《余热利用技术》PPT课件.ppt

第3章 余热利用技术,本章主要内容,第一节 概述 第二节 蒸汽回收利用 第三节 凝结水回收利用 第四节 常压二次蒸汽回收利用 第五节 热泵技术及应用 第六节 热管技术及应用 第七节 板式换热器的应用 第八节 典型行业的余热利用,考纲要求,考纲要求,教师导读,我国工业企业的余热利用潜力很大，余热利用在当前节约能源中占重要地位。余热资源的回收利用，要求工艺上需要，技术上可行，经济上合理和保护环境。如何应用当代最新科学技术，充分利用余热资源是本节的主要内容。 本章介绍余热资源回收利用的常用节能技术的原理和应用，对蒸汽回收利用、凝结水回收利用、二次蒸汽回收利用热泵技术、热管技术、板式换热器技术等余热利用技术原理及应用进行了深入介绍。最后对余热利用典型节能技术实例进行了介绍。 本章的重点为：余热资源的分类，各种余热资源利用的主要方法，余热利用的典型节能技术原理和应用。 本章的难点是：蒸汽凝结水回收利用技术、热泵技术。,3.1 概述,余热资源概念(P7172)：指在目前条件下有可能回收和重复利用而尚未回收利用的那部分能量。余热资源的利用不仅决定于能量本身的品位，还决定于生产发展情况和科学技术水平，也就是说，利用这些能量在技术上应是可行的，在经济上也必须是合理的。 余热资源的分类（P72P74)：按余热资源的来源不同可划分为如下六类：高温烟气的余热；高温产品和炉渣的余热；冷却介质的余热；可燃废气、废液和废料的余热；废汽、废水余热；化学反应余热。 按温度划分为如下三类：高温余热，指温度高于500的余热资源；中温余热，温度在200500之间的余热资源。低温余热，温度低于200烟气及低于100的液体属于低温余热资源。,3.1 概述,余热利用的原则及应注意的问题（P76P78): 余热的回收利用方法，随余热资源的不同而各不相同。余热利用的方法总体可分为热回收和动力回收两大类。通常进行回收余热的原则如下。 对于排出高温烟气的各种热设备，其余热应优先由本设备或本系统加以利用。 在余热余能无法回收用于加热设备本身，或用后仍有部分可回收时，应用来生产蒸汽或热水，以及产生动力等。 要根据余热的种类，排出的情况，介质温度，数量及利用的可能性，进行企业综合热效率及经济可行性分析，决定设置余热回收利用设备的类型及规模。 应对必须回收余热的冷凝水，高、低温液体，固态高温物体，可燃物和具有余压的气体、液体等的温度、数量和范围制定利用的具体管理标准。,3.1 概述,在余热回收利用中，需特别考虑下述几个方面。 余热回收利用中，企业的注意力首先要放在提高现有设备的效率上，尽量减少能量损失，决不要把回收余热建立在大量浪费能源的基础之上。 余热资源很多，不是全部都可以回收利用，余热回收本身也还有个损失问题。在目前的技术和经济条件下，一部分是应该而且可以利用的，另一部分目前还难以利用，或利用起来不合算。 余热的用途从工艺角度来看基本上有两类：一类是用于工艺设备本身；另一类是用于其它工艺设备。通常把余热用于生产工艺本身比较合适。这一方面回收措施往往比较简单，投资较少；另一方面，在余热供需之间便于协调和平衡，容易稳定运行。若把余热回收后利用到其它工艺设备上，而它又是不易或不能储存的，余热的回收与利用一定要很好配合，否则相互牵扯难以发挥效果。这是因为，余热的多少随余能发生设备的运行条件而变化，余热供应一般不太稳定；发生能量需求变化时，余热发生设备不能随之变化，即余热回收与利用无法保持同步。,3.2 蒸汽回收利用,蒸汽回收利用的原理（P78P79)：蒸汽有一个特性，就是用过以后还可继续使用，用的次数越多，能量的利用就越充分。因此，使用蒸汽的热力设备，要根据蒸汽的压力和温度合理使用。品位较高的蒸汽，尽量多次利用，以发挥蒸汽的效能，为了有效利用蒸汽，要根据不同的需要选择合适的蒸汽参数，用过的蒸汽不要轻易排掉，应想方设法继续使用，最好直到无法利用为止，尽量做到一汽多用的目的。,3.2 蒸汽回收利用,蒸汽回收利用的方式（P79)：蒸汽余热的利用方式有两种：一种是热利用，即把余热当做热源来使用；另一种是动力利用，即把余热通过动力机械转换为机械能输出对外做功。余热与能量具有相同特性，可以相互转换，取得机械能、电能、热能、光能等，以满足各种不同的用途。 在动力利用方面，主要是通过蒸汽透平等设备带动水泵、风机、压缩机等直接对外做功，或带动发电机转换为电力。 在热利用方面，可通过换热器、加热器等设备去预热燃料、空气、物料，干燥物品，加热给水，生产蒸汽，供应热水等。 无论是余热的动力回收还是热利用，都离不开换热设备。因此各种类型的热交换器仍是余热利用最主要和最基本的设备，按其用途来看，有余热锅炉、加热器（水油或其它介质）冷却器、冷凝器、空气预热器、蒸煮器、蒸发器、蒸馏器、干燥器等。按其工作原理来看，最常用的是表面式（亦称间壁式）换热器，混合式（亦称直接接触式）换热器，蓄热器（亦称再生式）换热器，此外还有热管式换热器，热泵系统等，这是近年来正在开发应用的一种新型高效换热器，它具有很高的传热性能及其它一系列优点。,3.3 凝结水回收利用,凝结水回收利用的意义（P81)： 一般用汽设备利用的蒸汽热量，只不过是蒸汽的潜热，而蒸汽中的显热，即冷凝水中的热量，几乎没有被利用。冷凝水温度相等于工作蒸汽压力下的饱和温度。蒸汽压力越高，冷凝水热量越多。如果不加以回收，不仅损失热能，而且也损失了高度洁净的水，导致锅炉补给水和水处理费用增加。 通常用汽设备（如蒸发器、烘燥机）排出的凝结水，其热量占蒸汽热量的12%15%，回收凝结水就回收了这项热量，提高了蒸汽的热能利用率，节省了燃料。凝结水温度比新鲜的锅炉给水温度高，用100的凝结水代替30的锅炉给水，约可节约燃料12%。另外，凝结水是品质良好的锅炉给水，回收至锅炉房，可以节省大量水处理费用，又可减少锅炉的排污热损失，使锅炉热效率提高2%3%。,3.3 凝结水回收利用,凝结水的排放过程通常由蒸汽疏水器完成。蒸汽疏水器是使蒸汽与凝结水分开并使后者自行排出的疏水装置。在放走凝结水的同时，疏水器又能防止蒸汽漏出。蒸汽疏水器必须具有的能力和性质： 在排除疏水时蒸汽不会逃逸，要求快开快闭；蒸汽漏失应少于排水量的3%。 排放疏水的同时能排走空气。 适用于较广的压力范围压力变化不大时不应影响其排放能力或允许有较高的背压，利于排水和使冷凝水温度接近饱和温度。 耐久、价廉、质轻、部件少，容易维修和检查其动作元件。 蒸汽疏水器的分类：按使用压力可分为低压、中压、高压和超高压；按容量可分为小容量、中容量，大容量；按连接方式可分为螺旋式、法兰式、插套式；按结构分可分为机械式、热静力式、热动力式等。,3.3 凝结水回收利用,冷凝水回收系统类型及最佳回收利用的方式（P82)：冷凝水的最佳回收利用方式，就是将冷凝水送回锅炉房，作为锅炉给水。冷凝水回收系统可分为开式和闭式两类。所谓开式系统，即从用汽设备来的冷凝水，经疏水器，或蒸汽动力设备的排汽经冷凝器凝结后，由冷凝水本身的重力（或由凝结水泵）排至凝水箱中。此凝水箱与大气相通，剩余凝结水温度大约是100，实际由于闪蒸散热或为防止水泵汽蚀而加入凉水，回收温度仅在70左右，加之与大气相通有空气进入凝结水管道，容易引起管道腐蚀。但开放式系统装置简单，投资较少，与冷凝水直排相比，仍有一定的节能效果。 在闭式系统中冷凝水收集箱是封闭式，系统内冷凝水压力始终保持高于大气的压力，使冷凝水水温低于该压力下的沸点，冷凝水的热能得到充分利用。而且闭式系统的冷凝水保持蒸汽原有品质，用于锅炉给水时，不会增加溶解氧量，也减少了锅炉补水量，减少了水处理的费用。,3.3 凝结水回收利用,凝结水回收的主要障碍是水泵输送高温凝结水时的汽蚀现象。要防止汽蚀发生，必须采取各种防汽蚀措施，提高水泵入口处的压力，使凝结水温度低于该处压力对应的饱和温度。（因为压力越高、饱和温度越高），最简单的措施就是提高水泵入口前凝结水的重力压头，把凝结水储罐布置在较高的位置，把凝结水泵布置在较低的位置。如果工艺条件不允许或者仅仅靠重力压头达不到要求，就需要使用专门的凝结水回收装置。按防汽蚀原理分类，凝结水回收装置有如下几种。,3.3 凝结水回收利用,凝结水回收系统类型(P82P85)： 按防汽蚀原理分类，凝结水回收装置有如下几种。 1、蒸汽加压法 2、位差防汽蚀法 3、喷射增压防汽蚀法 4、往复式压缩机输送汽水两相流装置 5、无疏水阀回收系统,3.3 凝结水回收利用,凝结水回收技术的选择(P86P88):,1、按用汽设备使用蒸汽的压力和温度选择 (1) 用汽设备疏水压力小于0.15 MPa时，凝结水可以利用重力自流回收。尽量用集水罐水泵吸入口的液位差提供防汽蚀压头，如果工艺布置不能保证必要的防汽蚀压头，要采取专门的防汽蚀装置。 (2) 用汽设备疏水压力为0.150.6 MPa时，多数采用增压回收方式回收凝结水。 (3) 用汽设备凝结水压力大于0.6 MPa时，采用高压、中压回水系统闪蒸装置，闪蒸汽供中压或低压用汽设备。闪蒸量小于或等于低压热用户蒸汽使用量，具有周期使用系数时，直接利用。无中低压热用户时，设中压或低压热交换装置，加热其他工艺介质，以达到相同的热能利用效果。采用喷射热泵方式，增压增量利用。 2、按冷凝水用途选择 (1)冷凝水作锅炉补水 (2)冷凝水作低温热源,3.4 常压二次蒸汽回收利用,常压二次蒸汽主要汽源类型:（P91) （1）余热蒸汽 汽源主要来自汽锤、活塞泵、蒸汽压力机以及汽轮机等动力设备。通常余热蒸汽的汽压并不大，约0.20.25MPa，可用于洗涤机、浴池、蒸浓设备以及重油、脂加热设备等方面，也可用于采暖通风及供应生活、生产用热水 （2）闪蒸蒸汽 闪蒸蒸汽是高温凝结水经过扩容减压后所得到的余热回收蒸汽，而凝结水则是锅炉新汽在失去其热能的7585以后凝结而成的液体。其显热约占原有新汽热能的20%25%，因此闪蒸蒸汽的汽源实质上就是凝结水源。 （3）二次蒸汽 在蒸发器中利用新汽加热得到的水蒸汽就是二次蒸汽。多效蒸发器就是回收和利用这种二次蒸汽的实例。用二次蒸汽来完成溶液的蒸浓过程可以减少新汽的耗量，也就是说可提高蒸发比。一般来说，如在单效蒸发器中每1kg加热新汽可蒸发1kg溶液，在多效（n效）蒸发器中就可使蒸发量提高n倍，但实际上考虑了装置中的泄漏损失后，蒸发1kg水所需消耗的新汽量约为（1/0.85n）kg。由此可知，在单效蒸发器中，每蒸发1kg水所需的新汽量为1.18kg/kg；在双效蒸发器中，蒸发1kg水所需的新汽量为0.59kg/kg；在三效蒸发器中，需要0.39kg/kg；在四效蒸发器中，则需0.29kg/kg。这就是说，从单效改为双效，可节约加热新汽量50%；从三效改为四效则可节约25%；从六效改七效，则可节约15。,3.5 热泵技术及应用,热泵的概念及技术特点（P94)： 热泵是一种将低温物体中的热能传递至高温物体中的一种装置。热泵的特点如下： 1、能长期地、大规模地利用江河湖海、城市污水、工业污水、土壤或空气中的低温热能。 2、目前世界上最节省一次能源（如煤、石油、天然气等）的供热系统。它能用少量不可再生的能源（如电能）将大量的低温热能升为高温热能。热泵技术所消耗的一次能源仅是电热采暖和燃油、燃气锅炉采暖供热方式的1/5或近1/6。 3、是在一定条件下可以逆向使用，既可供热，也可用以制冷，而不必搞两套设备的投资。,3.5 热泵技术及应用,热泵的原理及构成： 热泵是利用载热工质，从低温处吸取热量，并在高温处放出热量。所以其工作原理和系统组成与制冷系统完全相同，只不过制冷着眼于从低温处吸热，将低温物体的温度再降低，而热泵的目的是向高温处放热，将高温物体的温度升得更高，从而使本来难以回收的低温余热得到重新利用的可能。,压缩式热泵的构成及原理（P9596) 主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成。通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）压缩冷凝（放出热量）节流再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到工质中。热泵在工作时，把环境介质中贮存的热量Q2在蒸发器中加以吸收，它本身消耗一部分能量，即压缩机耗电W，通过工质循环系统在冷凝器中进行放热Q1，所以Q1=Q2+W。由此可以看出，热泵输出的热量为压缩机做的功W和热泵从环境中吸收的热量，因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。,3.5 热泵技术及应用,1、热泵将高温物体获得的热量Q1与所消耗能量W之比，作为衡量热泵经济性能的“供热系数”，称工作系数或性能系数COP。 2、热泵COP值的计算：已知室内采暖温度为T1，室外温度为T2，按照目前的技术水平，可用有效系数e在0.40.75， 一般概算时可设e=0.6若用热泵从室外冷空气吸取热量来取暖，计算此时热泵COP的公式为：,3.5 热泵技术及应用,已知室内采暖温度为23，室外温度为0，可用有效系数为e=0.6时。采用压缩式热泵从室外冷空气吸取热量来取暖，计算热泵的COP值。,式中T1、 T2高温物体和低温物体的热力学温度,3.5 热泵技术及应用,吸收式热泵的构成及原理(P9698) 吸收式热泵利用吸收剂在加热和冷却时对载热工质的吸收和放出，使工质溶液浓度发生变化，从而改变载热工质的压力的办法来取代压缩机。在载热工质将热量从低温热源转移到高温物体的过程中，可不消耗机械能，但需消耗一部分高温驱动热量。 目前生产的吸收式热泵分为两类，第一类吸收式热泵是消耗少量高温的驱动热能（蒸汽或燃料），从低温热源中吸取热量，制备高温热水（热水的温度低于驱动热源温度)。第二类吸收式热泵不需要专门的高温驱动热源，其消耗的驱动热量直接取自低温热源。 第一类吸收式热泵由吸收器、发生器、蒸发器和冷凝器四个基本部分组成。它是以输入少量温度品位较高的热能，而得到数量较多、温度水平较低的热量输出，故称“低温热泵”。这就是说，其工作系数可大于1，实际上，Qe总小于Qb，通常Qe/Qb=0.50.7，故一般COP1仅为1.51.7。 第二类吸收式热泵是输入较多的中低品位热能去得到数量适中的温度较高的热量输出，故称“高温热泵”，第二类吸收式热泵的COP2一定小于1，约为0.5左右。尽管COP2低，但因无须高温驱动热源，并可利用低温余热（余热水或余热蒸汽），所以还是很可取的。,3.5 热泵技术及应用,热泵在节能领域的应用（P98101) 压缩式热泵在工作时，虽然要消耗一定量的热能或机械能，但因为Q1=Q2+W，也即传给高温物体的热量Q1总是大于所消耗的能量W，也就是COP恒大于1。这表明用热泵要比用热能或电能来直接加热高温物体来得合算。这也就是使用热泵可以节能的基本道理。 COP值反映了热泵输出热量与消耗功的比值大小，但由于输入的是功，输出的是热能，两者相比存在着能质上的差别，因此，在热泵理论中广泛应用一次能源利用率来评价热泵，其意义就是热泵输出的热量与热泵消耗功量折合成一次能源的数量之比。这样就具有与锅炉效率等同的含义，再将热泵与锅炉等产热设备相比，具有明确、合理的可比性。 当K值大于1时，B2B1，即热泵消耗燃料少，为节能。由上式计算可知，K 与COP的关系如下： K 0.5 1 1.5 2 2.5 COP 1.02 2.05 3.07 4.10 5.12 当COP=2.05时，K=1，两者耗能相等；当COP=4.10时，K =2，可节约燃料50%。COP越大，节能越多。由上述可知，使用热泵后能否节能，或热泵的COP等于多少才能节能，与所取代的高温热源的类型有极大的关系。,3.6 热管技术及应用,热管的原理：热管的传热现象是传导、蒸发、对流及冷凝等现象的组合。其导热量之大小比同体积的任何金属棒高千倍以上。热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。热管换热器显著的特点是：结构简单，换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器。换热流体通过换热器时的压力损失比其他换热器小，因而动力消耗也小。,热管的组成： 热管是一支真空封装的金属管，热管由壳体、吸液芯和工作液三个部分组成 热管壳体是一封闭容器，能承受一定压力并保持完全密封。在热管壳体的内壁上紧贴一层用毛细材料（多孔结构物）构成的吸液芯。在多孔的吸液芯层里充满了工作液，在热管受热时，工作液的汽态介质则充满热管的内腔，工作液是热管工作时的热传输介质。,3.6 热管技术及应用,3.6 热管技术及应用,热管的工作过程（P104105) 当热量从高温热源传进热管时，处于热管加热段内壁吸液芯中的工作液因吸热汽化而变成蒸汽，进入热管的空腔，通常热管的加热段也称汽化段。蒸汽不断进入空腔，使汽化段腔内压力逐步增大，蒸汽就向热管右端流动。如热管右端有冷源，蒸汽因放热而重新凝结成液体，并为右端管内壁的吸收芯所吸收，这段热管称凝结段。在汽化段和凝结段之间的区段因无热交换，只作为热的传输段，也称绝热段。 在汽化段，工作液在吸液芯内汽化逸出，使液体蒸汽的界面退缩到吸液芯结构的里面，并形成弯月形的液凹面；它会产生一个附加压力（与液体表面张力系数成正比，与弯月形液面的曲率半径成反比），使吸液芯中工作液从凝结段回流到汽化段。这就能使热管工作连续进行。 热管工作时要经历以下四个过程：管内吸液芯中的液体受热汽化。汽化了的饱和蒸汽向冷端流动。饱和蒸汽在冷端凝结放出热量。冷凝液体在吸液芯毛细力作用下回到热端继续吸热汽化。,3.6 热管技术及应用,热管的可靠性 热管是利用相变来进行传热的，没有输送工质的动力设备，无须设备维修。但是一定要保持完全密封，任何泄漏均会使热管失效；另外，如管内产生非凝性气体，也会使工作恶化。在使用中要防止外部腐蚀，振动及冲击等，在制造时要特别注意管内清洗、密封技术。,3.6 热管技术及应用,热管在工业领域应用 热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。热管换热器显著的特点是结构简单，换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器。换热流体通过换热器时的压力损失比其他换热器小，因而动力消耗也小。由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的，而热管元件相互又是独立的，因此即使有某根热管失效、穿孔也不会对冷、热流体间的隔离与换热有多少影响。此外，热管换热器可以方便地调整冷热侧换热面积比，从而可有效地避免腐蚀性气体的露点腐蚀。 按照冷热流体的状态，热管换热器可分为气-气式、气-汽式、气-液式、液-液式、液-气式。从热管换热器结构形式来看，热管换热器又分为整体式、分离式和组合式。,3.6 热管技术及应用,1. 整体式热管换热器 按流过热管两端流体的种类可分为： 气-气式热管换热器，冷、热流体均为气体，如热管式空气预热器。 气-液式热管换热器，冷流体为液体，热流体为气体，如热管式省煤器。 气-汽式热管换热器，冷流体侧产生蒸汽，热流体为加热气体，如热管式蒸汽发生器（余热锅炉），其中又可分为： 整体式换热器特点如下： 热效率高，热管的冷、热侧均可根据需要采用高频焊翅片强化传热，弥补一般气气换热器换热系数低的弱点。 有效地避免冷、热流体的串流，每根热管都是相对独立的密闭单元，冷、热流体都在管外流动，并由中间密封板严密地将冷、热流体隔开。 有效的防止露点腐蚀，通过调整热管根数或调整热管冷热侧的传热面积比，使热管壁温提高到露点温度以上。 有效的防止积灰，换热器设计可采用变截面结构，保证流体进出口等流速流动，达到自清灰的目的。 无任何转动部件，没有附加动力消耗，不需要经常更换元件，即使有部分元件损坏，也不影响正常生产。 单根热管的损坏不影响其它的热管，同时对整体换热效果的影响也可忽略不计。,2. 分离式热管换热器 分离式热管换热器热管的蒸发段和冷凝段分开布置，不同处于一个整体，用蒸汽上升管与冷凝液下降管相连接，可应用于冷、热流体相距较远或冷、热流体绝对不允许混合的场合。分离式热管换热器也分为气-气、气-液、气-汽三种形式。其特点如下： 装置的受热段和放热段可视现场情况分开布置，可实现远距离传热，这就给工艺设计带来了较大的灵活性，也给装置的大型化、热能的综合利用以及热能利用系统的优化创造了良好的条件。 工作介质的循环依靠冷凝液的位差和密度差的作用，不需要外加动力。无机械运行部件，增加了设备的可靠性，也极大减少了运营费用。 放热段与受热段彼此独立，易于实现流体分割、密封，因而能适用于易燃易爆等危险性流体的换热，并且也可实现一种流体与多种流体的同时换热。 受热段与放热段管束可根据冷、热流体的性能及工艺要求选择不同的结构参数和材质，从而可有效地解决设备的露点腐蚀和积灰问题。 根据工艺要求，可以将流体顺、逆流混合布置，以适应较宽的温度范围。 系统换热元件由多片热管管束组成，各片之间相互独立，因此，其中一片甚至几片损坏或失效不会影响整个系统的安全运行。,3.6 热管技术及应用,3.7 板式换热器的应用,板式换热器的概念及特点：板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换