第二节 谷物干燥换热技术
我国北方是粮食主产区，每年粮食的产量占全国粮食总产量的2/3。受自然条件的影响，玉米收获时含水率为20%～30%，水稻收获时含水率为18%～25%；收获后的粮食需要通过干燥处理，降至安全水分后才能入仓安全储藏。因此，粮食干燥已经成为保障粮食安全的重要环节，而烘储的质量和成本取决于高效换热技术的应用。换热器是一种将热流体能量传递给冷流体的节能设备，是粮食干燥系统的重要组成部分。在能量的转换或转移过程中，减少能量损失、提高能源的利用率受到越来越多研究者的关注。目前，粮食干燥所用的换热器多为列管式换热器，这种换热器结构简单、制造难度小、易清洗维修。换热器的换热效率决定了粮食干燥的后期工作，同时提高换热效率也能够节省大量的能源，符合我国今后的发展形势。
一、粮食干燥换热器的研究概况
粮食干燥换热器是粮食生产中粮食干燥系统的重要组成部分。随着粮食产业的发展，对换热器的要求也越来越高。列管式换热器和板式换热器因结构简单、制造成本低等优点，被广泛应用于粮食干燥中。
1.列管式换热器
列管式换热器又称为管壳式换热器，如图1-11所示。在粮食干燥过程中，通过燃烧煤或其他燃料产生的高温烟气作为换热器的热介质。对于列管式换热器，高温烟气通过列管，在管内流动，低温气体在管外流动。列管式换热器内高温烟气通过的列管多采用钢制光滑管，适用于玉米等大批量的粮食生产，在我国北方粮食生产中得到了广泛的利用。
图1-11 立式列管式换热器
（1）列管式换热器技术
目前，常用的列管式换热器采用烟气作为管程，冷空气作为壳程，即冷空气通过在烟气管外进行的绕流运动进行热量传递。因此，冷空气侧的对流换热系数决定着列管式换热器的总换热系数。通过计算冷空气绕流列管束的对流换热系数确定冷空气侧的总换热系数h，换热系数的计算公式为
（1-5）
式中，h为对流换热系数；d为每根列管的外径；kf为根据气流平均温度，查物性表得出的空气热导率；Nu为努塞尔数。
（1-6）
式中，C和n由管排间距和管径确定；Re为雷诺数；Pr为普朗特数。
Nu也可以通过经验公式计算得到：
（1-7）
式中，Cz=3.12Z0.05-2.5；Cs=4Z0.02-3.2。其中，Z为列管排数。
进行粮食干燥时，按照粮食生产要求，有传热方程及热平衡方程式：
（1-8）
（1-9）
式中 A——传热面积，m2；
Δtm——换热器冷热流体的平均温差，K；
qm1，qm2——冷、热气流质量流量，kg/s；
cm1，cm2——冷、热气体比热容，J/（kg·K）；
t'1，t'2——冷、热气体入口温度，K；
t″1，t″2——冷、热气体出口温度，K。
假设传热系数不变，换热器无散热损失，质量流量和比热容都是常量，根据对数平均温差法可知：
（1-10）
式中，Δtmax、Δtmin分别为A=0时Δt'和Δt″的最大值和最小值。
通过以上公式计算，可根据不同的粮食生产需求，对现有的列管式换热器进行研究，从而进一步对换热器进行优化。合理设计换热器，提高其工作效率，对粮食快速干燥生产有着重要的意义。
（2）列管式换热器理论研究
在列管式换热器的工作过程中，同时进行着热传导和对流传热。目前，通过运用SolidWorks、FLUENT等软件对列管式换热器的结构及加工材料进行分析，在此理论分析的基础上，对换热器不断进行优化。
李建民等对批式循环粮食干燥机换热器中烟气和空气的流场，通过SolidWorks Flow Simulation进行了三维模拟，对列管式换热器流场的压力、速度、温度、流动轨迹进行了分析，通过分析图像，确定了流场温度、压力等分布的均匀性，为换热器进一步的优化设计提供有价值的参考。
薛强等利用Nu准则关系式、Re准则关系式、Pr准则关系式等对换热器的结构、流体物理性质和污垢热阻进行分析，对合理设计换热器的结构、提高换热效率、节约能源有着重要的意义。
吕骁运用FLUENT绘制出列管式换热器的稳态温度场温度云图，并将管板的不同部位划分成5条路径进行进一步的分析。研究表明：换热器管板两侧温差较大，管板的大部分区域内温度与管程流体温度接近，靠近壳程侧表面的温度接近于壳程流体温度，验证了ASME规范中的“表皮效应”理论。
（3）列管式换热器的强化传热技术
强化传热过程，将对流强化技术分为主动强化和被动强化。主动强化技术的应用不如被动强化技术的应用广泛。被动强化技术可分为处理表面、粗糙表面、扩展表面、扰流元件、旋流发生器、螺旋管和表面张力器件等。大多数换热器采取扩展表面的方法，即增大换热器换热面积来提高换热器的换热效率。换热器的基本传热方程为
（1-11）
式中，q为换热器的换热率，kJ/h；U为换热器的总传热系数，W/（m2·℃）；A为换热器的换热面积，m2；ΔTm为换热器冷热流体的平均温差， ℃。
列管式换热器的强化传热分为壳程强化传热和管程强化传热两部分，分别对其进行研究。
①壳程强化传热。壳程强化传热技术采用板式支撑、折流插式支撑、空心支撑、管子自支撑等管束支撑结构。其中，板式支撑结构的应用较为广泛，且技术也比较成熟。传统的弓形折流板，壳程压降较大，流动容易出现死区，易结垢，导致换热器产生振动。因此，主要对壳程结构进行优化。基于传统折流板式换热器的优化得到了多弓形折流板，如图1-12所示。螺旋折流板换热器结构如图1-13所示。
图1-12 弓形折流板换热器结构示意图
图1-13 螺旋折流板换热器结构示意图
基于传统的弓形折流板，多弓形折流板增加了切口面积，增大了壳程纵向流的流动，避免了因急剧回转流动造成的管束振动、压降大。研究表明：与单弓形折流板相比，双弓形折流板的壳程压降小，传热效率高。
基于对弓形折流板的研究，人们得出了螺旋折流板结构。螺旋折流板结构取代了传统的弓形折流板，成为壳程强化传热的主流。
通过对螺旋折流板换热器壳程流动与传热特性进行的研究表明：螺旋角从两个方面影响换热器壳程的换热及流动阻力，在单位压降下，换热效率与流动阻力随着螺旋角的增大而减小，对流换热系数随着螺旋角的增大而增大；壳体长度一定时，螺旋角增大螺距增大，螺旋周期数减少，换热效率与流动阻力减小。
利用FLUENT软件，从壳侧流场、压力场、温度场角度对连续型螺旋折流板换热器及1/4椭圆形螺旋折流板换热器的流动与传热性能模拟结果进行了分析。研究表明：1/4椭圆形螺旋折流板压力降小，漏流率高，降低了传热能力与换热器的综合性能。
著者课题组研究了一种新型套管双壳程连续螺旋折流板换热器，套管将壳程分为内壳程无折流板和外壳程连续螺旋折流板。运用FLUENT进行分析，与传统弓形折流板及单壳程连续螺旋折流板换热器进行对比，结果表明：在相同壳程的入口流速下，套管双壳程的壳程压力降小于弓形折流板和单壳程的壳程压力降，传热速率提高了20%以上，单位传热量的压力降小。
②管程强化传热。目前，对于管程的强化传热，通常采用螺纹管、波纹管、管内插入物、三维内肋管等传热元件来增大传热面积、提高传热系数、增强传热效果。近年来，翅片管式换热器应用较为广泛，翅片的形状也比较多，如图1-14所示。因此，对翅片管式换热器的研究越来越多。
图1-14 几种常见的翅片管结构
运用CFD软件，对平直翅片、均匀波纹翅片、倾角渐增波纹翅片的翅片管式换热器流动传热性能分别进行了三维的数值模拟计算，得出了在不同入口风速下，各流域中心面的温度场、压力场和速度场分布云图，计算出各翅片表面在不同风速下的平均传热系数和阻力系数。结果表明：倾角渐增波纹翅片的传热效果高于平直翅片和均匀波纹翅片的传热效果，其强化传热效果显著。
通过FLUENT对波纹三对称穿孔翅片与波纹翅片的表面流动性能和传热性能进行了研究，得到不同风速表面传热系数的分布。研究结果表明：在不同风速条件下，波纹三对称穿孔翅片表面传热系数比波纹翅片表面传热系数高20%～28%，减少了能源的消耗，达到强化传热目的。
2.板式换热器
19世纪70年代，德国人发明了板式换热器，并将其应用在食品工业上。板式换热器是将一系列具有波纹表面、相互平行的薄金属板相叠加而成的，其结构如图1-15所示。其强化传热的机理是：板片与板片之间形成流道，热量通过板片进行交换。同其他类型的换热器相比较，板式换热器具有传热系数高、传热阻力小、易清洗等优点，是余热利用、太阳能利用、海水利用、污水利用、地热利用中的关键设备。金属波纹板片是板式换热器最主要的换热元件，其波纹倾角、波高和波纹间距是影响板片换热与流动阻力的主要因素。
图1-15 板式换热器
张宇等基于前人研究结果得出高效小型批式粮食干燥工艺，对批式循环粮食干燥机板式换热器进行了优化设计。板式换热器是气-液热交换的理想设备。因此，用100℃的高温蒸汽代替800℃的烟气，对板式换热器采用更为高效的材料，在保证换热效率不变的情况下，通过MATLAB对换热器的尺寸进行优化，总体提高了换热效率、减小了体积、节约了材料。
传统的板式换热器主要适用于液-液换热，故板间距小，流速低，板形大多为人字形或斜波形，以丁腈橡胶作为密封件，最高使用温度在200℃以内。适用于气-气换热是全焊接的板式换热器，目前常用的有单波型和双波型（图1-16）；双波型对错流和逆流都能有效扰动，大大提高了换热的效率。全焊接气-气板式换热器一般板间距为10～20mm，气体流速为8～20m/s，可错流或逆流换热。它具有设备紧凑、重量轻、占地面积小、安装方便等特点，可以安装在建筑物上；每立方米的换热面积可达到20m2（列管式的换热面积约为5m2）。设备采用新型的双波型板片结构，大幅提高了换热器传热膜系数，传热效率可达普通列管和翅片管的2倍左右，总传热膜系数可达45W/（m2·K）以上，适用于传热效率高、结构紧凑和压降小的气-气换热场合。同时，由于介质湍流程度高、传热表面光滑，板式空气预热器不易积灰，即便积灰清洗也很方便。
图1-16 双波型结构换热板
针对我国北方的粮食生产需求和投资体量的限制，虽然全焊接板式换热器具有传热效率高、结构紧凑和压降小的优点，适合气-气换热场合的要求，但是板式换热器体积占比大、制造成本较高，因此北方的粮食干燥加工普遍应用的换热器为列管式换热器。
3.气相旋转管壳式换热器
基于强化传热技术，黑龙江八一农垦大学自主研发设计了适用于粮食干燥机的旋转管壳式换热器。气相旋转管壳式换热器是一种主要由旋转滚筒、螺旋叶片和传热管组成的旋转管壳式换热器，如图1-17所示。换热器采用逆流式。旋转滚筒通过齿轮同其齿圈啮合进行旋转，确定其旋转速度，旋转滚筒带动螺旋叶片进行旋转。旋转叶片机构能够促使烟气在向心力的作用下形成涡流，避免了烟气沉积，保证烟气更加有效地吸附于列管外壁，同列管内部气体进行对流换热；延长了接触时间，使高温煤气同新鲜空气充分接触，提高换热效率。
图1-17 气相旋转管壳式换热器
该换热器较普通气相换热器增加了旋转叶片机构，具有节约能源、使用寿命长、气体分布均匀、换热时间延长等优点，解决了现有换热器烟气分布不均匀、热能利用率低、换热效率低等问题。
该换热器与同其配套使用的煤炉、干燥室共同形成一个粮食干燥系统，如图1-18 所示。工作状态下煤炉提供高温煤气，通过加压器将高温煤气输送到气相旋转管壳式换热器内，经过换热器的对流换热后，将带有热量的新鲜空气输送到干燥室内，对作物进行干燥。该方法不仅可以提高干燥效率，而且能够节省资源，满足高效率、大吨位粮食干燥系统，适用于粮食的高效快速储备，为我国换热器节能、农产品存储提供了保障。
图1-18 粮食干燥系统
目前，在多种强化技术中，大多数换热器采用固定不动的结构，使进烟口进入的高温煤气同进气口进入的新鲜空气在筒内相接触进行传热作业，因此高温烟气无法充分地同列管外壁相互接触，仅仅靠两种气体的短时间接触进行对流换热。这种固定不变的结构会使颗粒状的高温煤气因自身重力的作用而沉淀于筒内底部，造成热量分布不均匀、换热不充分等问题，导致换热器的换热效率低，并且造成换热器热能资源的大量浪费。
气相旋转管壳式换热器通过在列管外增加螺旋叶片的方法，控制了热烟气在壳侧的流动速度。换热器上的旋转滚筒带动螺旋叶片进行旋转，促使烟气在向心力的作用下形成涡流，使烟气分布均匀，有利于传热。因此，叶片旋转机构可以延长换热时间，能够有效地解决高温烟气在壳内流通存在死区、高温烟气无法有效且充分地同列管外壁接触等问题，从而提高换热效率、提高能源的利用率，达到节能的目的。
二、粮食干燥换热器存在的问题
①气-气换热器的换热效率低于气-液和液-液换热器的换热效率。高温烟气和冷空气通过换热器较快，无法进行充分的热量传递，进而有大量的热量损失，造成能源的浪费。
②目前，现有的换热器大部分是针对小型干燥机设计的，针对小型干燥机的换热器较成熟。因加工制造技术及成本的限制，很少有针对我国北方大批量粮食生产的换热器，现有的适用于大批量粮食生产的换热器换热效率低。若增大换热器的体积，增大换热量，同时，热量的损失也较为严重，无法满足我国北方大批量粮食的快速生产。
③换热器易结垢，导致热阻增大，降低换热效率。大型换热器因体积较大，制造难度大，清洗维修时会困难。
三、粮食干燥用换热器的研究方向
为了提高烟气的利用率，提高我国北方大批量粮食的生产效率，最大程度地实现节能减排，适用于我国北方粮食干燥塔的气-气换热器优化研究方向如下。
1.影响换热效率的因素
影响换热效率的主要因素是单位容积下换热面积的大小。根据热平衡原理，需要考虑到换热器在工作过程中热量的损失。因此，在考虑到流动阻力的基础上，结合新型材料研发出一种新型结构，减少热量的损失。
2.加强防垢方面的研究
换热器的焊接接头处易结垢和被腐蚀，通常影响换热器结垢的因素有：介质温度、介质流速、材料及材料的表面粗糙度。因此，在换热器内部结构的流道转弯处需要圆滑过渡，以便降低流阻，从而达到防垢的效果。
3.提高抗振性
换热器在工作过程中，壳程流体的流动会引起换热管不同程度的振动，使换热器产生机械破坏。管束振动特性与换热器的阻尼特性、各部分的固有频率以及流体在管束内的流动等因素有关。因此，需要研发出一种新型结构，在提高换热效率的基础上，提高抗振性，从而延长换热器的使用寿命。
4.流体仿真（CFD）与试验相结合
在对换热器的流动与传热进行分析时，采用计算机技术，建立流体的流动和传热模型，进行模拟与仿真，预测流体的流动区域和热传递的分布。目前，在自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的模拟仿真以及辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面，CFD技术已得到了广泛的应用。该技术对换热器的优化提供了重要的理论依据。因此，需要提高图像处理技术，从而提高理论分析的准确度；将CFD技术与试验相结合，提高换热器的优化程度。
四、总结与展望
气-气换热器是我国粮食干燥系统的重要组成部分，目前我国适用于粮食干燥的换热器仍处于研发阶段。尽管现在已经研发出多种结构的换热器，但由于生产需求及节能减排的倡导，我国北方地区的粮食干燥换热器换热效率仍需提高。本节以粮食干燥换热器的强化传热为主线，对应用较为广泛的换热器结构进行了总结，指出了我国现有换热器存在的问题，分析了强化传热技术在列管式换热器上的应用，最终提出了气相旋转管壳式换热器的方案设想。若能对粮食干燥换热器予以改进、完善并实现推广应用，将对我国大批量粮食的快速生产产生重大的影响。