

1174.31/8500=1.382NCMH

設備在一個采暖季可節約3977.89NCMH，按天燃氣單價1.98元/Nm3，鍋爐效率取90%計算，則一個采暖季可節省7088.6元。熱管換熱器運行期間無需專人維護，可在第二個采暖季末期收回設備前期投資成本。

6 結語

本文結合實際工程對熱管換熱器的選型設計進行了詳細的介紹，為解決類似的工程問題提供了設計思路，從整個設計計算過程來看，熱管換熱器的各個參數相互關聯影響，在估算選出熱管的基礎上，需要對估算值進行驗證，以此來檢驗選型設計是否合理。

本文設計出4排重力式氣-液型熱管換熱器對燃氣鍋爐的高溫煙氣進行余熱回收，以提高鍋爐效率，達到節能減排要求為目的。該熱管換熱器總投資約16000元，按西安市采暖季為120天計算，一個采暖季所帶來的節能效益可達7088.6元，可在第二個采暖季末期收回設備投資成本。

現場安裝測試時，發現煙氣出口溫度普遍偏高，原因在于煙氣與熱管之間的換熱不充分，熱管排數過少而導致的。因此，在以后的設計中盡量優化熱管換熱器結構設計，適量加大迎風面風速，在安全長度比許可范圍內，使用較大長度比加強熱管煙氣側換熱長度，將重力式氣-液型熱管換熱器的外型設計為長窄式并增加熱管排數來提高換熱效率。

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Design and Application of Gravity-type Gas-liquid Heat Pipe Exchanger

Liu Jialei Qiang Tianwei Zhang Zhuo Xiang Jun

( Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048)

The gravity heat pipe is a heat transfer element that relies on the phase change of the working medium to transfer heat, and has the advantages of small heat transfer temperature difference, fast thermal response, and large heat exchange. In order to study the advantages of heat pipe heat exchangers assembled by gravity heat pipes in waste heat recovery, this article takes a project in Xi’an as an example. According to design requirements, conventional design methods and overall design ideas, a complete and detailed introduction of gravity gas- Selection design of liquid heat pipe heat exchanger. Finally, after calculation, 54 gravitational heat pipes with a length of 1500mm are selected and assembled into a heat pipe heat exchanger according to the four-row cross-arranged pipes to recover waste heat from the high-temperature flue gas of a 4-ton gas boiler. Through economic calculation and analysis, the equipment used in one heating season can save the consumption of 3,77.89NCMH natural gas resources, which can save about 7088.6 yuan, and the initial investment cost of the equipment can be recovered at the end of the second heating season. Under the background that the country vigorously advocates energy saving and consumption reduction, the equipment has very considerable economic and energy-saving benefits.

Gravity heat pipe; heat pipe heat exchanger; Design Calculation; Waste heat recovery; Energy saving

1671-6612（2021）03-419-08

TK172

A

劉家雷（1996.05-），男，在讀碩士研究生，E-mail：286685129@qq.com

強天偉（1970.11-），男，教授，碩士生導師，研究領域為暖通空調、樓宇自控、空氣潔凈，E-mail：254599797@qq.com

2020-12-15