纖維干燥余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計

1、摘 要 隨著中國社會的不斷進步，能源短缺和環(huán)境惡化已經(jīng)成為制約中國發(fā)展的重要戰(zhàn)略性問題，因此節(jié)能減排也成為了社會發(fā)展的必然趨勢。近幾年人造板行業(yè)隨著房地產(chǎn)行業(yè)的興起也快速得成長起來，我國纖維板產(chǎn)量已居世界首位。在纖維板的生產(chǎn)過程中，單位立方米的纖維板能耗在100kg標(biāo)準(zhǔn)煤左右。如何提高能源利用效率，進一步實現(xiàn)纖維板行業(yè)的節(jié)能減排是當(dāng)前行業(yè)關(guān)注的熱點問題之一。在膠合板、刨花板和纖維板的生產(chǎn)過程中，膠合板主要耗能的步驟在于蒸煮木段和干燥；刨花板主要耗能的地方是木材干燥和熱壓；纖維板的耗能之處在于纖維的干燥，制取和熱壓?？梢?，干燥過程是耗能的重要環(huán)節(jié)，煙氣作為鍋爐余熱直接用來干燥纖維可以大幅調(diào)高纖維

2、板生產(chǎn)過程中的熱能利用效率，利用鍋爐尾氣的熱量干燥纖維也是當(dāng)前“熱能中心”的核心內(nèi)容。“熱能中心”的供熱模式在纖維板生產(chǎn)過程中已實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，該模式中纖維干燥尾氣攜帶的熱能包括了纖維干燥、熱磨、蒸煮過程中的用熱，如何實現(xiàn)對干燥尾氣中的熱能進行回收利用是纖維板生產(chǎn)節(jié)能的重點。本文主要是研究纖維板干燥過程用熱管換熱設(shè)備以及煙氣余熱技術(shù)來降低能源消耗，通過選擇合適的風(fēng)量來達到節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞：纖維干燥；煙氣余熱；熱管；余熱回收Abstract Along with the advance of the Chinese society, energy shortage and environment

3、al degradation has become an important strategic problem restricting the development of China, so the energy conservation and emissions reduction has become the inevitable trend of social development. In recent years，with the rise of the real estate industry，man-made board industry has grown up quic

4、kly, fiberboard production in our country is the top in the world. In the process of fiberboard production, energy consumption per unit cubic meters of fiberboard is about 100 kg of standard coal. How to improve the efficiency of energy utilization and further implementation of the fiberboard indust

5、ry energy conservation and emissions reduction is one of the hot topic in the current industry. In the production of plywood, particleboard,and plywood main steps of energy dissipation is cooking logs and dry; Particle board is the main energy dissipation place wood drying and hot pressing; Fiberboa

6、rd of energy dissipation is in fiber drying, preparing and hot pressing. It is easy to find that drying process is an important part of the energy consumption, the flue gas waste as a boiler heat directly used to dry fiber can be sharply raised fiberboard production in the process of heat energy uti

7、lization efficiency, using the boiler waste heat and dry fiber is a core subject in the current "heat center". Heat center heating mode is widely used in the process of fiberboard production, the mode fiber carry fiber dry exhaust heat included in the dry, hot mill, the heat in the process

8、 of cooking, how to realize the dry heat of exhaust gas recycling is the key of the fiberboard production and energy saving. This paper is the study of fiberboard drying process with heat pipe heat exchange equipment and flue gas waste heat technology to reduce the energy consumption, by selecting t

9、he proper air flow to achieve the goal of energy saving.Key words: Fiber dry; Flue gas waste heat ; Heat pipe ; Waste heat recovery目 錄第一章 前言51 研究背景52 人造板行業(yè)能源利用現(xiàn)狀63 本課題研究內(nèi)容及意義8第二章 纖維干燥余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計81 工程概況81.1 纖維板廠概況81.2干燥系統(tǒng)用能分析91.3工程設(shè)計目標(biāo)92 余熱利用參數(shù)分析93 設(shè)備選型143.1 熱管換熱器的特點及發(fā)展143.2 熱管換熱器的設(shè)計計算及經(jīng)濟分析153.2.1 冷風(fēng)加熱

10、到40熱管換熱器的設(shè)計計算及經(jīng)濟性分析153.2.2 冷風(fēng)加熱到45熱管換熱器的設(shè)計計算及經(jīng)濟性分析233.2.3 冷風(fēng)加熱到50熱管換熱器的設(shè)計計算及經(jīng)濟性分析30第3章 總結(jié)39參考文獻40 纖維干燥余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計第一章 前言1 研究背景目前世界上可利用的能源被分為一次能源和二次能源，由于煤炭、石油、天然氣等一次能源的不可再生性，其越來越快的消耗使其在慢慢枯竭，但隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對能源的需求越來越大，能源問題成為發(fā)展的一大問題。雖然新能源的開發(fā)和利用漸漸成為一種潮流，越來越多的人開始步入這個研究領(lǐng)域，但是其起步比較晚、技術(shù)不夠成熟，應(yīng)用領(lǐng)域還不是很廣泛，對于現(xiàn)在亟需解決的能源問

11、題還不是個最佳的方案，如此說來，節(jié)能顯得尤為重要。中國煤炭資源豐富，卻遠遠不夠生產(chǎn)使用，產(chǎn)生的污染也是很讓人驚悚。如果繼續(xù)按照傳統(tǒng)發(fā)展模式，即高開采、高能耗、高排放、低利用的“三高一低”的粗放式經(jīng)濟發(fā)展模式，向大自然過度的索取，不從根本上緩解經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的矛盾，資源難以為繼，環(huán)境不堪重負1。縱觀中國工業(yè)這幾十年的飛速發(fā)展，帶來的是城市的革新、人民生活的富足，隨之而來的還有非常嚴峻的能源問題和環(huán)境問題，生態(tài)文明建設(shè)被迫推上了一個新的臺階，面對空氣質(zhì)量的惡化、污水的泛濫，理性的我們應(yīng)該可以深刻感覺到這一切變化來的太快，是時候該遏制了，否則對社會的發(fā)展進步將是一大障礙。如何緩解能源危機和環(huán)境惡

12、化現(xiàn)在已經(jīng)成為世界性的難題，各行各業(yè)都開始意識到問題的嚴肅性并開始采取一定的有效措施進行節(jié)能減排。我國“十一五”規(guī)劃就把節(jié)能減排作為一項國策予以提出，改革發(fā)展進入“十二五”對能源和環(huán)境提出了更高的要求，節(jié)能減排指的是降低能源的消耗和污染物的排放，高能耗、高污染的產(chǎn)業(yè)必須首先被關(guān)注，比如石化行業(yè)，其能源消耗量在3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上，在工業(yè)能源消耗中名列前茅，排放物亦占各行各業(yè)前列。當(dāng)前石化行業(yè)的施行措施主要是開展清潔生產(chǎn)、能源循環(huán)利用、改進生產(chǎn)技術(shù)，從源頭控制，貫穿整個生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)。我國交通運輸業(yè)對原油的消耗量逐年增加，也越來越被人們關(guān)注，清潔能源開始在汽車中使用，這種節(jié)能方式將會是未來的發(fā)展潮流。

13、各行各業(yè)對節(jié)能減排都有了新的看法和做法，說到人造板行業(yè)的近幾年發(fā)展，節(jié)能也成為一個重要的問題。未來五年，我國人造板行業(yè)將呈現(xiàn)多元化發(fā)展格局，刨花板的比例將適度提高，人造板企業(yè)將由單一擴大產(chǎn)能向精細管理、提高產(chǎn)品質(zhì)量和效益調(diào)整2。 木材工業(yè)主要是以木材及生物質(zhì)為原料，通過各種膠黏劑和機械加工形成各種木制成品，目前市場上主要是纖維板、膠合板和刨花板。盡管我國的經(jīng)濟遭遇多重的挑戰(zhàn)，但我國的人造板行業(yè)的發(fā)展依然保持快速上升趨勢，2011年我國人造板企業(yè)已經(jīng)超過1萬多家，是世界上人造板生產(chǎn)、消費和進出口貿(mào)易的第一大國。當(dāng)前市場上越來越多的產(chǎn)品開始把發(fā)展目光轉(zhuǎn)向人造板的木質(zhì)感，但我國的人造板單一生產(chǎn)方式從

14、長遠角度來看已經(jīng)不能適應(yīng)這樣的發(fā)展速度，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式需要調(diào)整改進。中國的人造板行業(yè)主要是以中小企業(yè)生產(chǎn)單位為主，對外依存度比較高，我國人造板行業(yè)處于成長期，發(fā)展速度快，未來 35 年，行業(yè)的平均成長率在 10 %20 %之間，隨著經(jīng)濟復(fù)蘇，房地產(chǎn)業(yè)的不斷升溫，人造板行業(yè)向多元化發(fā)展，投資規(guī)模將出現(xiàn)上升趨勢，產(chǎn)業(yè)鏈延伸和下游領(lǐng)域拓寬，將形成業(yè)內(nèi)新的投資熱點3。企業(yè)發(fā)展都有一定的周期，人造板生產(chǎn)屬于基礎(chǔ)型原料產(chǎn)業(yè)，其生命周期比其他產(chǎn)業(yè)相對而言要長很多，我國人造板行業(yè)與國外同行業(yè)相比較壽命短很多，技術(shù)、設(shè)備都有很大的差距。人造板行業(yè)的競爭目前大部分都是原材料的競爭，但由于木材資源的減少，想要增

15、強企業(yè)的競爭力，需要轉(zhuǎn)變發(fā)展方向，生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)都應(yīng)該被考慮進來。我國自行研究和發(fā)展的高技術(shù)性設(shè)備還不成熟，企業(yè)研發(fā)積極性很高，但是基礎(chǔ)力量不充足，需要整體力量的增強才可以適應(yīng)技術(shù)的改進。2 人造板行業(yè)能源利用現(xiàn)狀 查看很多資料可以發(fā)現(xiàn)，在我國膠合板生產(chǎn)中能源浪費是個很不樂觀的景象，就中密度纖維板(MDF) 產(chǎn)品的單位綜合能耗而言，世界同行業(yè)發(fā)達國家為156 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/4，而按2008年全國纖維板產(chǎn)量2906.6萬計，全國纖維板生產(chǎn)綜合能耗高達 930萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，單位綜合能耗約為320kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/5，我國的能耗不僅遠高于發(fā)達國家的水平，而且也高于世界平均水平，我國產(chǎn)品的單位綜合能耗是世

16、界平均水平的4.8倍。面對世界經(jīng)濟全球化的一步步深入，人造板工業(yè)也存在如何應(yīng)對國際市場的競爭壓力，在保證高品質(zhì)的前提下通過節(jié)能降耗、降低成本來提高產(chǎn)品市場競爭力是一有效措施。我國膠合板用熱通常是包括生產(chǎn)用熱和廠區(qū)采暖用熱，常采用供熱站和熱水鍋爐供熱，目前膠合板生產(chǎn)中一般使用的是水熱處理法來蒸煮木段，其包括升溫、保溫、自然冷卻均溫三個過程，升溫和保溫是耗能最多的兩個階段，合理處理這兩個階段的能耗對于膠合板產(chǎn)業(yè)的節(jié)能是一個可以深度挖掘的區(qū)域，對于木材的含水率、硬度、溫度與加熱時間的關(guān)系可以做一個趨勢觀察，找到最經(jīng)濟的最佳加熱時間，使得所消耗的能量用得其所6。膠合板在單板干燥的時候其能耗也不容忽視，

17、國內(nèi)現(xiàn)在使用的大部分干燥機都存在耗能高、效率低、易產(chǎn)生故障等問題，可見改進干燥機的性能對于干燥階段的能耗節(jié)約是很重要的，改善干燥技術(shù)也是需要考慮的方面。熱壓在膠合板生產(chǎn)中也是能耗比較多的，合理的熱壓工藝在目前節(jié)能發(fā)展來看是非常有必要研究的。 刨花板企業(yè)中熱能消耗最多的是干燥和熱壓兩道工序，大部分企業(yè)用的是熱油爐熱油來作為熱壓介質(zhì)，還有一部分采用的是蒸氣爐來為刨花板干燥，這兩種方式都耗能比較大，目前來看只有通過熱煙氣來作為熱源介質(zhì)干燥刨花板的能耗最小，在國外發(fā)達國家熱能中心的應(yīng)用是比較普遍的，國外先進的設(shè)備和技術(shù)以及其刨花板生產(chǎn)的年代之久，使得其在刨花板節(jié)能減排方面的成效是可觀的。刨花板生產(chǎn)系統(tǒng)

18、一般包括準(zhǔn)備原料、制造刨花、干燥刨花、施膠、鋪裝、預(yù)壓、熱壓、后處理這幾個過程，干燥和熱壓是需要大量消耗熱能的7，這與膠合板的能耗集中之處一樣。 在中密度纖維板生產(chǎn)線的節(jié)能措施中，纖維干燥管尾氣余熱，常常被忽略。如能開發(fā)出比較實用的產(chǎn)品，回收纖維干燥管尾氣余熱，將有助于企業(yè)充分利用余熱，減少能源浪費，降低生產(chǎn)成本，同時在行業(yè)內(nèi)也有節(jié)能示范作用。熱管是一種高效的傳熱元件，利用工質(zhì)的相變換熱，其傳熱能力是銅的數(shù)百倍，比普通金屬高幾百倍至數(shù)千倍，熱管換熱器與其他換熱器相比，在穩(wěn)定狀態(tài)有很高的傳熱效率，而且可以在相對比較小的溫差下，遠距離傳遞大量熱量8。對于纖維板的生產(chǎn)，熱能的消耗是主要的能量形式之一

19、，單級纖維干燥、纖維制備、熱壓是纖維板生產(chǎn)中耗能的三個階段，此三個環(huán)節(jié)的熱能消耗占整個纖維板熱能消耗的82%左右，而在這三個環(huán)節(jié)中，熱磨和干燥的能耗又占到了87%9,可見纖維干燥系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力，所以提高纖維干燥中的余熱回收利用率可以有效節(jié)能減排，順應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)的潮流。無可厚非纖維干燥依然是生產(chǎn)過程中能耗最多的階段。在纖維制備方面，大多數(shù)纖維板廠現(xiàn)在使用的都是盤式熱磨機來制造纖維，采用單磨盤旋轉(zhuǎn)技術(shù)制造的纖維的質(zhì)量比較差，采用雙磨盤旋轉(zhuǎn)技術(shù)可以制得細長的纖維，但是調(diào)節(jié)和維護難度比單磨盤大，為降低熱磨動力，采用一動一靜兩個磨盤，兩臺熱磨機串聯(lián)成兩段的熱磨方法得以研究。纖維干燥是去除纖維和

20、膠黏劑中的水分，目前干燥介質(zhì)有蒸氣和熱煙氣，由于蒸氣需要加熱空氣后才能進行實質(zhì)的干燥，而熱煙氣是直接用以進行干燥，沒有中間介質(zhì)，所以蒸氣作為干燥介質(zhì)的能耗較大。蒸氣干燥的干燥溫度的調(diào)節(jié)還易產(chǎn)生滯后的現(xiàn)象，容易影響纖維板的質(zhì)量。纖維板生產(chǎn)過程中，含水率是一個非常重要的控制數(shù)據(jù)，為了準(zhǔn)確保證熱壓前的含水率要求，現(xiàn)在研究的一種兩段式干燥系統(tǒng)，有較好的干燥環(huán)境，降低纖維含水率偏差、熱能消耗、熱能工廠產(chǎn)熱量、電耗和風(fēng)量，從而減少了環(huán)保和運行的投資。對于纖維干燥目前主要是從供熱的熱能合理利用、干燥技術(shù)節(jié)能改進、干燥余熱回收利用三個方向進行節(jié)能研究，管道氣流干燥是當(dāng)前中纖維板生產(chǎn)中纖維的主要干燥形式，余熱資

21、源主要集中在纖維干燥管道排出的尾氣中。這部分尾氣經(jīng)常被直接排放到空氣中，這部分能量也就被浪費了，雖然這部分熱能溫度較低，屬于低品質(zhì)熱量，但如果將這部分能量回收利用于預(yù)熱部分再利用一次，可以提高纖維板生產(chǎn)的熱能利用效率。從國內(nèi)目前的研究狀況來看，采用中隔板改動過的熱管換熱器作為低溫空氣的換熱設(shè)備，可以提高熱回收效果，利用低溫余熱預(yù)熱物料或熱介質(zhì)可以有效應(yīng)用于具體生產(chǎn)工藝10。3 本課題研究內(nèi)容及意義本課題在探討人造板生產(chǎn)過程中能源的消耗的各個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，重點分析纖維干燥環(huán)節(jié)的熱能利用情況，對纖維干燥余熱資源回收系統(tǒng)進行設(shè)計計算，分析纖維干燥余熱資源回收系統(tǒng)的投資及效益，提出可行方案。為纖維干燥

22、尾氣余熱資源的回收利用的進一步優(yōu)化提供可行性方案。第二章 纖維干燥余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計1 工程概況蘇北宿遷市某人造板廠，年產(chǎn)10萬m³中密纖維板生產(chǎn)線的。1.1 纖維板廠概況²年產(chǎn)量10萬m3纖維板²鍋爐情況n熱油爐：額定功率14000KW；n蒸汽爐：額定蒸發(fā)量15t/h。1.2干燥系統(tǒng)用能分析（1）干燥系統(tǒng)用能概況 該廠的纖維干燥介質(zhì)主要由兩部分組成，一部分是鍋爐的尾部煙氣，平均溫度為300左右11，另一部分是補充進來的環(huán)境空氣，宿遷屬于溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫14左右，這部分空氣通過熱油換熱器加熱后與煙氣混合，混合后的氣體進入干燥管，鍋爐尾氣約為1/3,環(huán)

23、境空氣約為2/3。干燥介質(zhì)參數(shù)：干燥進口溫度：120160；干燥出口溫度：60，相對濕度60%。干燥風(fēng)機：流量：2528萬m3/h；全壓：4900Pa；功率：710KW；纖維終含水率：7.68.2%。1.3工程設(shè)計目標(biāo)（1）完成纖維板廠能源使用分析，重點分析纖維干燥系統(tǒng)的用能情況，對干燥系統(tǒng)能耗進行評估，分析纖維干燥尾氣余熱資源的特點，對纖維干燥余熱資源的資源量進行測算，分析其回收使用途徑，評估其回收使用效益。（2）完成纖維余熱資源回收系統(tǒng)的方案設(shè)計，形成設(shè)計方案書及系統(tǒng)施工指導(dǎo)書。2 余熱利用參數(shù)分析 干燥介質(zhì)進入干燥管前溫度取140，全壓為4900Pa，流量取26萬m3/h，煙氣含水量大概

24、7t（主要燃料中含水），風(fēng)機的設(shè)計余量為1.15，干燥介質(zhì)進入干燥管前其它相關(guān)參數(shù)計算如下：水蒸氣的分壓力為：= = 5901.3 Pa調(diào)研時間為3月份，宿遷3月份環(huán)境壓力100560Pa，則干空氣的質(zhì)量約為：ma= = = = 218383.9kg含濕量：d1= = = 0.032kg/kg(干空氣)由可知相對濕度為： 進干燥管前干燥介質(zhì)的焓值：=1.01×140+0.032×(2501+1.86×140）=229.76kJ/kg(干空氣)總焓值為：=218383.9×229.76=50176933 kJ干燥介質(zhì)進入干燥管后對從熱磨機中出來的濕纖維進行

25、干燥，干燥過程中濕纖維所含的水分及從熱磨機出來的部分水蒸氣進入了干燥介質(zhì)中，使干燥介質(zhì)濕度增加，溫度下降12,實測溫度60，相對濕度60% 根據(jù)水蒸氣表，當(dāng)t=60，查得水蒸氣的飽和壓力Ps=19920pa 含濕量：=0.079 kg/kg（干空氣）干燥尾氣的焓值：=1.01×60+0.079×(2501+1.86×60)=264.4KJ/kg(干空氣)總焓值為：=218383.9×247=53940823.3KJH=53940823.3-50176933 =3763890.3KJ 由此可以看出，在經(jīng)歷干燥管的干燥過程中，干燥介質(zhì)在給濕纖維的干燥后焓值有

26、了明顯的增加,所以實現(xiàn)尾氣余熱回收是很有必要的。 冷風(fēng)溫度設(shè)為宿遷全年平均溫度14，年平均相對濕度75%。根據(jù)水蒸氣表，當(dāng)t=14，查得水蒸氣的飽和壓力Ps=1598 pa含濕量：=0.007kg/kg（干空氣）冷風(fēng)的焓值：=1.01×14+0.007×(2501+1.86×14)=31.8KJ/kg(干空氣)干燥介質(zhì)中環(huán)境空氣約為1/2，則其質(zhì)量流量為= =109192kg若將其冷風(fēng)加熱至40時，其相關(guān)參數(shù)為：因為加熱過程中被加熱冷空氣的含濕量不變，=0.007 kg/kg(干空氣)加熱后的焓值：=1.01×40+0.007×(2501+1.

27、86×40)=58.4 KJ/kg所需加熱量： =109192×(58.4-31.8)=2907542.7KJ使用尾氣將冷空氣加熱到40，假設(shè)尾氣從60、相對濕度60%降至溫度48，其相對濕度變?yōu)?00%。根據(jù)水蒸氣表，當(dāng)t=48，查得水蒸氣的飽和壓力Ps=11343pa含濕量：d7 =0.622=0.622× =0.074kg/kg(干空氣)=1.01×48+0.074×(2501+1.86×48)=241.1KJ/kg按能量平衡計算得到所需要的尾氣量：= =124739kg若將其冷風(fēng)加熱至45時，其相關(guān)參數(shù)為：因為加熱過程中被加熱

28、冷空氣的含濕量不變，=0.007 kg/kg(干空氣)加熱后的焓值：=1.01×45+0.007×(2501+1.86×45)=63.5 KJ/kg所需加熱量： = (-) =109192×(63.5 -31.8)=3466070.7KJ使用尾氣將冷空氣加熱到45，假設(shè)尾氣從60、相對濕度60%降至溫度47根據(jù)水蒸氣表，當(dāng)t=47，查得水蒸氣的飽和壓力Ps=10847pa含濕量：=0.071kg/kg(干空氣)=1.01×47+0.071×(2501+1.86×47)=230.6KJ/kg按能量平衡計算得到所需要的尾氣量：=

29、 =102453kg若將其冷風(fēng)加熱至50時，其相關(guān)參數(shù)為：因為加熱過程中被加熱冷空氣的含濕量不變，d6=d3=0.007 kg/kg(干空氣)加熱后的焓值：=1.01×50+0.007×(2501+1.86×50)=68.7 KJ/kg所需加熱量： =109192×(68.7 -31.8)=4024598.7KJ使用尾氣將冷空氣加熱到50，假設(shè)尾氣從60、相對濕度60%降至溫度47按能量平衡計算得到所需要的尾氣量：= =118963kg整理得：表2-1 不同加熱溫度下所需尾氣量的變化表冷空氣加熱后溫度（）加熱后焓值 （KJ/kg）加熱所需要的熱量（KJ）

30、所需要的尾氣量（kg）4058.42907542.71247394563.53466070.71487015068.74024598.7172663由表2-1可以得知，冷空氣加熱到50所需要的熱量最多，所需要的尾氣量亦是最多。3 設(shè)備選型該纖維干燥余熱回收系統(tǒng)采用的是熱管換熱器。3.1 熱管換熱器的特點及發(fā)展熱管是熱管換熱器最基本的元件，熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的換熱元件，熱管作為高效的傳熱元件之一，它可以在長距離無外在動力的情況下通過很小的截面?zhèn)鬏敶罅康哪芰?，從而引發(fā)了人們對它的研究和應(yīng)用13。從其被發(fā)現(xiàn)以來，帶干道的熱管、旋轉(zhuǎn)熱管等依次被研究出來，1974年為了適應(yīng)節(jié)能的要

31、求，熱管組成的換熱器問世。熱管換熱器作為一種新型的高效換熱器，其應(yīng)用從最初的宇航的熱控制，擴展到近期的電子工業(yè)、余熱回收、新能源、化學(xué)工程、石油化工及核電工程等方面。我國能源利用水平低，所以我國的熱管利用研究主要是在節(jié)能減排這個方面上，熱管氣-氣換熱器、熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷魵獍l(fā)生器相繼得以開發(fā)。熱管具有良好的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、環(huán)境的適應(yīng)性，與常規(guī)的換熱設(shè)備相比較，熱管換熱設(shè)備更安全可靠，效率高，節(jié)能效果明顯。熱管換熱器屬于冷熱流體互不接觸的表面式換熱器，在相同的熱量傳遞中，熱管換熱器的耗材遠低于其它換熱器，由于冷熱流體所在熱管的獨立性使得一根管子的失效、穿孔等故障不會對整體的冷熱流體的

32、換熱有太大的影響。按照熱流體和冷流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為氣-氣式、氣-液式、液-液式、液-氣式，從熱管換熱器結(jié)構(gòu)形式來看，熱管換熱器又可分為整體式、分離式、回轉(zhuǎn)式和組合式14。鑒于目前使用的熱管換熱器大部分都是用作于氣-氣換熱，又尾氣和補充的環(huán)境空氣均為氣體狀態(tài)，所以本系統(tǒng)設(shè)計計算均是針對氣-氣熱管換熱器而言。3.2 熱管換熱器的設(shè)計計算及經(jīng)濟分析 要求設(shè)計一臺熱管空氣預(yù)熱器，用煙氣的低溫余熱來加熱補充的環(huán)境空氣來提高干燥的效率。3.2.1 冷風(fēng)加熱到40熱管換熱器的設(shè)計計算及經(jīng)濟分析 假設(shè)將冷空氣加熱到40，由以上計算可以得知每小時排煙量=124739kg；為廢氣流的平均密度，=1.0k

33、g/m3；則每小時的排煙容積量為=107209m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況）；排煙溫度為=60；需要的冷空氣流量為= 93847m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況）；空氣進熱管換熱器的溫度=14,；煙氣出熱管換熱器溫度=48。選用水為熱管介質(zhì)，管殼材料為20號鍋爐無縫鋼管，翅片材料為低碳鋼，翅片與管殼的連接方式為高頻焊接。由于煙氣中有灰，較臟，所以這種熱管翅片參數(shù)應(yīng)選擇較大的數(shù)，選擇這種熱管參數(shù)為：光管外徑=0.04m；熱管全長=4m；熱管內(nèi)徑=0.032m；翅片外徑=0.062m；翅片高度=0.015m；翅片厚度=0.0016m；翅片間距=0.0036m；翅片節(jié)距=+=0.0052m；每米熱管長的翅片數(shù)=片/m。 熱管換熱器

34、管子排列形式為等邊三角形排列，橫向管子中心距=0.08m；=0.08m。設(shè)計計算如下：計算傳熱量冷空氣定性溫度=27 查得定性溫度下煙氣的參數(shù)為：定壓比熱容=1.005 KJ/(kg.K)；密度=1.18 kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)=0.026 W/(m.k)；黏度=1.85× (N.s)/m2；普朗特數(shù)=0.7冷空氣需要吸收的熱量= ma1 (h4-h3) =109192×(58.4-31.8)=2907542.7KJ=807.7KW熱管傳至煙氣側(cè)的熱量 考慮煙氣側(cè)有3%的熱損失，故：=832.6KW煙氣實際放出的熱量 考慮煙氣側(cè)有3%的熱損失，故：=858.4KW 煙氣側(cè)定性

35、溫度及參數(shù)煙氣側(cè)定性溫度 =54 查得54時空氣的物性參數(shù)為： 定壓比熱容=1.005KJ/(kg.K)；密度=1.08kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)=0.029W/(m.k)；黏度=1.99×(N.s)/m2；普朗特數(shù)=0.69對數(shù)平均溫差，如圖2-1所示t2c 40t1h 60t2h 55=26.4t1c14圖2-1確定迎風(fēng)面積及迎風(fēng)面管排數(shù)B，在本設(shè)計中可以假設(shè)冷、熱側(cè)迎風(fēng)面積相等，熱管幾何尺寸及翅片參數(shù)也相等，并取標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速=2.4m/s煙氣側(cè)迎風(fēng)面積：=12.4空氣側(cè)迎風(fēng)面積：=10.9迎風(fēng)面寬度E 已采用=3m長的熱管，取熱風(fēng)側(cè)與冷風(fēng)側(cè)相等，則=1.5m=8.3m=7.2m 已采

36、用迎面橫向管子中心距 =0.08m，所以迎面管排的管子數(shù)B：B=103.4根，取B為104根實際迎面寬度為：=104×0.08=8.32m實際迎風(fēng)面積=8.32×1.5=12.48實際標(biāo)迎面風(fēng)速為： =2.4m/s =2.1m/s求總傳熱系數(shù)管束最小流通面積=4.8流體最大質(zhì)量流量熱風(fēng)側(cè)：=2.4×冷風(fēng)側(cè)：=2.3×求Re熱風(fēng)側(cè)：=13539冷風(fēng)側(cè)：=13929求流體換熱系數(shù)熱風(fēng)側(cè)： 冷風(fēng)側(cè)：求翅片效率熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求每米長熱管管外總表面積每米長熱管的翅片表面積為：= =0.74每米長翅片間管表面積為：=0.087每米熱管管外總表面積為：=+=0.74

37、+0.087=0.83求管外有效換熱系數(shù)熱風(fēng)側(cè)： =18冷風(fēng)側(cè)： =14.9求污垢熱阻及管壁熱阻熱風(fēng)側(cè)：，和分別為污垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)，通常不易知道，可從有關(guān)資料查取得到相關(guān)經(jīng)驗值，=1.5mm，=0.116，帶入上述公式中可得：冷風(fēng)側(cè)：可以忽略不計金屬管壁熱阻：總傳熱系數(shù)因為各部分面積比與單位長度上的面積比相等，所以可以把相關(guān)數(shù)值帶入式中，同時取=5810，則有： =0.14所以=7.14求冷風(fēng)側(cè)側(cè)總傳熱面積=4286求所需熱管數(shù)n根求換熱器縱深排數(shù)m ，取34排求通過熱管換熱器的壓力降換熱器的凈自由容積 = =求容積當(dāng)量直徑在本設(shè)計中，求熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求摩擦系數(shù)熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求平均管

38、壁溫度熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求壁溫下的流體黏度熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求通過換熱器的壓降熱風(fēng)側(cè)： =482冷風(fēng)側(cè)：=449經(jīng)濟核算設(shè)備總投資根據(jù)當(dāng)前市場相關(guān)報價，選取56元/根的熱管，殼體相關(guān)費用在1萬元左右，現(xiàn)場施工費用0.5萬元，因而設(shè)備總投資約為：萬元設(shè)備電耗（操作費用）熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：設(shè)備總電耗為：假設(shè)該設(shè)備年平均工作時間為7200小時，每度電電價平均為0.8元，則全年操作費用為：萬元/y年節(jié)約費用假設(shè)該鍋爐用煤，發(fā)熱值約為29306 KJ/kg換熱器回收熱量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為： kg/h設(shè)該鍋爐效率為79%，則回收熱量折合成實際燃煤量約為132.9kg/h，年節(jié)約煤量為956.9t/y以目前市場焦煤每

39、噸約為1020元，則年節(jié)約費用為97.6萬元則年凈節(jié)約費用為W=97.6-22.3-20.8=54.5萬元3.2.2 冷風(fēng)加熱到45熱管換熱器的設(shè)計計算及經(jīng)濟分析設(shè)計計算如下：計算傳熱量冷空氣定性溫度=29.5查得定性溫度下煙氣的參數(shù)為：定壓比熱容=1.005 KJ/(kg.K)；密度=1.17 kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)=0.027 W/(m.k)；黏度=1.86× (N.s)/m2；普朗特數(shù)=0.7冷空氣需要吸收的熱量= (-) =109192×(63.5 -31.8)=3466070.7KJ=962.8KW熱管傳至煙氣側(cè)的熱量考慮煙氣側(cè)有3%的熱損失，故：=992.6KW煙

40、氣實際放出的熱量考慮煙氣側(cè)有3%的熱損失，故：=1023.3KW 煙氣側(cè)定性溫度及參數(shù)煙氣側(cè)定性溫度 =53.5查得53.5時空氣的物性參數(shù)為：定壓比熱容=1.005KJ/(kg.K)；密度=1.08kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)=0.029W/(m.k)；黏度=1.99×(N.s)/m2；普朗特數(shù)=0.69對數(shù)平均溫差，如圖2-2所示t2c 45t1h 60t2h 47=23圖2-2t1c14確定迎風(fēng)面積及迎風(fēng)面管排數(shù)B，在本設(shè)計中可以假設(shè)冷、熱側(cè)迎風(fēng)面積相等，熱管幾何尺寸及翅片參數(shù)也相等，并取標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速=2.4m/s煙氣側(cè)迎風(fēng)面積：=10.2空氣側(cè)迎風(fēng)面積：=10.9迎風(fēng)面寬度E已采用=

41、3m長的熱管，取熱風(fēng)側(cè)與冷風(fēng)側(cè)相等，則=1.5m=6.8m=7.2m已采用迎面橫向管子中心距 =0.08m，所以迎面管排的管子數(shù)B：B=90.52根，取B為91根實際迎面寬度為：=91×0.08=7.28m實際迎風(fēng)面積=7.28×1.5=10.9實際標(biāo)迎面風(fēng)速為： =2.3m/s =2.4m/s求總傳熱系數(shù)管束最小流通面積=4.18流體最大質(zhì)量流量熱風(fēng)側(cè)：=2.3×冷風(fēng)側(cè)：=2.6×求Re熱風(fēng)側(cè)：=12704冷風(fēng)側(cè)：=15913求流體換熱系數(shù)熱風(fēng)側(cè)： 冷風(fēng)側(cè)：求翅片效率熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求每米長熱管管外總表面積每米長熱管的翅片表面積為：= =0.74每米長

42、翅片間管表面積為：=0.087每米熱管管外總表面積為：=+=0.74+0.087=0.83求管外有效換熱系數(shù)熱風(fēng)側(cè)： =17冷風(fēng)側(cè)： =16.8求污垢熱阻及管壁熱阻熱風(fēng)側(cè)：，和分別為污垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)，通常不易知道，可從有關(guān)資料查取得到相關(guān)經(jīng)驗值，=1.5mm，=0.116，帶入上述公式中可得：冷風(fēng)側(cè)：可以忽略不計金屬管壁熱阻：總傳熱系數(shù)因為各部分面積比與單位長度上的面積比相等，所以可以把相關(guān)數(shù)值帶入式中，同時取=5810，則有： =0.136所以=7.36求冷風(fēng)側(cè)側(cè)總傳熱面積=5633.6求所需熱管數(shù)n根求換熱器縱深排數(shù)m排求通過熱管換熱器的壓力降換熱器的凈自由容積 = =求容積當(dāng)量直徑

43、在本設(shè)計中，求熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求摩擦系數(shù)熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求平均管壁溫度熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求壁溫下的流體黏度熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求通過換熱器的壓降熱風(fēng)側(cè)： =429冷風(fēng)側(cè)：=574經(jīng)濟核算設(shè)備總投資 根據(jù)當(dāng)前市場相關(guān)報價，選取56元/根的熱管，殼體相關(guān)費用在1萬元左右，現(xiàn)場施工費用0.5萬元，因而設(shè)備總投資約為：萬元設(shè)備電耗（操作費用）熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：設(shè)備總電耗為： 假設(shè)該設(shè)備年平均工作時間為7200小時，每度電電價平均為0.8元，則全年操作費用為：萬元/y年節(jié)約費用 假設(shè)該鍋爐用煤，發(fā)熱值約為29306 KJ/kg 換熱器回收熱量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為： kg/h 設(shè)該鍋爐效率為79%，則回收熱量折合成實際

44、燃煤量約為159.1kg/h，年節(jié)約煤量為1145.6t/y 以目前市場焦煤每噸約為1020元，則年節(jié)約費用為116.9萬元 則年凈節(jié)約費用為W=116.9-21.9-26.8=68.2萬元3.2.3 冷風(fēng)加熱到50熱管換熱器的設(shè)計計算及經(jīng)濟分析設(shè)計計算如下：計算傳熱量冷空氣定性溫度=32查得定性溫度下煙氣的參數(shù)為：定壓比熱容=1.005 KJ/(kg.K)；密度=1.17 kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)=0.027 W/(m.k)；黏度=1.86× (N.s)/m2；普朗特數(shù)=0.7冷空氣需要吸收的熱量 =109192×(68.7 -31.8)=4024598.7KJ=1117.9

45、KW熱管傳至煙氣側(cè)的熱量考慮煙氣側(cè)有3%的熱損失，故：=1152.5KW煙氣實際放出的熱量考慮煙氣側(cè)有3%的熱損失，故：=1188.1KW 煙氣側(cè)定性溫度及參數(shù)煙氣側(cè)定性溫度 =53.5查得53.5時空氣的物性參數(shù)為：定壓比熱容=1.005KJ/(kg.K)；密度=1.08kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)=0.029W/(m.k)；黏度=1.99×(N.s)/m2；普朗特數(shù)=0.69對數(shù)平均溫差，如圖2-3所示t2c 50t1h 60t2h 47=19.6圖2-3t1c14確定迎風(fēng)面積及迎風(fēng)面管排數(shù)B，在本設(shè)計中可以假設(shè)冷、熱側(cè)迎風(fēng)面積相等，熱管幾何尺寸及翅片參數(shù)也相等，并取標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速=2.4

46、m/s煙氣側(cè)迎風(fēng)面積：=11.8空氣側(cè)迎風(fēng)面積：=10.9迎風(fēng)面寬度E已采用=3m長的熱管，取熱風(fēng)側(cè)與冷風(fēng)側(cè)相等，則=1.5m=7.9m=7.2m已采用迎面橫向管子中心距 =0.08m，所以迎面管排的管子數(shù)B：B=98.6根，取B為99根實際迎面寬度為：=99×0.08=7.92m實際迎風(fēng)面積=7.92×1.5=11.9實際標(biāo)迎面風(fēng)速為： =2.4m/s =2.2m/s求總傳熱系數(shù)管束最小流通面積=4.6流體最大質(zhì)量流量熱風(fēng)側(cè)：=2.4×冷風(fēng)側(cè)：=2.4×求Re熱風(fēng)側(cè)：=13539冷風(fēng)側(cè)：=14605求流體換熱系數(shù)熱風(fēng)側(cè)： 冷風(fēng)側(cè)：求翅片效率熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)

47、側(cè)：求每米長熱管管外總表面積每米長熱管的翅片表面積為：= =0.74每米長翅片間管表面積為：=0.087每米熱管管外總表面積為：=+=0.74+0.087=0.83求管外有效換熱系數(shù)熱風(fēng)側(cè)： =18冷風(fēng)側(cè)： =15.6求污垢熱阻及管壁熱阻熱風(fēng)側(cè)：，和分別為污垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)，通常不易知道，可從有關(guān)資料查取得到相關(guān)經(jīng)驗值，=1.5mm，=0.116，帶入上述公式中可得：冷風(fēng)側(cè)：可以忽略不計金屬管壁熱阻：總傳熱系數(shù)因為各部分面積比與單位長度上的面積比相等，所以可以把相關(guān)數(shù)值帶入式中，同時取=5810，則有： =0.137所以=7.28求冷風(fēng)側(cè)側(cè)總傳熱面積=7826.8求所需熱管數(shù)n根求換熱器縱深排數(shù)m，取64排求通過熱管換熱器的壓力降換熱器的凈自由容積 = =求容積當(dāng)量直徑在本設(shè)計中，求熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求摩擦系數(shù)熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求平均管壁溫度熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求壁溫下的流體黏度熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：求通過換熱器的壓降熱風(fēng)側(cè)： =482冷風(fēng)側(cè)：=490經(jīng)濟核算15設(shè)備總投資 根據(jù)當(dāng)前市場相關(guān)報價，選取56元/根的熱管，殼體相關(guān)費用在1萬元左右，現(xiàn)場施工費用0.5萬元，因而設(shè)備總投資約為：萬元設(shè)備電耗（操作費用）熱風(fēng)側(cè)：冷風(fēng)側(cè)：設(shè)備總電耗為： 假設(shè)該設(shè)備年平均工作時間為