阳东;陈孟倩
【摘 要】采用热管换热器回收燃气热水器烟气余热(显热、潜热),对热管换热器设计计算方法、换热量的理论计算方法进行探讨.结合试验方法,利用热管换热器回收家用燃气热水器烟气显热、潜热,考察不同工况下热管换热器理论换热量与实测换热量.在试验中回收到了凝结水,说明设计的热管换热器具备同时回收烟气显热和潜热的能力.由于蒸发段翅片间残留凝结水,影响了换热效果,使得实测显热、潜热换热量小于理论换热量.在后续的研究中,可以通过优化翅片结构等方式,减少凝结水的残留,进一步提高热管换热器的换热能力. 【期刊名称】《煤气与热力》
【年(卷),期】2017(037)006
【总页数】7页(P32-38)
【关键词】热管换热器;烟气余热;燃气热水器;显热;潜热
【作 者】亨润成型机炮筒公司阳东;陈孟倩
【作者单位】重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045;重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045
【正文语种】中 文
【中图分类】TU996.7
1 概述
天然气以甲烷为主要组分，燃烧产生的烟气中水蒸气的体积分数为10%～20%，因此烟气含有一定量的汽化潜热[1-2]。
国内外已有很多学者在烟气余热回收方面进行了研究。Liang等人[3]采用空气-水蒸气的混合物作为介质，在平直翅片管外进行对流凝结传热试验，结果表明对流凝结传热的传热系数是干工况下传热系数的1.0～3.5倍。Osakabe、Mihara等人[4-5]采用小直径光管进行试验，指出小直径的紧凑式换热器更适合回收烟气潜热，并认为壁面温度较低时，传热效果
好。Jia[6]研究了烟气在长为0.475 m的短管内的凝结传热，认为在凝结界面处，剪切力和粗糙度的影响可以忽略。Jang等人[7]、Idem等人[8]、Wang等人[9]均使用翅片管换热器研究烟气凝结传热，Idem等人的研究结果表明，在雷诺数为400～1 500时，湿工况的传热系数和摩擦因子均比干工况高。Wang等人的研究结果表明，在湿工况下，翅片管换热器入口处烟气中水蒸气的体积分数对显热传热的影响很小，且翅片间距对传热的影响可以忽略。
目前，利用热管回收烟气显热、潜热的研究还鲜有报道。本文分析热管换热器的设计计算与热管换热器回收烟气显热、潜热的理论计算方法，采用试验方法利用热管换热器回收家用燃气热水器烟气显热、潜热，考察不同工况下热管换热器理论换热量和实测换热量。
2 热管换热器设计计算
热管分为蒸发段、绝热段、冷凝段，热管蒸发段的液态工质吸收管外烟气的热量，相变为气态，向冷凝段流动，在与冷凝段外的冷水进行换热后，气态工质放热相变为液态。液态工质通过吸液芯的毛细作用回到蒸发段，继续吸收蒸发段的热量，如此往复循环。绝热段不参与工质与外部的换热。
试验采用有槽道式吸液芯的热管，水平放置，热管的启动温度为25 ℃，热管基管的外直径d0为12 mm，壁厚为1.2 mm。热管壁为铜质，热导率为390 W/(m·K)。与烟气换热的蒸发段预制环形翅片，材质为铝，热导率为200 W/(m·K)。翅片外直径df为28 mm，翅片高为8 mm，厚度δ为0.3 mm，翅间距r为1.5 mm，翅化比β为14.7。烟气侧热管为叉排排列，纵向间距dT为32 mm，横向间距dL为28 mm。
换热器烟气侧迎风面积Aw的计算式为：
(1)
式中 Aw——换热器烟气侧迎风面积，m2
qm——烟气的质量流量(按燃气热水器额定负荷下烟气质量流量16.9×10-3 kg/s的1.5倍选取)，kg/s
G——烟气质量流速，kg/(m2·s)
设定烟气质量流速G为2 kg/(m2·s)，由式(1)可计算得到换热器烟气侧迎风面积Aw为12.675×10-3 m2。
设热管换热器迎风面宽度为b，则热管烟气侧长度L1的计算式为：
(2)
式中 L1——换热器烟气侧长度，m
b——迎风面宽度，m，迎风面布置3根热管，由纵向间距、翅片外直径可计算得到迎风面宽度为0.092 m
由式(2)可计算得到，换热器烟气侧长度L1为0.137 m，向下圆整为130 mm。
换热器冷水侧长度L2由经济长度比σ确定[10]：
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式中 σ——经济长度比，取2
L2——换热器冷水侧长度，m
由式(3)可计算得到，换热器冷水侧长度L2为65 mm。
在进行热管数量的计算时，我们根据烟气侧热管的光管面积进行测算，热管数量n的计算式为：
(4)
式中 n——热管数量
Ag——烟气侧热管的光管面积，m2
由于烟气侧与冷水侧的换热量基本接近，为方便计算，在计算烟气侧热管的光管面积时，我们采用冷水侧的设计换热量计算烟气侧热管的光管面积Ag，计算式为[11]：
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(5)
Φc,d=qm,w,dcp,wΔtw,d
(6)
(7)
水中氨氮的测定方法式中 Φc,d——冷水侧设计换热量，W
K0——以烟气侧光管外表面为基准的换热管传热系数[11]
Δtm——热管换热器对数平均温差，℃
qm,w,d——冷水的设计质量流量，kg/s，取0.15 kg/s
cp,w——冷水的比定压热容，J/(kg·K)，取4 186 J/(kg·K)
Δtw,d——冷水侧进出口温差，℃，取4 ℃
K1，K2——换热器烟气侧、水侧的传热系数经验值[10]，W/(m2·K)，考虑到换热器烟气侧为凝结换热，K1取800 W/(m2·K)，K2取3 000 W/(m2·K)
在计算对数平均温差时，烟气侧烟气进出口温度分别取150、70 ℃，冷水侧冷水进出口温度分别取22、26 ℃。由此可计算得到，对数平均温差Δtm为79 ℃。将已知参数代入式(4)～(7)，可计算得到热管数量n为15.5。鉴于热管换热器的布置形式，为满足换热要求，热管数量选取为18。热管换热器烟气侧的布置方式见图1(图中数值单位为mm)，外形见图2。
图1 热管换热器烟气侧的布置方式
图2 热管换热器外形
3 换热量的理论计算
计算中涉及的烟气和冷水的物性参数，均在标准大气压，以及烟气和冷水进出口的平均温度条件下确定。模块化机组
3.1 烟气侧
① 总换热量
烟气侧总换热量Φg的计算式为：
Φg=η0htA(tg-ti,eva)
油墨丝印式中 Φg——烟气侧单根热管的平均换热量，W
