[科普中国]-旋转式热交换器

简介

在当前和今后相当长的时期内，节约能源是一个甚为重要的问题。提高废气中热量回收效率也是节能手段之一，特别从中低温(350℃以下)含尘废气中回收低品位的热量，经济上合理，但是要有高效的热交换设备2。
旋转式热管换热器就是应时的一种高效热交换器。静止热管换热器与普通换热器相比，在热能回收中具有较高的传热性能与效率。而旋转式热管换热器由于热管管束的旋转，传热效率比静止的热管换热器高2- 3倍，容易处理气流中的粉尘，有可能对含尘废气进行连续稳定操作。

旋转式热管换热器的结构种类
旋转式热管换热器的种类，按用途有如下二类1;
(1)气一气型
用冷空气回收废气中的热量，获得热空气。
(2)气一蒸汽型
在热管一端喷淋水或低沸点有机溶媒，制成燕汽，作为热源或透平发电机的动力。
气一气型的一类按其旋转轴的位置分为水平型和垂直型二种。

结构热管以环状形式配置在圆形管板上，管板连接驱动转轴，使换热器旋转，废热侧和回收侧的流体借管板分隔在各自的筒内形成流路，不致混合。图中所示为并流式热交换，热的废气和冷的空气各自流入热管管束的中心，向管束周围流出，此种设计，气流压降较小，如果反之，流体从管束四周流向中心，压降增加，一般均采用并流换热1。

热管穿过旋转的内筒，热管的中心轴与旋转轴相互垂直，近旋转轴的一端为凝缩段，另一端为燕发段，当旋转时，热管的轴向发生离心力，使热管内凝缩的工作介质回流到燕发段，热管内壁没有吸液芯是光滑的，有利输送大量热量。内筒的转数为100〔转/分〕。
热管废热侧的翅片制成特殊形状，在离心力作用下，容易将附着的油和灰甩掉。
热管也以环状形式配置在圆形管板上，而回收侧是由耐压结构的圆筒蒸汽室组成。如向回收侧喷水，产生一定压力的蒸汽，从驱动轴排出，当然喷射的介质不仅是水，也适用于需浓缩的工艺液体或冷媒，用途甚广。此外，如在燕汽室导入排放的蒸汽，用作冷凝器，他侧就可获得热风。

密封问题气一气型结构的废热侧和回收侧的两流体间的密封面积较大，但多数情况下两流体间的压力差比较小，则离心式液体密封办法相当适宜，表示离心式液体密封的极限密封压力差与换热器旋转数的关系。如以水为液体密封液，压力差0.5〔米水柱）以下的密封结构简单，容易实施。
径向旋转的另一种气一气型换热器，倘若不允许废气和被加热气流间的混合，也可应用液体密封措施。
如果允许少量气体泄漏，可采用接触式密封机构，此种情况，被加热的空气压力应稍高于废气的压力，防止废气混入空气中1。

管外的传热性能
旋转式热管换热器的特点是热管管束旋转运动1，管束和流体间的相对速度较高，相应提高管外的传热率。管外传热率与管束配置、管束回转数以及流体的速度有关，设备的气流流速与管外传热率的关系。管外传热率随管束回转数和流速的增加而提高，当管束转数800〔分-1），流速处于2~10〔米/秒）标准状况)下，管外传热率与静止的热管传热率对比，约增高30~50%。流速进一步扩大，回转效果对管外传热率的影响减弱，因此，管束回转数和流速之间有一最佳值。

管内的传热性能
热管内部的工作液体因为热管的旋转作用，发生偏流，从而恶化热管内部的传热性能，特别是工作液体的蒸发过程1。
热管旋转时，管内的径向呈现温度差，此径向温度差可看作工作液体偏流的影响程度，内壁平滑的热管引起大的温度差。

内壁沟槽式的热管具有大幅度抑制温度差的特性，另外，热管的凝缩段不受旋转的影响，表示热管内部的给热系数。
通常热管换热器的设计，往往受每根热管传热率的制约，而旋转的热管能增加最大热通量，即使是平滑管壁热管也能随着旋转数的增加而提高，沟槽管壁的热管增加得越加显著，给设计带来一定的灵活性。

热管表面的净化
废气中尘埃逐渐附着在翅片上，日久后，堵塞翅片间的空隙，传热性能必然明显下降，气流压降上升，几乎陷于无法继续运转的地步，针对附着的尘埃性能和数量，可采取不同的净化办法3。
右图是金属熔解炉废气的尘埃在热管表面的附着和脱除情况，是设备回收含有聚合物废气的热量例子，选取空气冲洗法脱除附着物，很容易恢复传热性能，实际使用过程中为了预防传热性能下降，务必定期进行冲洗。

有些尘埃附着力稍大，采用喷细钢丸的方法净化传热面，除尘效果良好。

应用
从各种干燥炉、热处理炉、加热炉和锅沪等排出的含尘废气中回收热能，供工厂燃烧用空气的预热或回收燕汽。旋转式热管换热器也能当作集尘装置和溶剂回收装置的前段冷却器。

展望
旋转式热管换热器的结构间题不在于旋转机构，主要在于热管元件，热管的内壁清洗、抽真空度、工作液体灌装、管内惰性气体含量以及焊接封口等制造技术直接影晌到热管的使用寿命，为此，热管的供应单位必需是专业的生产厂家，以保证质量，供长期稳定操作1。
旋转式热管换热器的设计，首先要调查废气的露点，不能任意降低废气出口温度，否则热管的外表面处于废气的露点之下，废气中的三氧化硫与水结合生成高浓度的硫酸，引起严重腐蚀。当废气中的露点不可能测定时，根据废气中水份和三氧化硫的体积百分率含量。有时运转过程中热管外表面虽然高于露点，由于频繁的开停车，也能产生腐蚀，或者在热管后面的管道上出现结露现象，需选择适当的管材。
整个旋转式热管换热器装置应尽量少增加或不增加动力的消耗，换热器的设计压降宜小，最理想的境地是充分利用废气的余压，否则就要在增设引风机和加高排气烟囱之间作出选择。
热管使用一段时间后，存在一定量的不凝性气体，结果是热管的有效传热长度缩短了，削弱了总的轴向传热能力。最常见的不凝气体是空气和氢气，前者可能是泄漏进去的，后者可能是工作液体与吸液芯或管材产生化学反应所致。为了维持热管的传热能力，有的研究者在热管的凝缩端另设贮气室，供惰性气体贮存，也有加设一个小阀，作排气用，对于惰性气体的产生与否，影响传热的程度，国内外尚有争议的，我国的热管生产尚未考虑排气设施，尚待于今后进一步的研究探明。