工业节能技术PPT课件

工业节能技术 主要内容 3 1工业节能概述3 2工业节能潜力分析 自学 3 3通用设备节能技术 3 4通用工业节能技术 3 5换热器及强化传热节能技术 3 6工业节能技术应用实例及分析 3 1工业节能概述 工业是国民经济建设中的一个主要产业 消耗的能源约占我国全部消耗能源的70 左右 工业产值占GDP约为44 2006 工业经济总规模已居世界第四位 钢材 水泥 化肥等工业产品 生产规模和产量已连续多年居世界第一位 工业涉及范围广 有些工业部门是能源消耗大户 如钢铁工业 冶金工业 建材工业 有些是能源转换加工企业 如石油石化工业中的炼油企业 能源工业中的煤炭加工企业 火力 热力 发电厂等 工业企业不仅消耗一次能源 也消耗大量的二次能源 如电能 做好工业节能工作 不仅涉及工业本行业的能源消耗 同时也为对交通节能 建筑节能 农业节能以及民用节能带来影响 工业节能涉及的内容和范围广泛 在工业生产过程中 能源的浪费和低效使用主要原因是 由生产管理不善引起的管理性浪费和由技术因素导致能源使用不当引起的浪费 因此 工业节能是其它行业节能的源头和重点 表3 2工业能源消耗在业全国能源消耗情况比例 工业节能方法分类 1 按行业划分 节能方法 化工行业节能 石油 钢铁 机械 水泥 纺织 建材行业节能等 2 按设备划分 节能方法 锅炉节能法 窑炉 热力管道 换热器 风机泵节能法等 3 按具体原理划分 节能方法 绝热节能法 强化传热 燃烧 电力 余热回收节能法等 工业节能技术分类 1 管理节能2 工艺节能3 控制节能4 设备节能其中 管理节能工作做得好坏又影响到工艺节能 控制节能和设备节能的成效 如一些工厂 浮财 遍地 跑 冒 滴 漏严重 一团白雾上青天 余热资源大量流失 只要通过加强节能管理工作便会收到立杆见影的显著效果 1 管理节能主要工作 1 有能源管理体系 2 有产品耗能定额 3 有计量仪表 4 有管理制度 5 有节能措施 2 工艺节能 系统节能 工艺节能是工业节能过程中难度大 投资大 但也是节能效果最显著的节能措施 工艺节能涉及整个工艺系统 需要改变工艺操作过程 一般很难单独进行 常常需要控制节能和设备节能配合起来 如合成氨工艺原来以煤为原料 改用石脑油为原料 就要进行控制方案及设备的改造 工作量较大 工艺节能的时机 工艺节能改造工作常常在新项目上马或旧项目进行大修或设备淘汰时进行 此时的工作阻力较小 企业容易接受 如果新项目使用不久 工艺操作上也不存在问题 只是节能有点问题 要对生产工艺进行节能改造 工厂就不容易接受 尽管这个节能改造从长远发展来看 比如5年 是经济合理的 这也是目前节能改造工作中碰到的一个困难 3 控制节能 1 考虑每一台耗能设备的正常可靠运行 2 考虑车间 工厂实现自动化的经济目的 特别是节约能耗 提高产品产量 质量等 3 考虑车间 工厂的能源 油 煤 气 水 风 电 进行集中监测 管理 调度和控制等问题 4 考虑各种耗能设备的性质和状态 5 考虑控制技术实现的可能性 可靠性及稳定性 6 要考虑控制系统的总的发展趋势 控制节能实例之一 控制节能实例之二 利用外接密封容器的液位 来控制排水阀以代替疏水器排水 使原来需要外购的高压蒸汽供热 可以改成由本厂自生的低压蒸汽供热 大大节省了能源的开支 4 设备节能 设备节能是较为容易实施的节能措施 设备节能就是对耗能设备进行改造 替换 采用新材料 新技术 以及加强管理等措施 使耗能设备的能源消耗降低 如果是能量回收设备 如烟道废热锅炉 则使其回收能量增加 工业生产过程中主要耗能设备有 工业锅炉 工业炉窑 熔铸炉 加热炉 热处理炉 烘干炉 电动机 热交换设备 3 2工业节能潜力分析 2006年我国与其他国家每万美元GDP能耗比较 各行业能耗高于世界平均水平 我国工业部门的8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40 如火电供电煤耗高22 5 大中型钢铁企业吨钢可比能耗高21 4 铜冶炼综合能耗高65 大型合成氨综合能耗高31 2 纸和纸板综合能耗高120 SH型双吸离心泵IS R 系列单级单吸离心泵轴流泵 主要耗能设备效率低于世界平均水平 燃煤工业锅炉平均运行效率65 左右 比国际先进水平低15 20个百分点 中小电动机平均效率87 风机 水泵平均设计效率75 均比国际先进水平低5个百分点 系统运行效率低近20个百分点 燃油 燃气锅炉系列LHS系列立式燃油 气 蒸汽锅炉WNS系列卧式燃油 气 蒸汽锅炉 整体能源效率低于世界先进水平 我国整体能源效率比国际先进水平低10个百分点 如火电机组平均效率33 8 比国际先进水平低6 7个百分点 能源利用中间环节 加工 转换和贮运 损失量大 浪费严重 我国能源利用效率与国外的差距表明 节能潜力巨大 根据有关单位研究 按单位产品能耗和终端用能设备能耗与国际先进水平比较 目前我国的节能潜力约为3亿吨标准煤以上 相当于与2005年全年全国消耗总能源的13 4 3 3通用设备节能技术 3 3 1锅炉节能技术 3 3 2炉窑节能技术3 3 3换热器节能技术 3 3 4泵和风机节能技术 图3 1某链条炉结构示意图 锅炉是能源转换设备 将有机燃料 煤 油 气等一次能源 燃烧的化学能转变为工质 蒸汽 热水 导热油等 热能 二次能源 的设备 如图3 1链条炉结构示意图 3 3 1锅炉节能技术 锅炉 锅炉本体由 锅 和 炉 两部分组成 炉是指锅炉的燃烧系统 包括炉膛 燃烧器 烟道 炉墙构架等 其作用在于提供尽可能良好的燃烧条件 锅是指锅炉的汽水系统 由汽包 下降管 集箱 导管及各种受热面组成 其作用是吸收燃料系统放出的热量 煤粉锅炉 锅炉受热面 锅炉受热面是由直径不等 材料不同的管件组成 根据作用不同可分为 1 水冷壁 布置在炉膛四周 紧贴炉墙形成炉膛周壁 接受炉内火焰和高温烟气的辐射热 对炉墙起保护作用 2 过热器 其作用是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽 3 省煤器和空气预热器是现代锅炉不可缺少的受热面 由于它们装在锅炉的尾部烟道内 故统称为尾部受热面 1 锅炉分类 按用途可分为 固定式的工业锅炉 电站锅炉 生活锅炉 移动式的船舶锅炉 机车锅炉等 按蒸汽压力可分为 常压锅炉 微压锅炉 低压锅炉 中压锅炉 高压锅炉 超高压锅炉 亚临界压力锅炉和超临界压力锅炉 微压锅炉的表压为几十帕 低压 小于1 275MPa 中压 3 825MPa 高压 9 85MPa 超高压 13 73MPa 亚临界压力 16 67MPa 超临界压力 23 25MPa 1 锅炉分类 锅炉按所用燃料或能源可分为 燃煤锅炉 燃油锅炉 燃气锅炉 余热锅炉 原子能锅炉 垃圾锅炉 按燃烧方式可分为 火床锅炉 火室锅炉 流化床锅炉 旋风锅炉 目前我国在用中小型锅炉约50万台 实际运行效率65 左右 其中90 为燃煤锅炉 如将运行效率提高到80 年节能潜力约7500万吨煤 如将燃煤锅炉效率提高5 预计年节煤约2500万吨 2 锅炉的型号 不同类型的锅炉 其型号表达方法基本相同 只不过在某些参数上 有些类型锅炉需要表示 而有些不用表示 电站锅炉的型号由三部分组成 分别表示锅炉的制造厂代号 用汉语拼音缩写表示 锅炉蒸发量 额定蒸汽压力 设计燃料代号 用汉语拼音缩写表示 和设计序号 煤 油 气的燃料代号分别用M Y Q表示 其它燃料用T表示 各部分之间用短横线连接 SG 1025 18 1 M型锅炉表示为 上海锅炉厂制造 额定蒸发量1025t h 额定蒸汽压力为18 1MPa 原型设计 燃料为煤的电站锅炉 工业锅炉的型号 对工业锅炉 按JB1623 1983 工业锅炉产品型号编制方法 规定有三部分组成 第一部分共分三段 分别表示锅炉型式 用汉语拼音缩写表示 燃烧方式 用汉语拼音缩写表示 额定蒸发量或额定供热量 对蒸汽锅炉 为额定蒸发量 对供热锅炉 为额定供热量 其单位为10000Kcal h 若将其折算成KW为单位 则需要乘上11 63 第二部分表示介质出口压力 过热蒸汽温度 如缺省则为饱和温度 出水 回水温度 仅对供热锅炉而言 第三部分 表示燃料种类和设计序号LHG2 8 AII表示立式横水管固定炉排 额定蒸发量为2t h 额定蒸汽压为0 8MPa 蒸汽温度为饱和温度 所用燃料为II类烟煤 原型设计的蒸汽锅炉 热载体锅炉产品型号 RLS1 1 5Y 400 300 Q 这种型号的热载体锅炉的铭牌解释为 立式 室燃 热功率为1MW 额定工作压力1 5MPa 热载体为导热油 导热油最高出口温度为400 最低进口温度为300 燃料为天然气的热载体锅炉 3 锅炉的用能分析 其中Q表示燃料燃烧输入锅炉的热量Q1表示锅炉有效利用热 包括锅炉中水和汽吸收的热量Q2表示锅炉的排烟热损失 占17 Q3表示气体未完全燃烧热损失 占8 15 Q4表示固体未完全燃烧热损失 占1 3 Q5表示散热损失 占1 4 Q6表示灰渣物理热损失 可忽略 锅炉的能量有效利用率 分析提示 由锅炉用能平衡分析可知 燃料的化学能转移到目标工质 水和蒸汽 的过程中 不仅有效能价值有所降低 而且能量的数量也有所减少 只有一部分能量转移到了目标工质中 为了做好锅炉的节能工作 必须对锅炉中 除能量有效利用以外 能量损失原因进行分析 以便对症下药找到锅炉节能的方法 影响锅炉热效率的主要因素是排烟损失 17 和不完全燃烧损失 9 4 锅炉的节能技术 1 强化燃烧 减少不完全燃烧损失有足够的空气 并能同燃料充分接触 有足够的空间 燃料在炉内停留时间内应完全燃尽 炉膛有足够的高温使燃料着火 2 减少排烟损失控制适当的空气过剩系数 强化对流传热 考虑锅炉改造 增设省煤器或空气预热器 如不方便增设 考虑利用热管换热器回收排烟热量 但需作全面经济核算 以判断哪种节能措施效果最佳 5 宏观层面的节能 1 推行集中供热 发展热电联产 工艺节能 单纯火力发电的能源效率为40 热电 冷 联产的能源利用效率可提升为80 2 加强运行管理 堵塞浪费漏洞 管理节能 清除积灰 防止结垢 加强保温 防止漏风 泄水 冒汽 3 采用新设备新工艺技术 设备节能 控制节能 加强运行管理 堵塞浪费漏洞具体工作 1 做好燃料供应工作 不同的锅炉供应不同规格的煤 主要是粒度和含水量 以链条炉为例 煤粒度应为6 15mm 2 严格给水处理 防止锅炉结垢 3 清除积灰 提高锅炉效率 4 防止锅炉超载 保持稳定运行 5 加强保温 防止漏风 泄水 冒汽 6 提高入炉空气温度 一般入炉空气温度增加100 可使理论燃烧温度增高30 40 可节约燃料3 4 新设备 新工艺具体技术 1 采用高效热管换热器回收烟气余热 余热回收效率26 以上 锅炉热效率提高3 1 2 采用蒸汽蓄热器 保证锅炉在最佳工况下运行 可比设置前节能5 15 3 设置冷凝水回收装置 减少锅炉一次供水量 节能效果可达25 以上 4 采用真空除氧器 可克服热力除氧器在除氧过程中的能量消耗 真空除氧器比热力除氧器节能50 以上 5 采用新型节能保温材料 减少炉壁 管道热量损失 新设备 新工艺具体技术 6 链条炉分层燃烧技术 7 链条炉宽煤种喷粉复合燃烧技术 8 富氧燃烧技术 图1富氧燃烧技术原理 3 3 2炉窑节能技术 1 工业炉窑定义 工业炉窑是我国耗能量较大的一类设备 它将能源转换过程和能量利用过程结合在一起 使能源转换设备和用热设备会为一体 省掉了中间的热能传输环节 工业炉窑的功能 是为达到某些工艺目的 有的为了改变固体或液体材料的地质 形地 有的为了取得新材料或新材料制品 而设置的直接使用电能或燃料的加热装置 它在冶金 机械 建材 轻工 化工等部门得到广泛应用 按工艺用途分 有熔炼炉 溶化炉 加热炉 热处理炉 焙烧炉 干燥炉等 按热源分 有煤炉 煤气炉 油炉 电炉 天然气炉等 按结构形式分 有推料连续加热炉 室式炉 台车式炉 逢隙炉 井式炉 步进式炉 环形炉等 按热工操作制度分 有连续作业炉 间歇式炉 分段变温炉 恒温炉等 2 分类 Q表示燃料燃烧 或电能 输入窑炉的热量Q1表示窑炉有效利用热Q2表示窑炉的排烟热损失Q3表示气体未完全燃烧热损失Q4表示固体未完全燃烧热损失Q5表示炉体蓄散热损失Q6表示水冷 逸气 孔洞辐射等各项热损失Q7表示化学反应所需要的热量 3 炉窑的用能分析 一般而言 窑炉的工作温度比锅炉要高 故在窑炉带出的热量中 被加工物料 产品 一般占到40 左右 烟气占到30 左右 窑体占到15 左右 反应热占到15 左右 烟气热能利用 窑体绝热保温是节能关键 4 分析提示 一是充分利用 最大限度地将燃料或电能产生的热量转移到产品中 这需要从炉窑本身的改造入手 如改变窑炉的结构 燃烧方式 窑体耐火砖结构和材料 窑体内利用远红外涂料等方法 二是余热回收 将热损失减到最小或二次利用 如通过余热锅炉或助燃空气预热器回收烟道气中的热量 减少窑体热辐射损失及逸气热损失 5 炉窑的节能技术 6 炉窑节能具体细节 一 正确选用燃烧装置 减少物理和化学不完全燃烧损失 1 烧嘴的合理选用和使用 2 推广使用平焰 双火焰 高速 可调焰等新型烧嘴 可节能5 10 3 固体燃料要采用机械化加煤和煤粉燃烧 二 烟气余热的回收利用 减少烟气热损失 1 利用烟气预热助燃空气 可获15 25 节能率 2 选用合适的烟道换热器 3 提高换热器的使用效果 4 根据余热情况安装余热锅炉 5 降低烟气离开炉膛温度 6 炉窑节能具体细节 三 加强炉体绝热 减少炉体蓄散热损失 1 将炉膛改造为由耐火砖或轻质耐火砖加耐火纤维和保温材料的复合结构 2 采用复合浇注料吊挂炉顶 减少炉顶散热 3 在中温间断式炉上采用全耐火纤维炉衬 四 提高炉子的密封性 减少逸气热损失 1 减少开孔与安装炉门 2 采用浇注料炉衬结构外加炉墙钢板 五 合理安排水冷件 减少水冷件热损失 1 少用或不用水冷构件 减少热损失 2 对必须设置的炉内水冷构件进行绝热包扎 3 采用汽化冷却来回收水冷热损失 不仅可得到中压蒸汽 还可节约水源 4 采用热泵技术回收低温冷却水的余热 有明显节能效果 3 3 4泵和风机节能技术 泵和风机是输送物料的动力机械 其中泵用来输送液体物料 风机用来输送气体物料 广泛地应用于电力 化工 冶金 建材 建筑空调等各个领域 目前我国风机的耗电量占全国发电量的10 泵的耗电量占全国发电量的25 两者合计占全国发电量的35 左右 由于泵和风机所占的用电量在全国发电量中的比例大 并且其消耗的能源 电能属于最高品位的能源 因此 对泵和风机的节能工作显得十分必要 1 泵的分类泵的种类繁多 适用广泛 分类方法很多 按工作原理分主要有 离心泵和正位移泵 按其工作形式分主要有 叶片泵和容积式泵 按其工作压力分主要有 低压泵 中压泵 高压泵 2 风机的分类风机的工作原理和分类形式和泵基本类似 也有离心式 往复式 旋转式等多种 风机一般按出口压强或压缩比 气体加压后和加压前之比 来分类 主要分为 通风机 鼓风机 压缩机 真空泵 1 泵和风机的分类 1 叶轮2 压水室3 吸入室4 扩散管5 泵轴6 泵壳 离心泵工作结构简图 6 5 6 1 泵缸 2 活塞 3 活塞杆4 吸入阀 5 排出阀 往复泵工作原理示意图 轴流泵 风机工作原理示意图 2 泵和风机的基本方程 1 泵特性曲线 泵的流量q 扬程H 效率 三个特性参数间的关系 随着流量q的增加 轴功率P增加 扬程H减小 效率 先由小变大 当达到一个最大值 以后 流量增加 效率反而减小 离心泵的效率 泵有效功率Pe与泵轴功率P 电机提供 之比 从节能角度出发 每个离心泵在一定转速下 有一个最佳的流量q 此时泵的扬程为H 效率达到最高 因此 在选择泵时应尽量使泵达到最佳流量 当然实际情况并不能一定满足 但必须保证泵的效率在最佳点附近 任何一台泵都需要在具体的管路环境下工作 管路 阻力 特性是指 特定管路中通过某一流量qe流体与所需压头He关系 根据柏努利方程并作一定简化后 可得所需压头和实际流量之间的关系如下 2 管路特性曲线 管路流量的控制图 通过节流使管路流量减小 管路阻力增大 管路特性曲线变陡 泵的特性曲线不变 此时泵的压头提高 管路特性曲线 两台泵并联特性 实际运行时 管路特性曲线与离心泵特性曲线的交点是离心泵的实际操作点 为了增大管路流量 可采用两台泵并联 此时管路阻力特性不变 而并联泵的压头增大 A点为并联工作点 两台泵串联特性 为了增大管路扬程 可采用两台泵串联 此时管路阻力特性不变 而串联泵的扬程增大 A点为串联工作点 原泵的操作点在M 如果通过节流调节 增加管路的阻力 这时泵的操作点移到了M1点 管路特性曲线变陡 管路的实际流量减少 压头提高 如果增加阀门开度 管路阻力变小 管路特性曲线变的平缓 此时实际操作点移到M2点 管路的实际流量增加 但压头有所下降 轴功率增加 在实际流量调节过程中 如果通过节流调节 必将宝贵的轴功率用于克服节流调节的阻力 并不是一种节能的调节方法 3 切割方程 通过改变叶轮大小来调节流量 4 转速方程 泵的转速发生变化时 特性曲线也随之变化 通过转速调节泵流量时 管路特性曲线不变 轴功率没有浪费 从节能的角度来看 通过转速调节流量优于通过节流调节流量 1 合理选型 最大效率 最佳工作点 2 合理组合 最优操作 3 变频调速 避免管损 4 切割叶轮 适合流量 5 增加叶轮寿命 经济合理 6 提高稳定及耐用性 保障第一 3 风机泵的节能技术 1 合理组合 最优操作 对于管路特性曲线为1的管路系统 选用并联组合优于串联组合 因为并联组合的工作点在B点 串联组合的工作点在A点 B点处的流量和压头均比A点处的流量和压头大 1 合理组合 最优操作 对于管路特性曲线为2的管路系统 则选用串联组合优于并联组合 因为并联组合的工作点在C点 串联组合的工作点在D点 D点处的流量和压头均比C点处的流量和压头大 如单台泵的压头无法克服管路两端的总势能差时 则必须采用串联 变频调速 避免管损 泵原来的工作点在M点 转速为n1 流量为qm 对应的功率为PM 因工艺要求 需将流量调节到q1 如采用节流调节 则离心泵特性曲线不变 管路特性曲线变陡 其和离心泵的特性曲线交点上移 到达A点 此时对应的泵功率为PA 变频调速 避免管损 如果采用变频调速 改变离心泵工作曲线 使其转速为n2 流量调为q1 其工作点为B 此时对应的泵功率为PB 如果忽略泵效率的改变 采用变频调节所节约的能量相当于图中ABHAHB所围的面积 当然 变频器的投资很昂贵 具体实施必须通过经济核算 变频改变流量时泵和风机理论节能效果 变频技术为节能法所推广 风机 泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术 受到国家政府的普遍重视 中华人民共和国节约能源法 第39条就把它列为通用技术加以推广 实践证明 变频器用于风机 泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果 是一种理想的调速控制方式 既提高了设备效率 又满足了生产工艺要求 并因而大大减少了设备维护 维修费用 还降低了停产周期 直接和间接经济效益十分明显 设备一次性投资通常可以在1 2年的生产中全部收回 3 4通用工业节能技术 3 4 1热泵节能技术 3 4 2热管节能技术 3 4 3换热网络整合节能技术 自学 3 4 4余热回收节能技术 3 4 1热泵节能技术 1 热泵工作原理 热泵是一种能使热量从低温物体流向高温物体的热移动装置 热机是一种热能转变为机械能的装置 热泵工作的理论基础 液体汽化需要吸收大量的汽化潜热 反之 蒸汽冷凝放出大量的汽化潜热 如1kg温度为100 的水变成100 的蒸汽 需要2256kJ的热量 1kg的水升高1 吸收的热量是4 186kJ 相变潜热是显热的540倍 液体的沸点与大气压力有关 当大气压增高时沸点随之升高 当气压下降时沸点也下降 如在高压锅炉中水的沸点可升至120 而气压为0 7个大气压时 水的沸点只有90 低温处取热T1 高温处放热T2 高压区 低压区 压缩式热泵工作原理 Q1 Q2 W 热泵的能源利用效率 热泵是通过压缩机轴上输入的高品位机械功 使低品位的热能提高了品位 而机械功在工作中转化为热量 降低了本身的品位 压缩机向冷凝器提供的高品位热量 应为蒸发器吸收的热量好压缩机所消耗的机械功之和 即Q1 Q2 W 热泵的能源利用效率为 2 热泵分类 按工作原理分 压缩式热泵 压缩机 吸收式热泵 吸收塔 热电式热泵 电子运动 化学热泵 化学反应吸附式热泵 吸附器喷射式热泵 喷射器其中 压缩式得到广泛应用 该热泵是由蒸发器 压缩机 冷凝器和节流阀等部分组成 3 热泵分类 按提供热源分 1 地源热泵 2 空气源热泵 3 工艺热源热泵 4 复合热源热泵 地源热泵 1 地源热泵 V1V2V3V4 1 2 3 4 5 6 7 8 1 地下换热埋管2 7 循环泵3 蒸发换热器 冬天虚线 4 节流装置5 冷凝换热器 冬天 6 压缩泵8 室内供热和供冷装置 冬天室内需要供热时 阀门V2 V3打开 阀门V1 V4关闭 夏天 室内需要制冷时 组件6成为蒸发器 阀门V1 V4打开 阀门V2 V3关闭 地热能 2 空气源热泵 3 工艺热源热泵 热泵中的工质在塔顶冷凝换热器2中吸收热量而蒸发 通过压缩机 压缩 温度提升后成为高温气体进入蒸发换热器5 将塔釜物料加热蒸发 而工质本身被冷凝 冷凝液通过节流装置3又进入塔顶冷凝换热器2 实现热泵的循环工作 闭式热泵 3 工艺热源热泵 开式热泵 其工作介质直接来自工艺流股 即塔底液态物料 无需封闭循环 4 复合热源热泵工作原理 在冷热负荷变化比较大的建筑群中 采用土壤耦合热泵 冰蓄冷 锅炉组成的复合式能源系统 建筑物冬季 夏季基本负荷由土壤耦合热泵来承担 夏季负荷高峰由冰蓄冷系统承担 冬季负荷高峰由锅炉承担 3 4 2热管节能技术 1 热管定义热管为一封闭的管状元件 有一管状外壳 内有起毛细输送作用的管芯 管内抽空后充以工作液体 然后封闭起来即成热管 毛细管式热管结构示意图 热管 优点 传热能力大 应用范围广 结构简单 工作可靠 适用 尤其适用于某些等温性要求较高的场合 2 毛细管热管工作原理 3 重力热管的工作原理 分离式热管 4 热管工作介质 热管最大的特点是 在有引力和磨擦损耗的情况下 完全从热输入中得到液体和蒸气循环所必须的动力 用不着使用外加的抽送系统 热管的传输效率比相同尺寸铜棒高500倍 比不锈钢棒高6300倍 根据热管使用温度 热管可分为 低温热管 cryogenicheatpipe 中温热管 lowtemperatureheatpipe 和高温热管 hightemperatureheatpipe 其工作温度范围依次为 73 以下 73 277 和277 以上 其中 以中 高温热管在工业中的应用最为深入 根据热管工作原理 热管可分为 重力热管 毛细管式热管及旋转式热管 其中应用最广的是重力热管 它广泛应用于工业与热回收系统 5 热管分类 6 热管主要特性 1 有效热导率非常高 热管传热主要靠工质相变时吸收和释放潜热以及蒸汽流动传输热量 且多数工质的潜热很大 因此不需要很大的蒸发量就能带走大量的热 2 具有热流密度变换能力 热管中蒸发和冷凝的空间是分开的 因此可实现热流密度变换 蒸发段可用高热流密度输入 而冷凝段可用低热流密度输出 反之亦然 3 具有低热阻的等温面 热管运行时 冷凝段表面的温度趋向于恒定不变 如果局部加上热负荷 则有更多的蒸汽在该处冷凝 使温度又维持在原来的水平上 同样 蒸发段也存在等温面 热管工作时 管内蒸汽处于饱和状态 蒸汽流动和相变时的温差很小 而管壁和毛细芯比较薄 所以 热管的表面温度梯度很小 即表面的等温性好 热管换热器 中间载热体式换热器把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来 载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环 在高温流体换热器中吸收热量 在低温流体换热器中把热量释放给低温流体 热管换热器的结构 热管换热器基本型式之一 热管换热器原理图 7 热管节能应用 1 CPU芯片散热器热管CPU芯片是计算机的核心部分 其性能的好外直接控制了计算机的性能 然而 CPU的散热问题制约了CPU性能的进一步提升 常规的散热技术有时已显得无能为力 而CPU芯片散热器热管则可以大大提高CPU的散热性能 使CPU的性能得以进一步提升 2 反应器内热管 反应器内热管的主要特点是 利用热管的等温性能 使反应器内触媒层轴向和径向温度分布均匀 从而使反应始终在最适宜的反应温度区间进行 使转化率提高 副反应减少 触媒利用率提高 寿命延长 热管还能及时补充化学反应热 对吸热反应 或导出化学反应热 对放热反应 3 高温热管蒸汽发生器 余热锅炉 某化工厂回收半水煤气的余热 已安全运行了十几年 煤气流量为135000m3 h 温度为950 通过高温热管蒸汽发生器将其温度降至250 每小时可生产4t蒸汽 蒸汽压力高达1 57MPa 蒸汽可以供暖 按照全年运行时间为7200h 每吨蒸汽按40元计 则全年可回收价值115 2万元 如果热管是水平放置又没有吸液芯 热管将无法工作 若将热管绕轴旋转 热管就可以工作 它利用热管旋转时产生的离心力使冷凝液回流 免去吸液芯结构 使热管能在无重力甚至逆重力状态下稳定工作 适用于高速旋转并有大量热量需要导出的机器部件 如热管式高速钻头和大功率电机转子 可解决这些设备的冷却问题 4 旋转式热管 5 空调用热管换热器 热管热交换器无论冬夏都可使用 冬天 把热量从排出气中传给新鲜冷空气 夏天 使热空气进人主调机之前得到预冷处理 如加上密封隔板来分开气流则可保证新鲜空气不受污染 这对于学校 医院这样的部门说来是很有必要的 采用热管回收装置可导致允许采用功率比原来低20 30 的空调系统 热管换热器的应用 空气预热热回收装置 热回收量达到346KW 6 太阳能热水器热管 青藏铁路基本情况 2006年7月1日 作为世界铁路建筑史上奇迹的青藏铁路全线建成通车 从格尔木到拉萨延绵1800公里 要穿越550多公里的冻土地带 冻土带和高原缺氧一度成为阻碍钢铁巨龙青藏铁路向前延伸的两大难题 随着温度的变化 冻土具有 顽皮好动 的特性 在寒季 冻土随着温度的降低体积发生膨胀 建在上面的路基和钢轨就会被膨胀的冻土顶得凸起 到了夏季 冻土融化体积缩小 路基和钢轨又会随之凹下去 冻土的冻结和融化反复交替地出现 钢轨出现波浪形高低起伏 对铁路运营安全造成威胁 低温热管成功地解决了青藏铁路建设中的冻土难题 首批2400根低温热管已 植根 于青藏铁路两侧 为这条世界上海拔最高的铁路 保驾护航 医治 多动症 热管应用 TSC89 7 2 型低温热管 这些热管等距离地排列在青藏铁路某段的两侧 5米长埋入地下 地表外露2米 能将地下永冻土层的温度 热量 传递到路面 保持冻土的恒温 青藏公路上的热管 热管基本情况 为了保证低温热管在 25 45 范围内充分发挥作用 满足各项技术指标 无论是对优质碳素无缝钢管进行外壁酸洗 内壁除尘 打坡口绕焊翅片 还是灌装液态氨 焊帽密封 一道道工序操作一丝不苟 热管埋入地下部分喷涂黑色防腐漆 地面部分喷涂白色抗磨漆 每根喷涂三遍 按工艺文件要求严格执行 低温热管长7米 管子外径89毫米 1 4米长的翅片绕焊后 每根管子质量在100千克以上 3 4 3换热网络整合节能技术 工业生产中存在大量的需要换热的工段 有些需要加热 有些需要冷却或冷凝 如化工工业中物料进入精馏塔前一般需要预热 精馏塔顶的蒸气需要冷凝 如果能过合理地设计好换热网络系统 就可以最大限度地减少公共供热或供冷 而且还可能减少设备投资 达到节能的目的 换热网络综合设计技术常用的方法是Linnhoff教授提出的 挟点技术 利用该设计方法可以合成公共供热或供冷最小的换热网络 达到节能的目的 3 4 4余热回收节能技术 1 余热及其品位定义 从广义来说 凡是高出环境温度的排气 排液和高温待冷却的物料所包含的热能均属于余热 包括 燃料燃烧产物经利用后的排气显热 高温成品的显热 高温废渣的显热 冷却水带走的显热 余热的品位表达式 式中 表示余热品位的数值 T0 表示环境温度 T1 表示余热温度 余热的种类 1 排气余热温度范围差别很大 既有200 500 的中温废气 也有大量700 以上的高温气体 例如 转炉炉气高达1600 以上 2 高温产品和炉渣的余热工业成品或半成品及炉渣废料都有很高的温度 一般温度在500 以上 例如红焦炭 刚轧制成的热钢材 石油炼制中的汽油 柴油等 3 冷却介质的余热 如高温炉窑和动力 电气 机械等用能设备的冷却水可达100 左右 4 化学反应余热 硫铁矿焙烧 5 废气 废液 废料余热 可作燃料 标态发热量可观 6 废汽 废水余热 利用显热可达300 优先考虑提高装置热效率 其次考虑回收余热能否返回到装置本身 最后才具体研究回收余热的方案 2 余热利用的策略 图3 49余热回收方案优先顺序 根据余热资源的数量和品位及用户的需求 尽量做到能级的匹配 在符合技术经济原则的条件下 选择适宜的系统和设备 使余热发挥最大的效果 余热回收的难易程度及其回收的价值 与余热的温度高低 热量大小 物质形态有关 根据先易后难 效益大的优先的原则 按图3 49的顺序进行回收 其中 以数量大的高温气体的热回收最为容易 效益也大 余热利用总的原则 1 余热的直接利用1 预热空气或煤气2 预热或干燥物料3 生产蒸汽或热水4 余热制冷 2 余热发电利用余热锅炉首先产生蒸汽 再通过汽轮发电机组 按凝汽式机组循环或背压式供热机组循环发电 3 热泵系统 3 余热利用途径 4 余热回收方案比较的基本原则 1 回收效率尽可能高 2 回收成本尽可能低 或投资回收期尽可能短 3 适应负荷变化的能力强 各种余热回收利用的基本方式 空气预热器余热回收锅炉 热管与钢管预热空气串联余热回收系统1 加热炉2 扰流子翅片管空气预热器3 热管空气预热器4 鼓风机5 引风机6 烟囱 典型的余热利用技术 干法熄焦技术 CDQ 换热设备是过程工业广泛使用的一种通用设备 其作用是 调节工艺介质温度 回收余热 在化工厂中 换热设备投资占总投资10 20 质量约占设备总质量的40 检修工作量占总检修工作量的60 在炼油厂中 换热设备约占总投资的35 40 在电力系统中 换热设备占总投资的70 在制冷系统中 蒸发器质量占总质量30 40 在动力 冶金 食品 交通 家电等工业部门有广泛的应用 3 5换热器及强化传热节能技术 从能量守恒的角度来看 换热器似乎只将能量从A物流转移到B物流 没有节能的可能 其实不然 如果换热器回收废热 那么 高效的换热器能够尽量多地把废热中的热量回收下来 就是节能 废热流排放到环境的热能就减少 减轻了对环境的热污染 减小换热器管程和壳程流阻 就可以减小泵功率 从而节约电能 换热器如何节能 强化传热技术 总传热方程 Q KA tm强化传热的途径 1 增大对数温差 2 增加传热面积 3 提高总传热系数高效换热器的关键是提高传热系数 影响管壳式换热器换热性能的主要因素有 管子的形状 表面性质 工质的物性 流体的流动状况等 强化传热的优点 可获得更多的余热 节能 可使设备的佣效率提高 提高能品位 节省金属材料 节材 按用途分类 加热器 冷却器 冷凝器 再沸器 蒸发器等 按传热原理或传热方式 三类 换热器的分类 直接接触式换热器 蓄热 回热 式换热器 间壁式换热器 表面式换热器 中间载热体式换热器 换热设备的类型 1 混合式换热器又称直接接触式换热器原理 利用冷 热流体直接接触 彼此混合进行换热 特点 传热效率高 单位容积提供的传热面积大 设备结构简单 价格便宜等 但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合 常做成塔状 例如 冷水塔 凉水塔 造粒塔 气流干燥装置 流化床等 2 蓄热式换热器又称回热式换热器原理 借助于由固体 如固体填料或多孔性格子砖等 构成的蓄热体 与热流体和冷流体交替接触 把热量从热流体传递给冷流体的换热器 不可避免地存在小部分流体相互掺和的现象 造成流体的 污染 特点 结构紧凑 价格便宜 单位体积传热面大 适合用于气 气热交换的场合 阀门切换型蓄热式换热器连续工作 蓄热体 3 间壁式换热器 又称表面式换热器 原理 利用间壁 固体壁面 将进行热交换的冷 热两种流体隔开 互不接触 热流体通过壁面的导热和壁表面的对流换热将热量传递给冷流体 给热导热给热热流体管外壁管内壁冷流体 tc w 结构特点 是最主要的一种间壁式换热器 传热面由管束组成 管子两端固定在管板上 管束与管板再封装在外壳内 两种流体流经的传热面分管程和壳程 传热面 换热管壁面 传统的折流板管壳式换热器 各种换热设备示意图 各种换热设备示意图 各种换热设备示意图 管壳式换热器 列管式换热器 各种换热设备示意图 夹套式换热器及其配件蛇管示意图1 容器 2 夹套 喷淋式换热器1 弯管 2 循环泵 3 控制阀 套管式换热器 各种换热设备示意图 各种换热设备示意图 平板式换热器 特点 弓型折流板支撑 壳程流体横向冲刷管束 优点 结构简单 适应性强 选材范围广及成本低 缺点 存在传热死区 传热效率较低 流动阻力大 易发生流体诱导振动 传统的折流板管壳式换热器 管壳式换热器结构发展 高效强化管 管束支撑 管内插入物 横纹管螺旋槽管缩放管螺纹管等 折流杆空心环整圆形孔板螺旋折流板 扭带 螺旋扭片静态混合器 螺旋弹簧波带 丝网和多孔体等 特点 折流杆等支撑 壳程流体呈纵向流动 优点 流阻小 高雷诺数时传热效率高 缺点 低雷诺数时传热效率低 纵流式换热器 杆 环式管束支撑 杆式支撑的发展 专利技术 变截面导流筒纵流壳程换热器 专利技术 整圆形孔板支撑 新型整圆形孔板 花瓣孔板 专利技术 汲取折流杆对管束的良好支撑功能及流通面积较大的优点 以及整圆形孔板阻挡无效泄漏流的功能 开孔度对壳程流体的调节作用 开发了一种新型 花瓣孔板 花瓣孔板单元流道分析 实验装置 管束自支撑 各种管内插入物 各种高效强化管 各种强化传热管 管内强化 管外强化 1 内翅片管 内翅片管1971年首先由A E 伯格利斯等提出来 用来强化管内单向流体的传热 这以后T C Carnavos进一步对不同的内翅数 翅片高度 翅片螺旋角度及不同管径的内翅管进行系统的性能测试 并和相同内径的光滑管作了对比 强化传热效果显著 1 内翅片管 主要用途 1 高翅片内翅管可较多增加传热面积 用于强化层流或过渡流传热 2 低翅片内翅管可增加一些传热面积 同时也可破坏壁面附近传热层流底层 多用于湍流传热 3 扭带 管内低翅可更有效强化高粘度流体传热 4 多通道铝芯翅片管主要勇于氟利昂冷冻机的蒸发器 管子为铜制 管内芯子为铝制 铝芯的作用是使氟利昂在管道内分布更均匀 同时也使管外的热量通过芯子均匀的传给氟利昂 2 螺旋槽管 2 螺旋槽管 简介 螺旋槽管 Spiraltube 简称S管 是最早被开发研究和应用于生产的一种优良强化传热管 对管内单相流体的换热过程有着显著的强化作用 研究及使用结果表明 螺旋槽管加工制造简单 传热性能好 适用面广 浅螺旋槽管阻力增加不多 节能效果显著 被认为是一种高效传热 易于推广的节能元件 2 螺旋槽管 主要参数及拟合公式 根据扎制时的螺纹头数可分为单头和多头两种 目前 管的螺纹头数最多可达30头 管参数主要有管子直径Di 槽距p 槽深h 槽与管轴线夹角 槽的头数等 靠近壁面的部分流体受螺旋的引导而顺槽旋转 而流体主体仍沿管的轴向运动 两股流体之间的剪切力有利于减薄层流底层 流体经螺旋形的凹陷或凸起时 产生周期性的团块扰动 使层流底层与流动主体之间有直接的物质交换 从而加快了热量的传递 如果管外为冷凝过程 螺旋槽成为排泄冷凝液的通道 可使凹槽两边的冷凝液膜减薄 从而减少热阻 提高冷凝给热系数 2 螺旋槽管 强化机理 2 螺旋槽管 优点 和光管相比 在相同泵功 换热面积条件下 螺旋槽管的换热量增加可达到40 以上 在相同换热面积和换热量条件下 螺旋槽管的泵功可减少63 73 在相同换热量和泵功下 螺旋槽管的换热面积可减少30 37 螺旋槽管最佳的结构参数 小槽距 浅槽深 大夹角的单头螺旋管较为有利 2 螺旋槽管 应用 将单头螺旋槽管用于甲醛反应气余热锅炉内 采用不锈钢管 P 7mm H 0 8mm 槽纹曲率半径R 3mm 当Re 2250时 管内给热系数为光滑管的1 5倍 阻力为3倍 与原用急冷管相比 节约了0 8吨不锈钢材 较好的解决了高温气体的急冷问题 回收的热量除自用外 每生产一吨甲醛还可外供近300公斤蒸汽 3 纵槽管 3 纵槽管 简介 纵槽管强化冷凝传热的机理 利用冷凝液的表面张力 把冷凝液推至槽底 籍重力排向管底 使得槽峰处及附近区域的液膜减薄 增大了传热面积 约70 失效情况 若Q太大 冷凝液过多 管表面被完全覆盖则失效 3 纵槽管 应用 1 立式换热器 2 管外冷凝 3 发电厂 4 横纹 槽 管 4 横纹管 简介 在管壁上滚轧出与管轴线成90o角的横纹 从而在管内壁上形成一圈突起的横向圆环 横纹管的强化传热作用是 流体通过圆环时 在管壁上形成轴向的漩涡 这种漩涡增加了流体边界的扰动 有利于热量通过边界层向流体主体的传递 当漩涡快要消失时 流体流过第二个圆环 因此 如果节距t选择合适的话 可以维持轴向漩涡不断形成 从而形成连续而稳定的强化作用 4 横纹管 应用 某糖厂使用面积为114m2的横纹管换热器代替面积为160m2的光滑管换热器 获得了相同的换热效果 传热系数提高45 节省传热面积30 横纹管用于炼油厂换热器也得到很好效果 如某厂用此种管换热器代替光管换热器 用于原油 渣油换热 其运行情况表明 前者比后者传热系数提高85 节省传热面积46 5 低肋管 低肋管又称螺纹管 主要靠管外肋化 肋化系数2 3 扩大传热面积 一般用于管内传热膜系数比管外大1 2倍的场合 对于管外冷凝及沸腾 由于表面张力作用 也有较好的强化作用 6 锯齿形翅片管 高热流冷凝管 适用于卧式管外冷凝过程 优于低肋管之处是 齿尖更有利于冷凝液滴滴落 使得滞留于管上的凝液更少 7 锯齿形翅片管 优化参数及优点 锯齿形翅