木材干燥的振蕩流熱管換熱器設(shè)計與試驗

1、    木材干燥的振蕩流熱管換熱器設(shè)計與試驗                         更新時間：2010-01-14 14:25:49               

2、;                         柴本銀1李選友2周慎杰1史勇春2劉登瀛3邵敏2(1·山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,濟(jì)南250061; 2·山東省科學(xué)院工業(yè)節(jié)能研究中心,濟(jì)南250014; 3·中國科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080)    【

3、摘要】設(shè)計了自激振蕩流熱管換熱器余熱回收系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗,考察了濕空氣和操作參數(shù)對熱回收效率 的影響。試驗結(jié)果表明,自激振蕩流熱管換熱器能夠滿足高濕廢氣余熱回收的要求,在給定的操作條件下,系統(tǒng)的 熱回收效率高于18%。    關(guān)鍵詞:木材余熱回收高濕廢氣換熱器自激振蕩流熱管    中圖分類號:X706; TK124文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A    引言    據(jù)統(tǒng)計,我國干燥單元的能源利用率為40% 50%1

4、,大部分熱量被尾氣排放掉。許多農(nóng)副產(chǎn)品干燥系統(tǒng)排放的高濕廢氣含有大量余熱,并且含水率可達(dá)到90%2,因此回收這部分高濕尾氣熱量是一項重要而有廣闊前景的節(jié)能任務(wù)。利用振蕩流熱管換熱器把高濕廢氣中熱能轉(zhuǎn)換到新鮮空氣中是理想的節(jié)能途徑之一。振蕩流熱管是日本學(xué)者 Akachi H于1994年發(fā)明的一種高效傳熱元件。振蕩流熱管具有熱通量大(大約為同直徑普通熱管的 20倍)、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)簡單、易清理、熱響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)35。本文采用自激振蕩流熱管換熱器對高濕廢氣(以木材干燥尾氣余熱回收為例)的余熱回收進(jìn)行試驗研究。    1換熱器設(shè)計參數(shù)

5、    自激振蕩流熱管是毛細(xì)管彎曲成的蛇形管路由細(xì)直管道和彎頭組成,分為加熱段、冷凝段和隔熱段,如圖1所示。當(dāng)管徑足夠小時,在真空下封裝在管內(nèi)的工質(zhì)將在管內(nèi)形成液、汽相間的柱塞。在加熱段,汽泡或汽柱與管壁之間的液膜因受熱而不斷蒸發(fā),導(dǎo)致汽泡膨脹,并推動汽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。由于汽液柱塞交錯分布,因而在管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩運(yùn)動,從而實現(xiàn)高效熱傳遞69。              

6、       一般來說,高濕廢氣因攜帶水蒸氣,出口氣體流 量和進(jìn)口氣體流量的比率大約是1·7。本文以木材 干燥尾氣余熱回收為例來設(shè)計振蕩流熱管換熱器, 其尾氣參數(shù)及熱回收效率標(biāo)準(zhǔn)為:尾氣流量96 m3/h, 溫度80,相對濕度85%90%,新鮮氣體流量 48 m3/h,溫度25,熱回收效率大于18%。    熱回收效率的計算公式為3      &#

7、160;               通常,在木材干燥隧道中,木材干燥所需新鮮干燥空氣的進(jìn)口和出口每3 h轉(zhuǎn)換一次,且進(jìn)口和出口一般垂直安裝。因此,如果換熱器被用來進(jìn)行木材干燥機(jī)尾氣余熱回收,就必須能互換新鮮氣體和廢氣流動通道。此時,要求底部加熱的重力熱管換熱器無法滿足這一要求。    根據(jù)木材干燥的要求和高濕物料后的尾氣溫度和濕度條件,設(shè)計了自激振蕩流熱管換熱器,并對其進(jìn)行測試。換熱器由9組不銹

8、鋼自激振蕩流熱管組成,如圖2所示。每根熱管的總長度為22 m,共有26個彎頭,其外徑為4 mm,內(nèi)徑為3 mm。尾氣和新鮮氣流的通道面積均為400 mm×400mm的方形 界面,長度為1 m。管中工作流體的充液率為50%。                    2試驗系統(tǒng)    試驗系統(tǒng)由

9、自激振蕩流熱管換熱器、空氣預(yù)熱器、蒸氣發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集器、氣體流量計等組成,如圖3所示。                    為了研究尾氣的相對濕度對自激振蕩流熱管 換熱器性能的影響,試驗系統(tǒng)中安裝了一套由盛水 容器、水泵、水流量計及電加熱器組成的蒸氣發(fā)生 器,并將其產(chǎn)生的過熱蒸氣加入到熱氣體氣流中。 為了得到預(yù)期的熱氣體進(jìn)口溫度,在熱氣體管蒸氣 

10、;入口的前、后位置分別安裝了一組電加熱器。電加 熱器的總功率是48 kW,每個加熱器(包括蒸氣發(fā)生 器)由可控硅控制調(diào)節(jié)。2個氣體流量計分別連接 到冷、熱空氣管上用以控制冷、熱氣體的流量,用熱 球風(fēng)速儀(QDF-型)測量冷、熱空氣流速。一組E 型熱電偶分別敷設(shè)于熱氣流和冷氣流的入口及熱管 的表面,用以測量相應(yīng)的溫度。測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù) 采集器(Agilent 349770A型)傳輸至計算機(jī)中進(jìn)行 自動記錄。在每個風(fēng)機(jī)上設(shè)置變頻測量器,以提供 01 000 m3/h的流

11、量。    3結(jié)果與討論    3·1熱氣體進(jìn)口溫度對熱回收效率的影響    試驗中,在不啟動蒸氣發(fā)生器情況下,空氣由風(fēng) 機(jī)經(jīng)電加熱器加熱后進(jìn)入換熱器熱氣體通道,通過 換熱器中振蕩流熱管和冷氣體通道中冷空氣進(jìn)行熱 交換。由風(fēng)機(jī)變頻電動機(jī)控制熱氣體(尾氣)和冷氣 體(新鮮空氣)的流量。氣體流量固定不變,其中熱 氣體流量為103 m3/h,冷氣體流量為62 m3/h,控制 高濕物料經(jīng)過干燥器

12、干燥后出口尾氣的溫度,試驗 研究不同的熱氣體進(jìn)口溫度對自激振蕩流熱管換熱 器熱回收效率的影響。熱氣流進(jìn)口溫度控制在70 95,每5為一個工況,當(dāng)溫度穩(wěn)定后,記錄運(yùn)行參數(shù)。                    圖4給出了自激振蕩流熱管換熱器的熱回收效率隨熱氣體進(jìn)口溫度的變化。可以看出,當(dāng)熱氣體進(jìn)口溫度達(dá)到一定值后,熱回收效率隨著熱氣體進(jìn)口溫度的升高而明顯增大,當(dāng)進(jìn)口溫

13、度在95時熱 回收效率達(dá)到20·2%。這主要是因為熱氣體進(jìn)口 溫度升高后,熱氣流和冷氣流之間的溫差增加,從而 使得熱效率增加。同時還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)口溫度由 70增加到75時熱回收效率變化明顯,在70時 熱回收效率僅為10%左右,振蕩流熱管效率比較 低。這是因為振蕩熱管存在一個啟動溫度,當(dāng)熱氣體進(jìn)口溫度高于啟動溫度時振蕩流熱管才開始工 作,反之振蕩流熱管換熱效率低下甚至停止工作,啟動溫度主要受到熱管中的壓力、工作流體的種類、熱管的材料等因素的影響。試驗表明,在本試驗的溫 度范圍內(nèi),熱管已經(jīng)啟動工作,在進(jìn)口溫

14、度80時 熱回收效率達(dá)到18%,振蕩流熱管設(shè)計合理高效。    3·2熱氣體進(jìn)口相對濕度對于熱回收效率的影響    在啟動蒸氣發(fā)生器情況下,固定熱氣體流量為 7 m3/h,冷氣體流量為15 m3/h,改變熱氣體相對濕度進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看 出,當(dāng)熱氣體的相對濕度為5·9%時,換熱器的回收 效率僅為15%,而當(dāng)相對濕度增加到98%時熱回收效率達(dá)到了34%,即隨著相對濕度的增加,熱回收 效率明顯增加,設(shè)計的自

15、激振蕩流熱管換熱器表現(xiàn) 出優(yōu)異的換熱性能。對于高濕物料來說,熱氣體進(jìn)口濕度可達(dá)到80%以上,采用本試驗設(shè)計的自激振蕩流熱管換熱器可以很好地進(jìn)行余熱回收。                     4結(jié)論    (1)熱回收效率隨著熱空氣入口溫度和相對濕 度的增加而明顯增大。    (2)自激

16、振蕩流熱管存在一個啟動溫度,只有當(dāng) 熱氣體溫度高于這個啟動溫度時,換熱器才能有較 高的換熱效率。    (3)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農(nóng)副產(chǎn)品干燥尾氣高濕廢氣的余熱回收。參考文獻(xiàn)1潘永康,王喜忠,劉相東.現(xiàn)代干燥技術(shù)M. 2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.2Perry R H, Green D W. Chemical engineers handbookM. 

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