分离式热管回热器用于热泵干燥系统传热分析

分离式热管回热器用于热泵干燥系统传热分析

晨怡热管 东南大学动力工程系，江苏南京210096 杜　垲，张建成 2008-1-29 12:38:32

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

　　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。

　　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。

　　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。

3　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。

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。

　　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36．8 W／（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）。图5、图6所示为空气回热与不回热两种情况下的对比实验结果。

　　从结果可见，空气回热循环干燥过程的单位除湿能耗（SPC）比无回热循环小，耗功量也是如此，并随着风量的增大，空气回热循环的这种优势在减弱。这主要是因为在大风量下，物料的析湿速度加快，使进入蒸发器前的空气湿度加大，空气经过蒸发器后的温降减小，空气回热效果减弱所致。

5　结论

　　（1）空气回热器两侧都是气体，且换热温差较小，采用分离式热管回热器，回热效果明显，不仅系统干燥能力增强，而且单位除湿能耗亦有所降低。
　　（2）在分离式热管回热器的设计中，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。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。
　　（3）分离式热管换热器对热泵干燥器的性能改善程度，随工况的变化有所不同，湿空气流经热泵蒸发器温降减小，其回热效果相应减弱。

参考文献：

［1］　杜垲，徐锡斌（Du Kai，Xu Xibin）．空气回热闭式热泵干燥系统实验研究（Expermental studies on heat pump drying system with heatrecovery exchanger）［J］．太阳能学报（Acta Energiae Solaris Sinica），1998，19（4）：429－432．
［2］　庄骏，徐通明，石寿椿（Zhuang Jun，Xu Tongming，Shi Shouchun）．热管与热管换热器（Heat pipe and heat exchanger of heat pipe）［M］．上 海：上海交通大学出版社（Shanghai：Publisherof Shanghai Jiaotong University),1989:309-327.

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