结构参数对陶瓷窑炉余热回收用热管换热器性能的影响

张任平，孙 健，汪和平，冯 青

（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西 景德镇 333403）

结构参数对陶瓷窑炉余热回收用热管换热器性能的影响

张任平，孙 健，汪和平，冯 青

（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西 景德镇 333403）

编制了用于陶瓷窑炉烟气余热回收的气-气热管换热器的计算程序。分析了翅片间距、管子中心距和热管长度对烟气段和空气段压力损失、投资回收期和所需热管总根数的影响。研究表明：随着管子中心距的增加，烟气侧和空气侧的压力损失都减小，烟气侧的压力损失下降幅度较大；烟气侧和空气侧压力损失随翅片间距增大而减小，当翅片间距增大时，所需的热管总根数随之增大，投资回收期也在增大;烟气侧和空气侧的压力损失均随热管长度的增加而增大，随着热管长度的增大，热管总跟数和投资回收期均下降。

热管；换热器；陶瓷窑炉；结构参数

0 引 言

陶瓷生产的一个重要工序是陶瓷在窑炉中烧成。完成此过程无论是采用连续式或间歇式窑炉，其有效利用热仍非常低。造成热效率低下的一个极其重要的原因是窑炉排烟所带走的热量。回收此部分热量对提高窑炉热效率具有至关重要的作用。因此可以通过在窑炉的排烟部位加装热管换热器，回收烟气的余热用来加热空气，加热后的空气烘干坯件。热管换热器由一系列加装肋片的重力热管所构成。气-气重力热管换热器(如图1所示)就是从窑炉排出的烟气中吸收热量，然后通过相变传热过程加热冷空气一种新型高效换热器。

在工业生产过程中，热管换热器经常应用于余热回收，Noie-Baghban and Majideian[1]研究了普通热管应用于医院手术室的余热回收。普通热管设计应用于低温热源(15-55 ℃)。Abd El-Baky and Mohamed[2]把传统热管应用于空调系统的新风和回风系统中，使得新风进入室内之前能得到冷却。Martinez et al[3]设计了混合能量回收系统，系统包括两个常用热管和非直接蒸发恢复器。S.H. Noie[4]实验和理论研究了气-气热虹吸热管热性能。鲍玲玲等研究了热管换热器在通信基站的应用[5]；涂福炳等[6]研究了同轴径向热管在余热回收中的应用。对于陶瓷窑炉的节能研究虽有一些报道[7,8]，然而有关热管换热器在陶瓷窑炉余热回收的应用研究还比较缺乏。为此，本文对陶瓷余热回收用气-气热管换热器的传热和流动特性进行了研，分析了翅片间距、管子中心距和热管长度对烟气段和空气段压力损失、投资回收期和所需热管总根数的影响。

图1 热管换热器：(a)热管换热器示意图；(b)热管换热器实物图Fig.1 Heat pipe heat exchanger: (a) schematic diagram; (b) heat exchanger picture

1 热管换热器设计计算[9,10]

翅片热管截面示意图如图2所示，在设计陶瓷窑炉余热回收用热管换热器时，基于成本及可靠性考虑，换热器所用热管为重力热管(热虹吸管)，热管依靠重力使得冷凝段冷凝液回流到热管的蒸发段，所以冷流体吸热区位于换热器的上部，热流体放热区位于热管换热器的下部。在换热器下部，热流体通过肋片和管壁把热量传给热管内部的工作流体，从而使得工作流体吸热蒸发，蒸发后的蒸汽由蒸发段流动到冷凝段，蒸汽在流动过程中压力变化很小，同时一般认为蒸汽处在饱和状态，所以可知其温度也基本保持不变，所以热管换热器内部的蒸汽温度相同，流到冷凝段的蒸汽通过管壁和肋片把热量传给冷流体，从而蒸汽放出热量凝结为液态工质。液体工质通过重力回流到蒸发段，完成一个工作循环。

1.1 传热计算

热流体放出的热量可以通过下式计算：

式中，Vf,h为热流体的流量，ρf,h为热流体的密度，Cp,h为热流体的定压比热容，tg,1为热流体的进口温度，tg,2为热流体的出口温度。

冷流体的出口温度是未知的，所以冷流体计算时采用的物性参数无法确定，需要通过迭代法确定，冷流体的出口温度可以表示为：

式中，Qc为热管传至冷空气侧的热量，ta,2为冷流体的出口温度，ta,1为冷流体进口温度，Vf,c为冷流体的流量，ρf,c为冷流体的密度，Cp,h为冷流体的定压比热容。

肋片热管加热段的传热系数可以表示为：

肋片热管冷却段的传热系数可以表示为：

式中，Ah,h和Ah,c分别为加热段和冷却段的管外总表面积；Ar,h和Ar,c分别为加热段和冷却段管外翅片间光管表面积；Af,h和Af,c分别为加热段和冷却段的管外翅片总表面积；ho,h和ho,c分别为加热段和冷却段管外流体的换热系数；hi,h和hi,c分别为加热段和冷却段管内流体的换热系数；rw,h和rw,c分别为加热段和冷却段管壁热阻；ry,h和ry,c分别为加热段和冷却段污垢热阻；ηf为肋效率，定义为翅片实际的传热率除以翅片处具有管壁温度这个假定情况下的传热率。

在热管换热器的计算过程中，以加热段管外侧的总表面积Ah,h为计算基准，Ah,h可以表示为：

以Ah,h为计算基准的热管总传热系数UH可以表示为：

式中，Ai,h和Ai,c分别为热管加热段和冷却段内部表面积；hHP,h为以Ai,h为基准的热管内部蒸发传热系数；hHP,c为以Ai,c为基准的热管内部冷凝传热系数；hHP,h为1.2～12 kW/(m·K)，试验表明，粗略计算时hHP,h和 hHP,h取值均为5.8 kW/(m·K)。

1.2 压力损失计算

热管换热器管子排列示意图如图3所示，可以看出管子排列方式为等边三角形排列，横向管子中心距用ST表示，纵向管子中心距用SL表示。

螺旋翅片管的压降采用A.Y.Gunter公式[11]进行计算，即：

式中，△p为压力降，Pa；f为摩擦系数，f=φ(Ref)，φ为经验常数，Gf,max为流体最大质量流速 (kg/m2· h)；L为沿气流方向的长度，m；gc为重力换算系数(gc=1.3×107)；Dev为容积当量直径，m；ρf为流体密度，kg/m3；μf为流体的黏度，Pa·s。

Gunter推荐对光管和翅片管在湍流区的摩擦系数为：

式中Ref可以表示为：

1.3 校核计算[12]

热管的工作温度tv为

式中，Rt为热管总热阻，Rc为冷凝段热阻，Re为蒸发段热阻，tm,1和tm,2分别为热流体和冷流体进出口的算术平均温度。

由此求得热管工作温度应处于流体的液固凝结点和液体临界点之间。不过分接近那一点，以保证热管工作循环正常进行。更为重要的是，热管工作温度下的饱和压力(即工作压力)必须小于管材的许用压力。

单根热管的最大传热量Qs,max必须小于热管的工作极限。对于热虹吸管(重力热管)，携带极限为主要性能限制，携带极限用Qe,max表示，则Qe,max满足式(11)

图2 单根翅片热管截面示意图Fig.2 Schematic diagram of single fnned heat pipe

图3 热管换热器管子排列示意图Fig.3 Schematic diagram of pipe arrangement of heat pipe heat exchanger

Qs,max可按下式计算：

式中，△tmax为热冷流体的最大温差，℃。

垂直两相闭式热虹吸管(重力热管)到达携带极限时的最大热流量Qe,max可用下式计算：

式中，Ck为邦德数Bo的函数Bo可以表示为：

f1可以表示为：

式中ρl和ρv分别为液体和气体的密度，σ为表面张力。

热管加热段的最低温度至少应大于管外气流的水蒸汽露点，以避免积灰、结垢及严重的低温腐蚀。

2 计算过程

计算时的已知参数为：热气体在标准状况下的流量；冷气流在标准状况下的流量；热气体的温度；热气体需要降低到的最低温度(这一温度一般应高于该气体在管壁上产生露点腐蚀的温度)；冷气体的进口温度；热管的有关参数，如管材、管内工质、翅片参数、管子的排列方式、排列尺寸和管子几何参数。计算过程采用matlab编程进行实现。详细的计算步骤如下：

(1)利用热气流的相关物性参数通过方程(1)计算热气流放出的热量；

(2)应用试算法通过方程(2)确定冷气流的出口温度；

(3)通过方程(3)和(4)分别计算热管换热器加热段和冷却段的传热系数；

(4)通过方程(6)计算热管的总传热系数；

(5)确定热管换热器中重力热管的数量；

(6)通过方程(7)分别计算热流体侧和热流体侧的压力降，并判断压力降是否满足要求；

(7)进行热管工作温度、壁面温度和传热极限的校核计算，确定热管的设计参数是否符合要求。

3 结果分析

设计该热管换热器的主要目的是用于回收陶瓷窑炉排出烟气中的热量，并利用其加热空气作为烘干坯件的热源。选用水为热管工质，管壳材料为20号无缝钢管，翅片材料为低碳钢，翅片与管壳连接方式为高频焊接。热管换热器标准模型的结构参数为：光管外径do=0.035 m；热管全长l=2 m；热管内径di=0.029 m；翅片管外径df=0.070 m；翅片高度lf=0.016 m；翅片厚度δf=0.0014 m；翅片间距sf=3.6 mm；翅片节距sf'=sf+δf=5 mm；每米热管长的翅片数nf=(S'f)-1=200/m 。横向管子中心距ST=0.075m；纵向管子中心距SL=0.075 m。

计算时的工况参数为：窑炉排烟量Vf,h在7500 m3/h(标准状况)之间变化；排烟温度为tg,1=350 ℃；烘干坯件需要的空气量Vf,c=5000 m3/h(标准状况)；冷空气进热管换热器的温度ta,1=20 ℃；防止热管换热器加热段烟气出口温度过低使得烟气结露形成灰堵，因此设定烟气离开热管换热器的温度tg,2=250 ℃。

计算时改变一个参数值，其他参数保持不变，则可得到该参数对陶瓷窑炉余热回收用热管换热器性能的影响规律，本文主要计算了翅片间距、横向与纵向管子中心距、热管全长分别对烟气和空气侧压力降、投资回收期和所需热管总根数的影响。

图4给出了管子中心距对烟气侧和空气侧压力损失的影响，如图所示，随着管子中心距的增加，烟气侧和空气侧的压力损失都减小，烟气侧的压力损失下降幅度较大；在管子中心距从0.75-0.85 cm时，空气侧和烟气侧的压力损失下降较为平缓，而在0.85-0.90 cm时，空气侧和烟气侧的压力损失下降较为迅速。

图4 管子中心距对烟气段和空气段压力损失的影响Fig.4 The effect of center distance between pipes on the pressure loss of fue gas and air segments

图5 翅片间距对烟气段和空气段压力损失的影响Fig.5 The effect of spacing of fns on the pressure loss of fue gas and air segments

图6 翅片间距对热管总跟数和投资回收期的影响Fig.6 The effect of spacing of fns on the payback period and total number of heat pipe

翅片间距对烟气侧和空气侧压力损失的影响如图5所示，烟气侧和空气侧压力损失随翅片间距增大而减小，当翅片间距在2.6-4.6 mm之间变化时，压力降随翅片间距增大下降幅度较大，而当翅片间距在4.6-5.6 mm之间变化时，压力降随翅片间距增大只有比较微小的变化。图6给出了翅片间距对热管总跟数和投资回收期的影响，如图所示，当翅片间距增大时，所需的热管总根数随之增大，投资回收期也在增大，由于翅片间距的增大，单位长度上的翅片数减小，使得换热器的传热能力减小，所以所需的热管总根数和投资回收期都在增大。

图7给出了热管长度对烟气侧和空气侧压力损失的影响，如图所示，烟气侧和空气侧的压力损失均随热管长度的增加而增大，当热管长度从1.8 m增大到2.2 m时，烟气侧和空气侧的压力损失受热管长度的影响较小，增大幅度比较有限，而当热管长度从2.2 m增大到2.6 m时，烟气侧和空气侧的压力损失受热管长度的影响较大，增长速度较为剧烈。热管长度对热管总根数和投资回收期的影响如图8所示，随着热管长度的增大，热管总跟数和投资回收期均下降，这主要由于热管长度增大，烟气侧和空气侧的长度均增大，使得所需的热管根数有所下降，而假定此时的单根热管的价格不变，所以投资回收期也下降。

4 结 论

本文编制了用于陶瓷窑炉余热回收用热管换热器的计算程序，着重分析了热管换热器的结构参数对其性能的影响，所得的主要结论如下：

(1)随着管子中心距的增加，烟气侧和空气侧的压力损失都减小，烟气侧的压力损失下降幅度较大；在管子中心距从0.75-0.85 cm时，空气侧和烟气侧的压力损失下降较为平缓，而在0.85-0.90 cm时，空气侧和烟气侧的压力损失下降较为迅速。

(2)烟气侧和空气侧压力损失随翅片间距增大而减小，当翅片间距在2.6-4.6 mm之间变化时，压力降随翅片间距增大下降幅度较大，而当翅片间距在4.6-5.6 mm之间变化时，压力降随翅片间距增大只有比较微小的变化。当翅片间距增大时，所需的热管总根数随之增大，投资回收期也在增大。

(3)烟气侧和空气侧的压力损失均随热管长度的增加而增大，当热管长度从1.8 m增大到2.2 m时，烟气侧和空气侧的压力损失受热管长度的影响较小，增大幅度比较有限，而当热管长度从2.2 m增大到2.6 m时，烟气侧和空气侧的压力损失受热管长度的影响较大，增长速度较为剧烈。随着热管长度的增大，热管总跟数和投资回收期均下降。

[1] NOIE-BAGHBAN S H, MAJIDEIAN G R. Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger (HPHE) for surgery rooms in hospitals. Applied Thermal Engineering, 2000, 20: 1271-1282.

[2] ABD EL-BAKY M A, MOHAMED M M. Heat pipe heat exchanger for heat recovery in air conditioning. Applied Thermal Engineering, 2007, 27: 795-801.

[3] MARTINEZ F J R, PLASENCIA M A A, GOMEZ E V, et al. Design and experimental study of mixed energy recovery system, heat pipe and indirect evaporative equipment for air conditioning. Energy and Buildings, 2003, 35: 1021-1030.

[4] NOIE S H. Investigation of thermal performance of an air-toair thermosyphon heat exchanger using ε-NTU method [J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26: 559-567.

[5] 鲍玲玲, 王景刚, 王晓明. 通信基站用热管换热器的设计[J].暖通空调, 2011, 41(10): 76-78.

BAO Lingling, et al. Heating Ventilating＆Air Conditioning, 2011, 41(10): 76-78.

[6] 涂福炳, 武荟芬, 张岭, 等. 径向热管换热器壳程数值模拟及结构参数优化[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(5): 1975-1983.

TU Fubing, et al. Journal of Central South University(Sience and Technology), 2012, 43(5): 1975-1983.

[7] 李杰, 胡国林, 孙健, 等. 某隧道窑烟气换热器换热性能的研究[J]. 陶瓷学报, 2013, 34(4): 482-486.

LI Jie, et al. Journal of Ceramics, 2013, 34(4): 482-486.

[8] 刘晓倩, 高振强, 刘永启, 等. 蜂窝陶瓷内置换热器绕流特性[J]. 陶瓷学报, 2014, 35(3): 254-259.

LIU Xiaoqian, et al. Journal of Ceramics, 2014, 35(3): 254-259.

[9] 庄骏, 徐通明, 石寿椿. 热管与热管换热器 [M]. 上海：上海交通大学出版社，1989.

[10] 张红, 杨峻, 庄骏. 热管节能技术 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2009.

[11]GUNTER A Y, SHAW W S. ASME Trans, 1945: 634-658.

[12] 史美中, 王中铮. 热交换器原理与设计(第4版) [M]. 南京: 东南大学出版社, 2009.

The Effect of Structural Parameters on the Performance of Heat Pipe Heat Exchanger for the Application of Recovery Waste Heat of Ceramic Kiln

ZHANG Renping, SUN Jian, WANG Heping, FENG Qing
(Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province, School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333403, Jiangxi, China)

Computational procedure of gas-gas heat pipe exchanger for the application of recovery waste heat of ceramic kiln was developed. The effects of fn spacing, tube center distance and the length of heat pipe on the pressure loss of fue gas section and air segment, the payback period and the required total number of the heat pipe were observed. Studies show: with the increase of tube center distance, the pressure loss of the fue gas section and air segment is reduced, the pressure loss in the fue gas section decreased greatly; the pressure loss of the fue gas section and air segment increases with the decrease of the fn spacing; when the fn pitch is increased, the total number of the heat pipes increases, the payback period also rises; fue gas side and air side of the pressure loss increases with the increase of the length of the heat pipe. with the increase of the length of the heat pipe, the payback period and the required total number of the heat pipes decline.

heat pipe; heat exchanger; ceramic kiln; structural parameters

TQ174.6

A

1000-2278(2014)06-0638-06

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.015

2014-06-24。

2014-07-16。

江西省对外合作项目(编号：2014BDH80024)。

张任平(1979-)，男，博士, 讲师。

Received date: 2014-06-24. Revised date: 2014-07-16.

Correspondent author:ZHANG Renping(1979-), male, Doc., Lecturer.

E-mail:79629439@qq.com