熱管換熱器裝置的研究與應用

高春梅，周 陽

（中國樂凱集團有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

光學薄膜生產的必備工序是流延成型[1]，光學薄膜成型過程中在機體內通入設定溫度的熱風對薄膜烘干，回風攜帶揮發的氣體進入冷凝裝置進行冷凝，并經蒸汽進行二次加熱循環送回至機體。回風中含有較高的熱量，經冷凝裝置降溫冷凝，又進行蒸汽二次加熱造成了熱量的浪費，回風是一種優質的余熱資源，具備薄膜成型的余熱回收的高溫、風量大的特點。以TAC光學薄膜生產線為例，回風溫度40 ℃，風量1 600～1 700 m3/h，是重要的次生熱能資源。

利用熱管進行余熱回收的換熱裝置，與一般的換熱裝置比較，有換熱效率高的優勢。占用設備空間也有較明顯的優勢，僅是一般換熱裝置的1/3。本文重點討論熱管余熱回收裝置在光學薄膜生產中的應用，利用熱管將光學薄膜機體回風中的余熱回收，并通過熱管余熱回收裝置經冷凝裝置后的回風，提升回風溫度，降低利用蒸汽進行二次加熱回風帶來的熱量浪費，減少蒸汽消耗。

2 熱管換熱器概述

2.1 熱管換熱器結構

熱管換熱器裝置主要由設備外殼、熱管元件及低溫、高溫氣體進出裝置連接口組成。設備外殼主要為鋼結構，下半部為高溫氣體通道，上半部為低溫氣體通道，中間用管板進行分隔，見圖1。

圖1 熱管換熱器結構Fig1 Heat pipe heat exchanger structure

2.2 超導熱管的工作原理

超導熱管是熱管換熱器裝置的主要熱傳導元件，超導熱管的換熱效率很高，這是任何一種普通熱交換器無法達到的，其工作原理見圖2。

圖2 超導熱管換熱原理圖Fig2 Superconducting tube heat transfer principle diagram

上半部通過低溫氣體,下半部通過高溫氣體,中間有隔板分開實現氣體分割，互不干擾。高溫氣體由下半部通向熱管換熱器，由左邊通道通向熱管換熱器蒸發段,高溫氣體通過熱管時，熱管內的介質將熱量傳導到熱管的上半部，熱管下部的介質吸熱，高溫氣體經過熱管后溫度下降。低溫氣體通過熱管的上半部，介質放熱將低溫氣體加熱，使低溫氣體溫度升高。

根據設計選擇適量的超導熱管，組成熱管換熱器裝置,安裝排風口和進風口，將回風中的熱量吸收，并通過傳熱介質將熱量高速傳導至熱管換熱器上部，回風高溫氣體溫度降低；降低溫度后的回風通過熱管換熱器上部，將傳熱介質中的熱量吸收進行預熱，再經過空調進一步升溫到合適的溫濕度送到空間，利用超導熱管換熱原理，可將通過超導熱管的高溫回風氣體進行余熱回收，降低能源消耗，實現節能減耗[2]。

3 熱管換熱器在TAC光學薄膜生產線中的應用

3.1 TAC光學薄膜生產線機體干燥現狀

5#生產線機體干燥利用風機送風至機體，通過調節A、B閥，部分循環至機體內，部分回風（溫度40℃）進入冷凝器（冷媒-28℃鹽水）進行溶劑回收，風溫由40℃降至0℃。然后經過加熱器（介質為蒸汽）將風溫加熱至100℃，由風機送入機體內，從而形成機體循環干燥系統。5#生產線機體循環干燥示意圖，見圖3。

圖3 機體循環干燥示意圖Fig3 Schematic diagram of circulation drying

流延回風由40℃降低至0℃的余熱未得到有效利用，并經二次加熱將回風由0℃加熱至100℃，造成部分能源二次浪費。

3.2 TAC光學薄膜生產線機體干燥優化

選擇合適的熱管換熱器，利用超導熱管換熱器可將回風出口溫度由0℃提高至15℃，再經加熱將風溫提升至100℃，送回流延機。

在TAC光學薄膜生產線流延風管上加裝一臺熱管換熱器裝置，流延排風先經預冷預熱裝置的預冷段進行余熱回收后，風溫降低，再進入冷凝器進行溶劑回收，通過風機進入熱管換熱器裝置的加熱段進行一次加熱，后經加熱器進行二次加熱到流延干燥，形成循環干燥系統[3]。

為確定熱管換熱器的尺寸、排管數量等各項技術參數，確定輸入條件，熱管換熱器換熱效率＞60%,各項換熱器選型工藝技術參數見表1。

表1 換熱器選型工藝技術參數Table 1 Technical parameters of heat exchanger selection process

現將風機出口設定為1點，加熱器出口設定為2點，由理想氣體狀態方程PV=NRT[4]，可推出P1V1/T1=P2V2/T2，進而推出：V1/V2=T1P2/T2P1。在TAC光學薄膜生產線機體的循環風系統中，P、N可忽略不計，即：V1/V2=T1/T2

T1=(273+0)=273，T2=(273+100)=373，帶入V1/V2=T1/T2中，即：1400/V2=273/373，得出：V2=1913 m3/h,以此類推得出以上各點風量。

增加熱管換熱器后，TAC光學薄膜生產線機體循環干燥示意圖，見圖4。

圖4 安裝熱管后循環干燥示意圖Fig4 Schematic diagram of circulating drying after installing heat pipe

4 節能效益

4.1 換熱量計算

熱側換熱量計算基礎數據見表2。

表2 換熱量計算基礎數據Table 2 Basic data of heat transfer calculation

Q=空氣質量×空氣比熱容×溫差=1 600×1.205×1.0×20/3 600=10.7 KJ/s

換熱系數取0.85，

冷側節約的熱量為：10.7×0.85=9.1 KJ/s

4.2 節能成本

能源單價按以下計算：

蒸汽單價：236元/t；-28℃冷鹽水：196元/J

節約的蒸汽熱量費用：

蒸汽量：9.1×3 600×24×270/2 740=77t

蒸汽熱量費用：77×236元/t=1.8萬元

節約的鹽水冷量費用：

10.7×103×3 600×24×270/109×196×0.5=2.4萬元

節約的總能源費用：1.8+2.4=4.2萬元/年

通過增加熱管換熱器，熱管換熱器熱側出后風溫由0 ℃提升至15 ℃,熱側效率實現63%，冷側效率實現65%，減少蒸汽消耗，降低-28 ℃冷鹽水冷量消耗，每年節約4萬元。

5 結語

將熱管換熱器余熱回收技術應用于5#生產線光學薄膜生產中，利用超導熱管換熱器高換熱效率的優點，將生產線機體回風中的余熱回收，減少蒸汽二次加熱帶來的能源浪費，達到了節能減排目的。