第三章 典型有效用能技术分析

1、 云南师范大学能源与环境学院兰青内容简要内容简要 本章结合目前常用的有效用能技术的发展和应用情况，系统全面的介绍了远红外辐射加热技术、微波与超声波加热技术、隔热保温与蓄能技术、高效低污染燃烧技术、余热利用技术和磁场节能技术。并对上述有效用能技术的工作原理、工作过程及有效用能环节进行了详细的阐述。第一节 远红外辐射加热技术一、远红外辐射加热原理一、远红外辐射加热原理 物质具有不停地向外发射各种波长电磁波的特性。波长物质具有不停地向外发射各种波长电磁波的特性。波长在在0.761000m范围内的电磁波称为红外线。红外线具有热范围内的电磁波称为红外线。红外线具有热效应，即当物体吸收了外来的红外线时，要

2、促使物体内部微效应，即当物体吸收了外来的红外线时，要促使物体内部微观粒子加速运动，特别是要加速分子的振动与转动，增加了观粒子加速运动，特别是要加速分子的振动与转动，增加了物体的内能（物体的内能（热能热能）。也就是把外来的红外辐射能转变为热。也就是把外来的红外辐射能转变为热能，使物体的温度升高。实用上把红外线按波长能，使物体的温度升高。实用上把红外线按波长范围范围分为近分为近红外、中红外、远红外与极远红外等区。各区的波长范围对红外、中红外、远红外与极远红外等区。各区的波长范围对不同的学科也不相同。不同的学科也不相同。第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件 辐射器件主要由热

3、源、基体与涂料三部分组成。热源用辐射器件主要由热源、基体与涂料三部分组成。热源用于对辐射器加热升温，达到要求的辐射温度。它可以是电能；于对辐射器加热升温，达到要求的辐射温度。它可以是电能；气体、液体与固体燃料燃烧产生的燃气及水蒸气。基体是辐气体、液体与固体燃料燃烧产生的燃气及水蒸气。基体是辐射器的机体。有金属射器的机体。有金属(如钢板、钢管、铝管等如钢板、钢管、铝管等)和非金属和非金属(如搪如搪瓷、陶瓷、碳化硅管板等瓷、陶瓷、碳化硅管板等)两种。涂料是用以增强辐射器辐射两种。涂料是用以增强辐射器辐射能力的物质，喷涂在辐射器基体表面上。因为物体的辐射能能力的物质，喷涂在辐射器基体表面上。因为物体

4、的辐射能力取决于物体的本性，其表面状况、温度与辐射波长。根据力取决于物体的本性，其表面状况、温度与辐射波长。根据斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律与克希荷夫定律，物体的辐射力为：波尔兹曼定律与克希荷夫定律，物体的辐射力为：)/(24mWTEb第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件( (一一) )辐射器件的类型辐射器件的类型辐射器件按供热方式分，有直热式与旁热式辐射器件按供热方式分，有直热式与旁热式。直热式只能由直热式只能由电热元件加热。它既是发热元件，又是辐射元件。如电阻带电热元件加热。它既是发热元件，又是辐射元件。如电阻带式辐射器式辐射器( (图图3 3-1) )。它结构简单

5、。它结构简单、重量轻重量轻、升温快，多用于需升温快，多用于需迅速加热的装置中。旁热式需由外部供给热能使辐射器升温。迅速加热的装置中。旁热式需由外部供给热能使辐射器升温。它体积大它体积大、升温时间长，但其生产工艺较成熟，又能利用多升温时间长，但其生产工艺较成熟，又能利用多种能源，做成各种形状的辐射器，且寿命长，故获得广泛应种能源，做成各种形状的辐射器，且寿命长，故获得广泛应用。如图用。如图3 3-5为煤气加热的辐射器。辐射器件按结构形状分，为煤气加热的辐射器。辐射器件按结构形状分，有板状、管状和灯状。有板状、管状和灯状。第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件( (一一)

6、)辐射器件的类型辐射器件的类型目前常用的远红外辐射器有：目前常用的远红外辐射器有： 1碳化硅远红外辐射器碳化硅远红外辐射器 一般由一般由60 70的的SiC，加适量，加适量粘土烧结而成，具有良好的远红外辐射性能。可制成板状、粘土烧结而成，具有良好的远红外辐射性能。可制成板状、管状的旁热式，又可制成直热式电热碳化硅棒。如图管状的旁热式，又可制成直热式电热碳化硅棒。如图3 3-2为碳为碳化硅辐射板。其槽内安放电阻线。化硅辐射板。其槽内安放电阻线。图图3 3-1 合金电阻带式辐射器合金电阻带式辐射器 图图3 3-2 碳化硅辐射板碳化硅辐射板第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器

7、件( (一一) )辐射器件的类型辐射器件的类型2氧化镁管远红外辐射器氧化镁管远红外辐射器 如图如图3 3-3所示所示。电热丝置于金。电热丝置于金属管内部，空隙由良好导热性和绝缘性的氧化镁粉末填充。属管内部，空隙由良好导热性和绝缘性的氧化镁粉末填充。管两端有绝缘瓷件与接线柱将电线引出。金属管表面喷涂远管两端有绝缘瓷件与接线柱将电线引出。金属管表面喷涂远红外涂料。这种器件机械强度高，安全可靠，轻便耐用，密红外涂料。这种器件机械强度高，安全可靠，轻便耐用，密封性好，宜于作硝石、油、水、酸封性好，宜于作硝石、油、水、酸、碱等生产中的加热系统。碱等生产中的加热系统。如金属管用石英玻璃代替，就无须喷涂远红

8、外涂料，即成为如金属管用石英玻璃代替，就无须喷涂远红外涂料，即成为乳白石英辐射器。乳白石英辐射器。图图3 3-3 氧化镁远红外辐射管氧化镁远红外辐射管第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件( (一一) )辐射器件的类型辐射器件的类型3搪瓷远红外辐射器搪瓷远红外辐射器 其远红外涂层在其远红外涂层在1000左右高温下左右高温下烧结在金属基材表面。具有涂层不易脱落烧结在金属基材表面。具有涂层不易脱落、耐腐蚀与良好抗耐腐蚀与良好抗震等性能。表面还可定期用水冲洗。可作成管状、板状。工震等性能。表面还可定期用水冲洗。可作成管状、板状。工作温度在作温度在400左右。宜用于食品左右。宜

9、用于食品、药品的加热干燥，如图药品的加热干燥，如图3 3-4。图图3 3-4 板状搪瓷远红外辐射器板状搪瓷远红外辐射器第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件( (一一) )辐射器件的类型辐射器件的类型4多孔远红外陶瓷辐射器多孔远红外陶瓷辐射器 多孔陶瓷由多种金属氧化物在多孔陶瓷由多种金属氧化物在1000以上高温下烧结成型。具有表面辐射率高以上高温下烧结成型。具有表面辐射率高、底里面辐底里面辐射率低射率低、导热系数小导热系数小、比重小比重小、耐急热急冷等性能。可制成耐急热急冷等性能。可制成板状、管状，多孔陶瓷板如图板状、管状，多孔陶瓷板如图3 3-5所示，置于煤气炉上可成

10、为所示，置于煤气炉上可成为旁热式煤气远红外辐射加热器。旁热式煤气远红外辐射加热器。图图3 3-5 煤气远红外辐射加热器煤气远红外辐射加热器第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件( (一一) )辐射器件的类型辐射器件的类型5灯型远红外辐射器灯型远红外辐射器 由反射罩由反射罩、辐射体及灯头组成辐射体及灯头组成(图图3 3-6)。辐射体发射的远红外线经反射罩汇聚平行射出，因此，在辐辐射体发射的远红外线经反射罩汇聚平行射出，因此，在辐照范围内能量分布没有方向引起的差异，且照射距离的能量照范围内能量分布没有方向引起的差异，且照射距离的能量衰减低于逆二次方定律值。衰减低于逆二次方定

11、律值。图图3 3-6 灯型远红外辐射器灯型远红外辐射器第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件( (一一) )辐射器件的类型辐射器件的类型6. 合金电阻带式远红外辐射器合金电阻带式远红外辐射器 它以镍铬合金电阻带为发热它以镍铬合金电阻带为发热体，其表面涂喷高辐射率的远红外涂料体，其表面涂喷高辐射率的远红外涂料而而成。如图成。如图3 3-7所所示采用光清度高的抛物面反射罩，可使热效率提高。它在示采用光清度高的抛物面反射罩，可使热效率提高。它在2.515m范围内的辐射率在范围内的辐射率在0.7以上。以上。图图3 3-7 高硅氧灯辐射器示意图高硅氧灯辐射器示意图 图图3 3-8

12、 集成式管状电阻膜辐射器集成式管状电阻膜辐射器第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件( (一一) )辐射器件的类型辐射器件的类型7. 集成电阻膜式远红外辐射器集成电阻膜式远红外辐射器 一种直热式器件。它是利用一种直热式器件。它是利用多种氧化物半导体材料混合喷熔在铝质基材上的陶瓷管或板多种氧化物半导体材料混合喷熔在铝质基材上的陶瓷管或板块，作为发热层，其表面再喷熔远红外涂料，从两端引出电块，作为发热层，其表面再喷熔远红外涂料，从两端引出电极。具有升温快、重量轻、热效率高等特点。如图极。具有升温快、重量轻、热效率高等特点。如图3 3-8所示。所示。图图3 3-7 高硅氧灯辐

13、射器示意图高硅氧灯辐射器示意图 图图3 3-8 集成式管状电阻膜辐射器集成式管状电阻膜辐射器第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件（二二）远红外辐射涂料远红外辐射涂料 远红外涂料是一种在远红外波长范围内，具有很高辐射率远红外涂料是一种在远红外波长范围内，具有很高辐射率的材料，由各种金属氧化物，或碳化物的材料，由各种金属氧化物，或碳化物、氮化物、硼化物与氮化物、硼化物与粘结剂按一定比例组成，喷涂或烧结在辐射器表面上，用以粘结剂按一定比例组成，喷涂或烧结在辐射器表面上，用以发射高辐射强度的远红外线，去加热干燥工件或物料。发射高辐射强度的远红外线，去加热干燥工件或物料。 1.

14、 远红外辐射涂料的种类远红外辐射涂料的种类（1）锆钛系涂料锆钛系涂料：（2）黑色锆系涂料黑色锆系涂料：（3）铁系涂料铁系涂料：（4）碳化硅系涂料碳化硅系涂料：（5）稀土系涂料稀土系涂料：（6）高硅分子筛系涂料高硅分子筛系涂料：（7）镍钴系涂料镍钴系涂料：第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件（二二）远红外辐射涂料远红外辐射涂料 2. 涂料的选择原则涂料的选择原则 （1）在远红外辐射加热干燥常用温度在远红外辐射加热干燥常用温度400600范围内，范围内，应有较高的全辐射率应有较高的全辐射率；在要求的远红外波长区应有尽量高的在要求的远红外波长区应有尽量高的单色辐射率。单色辐

15、射率。（2）由被加热物质的性质及其吸收光谱选择涂料由被加热物质的性质及其吸收光谱选择涂料：（3）有近似于基体材料的热膨胀系数。同时，有较好的有近似于基体材料的热膨胀系数。同时，有较好的冷热循环冷热循环性性与抗老化性。与抗老化性。（4）材料来源广材料来源广、价廉价廉、制备工艺简单。制备工艺简单。第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件（二二）远红外辐射涂料远红外辐射涂料 3粘结剂粘结剂 粘结剂是远红外辐射涂料与辐射基体牢固结合的粘结剂是远红外辐射涂料与辐射基体牢固结合的媒介。不同类型的辐射器或不同工艺加工的辐射器使用的粘媒介。不同类型的辐射器或不同工艺加工的辐射器使用的粘结

16、剂也不同。如黑色锆系陶瓷辐射元件的粘结剂为矾土、粘结剂也不同。如黑色锆系陶瓷辐射元件的粘结剂为矾土、粘土等；碳化硅元件基体用粘土，而涂层多用水玻璃，搪瓷元土等；碳化硅元件基体用粘土，而涂层多用水玻璃，搪瓷元件的粘结剂为搪瓷釉料，高温辐射器采用双氢磷酸铝或高温件的粘结剂为搪瓷釉料，高温辐射器采用双氢磷酸铝或高温油料。作为粘结剂的材料应具有附着性强油料。作为粘结剂的材料应具有附着性强、抗热冷冲击性和抗热冷冲击性和化学稳定性好化学稳定性好、不影响涂料的辐射性能不影响涂料的辐射性能、制作工艺简单、价制作工艺简单、价格便宜等性能。格便宜等性能。第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器

17、件（二二）远红外辐射涂料远红外辐射涂料 4涂覆工艺涂覆工艺（1）基体处理基体处理：（2）涂料涂覆涂料涂覆冷涂法冷涂法：高温熔射法高温熔射法：涂层烧结法涂层烧结法：第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件（三三）电热元件电热元件 电热元件作为远红外辐射器件的热源，通过电阻丝电热元件作为远红外辐射器件的热源，通过电阻丝( (带带) )把把电能转变为热能，使辐射器表面升温到要求的工作温度，电能转变为热能，使辐射器表面升温到要求的工作温度，从而发射远红外线。从而发射远红外线。 使用中要保证电阻丝长期稳定工作，主要是合理选择电使用中要保证电阻丝长期稳定工作，主要是合理选择电阻丝的表

18、面功率阻丝的表面功率( (热负荷热负荷) )。通常电阻丝的许用功率为。通常电阻丝的许用功率为1 12W/cm2；电阻带为；电阻带为1.52.5W/cm2。工作温度高、元件封闭。工作温度高、元件封闭者，热负荷应选得小些。者，热负荷应选得小些。第一节 远红外辐射加热技术二、远红外辐射器件二、远红外辐射器件（三三）电热元件电热元件 )(344. 0344. 032322mmqIqUNdtt)(422020mdRLIdtUaRRtt20)W/cm(2LSNq 选选择择热负荷及某种材料的电阻元件后，可由下热负荷及某种材料的电阻元件后，可由下式算得电阻丝的直径。式算得电阻丝的直径。第一节 远红外辐射加热技

19、术三、远红外辐射加热炉三、远红外辐射加热炉 远红外辐射加热炉一般由炉体、炉壁、隔热保温衬垫远红外辐射加热炉一般由炉体、炉壁、隔热保温衬垫、远红外辐射器远红外辐射器、电气及温、湿度控制系统、通风系统等组成。电气及温、湿度控制系统、通风系统等组成。工件可移动的通过式炉还有传动装置。采用非电的其他热源工件可移动的通过式炉还有传动装置。采用非电的其他热源还有燃烧装置。加热炉的具体结构可参阅有关资料。还有燃烧装置。加热炉的具体结构可参阅有关资料。（一一）加热炉的功率加热炉的功率 确定加热炉的功率指远红外辐射器热源的功率。它主要决确定加热炉的功率指远红外辐射器热源的功率。它主要决定于加热炉的热负荷定于加热

20、炉的热负荷Q与热效率与热效率 。因此，加热炉功率为。因此，加热炉功率为)(3600kWQN 炉的热负荷在稳定状态下，主要包括加热工件或物料所炉的热负荷在稳定状态下，主要包括加热工件或物料所需热量需热量Q1，加热物中蒸或挥发物升温热量与汽化潜热，加热物中蒸或挥发物升温热量与汽化潜热Q2，而而各种散热损失各种散热损失Q3包括辅具、炉壁包括辅具、炉壁、炉门等散热量及炉内介质炉门等散热量及炉内介质带走的热量，都可在热效率中考虑。带走的热量，都可在热效率中考虑。第一节 远红外辐射加热技术（二二）远红外辐射器的合理选用远红外辐射器的合理选用1远红外辐射器的选择远红外辐射器的选择2确定辐射器的最佳工作温度确

21、定辐射器的最佳工作温度 图图3 3-9 9 辐射器的布置辐射器的布置m2898maxT第一节 远红外辐射加热技术T()T(K)E(W/cm2)Q对流/Q辐射3005730.61125.1860.674006731.16324.3850.505007732.01443.7820.386008733.29343.3770.297009735.08203.0710.2380010737.51592.76607342.5600.151000127314.8902.3540.123辐射器在炉内的布置辐射器在炉内的布置第一节 远红外辐射加热技术（三三）远红外加热炉设计的内容与步骤

22、远红外加热炉设计的内容与步骤设计一台远红外加热炉要进行热工、机械、电气设计一台远红外加热炉要进行热工、机械、电气、流体力学及经济等多流体力学及经济等多方面的设计计算，并画出设计图，写出设计说明书。其内容与步骤为：方面的设计计算，并画出设计图，写出设计说明书。其内容与步骤为：1. 1. 了解与掌握设计的原始资料与数据了解与掌握设计的原始资料与数据2根据受热物的性质、产量确定炉型，采用固定式，还是通过式加热炉。根据受热物的性质、产量确定炉型，采用固定式，还是通过式加热炉。3确定受热物的工艺布置与输送方式，与受热物同时入炉的输送设备型确定受热物的工艺布置与输送方式，与受热物同时入炉的输送设备型式、重

23、量及传送速度等。式、重量及传送速度等。4确定炉子的尺寸确定炉子的尺寸、炉壁结构和保温层材料与厚度。炉壁结构和保温层材料与厚度。5计算加热炉功率计算加热炉功率6远红外辐射加热系统设计，包括选定辐射器的型式，热源及涂料，确远红外辐射加热系统设计，包括选定辐射器的型式，热源及涂料，确定最佳辐射温度，辐射器的个数，组数及布置。定最佳辐射温度，辐射器的个数，组数及布置。7其他系统设计可有温度、湿度控制及电气系统，通风系统，受热物输其他系统设计可有温度、湿度控制及电气系统，通风系统，受热物输送系统等。送系统等。8根据设计计算绘制加热炉结构图、施工图根据设计计算绘制加热炉结构图、施工图，写出设计说明书。写出

24、设计说明书。第一节 远红外辐射加热技术（四）（四）远红外辐射加热炉设计实例远红外辐射加热炉设计实例设计一远红外面包烘烤炉。连续生产，每小时烘烤设计一远红外面包烘烤炉。连续生产，每小时烘烤450 kg面面包包( (以面粉计算以面粉计算) )。1参数确定和物料分析参数确定和物料分析2物料量计算物料量计算3炉体长度计算炉体长度计算4热量及功率计算热量及功率计算5. 实际应用的一些考虑实际应用的一些考虑第二节 微波与超声波加热技术一、微波与超声波加热原理一、微波与超声波加热原理（一）微波加热原理（一）微波加热原理1微波的定义微波的定义 微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约微波是一种高频率的电磁波，其

25、频率范围约在在3 1023 105MHz(相应的波长为相应的波长为1000.1cm)，即，即在在300MHz至至300GHz之间。之间。2. 2. 微波加热原理微波加热原理 如果外电场是交变的，那如果外电场是交变的，那么么有极分子的转向也要随电场有极分子的转向也要随电场的变化而不断改变方向的变化而不断改变方向。在这个过程中，由于分子间的相互在这个过程中，由于分子间的相互碰撞，将使电能转化为分子的动能，然后再转化为热能，使碰撞，将使电能转化为分子的动能，然后再转化为热能，使物体的温度升高物体的温度升高。第二节 微波与超声波加热技术（二）超声波加热原理（二）超声波加热原理1. 超声波的定义超声波的

26、定义 2. 2. 超超声波加热的基本原理声波加热的基本原理(1）共振共振：即超声波即超声波是是被加热物质中分子的共振，根据分被加热物质中分子的共振，根据分子动理论，物质是由大量的分子组成的，而分子是处于永不子动理论，物质是由大量的分子组成的，而分子是处于永不停息的运动之中，当然这个运动是振动形式的了。停息的运动之中，当然这个运动是振动形式的了。 （2）热力学原理热力学原理：温度的本质就是温度的本质就是衡量衡量物质内的大量分物质内的大量分子的无规则运动的剧烈程度的物理量，只是在表面现象上显子的无规则运动的剧烈程度的物理量，只是在表面现象上显现为冷热程度。当然分子运动越剧烈温度越高。现为冷热程度。

27、当然分子运动越剧烈温度越高。第二节 微波与超声波加热技术二、微波与超声波加热器件二、微波与超声波加热器件( (一一) )微波加热器件微波加热器件 微波加热源主要有两种：一种是连续波磁控管，特点是微波加热源主要有两种：一种是连续波磁控管，特点是中等功率（几十瓦到几千瓦），效率高（约中等功率（几十瓦到几千瓦），效率高（约50%80%），），场结构简单、体积小、重量较轻场结构简单、体积小、重量较轻、寿命较长寿命较长、价格低；另一价格低；另一种是多腔速调管，其特点是大功率（几千瓦到兆瓦级）种是多腔速调管，其特点是大功率（几千瓦到兆瓦级）、寿寿命长（命长（10000h以上）以上）、中等效率（中等效率（4

28、0%60%），但需要高），但需要高压电源（数万伏到数十万伏），结构复杂、体积大、重量重、压电源（数万伏到数十万伏），结构复杂、体积大、重量重、价格贵等。价格贵等。 如图如图3 3-10 0所示为微波加热设备的方框图。它主要由直流所示为微波加热设备的方框图。它主要由直流电源、微波发生器、连接波导、加热器及冷却系统等几部分电源、微波发生器、连接波导、加热器及冷却系统等几部分构成。构成。第二节 微波与超声波加热技术微波加热器主要有以下微波加热器主要有以下四大类：四大类：1. 微波炉微波炉 微波炉的结构示意图如图微波炉的结构示意图如图3 3-1111所示，主要由电所示，主要由电源、磁控管、波导、谐振腔

29、、模扰动器等构成。源、磁控管、波导、谐振腔、模扰动器等构成。2. 行波场波导加热器行波场波导加热器 图图3 3-1212所示为一平板波导加热器示意图所示为一平板波导加热器示意图第二节 微波与超声波加热技术3. 慢波型微波加热器慢波型微波加热器 图图3 3-1313所示为梯形加热器示意图，它所示为梯形加热器示意图，它是在脊形波导的宽边上周期性地开了许多与波导轴正交的槽，是在脊形波导的宽边上周期性地开了许多与波导轴正交的槽，由于梯形加热器中微波场集中在槽附近传播，所以在槽的位由于梯形加热器中微波场集中在槽附近传播，所以在槽的位置上可以获得很强的电场。置上可以获得很强的电场。4. 辐射型微波加热器辐

30、射型微波加热器 在农产品加工、医药用微波加热器在农产品加工、医药用微波加热器以及对矿石、水泥进行破坏或加工时，可以用辐射型加热器。以及对矿石、水泥进行破坏或加工时，可以用辐射型加热器。将微波能量辐射到被加热的物料表面，然后再穿透到物料内将微波能量辐射到被加热的物料表面，然后再穿透到物料内部去。图部去。图3 3-1414所示的喇叭式辐射加热器是其中的一种。所示的喇叭式辐射加热器是其中的一种。第二节 微波与超声波加热技术（二）超声波加热器件（二）超声波加热器件1. 超声波燃烧器超声波燃烧器 2. 超声波传感器超声波传感器 3. 超声波测距系统超声波测距系统图图3-15 5 超声波传感器系统的构成超

31、声波传感器系统的构成第二节 微波与超声波加热技术（一）微波的应用（一）微波的应用 微波在医学上的应用微波在医学上的应用 （1）微波诊断：）微波诊断：（2）微波在农业上的应用：）微波在农业上的应用：（3）利用微波传输太阳能）利用微波传输太阳能三、三、 微波与超声波的应用微波与超声波的应用第二节 微波与超声波加热技术（二）超声波的应用（二）超声波的应用1. 超声波在军事中的应用超声波在军事中的应用2. 超声波在医学中的应用超声波在医学中的应用3. 超声波在生活及服务业中的应超声波在生活及服务业中的应用用4. 超声波在工业上的应用超声波在工业上的应用 三、三、 微波与超声波的应用微波与超声波的应用第

32、三节 隔热保温与蓄能技术一、概述一、概述 在生产和生活实际中，对热（冷）设备、热管道及其附在生产和生活实际中，对热（冷）设备、热管道及其附件、建筑物的外围护结构一般都要进行隔热保温。其目的：件、建筑物的外围护结构一般都要进行隔热保温。其目的：一是为减少热或冷损失，提高热能的利用效率，以节约能源；一是为减少热或冷损失，提高热能的利用效率，以节约能源；二是为保护在高温或低温下工作的材料和结构，免遭损害；二是为保护在高温或低温下工作的材料和结构，免遭损害；三是为保安、防火、环境保护及改善劳动条件等。隔热保温三是为保安、防火、环境保护及改善劳动条件等。隔热保温措施通常是使用绝热材料与采用热屏蔽。前者更

33、为普遍。隔措施通常是使用绝热材料与采用热屏蔽。前者更为普遍。隔热保温措施可以是在短时间内一次采用，这通常是属于保护热保温措施可以是在短时间内一次采用，这通常是属于保护性的。如在火灾时保护建筑物的钢筋免受高温影响；又如人性的。如在火灾时保护建筑物的钢筋免受高温影响；又如人造卫星重返大气层时，使其免受高温烧毁。而通常则是长期造卫星重返大气层时，使其免受高温烧毁。而通常则是长期反复使用。反复使用。第三节 隔热保温与蓄能技术（一）（一）保温材料及其应用保温材料及其应用隔热通常是通过在设备或管道外包上一层保温材料隔热通常是通过在设备或管道外包上一层保温材料(又称热绝又称热绝缘材料或隔热材料缘材料或隔热材

34、料)来实现的。为了使保温材料长期可靠的使来实现的。为了使保温材料长期可靠的使用，在保温层的外面还加了一层防护层。用，在保温层的外面还加了一层防护层。 1. 1. 对保温材料的要求对保温材料的要求 2. 2. 对防护层的要求对防护层的要求 为了长期可靠，保温层外面通常要加为了长期可靠，保温层外面通常要加一层防护层，对防护层的要求如下：一层防护层，对防护层的要求如下： 3. 3. 常用保温材料的热物理性质常用保温材料的热物理性质 表表3 3-4给出了常用保温材料给出了常用保温材料及其制品的热物理性质。更详细的资料可查阅有关的手册及其制品的热物理性质。更详细的资料可查阅有关的手册。二、隔热保温技术二

35、、隔热保温技术第三节 隔热保温与蓄能技术材料名称材料名称密度密度(kg/m3)导热系数导热系数(W/(mK)适用温度适用温度( () )膨胀珍珠岩类：一级散料 二级散料 三级散料 水泥珍珠岩板 水玻璃珍珠岩板 憎水珍珠岩制品 80 80150 150250 250400 200300 200300 0.0520.0520.0640.0640.0760.0580.0870.0560.0650.058 约200 约800 600 650普通玻璃棉类 中级纤维淀粉粘结制品 中级纤维酚醛树脂制品 玻璃棉沥青黏结制品 100130120150100170 0.0400.0470.0410.0470.04

36、10.058 -35300-35350-20250超细玻璃棉类： 超细棉(原棉) 超细棉无脂毡缝合垫 无碱超细棉 183060806080 0.0350.035 -100450-120400-120600石棉类： 石棉绳 石棉碳酸镁管 硅藻土石棉灰 泡沫石棉 5907303604502803804050 0.0700.2090.064+0.00033t0.066+0.00015t0.038+0.00023t 500300900500表表3 3-4 常用保温材料及其制品的热物理性质常用保温材料及其制品的热物理性质注：注：t为保温材料的平均温度为保温材料的平均温度(）。）。第三节 隔热保温与蓄能技

37、术（二）（二）管道保温计算管道保温计算管道保温计算有两个目的管道保温计算有两个目的：一是计算所需保温材料的厚度，一是计算所需保温材料的厚度，二是计算单位长度管道的热损失或核算保温材料的外表面温二是计算单位长度管道的热损失或核算保温材料的外表面温度。度。1. 1. 架空管道架空管道（1）基本公式基本公式：如图如图3 3-1616所示。所示。假设管道各部分的分热阻为假设管道各部分的分热阻为Ri，则通过每米长管道的径向热损则通过每米长管道的径向热损失失(不包括管道附件的热损失不包括管道附件的热损失)为为)m/W()-Qif2f1LRtt（)K/Wm(1111adR)K/Wm(2)/ln(122pdd

38、R)K/Wm(2/)2(ln223iddR)K/Wm()2(1224adR)K/Wm()2(1325adR图图3 3-1616 管道保温计算示意图管道保温计算示意图第三节 隔热保温与蓄能技术（2）基本公式的简化基本公式的简化：为计算简单起见，从工程应用出发，常为计算简单起见，从工程应用出发，常对基本公式进行如下的简化。对基本公式进行如下的简化。一般保温层外表面的温度均不高，这时保温层外表面的对流换热系数一般保温层外表面的温度均不高，这时保温层外表面的对流换热系数a2和辐射换热系数和辐射换热系数a3之和，即保温层外表面的总换热系数之和，即保温层外表面的总换热系数a，可以用下面，可以用下面的简化公

39、式进行计算。的简化公式进行计算。对室内管道有对室内管道有)KW/(m)(052. 03 .1022fwtta对室外管道有对室外管道有)KW/(m(76 .112wa)W/m()2(12546adRRR)W/m()2(1)2ln(21)(222216321adddttRRttQiffffL)W/m(621RttRttQfwwfL由此得简化公式为：由此得简化公式为：（3 3-2626）（3 3-27 7）第三节 隔热保温与蓄能技术（3）容许热损失的确定容许热损失的确定：为满足工艺要求的容许热损失，一般需要计算，对于其他情况，容许热为满足工艺要求的容许热损失，一般需要计算，对于其他情况，容许热损失计

40、算时可参考表损失计算时可参考表3 3-5和表和表3 3-6。 管道热介质温度（） 外径6070100125150160200225250 mm容许热损失QL(W/m)2017.426.737.243.048.850.055.864.073.33231.434.944.251.258.262.869.877.987.24837.244.255.862.869.873.384.993.0101.25743.050.062.868.675.679.193.0102.3110.57653.561.669.884.991.995.4110.8119.8130.38960.569.886.194.2102

41、.3105.8118.6129.1139.510868.881.498.9108.2116.3119.8133.7144.2154.7表表3 3-5 室内保温管道表面容许的热损失室内保温管道表面容许的热损失(保温表面和周围空气的温差为保温表面和周围空气的温差为20)第三节 隔热保温与蓄能技术 管道热介质温度() 外径5070100125150160200225250 mm容许热损失QL(W/m)2015.123.331.438.45.550.062.80.979.13217.426.736.144.253.557.072.180.289.64820.931.441.952.361.667.56

42、3.794.2104.75724.434.946.557.067.572.190.7101.2111.67629.140.752.364.076.881.4100.0112.8125.68932.644.258.269.882.687.2108.2119.8132.610836.150.064.077.989.695.4117.5131.4145.413340.755.869.886.198.9104.7129.1144.2158.215944.258.275.693.0109.3116.3139.6157.0172.119448.867.584.9102.3119.8125.6151.216

43、9.8188.421953.569.890.7110.5127.9134.9162.8183.8203.527361.681.4101.2124.4145.4153.5186.1209.3230.332569.893.0116.3139.6162.8172.1209.3232.6255.937782.6108.2132.6157.0181.4191.9231.4255.9279.142695.4122.1148.9174.5207.0210.5253.5279.1302.4第三节 隔热保温与蓄能技术（5）经济厚度经济厚度：保温层的经济厚度就是图保温层的经济厚度就是图3 3-16 6上的上的0，

44、在这个厚度下，在这个厚度下，年总费用最低。每年每米管道的投资、运行和维修的总费用年总费用最低。每年每米管道的投资、运行和维修的总费用C为：为：（4）保温层厚度的计算方法保温层厚度的计算方法：保温层厚度的计算很复杂。要由式保温层厚度的计算很复杂。要由式(3 3-2121)式式(3 3-2727)或简化公式计算出保或简化公式计算出保温层的厚度，首先必须确定单位长度管道所容许的热损失温层的厚度，首先必须确定单位长度管道所容许的热损失QL。在。在QL决定决定以后以后,还不能算出所需的保温层的厚度还不能算出所需的保温层的厚度，因为计算中涉及保温层外表面的因为计算中涉及保温层外表面的温度温度tw，而，而t

45、w又与保温层的厚度又与保温层的厚度a有关。有关。a越大，越大，tw越小。故只能采用试算越小。故只能采用试算法法。 C = bQ+ P(c0V + cbF)(元元/(mh) （6）保温管导热损失的计算及核算壁温保温管导热损失的计算及核算壁温：热力管道包上保温层后，由于热力管道包上保温层后，由于已知，由式已知，由式(3 3-2626)或式或式(3 3-2727)，很容易算出管道的热损失和保温层外表面，很容易算出管道的热损失和保温层外表面的壁温。的壁温。第三节 隔热保温与蓄能技术 2. 2. 无沟埋设的管道无沟埋设的管道 对直接埋于土壤中的管道，在计算热损失时，对直接埋于土壤中的管道，在计算热损失时

46、，除了保温层的热阻外，还要考虑土壤的热阻。根据传热学理论除了保温层的热阻外，还要考虑土壤的热阻。根据传热学理论，土壤土壤热阻可用下式计算，即热阻可用下式计算，即 （3 3-3030）当当h/dx1.25时，式时，式(3 3-3030)可简化为可简化为 此时无沟埋设的保温管道的热损失为此时无沟埋设的保温管道的热损失为 式中式中 t0土壤的平均温度土壤的平均温度（）。 （3 3-3232）（3 3-3131）第三节 隔热保温与蓄能技术 3. 3. 地沟中铺设的管道地沟中铺设的管道 地沟中铺设的管道的总热阻应包括地沟中铺设的管道的总热阻应包括以下几部分：保温层的热阻以下几部分：保温层的热阻R3，保温

47、层外表面到地沟内空气，保温层外表面到地沟内空气的对流换热热阻的对流换热热阻R4，地沟内空气到地沟壁的对流换热热阻，地沟内空气到地沟壁的对流换热热阻R7，地沟壁的导热热阻地沟壁的导热热阻R8，土壤的热阻，土壤的热阻Rt。其中。其中R3、R4、R7、R8、Rt均可采用前述的计算公式进行计算。均可采用前述的计算公式进行计算。计算地沟中铺设的管道的热损失可采用如下公式，即计算地沟中铺设的管道的热损失可采用如下公式，即)W/m(874300tiLRRRRRttRttQ（3 3-3333）)W/m(430RRttQgL（3 3-3434）第三节 隔热保温与蓄能技术 4. 4. 热力管道保温设计中的一些问题

48、热力管道保温设计中的一些问题 （1）保温管道的附加热损失保温管道的附加热损失：这里是指管道中的法兰、阀这里是指管道中的法兰、阀门、接头、分配器等所带来的热损失。这部分热损失不易求门、接头、分配器等所带来的热损失。这部分热损失不易求得，一般按下面给出的值来估算。得，一般按下面给出的值来估算。阀门：阀门热损失的相当长度可参见表阀门：阀门热损失的相当长度可参见表3 3-7。（2）保温管道的敷设保温管道的敷设：在设计保温管道时应根据具体情况在设计保温管道时应根据具体情况选用合适的敷设方式，并考虑不同敷设方式对保温结构的要选用合适的敷设方式，并考虑不同敷设方式对保温结构的要求。求。表表3 3-7 阀门热

49、损失的相当长度阀门热损失的相当长度阀门情况管于内径(mm)管温100管温400热损失的相当长度(m) 室内l/4裸露，3/4保温1002.5550037.5 室外l/4裸露3/4保温1004.5650068.5第三节 隔热保温与蓄能技术（三）（三）热屏蔽热屏蔽 用导热系数小的绝热材料进行隔热保温，主要是减少用导热系数小的绝热材料进行隔热保温，主要是减少散热损失。而热屏蔽是设法消耗掉传入的热量，或利用反射散热损失。而热屏蔽是设法消耗掉传入的热量，或利用反射率高与辐射率低的表面，将辐射热反射回去，既可减少散热率高与辐射率低的表面，将辐射热反射回去，既可减少散热损失，更主要是起保护作用，防止被保护材

50、料或设备过分升损失，更主要是起保护作用，防止被保护材料或设备过分升温。在被保护的材料与热源之间加遮热板、罩，可大量减少温。在被保护的材料与热源之间加遮热板、罩，可大量减少对被保护材料的传热。这是最常用的热屏蔽方法。对被保护材料的传热。这是最常用的热屏蔽方法。通过消耗传来热量的热屏蔽，其耗热方法有三类。一是作通过消耗传来热量的热屏蔽，其耗热方法有三类。一是作为显热消耗，二是作为相变为显热消耗，二是作为相变( (蒸发、升华、熔化蒸发、升华、熔化) )潜热消耗；潜热消耗；三是作为反应热、离子化热消耗。三是作为反应热、离子化热消耗。第三节 隔热保温与蓄能技术三、三、 蓄能技术蓄能技术（一）（一）常见的

51、蓄热方式常见的蓄热方式蓄热的方式主要有三种，即显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热的方式主要有三种，即显热蓄热、潜热蓄热和化学反应热蓄热。热蓄热。1. 1. 显热蓄热显热蓄热 当对蓄热介质加热时，其温度升高，内能增加，当对蓄热介质加热时，其温度升高，内能增加，从而将热能蓄存起来。显热式蓄热原理十分简单实际使用从而将热能蓄存起来。显热式蓄热原理十分简单实际使用也最普遍。也最普遍。（1）蓄热水箱蓄热水箱：（2）石块床蓄热器石块床蓄热器：（3）液体固体组合式蓄热设备液体固体组合式蓄热设备：（4）中、高温蓄热介质及大容量蓄热技术中、高温蓄热介质及大容量蓄热技术：第三节 隔热保温与蓄能技术三、三、 蓄能技术

52、蓄能技术（一）（一）常见的蓄热方式常见的蓄热方式2. 2. 潜热蓄热潜热蓄热 物质由固态转为液态，由液态转为气态，或由物质由固态转为液态，由液态转为气态，或由固态直接转为气态固态直接转为气态(升华升华)时，将吸收相变热，进行逆过程时，时，将吸收相变热，进行逆过程时，则将释放相变热。则将释放相变热。（1）低温潜热式蓄热低温潜热式蓄热：表表3-8 适用于建筑物供暖及降温用的有关相变蓄热材料的热物性适用于建筑物供暖及降温用的有关相变蓄热材料的热物性（2）高温应用高温应用：表3-9 若干共熔材料的物性参数第三节 隔热保温与蓄能技术三、三、 蓄能技术蓄能技术（一）（一）常见的蓄热方式常见的蓄热方式3.

53、3. 热化学方法蓄热热化学方法蓄热 化学反应储能是利用可逆化学反应的反化学反应储能是利用可逆化学反应的反应热来进行储能的，例如，正反应吸热，热被储存起来，逆应热来进行储能的，例如，正反应吸热，热被储存起来，逆反应放热，则热被释放出来。这种方式的储能密度虽然较大，反应放热，则热被释放出来。这种方式的储能密度虽然较大，但是技术复杂并且使用不便，目前仅在太阳能领域受到重视，但是技术复杂并且使用不便，目前仅在太阳能领域受到重视，离实际应用尚较远。离实际应用尚较远。（1）化学反应蓄热化学反应蓄热：（2）浓度差蓄热浓度差蓄热：（3）化学结构变化蓄热化学结构变化蓄热：第三节 隔热保温与蓄能技术（二）（二）蓄

54、热材料的性能要求及分类蓄热材料的性能要求及分类1. 1. 蓄热材料的性能要求蓄热材料的性能要求 理想的蓄热材料应符合以下条件理想的蓄热材料应符合以下条件：（1）热力学条件合适的相变温度热力学条件合适的相变温度：（2）化学条件化学条件：（3）经济性条件经济性条件：2. 2. 蓄热材料的分类蓄热材料的分类）（低共熔体包合物氢氧化物水合物盐的水合物化合物无机物低共熔体其他脂肪酸类石蜡化合物有机物低温类）（碱金属混合物单纯盐高温类料材热蓄C1200LDC850120图图3 3-17 7 蓄热材料的分类示意图蓄热材料的分类示意图第三节 隔热保温与蓄能技术（三）蓄热技术的应用（三）蓄热技术的应用蓄热技术作

55、为缓解人类能源危机的一个重要手段，主要有蓄热技术作为缓解人类能源危机的一个重要手段，主要有以下几个方面的应用。以下几个方面的应用。1. 太阳能热储存太阳能热储存 太阳能蓄热技术包括低温和高温两种。太阳能蓄热技术包括低温和高温两种。2. 工业热能储存工业热能储存 目前工业热能储存采用再生式加热炉和目前工业热能储存采用再生式加热炉和废热蓄能锅炉等蓄能装置。废热蓄能锅炉等蓄能装置。3. 电力调峰及电热余热储存电力调峰及电热余热储存 4. 交通及武器装备等交通及武器装备等 5. 在太空中的应用在太空中的应用 6. 其他方面的应用其他方面的应用 第四节 高效低污染燃烧技术燃料燃烧是获取热能的最主要方式。

56、燃料燃烧过程是一个很燃料燃烧是获取热能的最主要方式。燃料燃烧过程是一个很复杂的化学、物理过程。燃料燃烧必须具备三个条件：复杂的化学、物理过程。燃料燃烧必须具备三个条件：（1）必须有可能燃烧的可燃物必须有可能燃烧的可燃物( (燃料燃料) )。（2）必须有使可燃物着火的能量必须有使可燃物着火的能量( (或称热源或称热源) )，即使可燃物，即使可燃物的温度达到燃点温度以上的温度达到燃点温度以上。（3）必须供给足够的氧气或空必须供给足够的氧气或空气气( (因为空气中也含有助燃的因为空气中也含有助燃的氧气氧气) )。一、燃烧概述一、燃烧概述第四节 高效低污染燃烧技术二、气体燃料的燃烧技术二、气体燃料的燃

57、烧技术气体燃料便于储存、运输，且燃烧方便，因此随着天然气的开发和煤气体燃料便于储存、运输，且燃烧方便，因此随着天然气的开发和煤的气化，其应用越来越广。气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃烧器。的气化，其应用越来越广。气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃烧器。对气体燃烧器的基本要求是：对气体燃烧器的基本要求是：（1）不完全燃烧损失小，燃烧效率高不完全燃烧损失小，燃烧效率高。（2）燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高。（3）着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不脱火着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不脱火。（4）燃烧产物中有害物质少，对大气污染小燃烧产物中有害物质少，

58、对大气污染小。（5）操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉膛空间。操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉膛空间。第四节 高效低污染燃烧技术二、气体燃料的燃烧技术二、气体燃料的燃烧技术 常用的气体燃烧器有扩散式燃烧器常用的气体燃烧器有扩散式燃烧器、预混式燃烧器预混式燃烧器、部部分预混式燃烧器分预混式燃烧器。对这类扩散式燃烧器，可燃气体与助燃空对这类扩散式燃烧器，可燃气体与助燃空气不需预先混合，燃烧所需空气由周围环境或相应管道供应、气不需预先混合，燃烧所需空气由周围环境或相应管道供应、扩散而来。图扩散而来。图3 3-1818(a)、(b)所示为简单的扩散式燃烧器所示为简单的扩散式燃烧器。a a

59、 b b图图3 3-1818 简单的扩散式燃烧器简单的扩散式燃烧器a.a.最简单的煤气扩散式燃烧器最简单的煤气扩散式燃烧器 b.多排喷孔的煤气扩散式燃烧器多排喷孔的煤气扩散式燃烧器第四节 高效低污染燃烧技术一、燃烧概述一、燃烧概述气体燃料的燃烧效率通常都很高。在气体燃料的燃烧技术气体燃料的燃烧效率通常都很高。在气体燃料的燃烧技术中，应将注意力放在以下几个方面中，应将注意力放在以下几个方面：1. 正确选用燃烧器正确选用燃烧器 2. 正确选择燃烧器的参数正确选择燃烧器的参数3. 提高火焰的稳定性提高火焰的稳定性4. 燃烧器的改进和开发燃烧器的改进和开发图图3 3-1919 多喷口板式无焰燃烧器多喷

60、口板式无焰燃烧器1. .耐火砖燃烧道耐火砖燃烧道 2. .分配室分配室 3. .分配锥分配锥 4. .混混合器合器 5. .喷嘴喷嘴 6. .空气调节阀空气调节阀第四节 高效低污染燃烧技术三、油的燃烧技术三、油的燃烧技术 油是最常用的液体燃料。由于油的沸点总是低于其着火油是最常用的液体燃料。由于油的沸点总是低于其着火温度，因此油总是先蒸发成油蒸气，再在蒸气状态下燃烧，温度，因此油总是先蒸发成油蒸气，再在蒸气状态下燃烧，其燃烧过程和气体燃料燃烧几乎完全相同。油的燃烧包含了其燃烧过程和气体燃料燃烧几乎完全相同。油的燃烧包含了油加热蒸发、油蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三个过油加热蒸发、油蒸气和助