节能技术——第二章.ppt

第二章 通用节能设备 第一节 换热器一 定义换热器装置叫换热器 广泛用于加热 冷却 蒸发 冷凝和余热回收等工艺过程 换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备 在热量交换中常有一些腐蚀性 氧化性很强的物料 因此 要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能 二 分类 直接式 套管式换热器 管壳式 列管式 间接式 间壁式 纹管式 板片式板式 螺旋板式 一 管壳式1 套管式换热器 套管式换热器的特点 可逆流操作 传热量截流体流量不大的冷却器 冷凝器 由于安装有可拆装的膨胀技术 故运用于高压1 内管2 外管3 180 回弯和高温流体且易于处理污垢 管子的材料可为金属和非金属 传热系数 w m2 k 随流体 工作压力及管材不同差别较大 10 2450 2 列管式换热器列管式换热器主要由壳体 管板 管束 封头 流体进出口管等部件组成 为了提高管程的流体流速 可将管子分成若干组 即为多管程 同理 为了提高壳程的流体流速 可在壳体内安装横向或纵向折流挡板 1 壳体2 管板3 管束4 封头5 挡板 列管式换热器得特点 1 主要优点是结构简单 坚固 材料范围广 处理能力大 适应性强 操作弹性较大 尤其适用于高温高压情况 2 换热表面容易清洁 适应性强 3 与某些新型换热器相比 其传热效率及设备的紧凑性差些 单位传热面积的金属消耗量多些 但在目前的化工生产中列管式换热器仍然占有非常重要的地位 4 换热量随流体特性 流速 压力及管材不同变化较大 10 3500 3 纹管式换热器用于管内流体的冷却 冷凝 换热系数较高 600 3500 生产规模不大 二 板式换热器板式换热器包括板片式和螺旋板式两种 1 板片式换热器板片式换热器是液 液 液 汽进行热交换的理想设备 它具有换热效率高 热损失小 结构紧凑轻巧 占地面积小 安装清洗方便 应用广泛 使用寿命长等特点 在相同压力损失情况下 其传热系数比管式换热器高3 5倍 热回收率可高达90 以上 板片式换热器是加热 冷却 热回收 快速灭菌等用途的优良设备 2 螺旋板式换热器是一种高效换热器设备 适用汽 汽 汽 液 液 液 对液传热 它适用于化学 石油 溶剂 医药 食品 轻工 纺织 冶金 轧钢 焦化等行业 按结构形式可分为不可拆式 型 螺旋板式及可拆式 型 型 螺旋板式换热器 三 评价换热器内传热过程的性能指标 一 换热器热效率 t冷介质获得的热量Qc与热介质所放出的热量Qh的比值 Qh mh Cph t h t h Qc mc Cpc t c t c Ql Qh Qc t 0 97 99 二 能量系数换热量Q与热 冷介质流动所消耗功率N之比 称为能量系数 该指标反映了换热器运行经济性的指标或介质流动损失的程度 三 换热器的效能常用冷介质所获得的热量与热介质可能所放出的最大热量之比称之为换热器的效能 换热器的效能证明热介质可传热量中有绝大部分得到传出 反映了换热器传热性能的好坏 四 换热器的火用效率假设换热器与外界无热 功的交换 无外部控系 对于热介质的火用平衡方程为 热介质热导纯系数 对于冷介质的火用平衡方程为 为换热器的温度火用效率为换热器的压力火用效率 四 影响换热器内传热过程的因素从换热器火用的公式可以看出 换热器的保温情况 热冷介质的温差 温度水平及压力控制等都会影响换热器内传热过程的性能 一 传热温差的影响升高时 随着升高 升高 二 传热温度水平的影响升高或者升高时 随着升高 三 压力控制的影响五 换热器系统分析简介 一 目的 根据换热器内传热过程能量利用的分析 找出问题 调整工艺流程及热冷介质参数进行改进 这样能实现能量有效利用与节能 二 方法 以示火用图为工具 由原始工艺流程出发 结合技术的可行性与经济的合理性 分析与建立换热器系统的节能型工艺流程与结构 三 示火用图 第二节 热管 一 热管的定义 按较精确的定义 应称之谓 封闭两相传热系统 即在一个封闭的体系内 依靠流体的相态变化 液相变为汽相或汽相变为液相 来传递热量的装置 众所周知 当某种介质由液相变为汽相 如水蒸发或沸腾 时 会吸收热量 而当介质由汽相变为液相 如蒸汽的凝结 时 会放出热量 将这两种过程巧妙地结合在一起 并置于封闭的容器内 就构成了一个先进的传热元件 热管 将热管元件按一定行列间距布置 成束装在框架的壳体内 用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开 构成热管换热器 二 热管结构与工作原理 热管一端受热时管内工质汽化 从热源吸收汽化热 汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热 冷凝液借毛细力和重力的作用回流 继续受热汽化 这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区 热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的 热管的特点 1 高导热率 热管的导热率比常用的导热金属材料铜铝高几个数量级 从前面表中可以明显的看出 由于热管内部是靠工作液体的汽 液相变传热 热阻很小 因此轴向的导热性能极高 但是热管的径向导热能力一般 2 等温性好 热管工作时热管内腔的工质温度总是处于饱和状态 饱和工质的气态液体温度是相等的 但是气 液两相的转变时会吸收或释放很大汽化潜热 所以理论上热管可以在等温度情况下传输很大的热量 其外在的宏观表象就是热管的等温性非常好 热管在轴向的温度几乎相等 3 热流方向可逆性 一根有吸液芯的热管 只要芯的毛细力足够 热管两端即无所谓加热或者冷却端 任意一端温度高于另一端 热量都会开始传递 从而使两端的温度趋于相等 4 热二极管 没有吸液芯的热管典型的如太阳能用重力热管 由于没有吸液芯结构 管内工质只能靠重力单向循环 热量只能从下方传递到上方 而不会在夜间或冬天将已收集的热量反向传递损失掉 5 热开关性当热管温度低于液体工质的凝固点时热管停止工作 当热管温度高于工质的临界温度时 热管内充满了过热蒸汽 管内没有相变传热过程 热管停止工作 所以热管的工作温度在凝固点与临界点之间 6 热流密度可变性热管可以独立的改变冷热两端的传热面积 即以较小的加热面积输入热量而以较大的冷却面积输出热量 或者相反 这样即可以改变热流密度 解决一些传热方面的难题 7 具有极强的对环境适应能力8 具有结构简单 重量轻 工作可靠 维修量少 寿命长以及运行无需动力等特性 三 热管换热器的特点 a 热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开 在运行过程中单根热管因为磨损 腐蚀 超温等原因发生破坏 也只是单根热管失效 而不会发生冷热流体的掺杂 所以热管换热器用于易然 易爆 腐蚀等流体的换热场合具有很高的可靠性 b 热管换热器的冷 热流体完全分开流动 可以比较容易的实现冷 热流体的完全逆流换热 同时冷热流体均在管外流动 由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数 且两侧受热面均可采用扩展受热面 用于品位较低的热能的回收非常经济 c 对于含尘量较高的流体 热管换热器可以通过热管结构尺寸 扩展受热面形式 以解决换热器的磨损堵灰问题 d 热管换热器用于带有腐蚀性的烟气的余热回收时 可以通过调整蒸发段 冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度 使热管尽可能避开最大的腐蚀区域 四 热管的工作特性 热管的工作能力与其影响因素之间的关系 就是热管的工作特性 一 热流极限1 粘性极限在毛细吸力或重力一致时 随着热流量的增大 蒸汽的流量及凝结液的回流量都增大 反之 流动阻力增大 当流动阻力增大到与毛细抽力或重力相等时 蒸汽就不能流动 凝结液也不能回流 这时热管的热流量就是粘性极限 更确切的说 粘性所限制的凝结液回流量与蒸汽流通量二者的最小热流量就是粘性极限 根据理论推导得其热流密度极限为 蒸汽通道的直径 m r 工作液的汽化潜热 J kg 蒸汽的密度 蒸汽的压力 热管的有效长度 分别为蒸发段 冷凝段 绝热段的长度 m 蒸汽的动力粘度系数 2 声速极限当热管内蒸汽的速度变大 而且和蒸汽声速相比变得可观时 惯性力和可压缩性影响成了主要因素 蒸汽流动可以看成无粘性可压缩流动这时蒸汽的流动中可能会出现气体动力学中所述的阻塞现象 蒸汽的质量流量受到了限制 从而限制了传热量 这种形式限制的传热量 称为声速极限 声速极限的热流密度为 r 工作液的汽化潜热 R 工作液的气体常数 分别为达到声速时蒸汽的压力 绝对温度和密度 3 携带极限热管工作时 蒸汽与液体的流动方向相反 蒸汽流动的惯性力在汽液界面上对液体成剪切作用 有把液体从输液芯表面拉走的趋势 而液体靠其表面张力阻拉 随着液体流量的增加 蒸汽流速增大 其剪切作用增强 当蒸汽流动的惯性力能克服液体的表面张力 将液体粒从汽液界面上拉出来 并携带至冷凝段 这时的热流量就是携带极限 携带极限的最大热流密度为 蒸汽通道段面积 r 工作液的汽化潜热 液体表面能力 蒸汽密度 输液芯表面毛细孔的水力半径 4 毛细极限当蒸发段的蒸发量等于毛细吸力使冷凝液回流量时的热流量 这时的热流量就是毛细极限 根据毛细理论 液体阻力与流体粘度流量成正比 与流体截面积成反比 与工作液的流动状态也有一定关系 层流流动 紊流流动与蒸汽流动阻力与蒸汽流量及粘度成正比 与蒸汽流道半径的四次方成反比 毛细吸力与表面张力成正比 与孔隙的半径成反比 毛细吸力容许的凝结液最大回流量输液芯最大的毛细吸力为 由此可得毛细极限的最大热流量为 WK 输液芯的渗透率 输液芯的横断面积 毛细孔的有效半径 L 热管长度 Q 热管放置的倾角 热管有效长度 工作液的动力粘度系数 5 沸腾极限热管工作中 当蒸汽段的经向热流量很大时 将会使输液芯由工作也沸腾产生气泡堵塞毛细孔 减弱与破坏毛细抽吸作用 致使凝结液回流量不能满足蒸发的要求而干涸 也会导致管壁温度升高 破坏热管正常工作 甚至焚毁的现象 因此 当输液芯由沸腾产生气泡可以顺利排出 热管能正常工作的最大经向热流量 就是沸腾极限 W 浸满工作液的输液芯的有效导热系数 热管蒸发段长度 蒸汽温度 分别为热管管壳的内径与蒸汽腔直径 气泡核心半径 饱和温度 初始沸腾时的径向温差 或叫临界过热度 毛细吸力 二 流动阻力工作液与蒸汽的流动阻力对热管的性能有很大影响 凝结液能否及时回流 蒸汽流动能否通畅 工作温度能否稳定等 都和工作液与蒸汽流动阻力有关 输液芯热管中 要凝结液和蒸汽能维持正常的工作循环 必须满足下列关系 当热管水平放置时 0 当为无输液芯的重力热管时 0如蒸发段在下 则H 热管的垂直高度 m 工作液液相与气相的密度差 三 热管的传热与热阻 四 热管的相容性热管的工作液 外壳 吸液芯之间不发生或很少发生化学和电化学反应 而不危害热管性能与寿命 称之为热管的相容性 五 热管的分类1 按热管工作温度场a 低温热管 273 0 b 常温热管 0 250 c 中温热管 250 450 d 高温热管 450 1000 2 按热管形状a 圆形热管b 平板形热管c 径向热管d 弯曲形热管 3 按工作液回流的动力a 输液芯式热管b 重力芯式热管c 旋转芯式热管d 渗透芯式热管4 按热管用途a 热二极管b 热开关c 变导热管六 热管的选择设计根据应用对象 使用目的 热冷源性质与温度水平 选择合适的热管 需要考虑以下问题 一 工作温度热管工质及各部材料选择的主要依据之一是热管的工作温度范围 1 工作温度范围必须在所造工质的凝固点与临界点之间 2 工作温度变化要处在工质饱和压力线 Pv f t 上较平稳的区域内 二 工质选择工质性能极大影响着热管的性能 1 在工作温度范围内能发生相变 并且有运行的压力 2 化学稳定性好 与壳体 输液芯材料间具有良好的相容性 3 能润湿壳体与输液芯 4 具有较大的品质因素Nl与导热系数 l即Nl l输逆因素 三 壳体材料壳体的作用是密封防漏 承压 传热 故优良的壳材应是 1 与工质及外界环境有好的相容性 2 有足够的强度及尽可能小的容量 最小 标志这方面性能的优良 抗拉强度3 良好的导热性能 要选择重量轻 导热性能好 即大的材料 导热系数 四 输热芯作用是产生毛细吸力 增大回流液和热流通道 应有下列特征 1 与工质和壳体有良好的相容性 2 良好的导热性与工质间的润湿性 3 良好的可加工性 容易做成与管壁吻合 性能稳定的良好形状 4 价廉 易得 五 工质 输液芯和管壳材料组合的选择1 通过计算工质的输运因素值 选择几种待定工质 2 确定合适的输液芯材料和结构 在满足要求的性能条件下 应结构简单 成本低 3 选择输液芯与壳材 首先要考虑工质与它们的相容性 其次才是小 大 4 校核计算选定热管后 要根据使用条件 进行内部工作极限 毛细极限 声速极限 携带极限 沸腾极限 与传热量的校核计算 第三节 制冷与热泵 第一部分 制冷一 概述制冷 为获得并维持等一低温 必须设法将热量自低温物体排至外界 这就是所谓的制冷 热泵 为获得并维持某一高温 必须设法将热量自外界排至高温物体 这就是所谓热泵 二 压缩空气制冷循环 三 压缩蒸汽制冷循环 四 气流引射压汽式制冷装置 五 吸收式制冷装置 根据制冷系统设备的热平衡方程可得导热设备的热负荷大小为 吸收器 发生器 冷凝器 蒸发器 整个系统的能量平衡方程为 氨吸收式制冷机的热力系数 0 15 原因是 氨气中混有5 10 水蒸气 使单位质量工质的制冷能力有所下降 蒸发水蒸气的耗热量上升 为此 需提高制冷剂中氨的浓度 措施是在发生器与冷凝器之间增设分凝器 精馏装置 可使氨浓度达99 5 以上 如果增设换热器 可使其热力系数提高到0 5 由于氨有刺鼻的臭味 又有爆炸的危险 故空调中用的少 多用在0 以下制冷生产过程 第二部分 热泵 一 概述制造并维持等一高温 必须设法把热量从外界环境传向高温 这一过程叫做热泵 二 热泵循环