第21卷第12期2001年12月 中 国 电 机 工 程 学 报Proceedings of the CSEEVol.21No.12Dec.2001ν2001Chin.S oc.for Elec.Eng.文章编号:025828013(2001)1220050204分离式热管回热器用于热泵干燥系统传热分析杜 垲,张建成(东南大学动力工程系,江苏南京210096)ANALYSIS OF HEAT TRANSFER ON HEAT RECOVER Y EXCHANGER OF SEPARATE HEAT PIPE APPLYING T O HEAT PUMP D R YING SYSTEMDU Kai,ZHAN G Jian2cheng(Department of Power Engineering,Southeast University,Nanjing210096,China)ABSTRACT:In the heat pump drying system,the air coming from drying room is cooled before entering the evaporator,and the air from the evaporator is heated by heat recovery exchanger of separate heat pipe.The drying ability of the heat pump dry2 ing system is increased.The characters of heat transfer of sepa2 rate heat pipe are analyzed in heat recovery exchanger.Accord2 ing to the characters of the heat pump drying system,the heat recovery exchanger of separate heat pipe is para2 tive experimental tests of heat pump in drying with close air cir2 culation and heat pump in drying with heat pipe recovery ex2 change were conducted.The result is satisfactory.KE Y WOR DS:heat pump;heat reconvery;separate heat pipe; drying摘要:在回热闭式热泵干燥系统中,用分离式热管将进入蒸发器的空气先行冷却,取出湿空气的热量,同时又用这部分热量来加热出蒸发器的干空气,以提高热泵干燥系统的去湿能力。
该文分析了分离式热管在这种工况下的传热性能,并根据热泵干燥系统的特点,对热管回热器作了具体的设计。
最后,分别对有热管回热器和无热管回热器的热泵干燥系统进行了实验对比,取得了满意的结果。
关键词:热泵;回热;分离式热管;干燥中图分类号:T K172.4 文献标识码:A热泵技术用于干燥,具有节能和减少污染双重效益。
高温空气流经干燥室,吸收被干燥物料水份后含湿量增大,温度有所下降,但相对而言,此时空气的温度还是较高的。
为了使这部分空气中的水蒸气凝结去湿,必须使其经蒸发器冷却到露点以下。
出蒸发器的空气温度越低,去湿量也越大。
出蒸发器空气的相对湿度接近饱和状态,基本没有除湿能力,所以需要将其通过冷凝器加热,以提高空气的饱和水蒸汽的分压力来降低其相对湿度,从而提高空气的去湿能力。
闭式热泵干燥循环系统见图1。
图1 热泵干燥系统流程Fig.1 H eat pump drying system without heat recovery显然,如果将蒸发器前后的空气进行热交换(即回热),使干燥室排出的湿空气在进入蒸发器前先经过回热器,与蒸发器出口含湿量较低的干空气进行热交换,使湿空气降温,同时将热量传给从热泵蒸发器除湿后出来的冷空气,从而实现空气的回热。
由于循环空气进行了回热,在蒸发器吸热量不变的情况下,减小了蒸发器吸收湿空气的显热负荷,增加了吸收湿空气潜热负荷,从而提高系统的除湿能力。
此外,循环空气经过回热后,使经过热泵冷凝器后的空气的温度提高,加速了物料的干燥[1]。
对于空气回热闭式热泵干燥循环系统,空气回热器的设计和布置是提高干燥系统效率的关键,本文主要分析采用分离式热管换热器作为空气回热器的传热性能和特点。
1 热泵干燥系统回热器的特点及要求回热闭式热泵干燥系统采用空气回热循环,有益于节能,其流程图见图2,该系统特点为:①空气益于节能,其流程图见图2,该系统特点为:①空气回热器两侧的流体都是气体,对流换热系数小;②换热温差较小,空气回热温度低;③闭式系统,提供的压头小,即流过空气回热器的允许阻力降小;④换热器布置空间较小,风管布置困难。
图2 回热热泵干燥系统流程Fig.2 H eat pump drying system with heat recovery对于空气回热的热泵干燥循环系统,如果采用常规的间壁式换热器作为空气回热器存在问题为:①对流换热系数与换热温差小,在一定的换热量情况下,换热面积大,势必占据热泵干燥器的有效空间;②流动阻力降大,风机的全压要求大,造价高;③风管道布置复杂,设备体积大。
针对上述的问题,在空气回热器的选择和设计中应使其满足以下要求:(1)空气回热器的冷、热侧都要采取强化传热措施;(2)减少流动阻力,尽可能采用气体横向绕流管束;(3)将冷、热侧的换热面积尽可能布置在热泵蒸发器的出口和进口,这样风管道布置简单。
在此采用分离式热管换热器,可以很好地利用其特点来满足上述措施的要求。
2 分离式热管回热器传热原理及特点分离式热管(如图3所示)的蒸发段和冷凝段互相分开,它们之间通过一根蒸汽上升管和—根冷疑液下降管连接成—个循环回路。
热管内的工作液体在蒸发段被加热变成蒸汽通过上升管输送到冷凝段,蒸汽在冷凝段被管外流过的流体冷却而凝结,冷凝液由下降管依靠重力流回到蒸发段,继续被加热蒸发,如此不断循环,达到传输热量的目的[2]。
其特点为:(1)热量的传输在分离式热管中,是通过工质的相变来实现的,故传热温差小;(2)热源、热汇分隔,冷、热侧的换热面积可以灵活布置。
在回热闭式热泵干燥系统中可分别布置在蒸发器的进、出口,不受距离限制;(3)分离式热管的冷、热侧均为管外换热,可以采取增加环形翅片的强化传热措施,以弥补气体对流换热系数小的影响;(4)冷、热侧的换热面积可根据需要进行调整。
图3 分离式热管示意图Fig.3 Diagram of separate HP3 分离式热管回热器设计及传热分析回热闭式热泵干燥系统采用分离式热管换热器作为空气回热器,其结构布置如图4所示,采用7组热管(即分为7级),来自干燥室的湿空气流经分离式热管换热器的蒸发段,温度降低。
出热泵蒸发器的冷空气流经分离式热管换热器的冷凝段,温度升高。
冷凝段的位置高于蒸发段,分离式热管换热器的设计参数如表1所示,结构参数如表2。
图4 空气回热闭式热泵干燥系统示意图Fig.4 Diagram of heat pump dryingsystem with air heat recovery 表1 分离式热管换热器设计参数T ab.1 Design paraments of separate HP heat exchanger参数名称数值参数名称数值湿空气流量/Nm 3h -1700干空气流量/Nm 3h -1700湿空气进口温度/℃45干空气进口温度/℃24蒸发段允许阻力降/Pa<30冷凝段允许阻力降/Pa<3015 第12期 杜 垲等: 分离式热管回热器用于热泵干燥系统传热分析表2 分离式热管换热器结构参数T ab.2 Structure paramenters of separate HP heat exchanger参数名称数值参数名称数值基管(d0×δ)/mm10×1横向管间距S T/mm26翅片高度l f/mm6纵向管间距S C/mm26翅片厚度δf/mm0.2热(冷)侧迎风面管数B19(18)翅片间距s f/mm 2.5纵向管排数N7热侧换热管长度L/m0.3热(冷)侧总热管数N T130(122)冷侧换热管长度L/m0.3布置方式错排、逆流3.1 传热计算结果及分析参照文[2]中的热管设计计算方法,可获得以下的计算结果,见表3。
表3 计算结果汇总T ab.3 R esults of calculation参数名称数值参数名称数值湿空气出口温度/℃35干空气出口温度/℃34湿空气阻力降/Pa22干空气阻力降/Pa23换热面积S/m214.34对数平均温差/℃10.9总传热系数/W(m2・℃)-116.84回收热量/kW 2.64 通过计算,可看出采用分离式热管,传热温差较小,热管的工作温度在31℃～39℃之间,冷、热侧的流体与管壁的传热温差在4℃～5℃之间。
采用环形翅片后,肋化系数高达9.4,换热面积大幅增加;同时,热管的热侧有效平均换热系数为36.8W/(m2・℃),冷侧有效平均换热系数为36.48W/(m2・℃),与列管式换热器相比有较大提高;在设计中,冷、热侧的管子数也不相同,这样的调整可使两侧的换热系数接近,阻力降也相当,更有利于提高干空气的出口温度。
3.2 设计中应注意的事项(1)在设计工况下,从热管的工作压力、工作温度、工质与管子材料的相容性以及工质的品质因数考虑,工质选用丙酮较合适。
(2)采用环形翅片强化传热,在允许的阻力降范围内以及加工条件可行的情况下,尽可能采用大密度的翅片结构。
(3)通过调节横向管间距和翅片间距的方法,实现阻力降的调整。
(4)冷凝段可以小倾角方式水平布置,但下降管要接在下联箱的下部,热管的冷、热段要保持一定的高度差,以利于热管的工作介质循环。
4 实验结果与分析空气回热闭式热泵干燥系统是在原闭式热泵干燥机基础上加装分离式热管回热器构成的,其系统见图4.主要部件有:2FL5B半封制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、分离式热管换热器、引风机、干燥室、调节风门等组成。
制冷剂采用R142b。
分离式热管回热器的冷凝段与蒸发段均采用翅片管结构,热管工质选用丙酮。
实验分别进行了有分离式热管回热器和无回热器两种情况的干燥实验。
被干燥的物料为含有一定水分的聚胺脂海绵,通过对比干燥前后聚胺脂海绵的重量,得出除湿量。
实验条件为干燥室出口空气状态为:干球温度t1=45℃、含湿量d1=0.028(kg/kg空气)。