工业余热利用技术研究进展

工业余热利用技术研究进展,华南理工大学汪双凤Tel:obile:教育经历,博士后：2003/3-2005/10，东京大学，日本学术振兴会特别研究员（等同于德国洪堡学者）博士学位：1999/10-2003/3，东京大学 工学系研究科 硕士学位：1988/9-1991/3，天津大学 热能工程系本科：1981/7-1985/7，中南林业科技大学，机械工程系,工作经历,2005/11-现在，华南理工大学化学与化工学院教授博导。学术方向负责人，教育部实验室副主任1995.5-2005.11，在日本留学、工作共十年半时间1991-1999 ，湖南广播电视大学 讲师1985-1988，中南林业科技大学机械系 助教,主要学术兼职,中国工程热物理学会 传热传质分委会委员中国工程热物理学会 热管专业组委员中国机械工业教育协会热能工程分委会委员广东省节能协会专家工作委员会专家成员在日华人汽车工程师协会理事日本传热学会会员、美国机械学会会员,目前研究方向：节能与新能源,电子及航空、LED照明产品散热技术；工业余热利用技术电动汽车动力电池的热管理；,教育部直属”985”、”211”工程重点建设大学。是华南地区工科龙头。创立于1932年取名中山大学。1952年，成立华南工学院。今年，60年校庆,传热强化与过程节能教育部重点实验室,实验室现有固定人员近百人，包括国家杰出青年科学基金获得者3 人，教育部新世纪人才9 人，“珠江学者”特聘教授2名。主持和承担了一批国家、省部级重点科研项目，近五年科研经费约6000万元。 先后获得国家技术发明二等奖2项，省、部级科研奖20余项，中国专利50余项。,为什么要余热利用？,世界各地区能源消耗逐年增长情况,2003-2007年中国能源消费总量及其增长速度,能源消耗增长速度快,无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10。,开发低碳能源技术，调整能源结构，解决能源供需矛盾,能源需求状况,能源供给状况,根据BP世界能源统计，全球化石燃料可用情况如下：,40.6年,164年,65.1年,1636亿吨,179.8万亿立方米,9091亿吨,储量,储采比,BP世界能源统计2006,石油,天然气,煤炭,中国坚持可持续发展的四大战略措施,建设资源节约型社会,建设环境友好型社会,发展循环经济,发展低碳经济,重点实验室工业余热利用方面的主要技术产品,（1）高效换热器（2）强化换热管（3）热管技术,换热器是量大面广的热能转换设备, 以石化工业为例，换热器投资占总设备投资的30-40%； 传热效率的高低直接影响到过程或系统的能耗水平。,85%以上为壳管式换热器结构,螺旋槽管,横纹管,缩放管,螺旋扁管,不同类型强化管,内螺纹管,低肋管,T型翅片管,花瓣型翅片管,三维内肋片管,三维外肋片管,内外复合强化管,螺旋隔板强化管换热器,1、一种螺旋流花瓣管壳管式换热器，实用新型专利：ZL99236801.42、壳管式同轴双重旋流换热装置，实用新型专利，ZL 200420083360.43、壳管式压缩气体内导筒旋流装置，实用新型专利，ZL 200420083356.84、一种连续螺旋折流板双壳程组合异形管管束换热器，发明专利：ZL 200810025632.85、螺旋折流板支撑异形管重沸器，实用新型专利：ZL 200720057747.66、螺旋折流板支撑异形管管束冷凝器，实用新型专利：ZL 200720057746.1,强化管作为传热元件 螺旋隔板作为支撑结构 流体螺旋流动与强化传热表面结构协同强化传热,不同类型螺旋隔板强化管换热器,总传热系数比普通换热器提高40%以上！,技术特点：采用空心环网板作为管间支撑物，取代传统换热器的弓形折流板支撑物；采用缩放管作为传热管，取代传统换热器的光滑管束。,空心环管壳式换热器,空心环管壳式换热器技术自1990年开始在硫酸工业系统投入使用,1996年由国家科委列入“九五”国家级科技成果重点推广计划项目（编号为96010301A）以来，在国内硫酸工业中已广泛推广应用。这种高效节能型换热器目前已应用在全国29个省份、400多家硫酸生产企业、600多套换热器；包括硫铁矿制酸、硫磺制酸及冶炼烟气制酸等多种制酸工况。年产20kt、40kt、60kt、100kt、300kt、500 kt ，600kt等多种生产规模上应用,均取得良好的效果。,空心环管壳式换热器的工业应用：,金川集团有限公司空心环管壳式换热器（年产30万吨硫酸）,空心环管壳式换热器的结构介绍：,空心环管壳式换热器整体结构简图,空心环网板结构简图,空心环管间支撑的优点,一、不容易堵塞,运行阻力较低。二、开孔率80%,流体纵向流、流场均匀。三、缩放管对管外也起到了强化传热效果。 空心环管壳式换热器面积比圆缺型折流板换热器或折流板换热器可减少3540%，重量可以减少40%以上。,缩放管的结构：,空心环管壳式换热器,采用的是双面强化传热的缩放型传热管,缩放管结构示意图,传热管采用光滑管强化传热能耗代价高 hu0.8Pu2.0u2/u1=2, h2/h1=1.74, P2/P1=4 折流隔板流体阻力大，操作能耗高 1 流体折流阻力损失大；2 折流板迎风和背风流动死角大，传热性能差。,传统换热器存在的缺点,空心环换热器改进的特点,1 用缩放管强化传热，取代光滑管u2/u1=1, h2/h1=1.8-2.0, P2/P1=2.5 2 用空心环网板作为管间支承物，取代折流隔板流体阻力可减少80%100%。,改型缩放管的结构：,采用传热场协同理论,对缩放管的肋型作了优化研究,成功的开发了新型急扩加速流缩放管,急扩加速缩放管结构示意图,改型缩放管的强化传热原理：,该种管的特点是对原缩放管的凹凸肋面作了改进，将缓缩段与扩展段的长度比例由原来的2:1调整为10:1,使其能满足两场矢量夹角小于90度强化对流换热条件的传热管段比例由原先的60提升到90，从而有效地加强了近壁处传热滞流底层的对流传热作用，故比普通缩放管可获得更高的流体对流传热膜系数。,空心环管壳式换热器的技术升级：,旋流网板管壳式换热器是空心环管壳式换热器的技术升级（专利号：ZL200420088741.1）。其优势可从两个方面来说明：一、原空心环管壳式换热器所具有的优点，在旋流网板 管壳式换热器中均具有。二、自旋流改善了场的协同效果，强化传热效果显著。 旋流网板管壳式换热器的总传热系数比原来的空心环管壳式换热器提高了1520%。,自旋流强化换热原理：,当流体通过一段较短的扭带时，流体会产生旋流，而当流体离开扭带之后，其旋流状态仍可持续向下游发展，形成流体自旋流，其持续的旋流长度可达数10倍的流道当量直径，这种流体自旋流有两个技术特征可用于传热强化： 1）旋流形成壳程纵向流道中边缘区域流体的切向冲刷速度，对正方 形排列的传热管束纵向管隙间四周凸起的传热圆管壁面有正向冲 刷的效果，流体的速度矢量与传热温度梯度矢量间的夹角在较大 部分传热界面上小于90度，有效增强了传热场协同的作用；2）因自旋流仅增加摩擦阻力，而形体阻力很小，总阻力损失小，又有良 好的对流强化传热效果，故是一种节能高效的传热强化新方法。,旋流网板的结构示意图,光滑管换热器是采用了目前国内较先进的双圆缺不布管的壳程结构，急扩加速流缩放管换热器是采用旋流网板支承的壳程轴流式换热器。 急扩急速流缩放管换热器可节省传热面积约35，降低设备总重量约45。光滑管换热器共需5台换热器，其总压降约9000Pa，而急扩加速流缩放管换热器仅需4台，其总压降仅6200Pa，比光滑管换热器低约30。,设计方案比较结果,新技术与传统换热器相比较,两转两吸每吨硫酸的生产电耗可由原化工部标准的100度电减少为70度电，能耗下降30%；换热器的总传热系数可由1315w/m2提升到2832w/m2，钢材消费金属40%50%;换热器的总压降可由约15000Pa下降为8000Pa左右，节省风机电耗；换热器的台数可由6台减少为4台，简化系统流程与基础建设费用。,在茂名石化公司的应用,2003年茂名石化公司要将乙烯装置的生产能力从年产30万吨提升到33万吨，气体压缩机级间冷却器成了扩产的瓶颈。为了在原有的换热设备基础上扩产改造，我们采用了壳程流阻小及传热强化性能优良的空心环支承缩放管束的壳程结构，利用原有的换热器壳体，仅更换了换热管束，就使得系统生产能力提高10的条件下，气体压缩机级间的气体冷却不仅可以达到设计值，解决了原设备冷却不足的问题，而且还将换热器的气体阻力降至56KPa，比原设备的气体压降减少54，使气体压缩机的运行功耗可减少281Kw，此例也表明我们采用的传热强化技术具有国际先进水平。,在广州石化总厂的应用,在广州石化总厂年产15万吨乙烯装置2003年扩产改造至20万吨的改造工程中，面临着一个场地小，设备没有扩展空间，改造工期短，时间紧迫的问题，为此，乙烯装置的扩产改造中，广州石化总厂采用了我们提供的包括上述传热强化技术在内的多项高效换热器技术，在充分利旧的条件下，不增加原设备的空间位置，沿用原设备的壳体，仅更换高效传热管束，在较短的改造工期内，与以较少的设备改造投资费用就很好地完成了系统的扩产改造工程，使系统的生产能力提高了三分之一，此工程为我国的石化工业采用传热强化先进节能技术创造了一个良好的样板。在节能与节材的技术与经济效益指标上换热面积节省30，投资减少1020，能耗下降20及节能降耗达1000万元。,广州石化乙烯装置中采用的空心环支承缩放管压缩机段间冷却器,螺旋折流板支承菱形翅片管换热器,针对传统的单弓折流隔板管壳式换热器折流区流体流动死角较大，传热性能差且形体阻力较大的问题与缺点，提出和采用螺旋折流板支承菱形翅片管束的换热器壳程结构，一方面可较大幅度减少壳程流体的流动死角，降低流体阻力（约3040），同时利用菱形翅片管的三维周向翅片可提高壳程流体的对流传热膜系数（100150），具有良好的传热强化性能 。,螺旋折流隔板换热器,图3 菱形翅片管示意图 1 管基体；2 翅片,螺旋折流板是强化管壳式换热器壳程传热的一种十分有效的壳程支撑结构形式，既适用于低粘度流体，又适合高粘度流体；既适合单相流，又适合多相流,螺旋折流板支承菱形翅片管换热器的性能,通过与螺旋折流板支承光滑管换热器比较，在相同雷诺数下，螺旋折流板支承菱形翅片管换热器的壳侧传热膜系数提高54108，且随Re增大，传热膜系数提高的幅度也增大。而壳侧流动的阻力系数低305。但随着雷诺数增大，三维翅片扰动引起的湍动程度加剧，这两种换热器壳侧的阻力系数逐渐接近。,缩放管全逆流双壳程换热器,换热器的使用场合与特点,结构特点：管程与壳程流体在换热过程中为全逆流换热，传热温差利用效率达100%，避免了现有技术中错流换热有效传热温差小的缺点。采用缩放管作为传热管，可在流速不高的条件下，也能获得良好的传热强化效果，有助于缩短传热管长度，避免使用光滑管时管长过长的缺点，在工业装置中易于施工。 与单弓折流板光管管壳式换热器相比，轴流式双壳程缩放管管壳式换热器的换热面积可以节省43.7%，而壳程压降可以减少18%，总传热系数可提升63%。与轴流式单壳程光滑管管壳式换热器相比，轴流式双壳程缩放管管壳式换热器的传热面积可节省45.7%，而壳程压降仅增加8%，总传热系数可提升83.7%。 高效传热管及双壳程轴向流全逆流换热方式，换热器的传热性能大幅提高，可大大减少所需的换热面积，比现有技术的换热设备投资可有较大幅度减少，同时体积紧凑，便于设备的安装与维修。,广州金珠江化工厂使用的液液双壳程全逆流缩放管换热器,热管换热器,普通的重力型热管振荡流热管,振荡流热管工作基理,将蛇形密闭空间抽真空并填充一定量的工质（使得工质在低于常压沸点的情况下蒸发），在管径足够小的情况下，管内将形成汽泡柱和液体柱间隔并呈随机分布的状态。工作过程中，在蒸发端，工质吸热产生汽泡，迅速膨胀同时压力升高，由于压力差的存在，气泡推动工质流向低温冷凝端。在冷凝端，由于温度下降气泡收缩并破裂，压力随之下降。这样，由于两端间存在压差、相邻管子之间存在的压力不平衡以及蛇形结构的弯曲推动力，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，从而实现热量的传