木材干燥的振蕩流熱管換熱器設計與試驗

1、    木材干燥的振蕩流熱管換熱器設計與試驗                         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·山東大學機械工程學院,濟南250061; 2·山東省科學院工業(yè)節(jié)能研究中心,濟南250014; 3·中國科學院工程熱物理研究所,北京100080)    【

3、摘要】設計了自激振蕩流熱管換熱器余熱回收系統(tǒng)并進行了試驗,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文獻標識碼: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。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)、適應性好、結(jié)構(gòu)簡單、易清理、熱響應快等優(yōu)點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)的余熱回收進行試驗研究。    1換熱器設計參數(shù)

5、    自激振蕩流熱管是毛細管彎曲成的蛇形管路由細直管道和彎頭組成,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)生強烈的往復振蕩運動,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計振蕩流熱管換熱器, 其尾氣參數(shù)及熱回收效率標準為: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口和出口每3 h轉(zhuǎn)換一次,且進口和出口一般垂直安裝。因此,如果換熱器被用來進行木材干燥機尾氣余熱回收,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,設計了自激振蕩流熱管換熱器,并對其進行測試。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。 為了得到預期的熱氣體進口溫度,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 球風速儀(QDF-型)測量冷、熱空氣流速。一組E 型熱電偶分別敷設于熱氣流和冷氣流的入口及熱管 的表面,用以測量相應的溫度。測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù) 采集器(Agilent 349770A型)傳輸至計算機中進行 自動記錄。在每個風機上設置變頻測量器,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 機經(jīng)電加熱器加熱后進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行熱 交換。由風機變頻電動機控制熱氣體(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。熱氣流進口溫度控制在70 95,每5為一個工況,當溫度穩(wěn)定后,記錄運行參數(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口溫度的變化?？梢钥闯?當熱氣體進口溫度達到一定值后,熱回收效率隨著熱氣體進口溫度的升高而明顯增大,當進口溫

13、度在95時熱 回收效率達到20·2%。這主要是因為熱氣體進口 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),當進口溫度由 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,當熱氣體進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,在進口溫

14、度80時 熱回收效率達到18%,振蕩流熱管設計合理高效。    3·2熱氣體進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行試驗。試驗結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看 出,當熱氣體的相對濕度為5·9%時,換熱器的回收 效率僅為15%,而當相對濕度增加到98%時熱回收效率達到了34%,即隨著相對濕度的增加,熱回收 效率明顯增加,設計的自

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,熱氣體進口濕度可達到80%以上,采用本試驗設計的自激振蕩流熱管換熱器可以很好地進行余熱回收。                     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 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:化學工業(yè)出版社, 2007.2Perry R H, Green D W. Chemical engineers handbookM. 

17、;7th Edition. New York: McGraw-Hill, 1998.3Rittidech S, Dangeton W, Soponronnarit S. Closed oscillating heat-pipe(CEOHP) air-preheater for energy thrift in a dryer J. Applied Energy,

18、60;2005, 81(2): 198208.4冼海珍,商福民,劉登瀛,等.自激振蕩流熱管脈沖加熱強化傳熱實驗研究J.工程熱物理學報,2006,27(3):457 459.5Chai Benyin, Li Xuanyou, Zhou Shenjie, et al. Experimental study on energy thrift in a fluidized bed dryerwith self-excited mode oscillating-flow heat pipeCThe Proceedings ofthe 5th Asia-Pacific Drying Conference, 2007: