一種新型相變材料及列管式換熱器的研究熱器

宋灃(荊楚理工學(xué)院，湖北荊門(mén) 448000)

一種新型相變材料及列管式換熱器的研究熱器

宋灃(荊楚理工學(xué)院，湖北荊門(mén) 448000)

1 相變材料

1.1 機(jī)理分析

氫氧化鋇作為白色結(jié)晶或者無(wú)色單斜結(jié)晶，熔點(diǎn)為72℃，密度是2.189／cm3，相變潛熱較高，一般是244kJ／kg，微溶于醇，可以溶于水，不溶于丙酮，其水溶液呈現(xiàn)強(qiáng)堿性，在空氣中可以碳酸鋇進(jìn)行吸收。然而氫氧化鋇一般是有毒的，腐蝕性也往往較強(qiáng)，從而刺激著皮膚。同時(shí)在實(shí)際的使用過(guò)程中，仍然具有一定局限性。若是把其在陶瓷基中進(jìn)行運(yùn)用時(shí)，需要把其置入陶瓷機(jī)體中，對(duì)其這類缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)。利用重晶石高溫狀況還原焙燒，有效的浸取，對(duì)澄清液靜置，并且和鹽酸進(jìn)行反應(yīng)，100℃～11O℃環(huán)境中，從而生成氯化鋇溶液，同時(shí)促進(jìn)其和過(guò)量燒堿于展開(kāi)復(fù)分解反應(yīng)。

1.2 添加劑篩選實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際的添加劑篩選實(shí)驗(yàn)中，需要選擇添加劑，即硫酸鋇、氯化鋇。分別把其融入至氫氧化鋇內(nèi)，從而構(gòu)成兩種實(shí)驗(yàn)所需要使用的氫氧化鋇蓄熱體系。在測(cè)定蓄熱體系相變持續(xù)時(shí)間以及相變溫度的基礎(chǔ)上，挖掘出有著優(yōu)良成核效果的添加劑。選取以下組合。其一就是將氫氧化鋇融入硫酸鋇中，使其質(zhì)量占在蓄熱體系中的6%；其二就是純物質(zhì)氫氧化鋇；其三就是在氯化鋇融入氫氧化鋇，使其所占的質(zhì)量為蓄熱體系的6%。第一組的融化凝固狀態(tài)較為穩(wěn)定，過(guò)冷度部超過(guò)3℃，相變過(guò)程科研持續(xù)30min上下，其過(guò)程較為平穩(wěn)，然而在實(shí)際的熔融狀態(tài)極易發(fā)生分層情況，通過(guò)觀察一般可以分為三層。第一層呈現(xiàn)白色泡沫狀，第二層呈現(xiàn)透明狀液體，第三層呈現(xiàn)白色沉淀狀。一般情況下，熔融狀態(tài)與凝固狀態(tài)發(fā)生的狀況是保持一致的。由此可知，要想有效的解決氫氧化鋇問(wèn)題，首當(dāng)其沖就是除了分層現(xiàn)象。第二組蓄熱體系還具有顯著的分層現(xiàn)象，和純物質(zhì)氫氧化鋇相比，此蓄熱體系可以分為兩層，白色泡沫體逐漸消失，白色沉淀卻在逐漸的增多。所以，可以知道融入硫酸鋇并不可以對(duì)氫氧化鋇的實(shí)際分層問(wèn)題進(jìn)行有效的解決。對(duì)于熔融、凝固狀態(tài)而言，第三組的蓄熱體系科研展現(xiàn)出優(yōu)良的相變儲(chǔ)能材料性能，過(guò)冷度部超過(guò)l℃，相變過(guò)程連續(xù)超過(guò)26min，過(guò)程較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)顯著的分層情況，由此可知在融入6%氯化鋇后，過(guò)冷度得到了一定程度上的減小，分層現(xiàn)象也在逐漸的消失。綜上所述，該類組合可以算是一類理想的蓄熱器。

2 列管式換熱器

2.1 基本結(jié)構(gòu)

列管式換熱器的實(shí)際工作原理其實(shí)就是通過(guò)進(jìn)口把熱流體向熱管內(nèi)部進(jìn)行傳入，在完成與冷流體的交匯后，展開(kāi)換熱，待溫度降低后，再由出口排出，與此同時(shí)，由空氣進(jìn)口將冷流體傳至末節(jié)換熱器，借助橫流的方式進(jìn)行換熱，再利用隔流板進(jìn)行折流，接著通過(guò)第二節(jié)換熱器，從而引發(fā)第二次的折流，接著再通過(guò)換熱器，最終就把具有較高溫度的冷流體向熱裝置導(dǎo)入。針對(duì)列管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要涉及了管板、封頭、殼體、換熱管等方面，同時(shí)其傳熱管就是核心部位，而傳熱管束其實(shí)就是數(shù)根傳熱管展開(kāi)組合的結(jié)果，若是將傳熱管束在管殼內(nèi)進(jìn)行固定，從而構(gòu)成列管式換熱器。

2.2 類型

一般情況下，主要是依據(jù)管殼以及管板兩者之間的聯(lián)結(jié)模式來(lái)對(duì)列管式換熱器的類型進(jìn)行劃分，通常涉及了U形管式、固定管板式、雙管板式、浮頭式、插管式等。眾所周知，固定管板式的換熱器在結(jié)構(gòu)上較為簡(jiǎn)單，所需要的制造成本一般不高，廣泛的應(yīng)用于小型爐上中，然而正是因?yàn)楣艿劳鈧?cè)清掃起來(lái)較為麻煩，再加之冷熱流體溫度存在較大的差異性，致使管殼材質(zhì)極易出現(xiàn)熱膨脹的情況，從而引發(fā)斷裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。比如對(duì)于浮頭式換熱器而言，管殼是與下端管板進(jìn)行連接的，其上端管板是浮動(dòng)式，可以自由進(jìn)行移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)叫我牢靠，安裝方便，不具有熱膨脹效果，然而最大的問(wèn)題就是其造價(jià)較高，對(duì)浮動(dòng)管板的密封性也具有較高的要求。針對(duì)U形管式換熱器來(lái)說(shuō)，主要的按照其傳熱管形狀來(lái)進(jìn)行命名的，其結(jié)構(gòu)本身就是一頭是懸空的狀態(tài)，一頭是管板，管束與管板可以隨意取出，管子可以自由膨脹，清掃起來(lái)也較為方便，然而難以清掃傳熱管道內(nèi)部，無(wú)法進(jìn)行更換;

2.3 列管式換熱器設(shè)計(jì)

在實(shí)際的列管式換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在保證傳熱需求的同時(shí)，還需要使傳熱效率與具體的設(shè)計(jì)規(guī)范相適應(yīng)，在一定程度上由于列管式換熱器本身就具有便于維護(hù)、體積小、消耗材料少、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，這就需要在設(shè)計(jì)工作中嚴(yán)格依據(jù)實(shí)際的化工生產(chǎn)工藝條件對(duì)化工工藝展開(kāi)計(jì)算，以期計(jì)算得到換熱器的具體傳熱面積，接著逐個(gè)對(duì)管長(zhǎng)、管徑、管程數(shù)、管數(shù)、殼程數(shù)進(jìn)行明確，展開(kāi)相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)。其中機(jī)械設(shè)計(jì)主要涉及了:（一）壓力容器法蘭、換熱器封頭型號(hào)；（二）開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)、接管法蘭、接管；（三）客體、殼體直徑壁厚；（四）管板尺寸；（五）計(jì)算折流板；（六）計(jì)算管子拉脫力；（七）溫差應(yīng)力。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程

第一步：選取換熱器類型，片段兩類流體的溫度變化情況，換熱器選擇的是自來(lái)水展開(kāi)冷卻，充分考慮換熱器的實(shí)際殼體溫度與管壁溫度的溫差，由此應(yīng)用的是U型管式換熱器。由于冷卻水極易出現(xiàn)水垢，要想清洗方便，還需要進(jìn)一步保證空氣走殼程，循環(huán)水走管程，嚴(yán)格依據(jù)管內(nèi)的流體流速范圍，選取參數(shù)值，確保其管內(nèi)流速是1m/s。由于空氣為熱流體、水為冷流體，這些均是不具有腐蝕性的物質(zhì)，鑒于此，換熱器的材質(zhì)就可以選取經(jīng)濟(jì)較強(qiáng)的碳鋼，也就是碳鋼管。將相變材料換熱技術(shù)有機(jī)的結(jié)合熱管技術(shù)被作為是一種行之有效的新型節(jié)能技術(shù)，其相變材料導(dǎo)熱系數(shù)不高，在相變蓄熱領(lǐng)域中大力的應(yīng)用熱管作為換熱元件可以對(duì)相變蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行有效的改進(jìn)，進(jìn)一步強(qiáng)化換熱效率，另一方面，還可以對(duì)排氣余熱進(jìn)行充分的利用，不僅節(jié)省了燃料，還減少了實(shí)際的污染物排放量，和我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要相適應(yīng)。