毛细管换热器在地浸采铀中的应用分析

中核第四研究设计工程有限公司 曹永凯

0 引言

随着砂岩找矿和地浸采铀技术的突破，高效环保的砂岩地浸铀矿已成为我国铀矿冶发展的主流模式。它与常规采铀方法相比，具有基建投资省、建设周期短、生产成本低、安全环保等优点。同时，由于地浸液来自地表四五百米以下，因而含有浅层地热能，以地浸液为低温水的水源热泵技术，是当前“煤改气、煤改电”背景下我国铀矿冶工程供暖方式的重要突破。

但地浸液作为矿物载体，在作为低温热源使用时存在3个问题：一是水质差，多数地浸液钙镁离子超标；二是温度低，地浸液温度普遍在10～20 ℃之间，甚至更低；三是腐蚀性强，地浸液中氧气、氯离子等浓度较高，尤其是氧浓度超标，易造成热泵设备腐蚀穿孔。

为了克服地浸液源热泵使用中存在的问题，科学合理利用浅层地热能，拟采用间接换热作为水源热泵的能量采集方式。本文引入毛细管换热器作为间接换热的核心部件，并从理论和实验上验证其可行性。

1 毛细管换热器

1985年德国人Donald源于对人体血液循环系统的仿生发明了毛细管网。毛细管换热器由毛细管网栅构成，网栅由4.3 mm×0.85 mm(外径×壁厚)、间隔为10～40 mm的塑料毛细管组成，主管道起分配、汇集换热介质的功能[1]。

毛细管采用聚四氟乙烯(PTFE)或氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)等作为生产原料，具有较好的抗冲击性能和长期蠕变性能，在正常工作条件下，使用寿命可达50 a。毛细管作为末端换热器，以辐射供暖和供冷方式展现出舒适、高效、绿色、方便等诸多优点，其作为空调系统辐射末端已有诸多研究。赵康等人采用热阻分析方法给出了一种计算辐射板表面平均温度的简便方法，并总结得到了各类辐射板表面最低温度与表面平均温度的关系式[2]。陈慧等人对毛细管空调系统进行了制冷及除湿实验，确定了毛细管重力循环空调柜除湿和换热性能的影响因素及其最佳运行工况[3]。同时，毛细管作为获取自然冷热源的前端换热器，因其具有耐高温高压、耐腐蚀、换热面积大、换热效率高且水力损失小等优点，亦有诸多应用。陈林等人针对导热塑料换热器开展了实验研究，通过硫酸浸泡实验验证了换热器的耐腐蚀性能，得到了换热器在不同风速下的传热系数和阻力特性[4]。章立新等人将工程塑料毛细管网技术引入闭式冷却塔，通过实验得出，在塔体大小相同的条件下，2台毛细管网闭式冷却塔能够达到1台常规管径紫铜管闭式冷却塔的散热能力[5]。

2 地浸液毛细管换热器传热分析

2.1 地浸液毛细管换热流程

地浸采铀采用多点抽注方式，一个采区具有几十甚至几百个抽注井，通常建有体积庞大的原液汇集池，简称集液池。集液池水流缓慢，兼有沉淀、排气等功能。据此，可将毛细管换热器直接布置在集液池中，构成如图1所示的地浸液取热系统。

1.集液池；2.毛细管换热器；3.低温水泵；4.热泵机组；5.热水循环泵；6.热用户。图1 毛细管换热器地浸液取热系统示意图

2.2 毛细管换热器传热系数的确定

1) 管外地浸液侧换热系数。

毛细管换热器由多根毛细管并联组合而成。取单根毛细管进行研究，由于集液池中地浸液流速缓慢，毛细管外部换热可视为外掠圆管自然对流换热。毛细管之间流道比较平直，可以视作顺排。因此，前排毛细管内流体出现的涡旋不强，在黏滞力的作用下，涡旋会很快消失，故管表面边界流体流态可按层流对待[6]。按照控制集液池水流速度在0.01～0.05 m/s之间计算，20 ℃地浸液的雷诺数Re在43～214之间，普朗特数Pr约为7.01，按照外掠光滑管束模型及考虑修正系数影响，此时管束的换热关联式如下[7]：

(1)

式中Nu为努塞尔数；Prf为以流体平均温度为特征温度的普朗特数；Prw为以壁面温度为特征温度的普朗特数。

由式(1)可得地浸液侧换热系数αw：

(2)

式中λ为地浸液的导热系数，W/(m·℃)；do为毛细管外径，m。

2) 管内制冷剂侧换热系数。

毛细管内流体通常控制为层流，根据西得和塔特提出的常壁温换热关联式得出[3]：

(3)

式中di为管内径，m；l为管长，m；μf为管内流体黏度，Ps·s；μw为管壁处流体黏度，Ps·s。

特征温度取进出口温度的平均值。若毛细管长度为3 m，则管内水流速度为0.1 m/s，此时Re=258，Pr=7.01，μf=1.15×10-3Ps·s，μw=1.0×10-3Ps·s。

由式(3)得Nu=2.13。

(4)

在假定水流速度为0.1 m/s的情况下，当毛细管长度大于0.59 m时，由式(3)可得出Nu小于3.66 的情况，故式(4)此时应增加水流在管道内滞留时间的判定条件：

(5)

式中t为流体在管道内的滞留时间，s；v为地浸液流动速度，m/s。

由此可知，对于毛细管换热器，t值越大，则Nu值越小，从而导致管内制冷剂侧换热系数越小。当t<5.9 s时，αn可按式(4)进行计算，否则按照式(3)先计算Nu，再由Nu导出αn。这里还需指出，由于集液池进口水流的扰动、水温变化等因素，地浸液很难维持纯粹的受迫层流。

3) 总传热系数。

对于毛细管换热器，当以管外表面积为计算面积时，其单位管长的传热系数可以采用下式计算[8]：

(6)

式中Km为毛细管换热器单位管长的总传热系数，W/(m·K)；Rw为管外侧污垢热阻，m2·K/W；Rn为管内侧污垢热阻，m2·K/W；λp为管材导热系数，W/(m·K)。

毛细管内部光滑，管内换热介质通常采用水，杂质含量较小，可忽略，因此管内污垢热阻Rn可近似取0；管外侧污垢热阻Rw可参照海水取0.000 1 m2·K/W[5]。

2.3 毛细管换热器总长度的确定

毛细管总长度根据换热量求得[9]。

(7)

式中Lz为毛细管总长度，m；Q为供热系统热负荷，W；Δtm为毛细管壁面间的对数平均温差，℃。

2.4 毛细管并联数量及长度

毛细管并联数量根据循环水量确定。

(8)

式中n为毛细管并联数量；ρ为中介水的密度，kg/m3；Md为地浸液流量，kg/s。

由式(7)、(8)可求得单根毛细管的长度。至此，可根据布置需求，组成并联的毛细管换热器。

3 工程可行性分析

3.1 工程概况

中核内蒙古矿业公司某地浸铀矿拟建体积为1 500 m3的集液池体(长30 m，宽20 m，有效池深2.5 m)。浸出液温度夏季约19 ℃，冬季稍低，约15 ℃。

该矿远离居民区，周边无成熟外部热源。地面建筑包括生产厂房、生活设施等，其热用途主要为各地表建筑的供暖、放射性排风的补风加热、职工淋浴用热等，全矿总热负荷2 760 kW。

3.2 供热方案

根据地浸采铀技术特点，在生产区采用水源热泵技术，以15～19 ℃的地浸原液作为低温热源，通过毛细管换热器及中介水循环系统从地浸原液集液池中换热，然后将热量转移到水源热泵机组，再通过输入少量电能带动水源热泵机组制备45 ℃左右供暖热水，为建筑物供暖、新风加热等提供热源。

3.3 技术可行性分析

1) 地浸液热负荷承载能力分析。

要应用水源热泵，必须分析和判断地浸液的稳定性，一旦水量不足，很可能导致系统不能使用。地浸液的需求量与水源热泵的性能、建筑热负荷、取热温差Δt及中介水与地浸液温差Δt′有关。对于地浸液，可认为地浸液为常壁温条件，Δt′的大小决定低温中介流体温度接近地浸液的程度，Δt′越小，则可形成越大的取热温差Δt。冬季热泵工况运行时，需要的地浸液流量Md为[10]

(9)

式中cp为中介水的比热容，J/(kg·℃)；COP为热泵机组的制热性能系数。

一般地源热泵低温热源侧温降按照5～11 ℃考虑，温差太小，必然需要加大循环水量，从而增加循环泵的功率。考虑Δt′的影响及机组低温保护因素，取水温降为10 ℃，COP为4.5，可得Md约为185 m3/h。降温后的地浸液与未降温的地浸液二次充分混合后，地浸液整体温降约为1.58 ℃。可见地浸液供给量充沛且温降较小，可满足该矿供热要求。

2) 水温降对工艺生产影响分析。

温降对地浸液的吸附效率有负面影响，温度越低，吸附效率越低。但对于该矿而言，地浸液整体温降不到2 ℃，温降因素可以忽略不计。

3) 毛细管换热器计算。

对于温度基本稳定的地浸液来说，毛细管内外的流速对其单位管长传热系数起决定性作用。由于集液池体积由工艺生产条件决定，故管外水体流速基本恒定，可认为αw为常数。不同的集液池地浸液流速v与毛细管管外换热系数αw的变化曲线如图2所示。

图2 地浸液流速与毛细管管外换热系数关系

由式(4)可知，αn的变化与t有关，同时由于毛细管内部水流速将很大程度影响毛细管换热器并联根数及单根长度。根据式(6)，在管内流速变化、管外流速恒定为0.1 m/s的情况下，可得单位管长总传热系数Km的计算值，如图3所示。

图3 管内流速与毛细管传热系数关系

由图3可知：当管内流速从0.01 m/s增大到0.50 m/s时，单位管长总传热系数Km由逐渐增大到趋于平缓，最终维持在3.2 W/(m·K)左右；当水流速度达到0.17 m/s时，总传热系数Km基本达到最大值3.19 W/(m·K)。

对处于层流区域的圆管，其沿程阻力h计算式为

(10)

式中g为自由落体加速度，m/s2。

由式(10)可知，对于圆管层流区，沿程阻力损失与速度的二次方成正比，在总传热系数Km基本达到3.19 W/(m·K)时，阻力约为0.08 Pa/m。据此，使传热系数最佳且阻力较小的理想水速为0.17～0.20 m/s。结合单根毛细管实际控制长度，单位管长的总传热系数Km计算值为2.6～3.2 W/(m·K)。若毛细管外径为4.3 mm，且以其外表面为传热面，则其传热系数约为192～237 W/(m2·K)。

由式(7)～(9)可得，该矿需要毛细管总长度约为24万m，单根长度10 m，共计24 000根。按照每组换热盘管布置400根，共需要60台换热器。

4) 集液池布置方案。

集液池布置方案如图4所示。换热器共分10列，每列6台，列间距2 m，沿集液池依次布置。每列换热器均作同程式连接，形成10条枝状并联管网，水平干管连接热泵房集水器。该方案便于各分支调控、检修，提高了管网可靠性。

1.毛细管换热器；2.集液池；3.溢流堰；4.进液口；5.出液口。图4 集液池毛细管换热器布置图

5) 毛细管换热器防堵塞及清淤措施。

鉴于毛细管换热器长期运行可能存在的淤堵和换热效率下降问题，该工程拟采用如下措施：首先，采用软化水走管内、地浸液走管外的布置方案；其次，在集液池前部增加沉降池和溢流堰，以便于地浸液中的大颗粒杂质自行沉降；再次，为了避免池底杂质淤堵换热器箱体和毛细管换热器漂浮，在池底设300 mm高固定支墩，将毛细管换热器高出池底布置；最后，加强系统的维护管理，定期采用清洁水质冲洗管道。

3.4 运行效益分析

1) 经济效益。

假定电价为0.5元/(kW·h)，热泵系统供热效率系数为4.0，产生1 GJ热量热泵机组、电锅炉、天然气锅炉、煤锅炉的成本如表1所示。

表1 不同供热方式能源成本比较

由表1可见，热泵系统经济效益明显，其运行成本较低，排碳量最少，是当今“煤改气、煤改电”形势下更优、更高效的供热方式。该矿采用热泵系统比电锅炉节省近75%的费用，比天然气锅炉节省64%的费用，同时可大量减少CO2的排放。

2) 社会效益。

以毛细管换热器为前端系统的水源热泵技术是洁净、高效的空调系统，符合国家资源综合利用扶持政策及发展循环经济模式的要求，保护了煤炭资源，减少了污染物排放，环境效益显著。同时设备运行中不存在爆炸、燃烧等安全隐患，有利于安全管理，是解决地浸铀矿冬季供热问题的有效手段，在地浸采铀工程中有很好的应用前景。

4 结论

1) 毛细管管外换热可视为圆管自然对流换热，应按照外掠光滑管束模型及修正系数影响综合考虑Nu。毛细管内流体通常控制为层流，应根据l/v关系修正西得和塔特公式的应用范围。

2) 毛细管内部水流速很大程度影响毛细管换热器并联根数及单根长度，水流速在0.17～0.20 m/s之间时，既可获得较高的传热系数，又可降低管道运行阻力。结合单根毛细管实际加工长度，毛细管换热器单位管长的总传热系数Km计算值为2.6～3.2 W/(m·K)。若毛细管外径为4.3 mm，且以其外表面为传热面，则其传热系数约为192～237 W/(m2·K)。

3) 以毛细管为前端换热器的水源热泵技术具有经济效益明显、排碳量少的优点，是当今“煤改气、煤改电”形势下环保、高效的供热方式，在地浸采铀工程中有很好的应用前景。