振荡流热管换热器设计计算方法探讨

摘要

干燥行业是公认的高耗能行业之一。随着干燥物料的不同，尾气携带着不同含量的水蒸气，其直接排放导致大量热能的损失。振荡流热管作为一种新型传热元件，具有启动温度低和当量传热系数大等优点，在低位热能的回收上具有广阔前景。振荡流热管换热器的应用和推广需要一套成熟的设计理论作为指导，但是国内在此方面少有研究。本文的主要目的就是先通过实验得到干燥尾气流经铜管时的换热实验关联式，后考察振荡流热管表面温度分布，最后提出一套适用于干燥尾气的振荡流热管换热器的设计计算方法。
　　 首先，对干燥尾气对流冷凝换热系数进行了研究。采用双膜法对铜管外混合气冷凝换热过程进行分析，认为显热和潜热的传递同时发生在液膜表面，并进行了热阻分析，得到了管外各热阻关系式和当量换热系数关系式。对关系式中各项进行分析得到了管外换热的影响因素：htot=f（u，d，λ，η，ρ，cp，Pb，Pi，D，r，tb，ti），后通过量纲分析，加入一新无量纲数——冷凝因子，得到试验关联式；建立干燥尾气冷凝换热实验台，使用空气和蒸汽的混合气模拟干燥尾气，对其流经铜管时的冷凝换热系数进行了考察，所用铜管和振荡流热管结构相同；根据相似原理进行了数据处理，得到混合气对流冷凝换热准则关联式：Nu=5.14121Re070674Pr1/3Ln090952，将实验所得管外换热系数与关系式所得值进行比较，发现误差在20％以内，在工程上是允许的。
　　 其次，对振荡流热管表面温度分布特性进行了研究。将振荡流热管简化成由管壳、液膜和液柱三部分组成的传热元件，沿轴向截取微元体进行传热分析，忽略重力影响因素，求得振荡流热管温度分布方程；搭建振荡流热管温度测量试验台，测量了振荡流热管稳定工作时的表面温度分布；将试验测得温度平均值与温度分布方程曲线进行比较，两者吻合较好。
　　 最后，给出了振荡流热管换热器的热设计计算方法。认为振荡流热管参数一定，从而将求换热面积转化为求热管数量。热端和冷端传递的热量可以通过干燥尾气相对环境携带的总热量和回收效率求得；热端和冷端的对流传热系数可以分别根据相应的试验关联式进行求解，其中热端需要进行迭代求解；由于振荡流热管内部属于纯相变换热，所以认为热管内部换热系数很大，对表面温度分布进行积分求得平均温度，最后可以求得热流密度；每一根振荡流热管传递的热量可以求得，总换热量与单根振荡流热管传热量之比即是所需要的热管数量。