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分離式熱管回熱器用於熱泵幹燥係統傳熱分析

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分離式熱管回熱器用於熱泵幹燥係統傳熱分析

發布日期:2018-06-06 作者:空調 點擊:

  熱泵技術用於幹燥,具有節能和減少汙染雙重效益。高溫空氣流經幹燥室,吸收被幹燥物料水份後含濕量增大,溫度有所下降,但相對而言,此時空氣的溫度還是較高的。為了使這部分空氣中的水蒸氣凝結去濕,必須使其經蒸發器冷卻到露點以下。出蒸發器的空氣溫度越低,去濕量也越大。出蒸發

  

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  器空氣的相對濕度接近飽和狀態,基本沒有除濕能力,所以需要將其通過冷凝器加熱,以提高空氣的飽和水蒸汽的分壓力來降低其相對濕度,從而提高空氣的去濕能力。閉式熱泵幹燥循環係統見圖1。

  

  顯然,如果將蒸發器前後的空氣進行熱交換(即回熱),使幹燥室排出的濕空氣在進入蒸發器前先經過回熱器,與蒸發器出口含濕量較低的幹空氣進行熱交換,使濕空氣降溫,同時將熱量傳給從熱泵蒸發器除濕後出來的冷空氣,從而實現空氣的回熱。由於循環空氣進行了回熱,在蒸發器吸熱量不變的情況下,減小了蒸發器吸收濕空氣的顯熱負荷,增加了吸收濕空氣潛熱負荷,從而提高係統的除濕能力。此外,循環空氣經過回熱後,使經過熱泵冷凝器後的空氣的溫度提高,加速了物料的幹燥[1]。

  

  對於空氣回熱閉式熱泵幹燥循環係統,空氣回熱器的設計和布置是提高幹燥係統效率的關鍵,本文主要分析采用分離式熱管換熱器作為空氣回熱器的傳熱性能和特點。

  

  1 熱泵幹燥係統回熱器的特點及要求

  

  回熱閉式熱泵幹燥係統采用空氣回熱循環,有益於節能,其流程圖見圖2,該係統特點為:①空氣益於節能,其流程圖見圖2,該係統特點為:①空氣回熱器兩側的流體都是氣體,對流換熱係數小;②換熱溫差較小,空氣回熱溫度低;③閉式係統,提供的壓頭小,即流過空氣回熱器的允許阻力降小;④換熱器布置空間較小,風管布置困難。

  

  對於空氣回熱的熱泵幹燥循環係統,如果采用常規的間壁式換熱器作為空氣回熱器存在問題為:①對流換熱係數與換熱溫差小,在一定的換熱量情況下,換熱麵積大,勢必占據熱泵幹燥器的有效空間;②流動阻力降大,風機的全壓要求大,造價高;③風管道布置複雜,設備體積大。

  

  針對上述的問題,在空氣回熱器的選擇和設計中應使其滿足以下要求:

  

  (1)空氣回熱器的冷、熱側都要采取強化傳熱措施;

  

  (2)減少流動阻力,盡可能采用氣體橫向繞流管束;

  

  (3)將冷、熱側的換熱麵積盡可能布置在熱泵蒸發器的出口和進口,這樣風管道布置簡單。

  

  在此采用分離式熱管換熱器,可以很好地利用其特點來滿足上述措施的要求。

  

  2 分離式熱管回熱器傳熱原理及特點

  

  分離式熱管(如圖3所示)的蒸發段和冷凝段互相分開,它們之間通過一根蒸汽上升管和—根冷疑液下降管連接成—個循環回路。熱管內的工作液體在蒸發段被加熱變成蒸汽通過上升管輸送到冷凝段,蒸汽在冷凝段被管外流過的流體冷卻而凝結,冷凝液由下降管依靠重力流回到蒸發段,繼續被加熱蒸發,如此不斷循環,達到傳輸熱量的目的[2]。

  

  其特點為:

  

  (1)熱量的傳輸在分離式熱管中,是通過工質的相變來實現的,故傳熱溫差小;

  

  (2)熱源、熱匯分隔,冷、熱側的換熱麵積可以靈活布置。在回熱閉式熱泵幹燥係統中可分別布置在蒸發器的進、出口,不受距離限製;

  

  (3)分離式熱管的冷、熱側均為管外換熱,可以采取增加環形翅片的強化傳熱措施,以彌補氣體對流換熱係數小的影響;

  

  (4)冷、熱側的換熱麵積可根據需要進行調整。

  

  3 分離式熱管回熱器設計及傳熱分析

  

  回熱閉式熱泵幹燥係統采用分離式熱管換熱器作為空氣回熱器,其結構布置如圖4所示,采用7組熱管(即分為7級),來自幹燥室的濕空氣流經分離式熱管換熱器的蒸發段,溫度降低。出熱泵蒸發器的冷空氣流經分離式熱管換熱器的冷凝段,溫度升高。冷凝段的位置高於蒸發段,分離式熱管換熱器的設計參數如表1所示,結構參數如表2。

  

  3.1 傳熱計算結果及分析

  

  參照文[2]中的熱管設計計算方法,可獲得以下的計算結果,見表3。

  

  通過計算,可看出采用分離式熱管,傳熱溫差較小,熱管的工作溫度在31℃~39℃之間,冷、熱側的流體與管壁的傳熱溫差在4℃~5℃之間。采用環形翅片後,肋化係數高達9.4,換熱麵積大幅增加;同時,熱管的熱側有效平均換熱係數為36.8 W/(m2·℃),冷側有效平均換熱係數為36.48W/(m2·℃),與列管式換熱器相比有較大提高;在設計中,冷、熱側的管子數也不相同,這樣的調整可使兩側的換熱係數接近,阻力降也相當,更有利於提高幹空氣的出口溫度。

  

  3.2 設計中應注意的事項

  

  (1)在設計工況下,從熱管的工作壓力、工作溫度、工質與管子材料的相容性以及工質的品質因數考慮,工質選用丙酮較合適。

  

  (2)采用環形翅片強化傳熱,在允許的阻力降範圍內以及加工條件可行的情況下,盡可能采用大密度的翅片結構。

  

  (3)通過調節橫向管間距和翅片間距的方法,實現阻力降的調整。

  

  (4)冷凝段可以小傾角方式水平布置,但下降管要接在下聯箱的下部,熱管的冷、熱段要保持一定的高度差,以利於熱管的工作介質循環。

  

  4 實驗結果與分析

  

  空氣回熱閉式熱泵幹燥係統是在原閉式熱泵幹燥機基礎上加裝分離式熱管回熱器構成的,其係統見圖4.主要部件有:2FL5B半封製冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、分離式熱管換熱器、引風機、幹燥室、調節風門等組成。製冷劑采用R142b。分離式熱管回熱器的冷凝段與蒸發段均采用翅片管結構,熱管工質選用丙酮。

  

  實驗分別進行了有分離式熱管回熱器和無回熱器兩種情況的幹燥實驗。被幹燥的物料為含有一定水分的聚胺脂海綿,通過對比幹燥前後聚胺脂海綿的重量,得出除濕量。實驗條件為幹燥室出口空氣狀態為:幹球溫度t1=45℃、含濕量d1=0.028(kg/kg空氣)。圖5、圖6所示為空氣回熱與不回熱兩種情況下的對比實驗結果。

  

  從結果可見,空氣回熱循環幹燥過程的單位除濕能耗(SPC)比無回熱循環小,耗功量也是如此,並隨著風量的增大,空氣回熱循環的這種優勢在減弱。這主要是因為在大風量下,物料的析濕速度加快,使進入蒸發器前的空氣濕度加大,空氣經過蒸發器後的溫降減小,空氣回熱效果減弱所致。

  

  5 結論

  

  (1)空氣回熱器兩側都是氣體,且換熱溫差較小,采用分離式熱管回熱器,回熱效果明顯,不僅係統幹燥能力增強,而且單位除濕能耗亦有所降低。

  

  (2)在分離式熱管回熱器的設計中,在允許的阻力降範圍內以及加工條件可行的情況下,盡可能采用大密度的翅片結構。冷凝段可以小傾角方式水平布置,但下降管要接在下聯箱的下部,熱管的冷、熱段要保持一定的高度差,以利於熱管的工作介質循環。

  

  (3)分離式熱管換熱器對熱泵幹燥器的性能改善程度,隨工況的變化有所不同,濕空氣流經熱泵蒸發器溫降減小,其回熱效果相應減弱。


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