化工过程节能原理与技术 第6章新型节能设备及方法课件

第六章新型节能设备及方法2026/10/2716:5312主要内容6.1热管及热管换热器6.2热泵6.3余热锅炉6.4膜分离技术

2026/10/2716:5336.1热管及热管换热器2026/10/2716:53热管—简单讲，以真空相变原理工作的一种极其高效的传热元件当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。

具有良好导热性的材料有铝[(λ＝202W/m•℃)]、柴铜[λ＝385W/m•℃]、和银：λ＝410W/m•℃)]，但其导热系数只能达到102W/m•℃的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管的发明就解决了这一问题。热管的相当导热系数可达105W/m•℃的数量级．为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能,是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值。6.1.1热管研究背景1944年，美国通用发动机公司R.SGaugler首先提出热管设想及概念,用于冷冻装置专利。1963年，LosAlamos国家实验室的G.M.Grover独立发明类似传热元件，并付诸实践，1964年发表论文正式命“HeatPipe”，证明了其“超导热性”，实验为5200W不锈钢——钠有芯热管。1965年，美Cotter首次提出较完整的热管理论1967年，LosAlamos国家实验室将一不锈钢——水热管放入人造卫星，空间零重力传热试验成功。1969年，日本、前苏联发明不同种类热管，如可变导热管，旋转热管等。6.1.2热管技术回顾1970年，美国出现商品热管。空间到地面开始应用。最著名：阿拉斯加输油管线支撑，112000根氨热管，9-23米，保证永冻土。1980年，美Q-Dot公司热管余热锅炉，然后回转式、分离式等新结构出现，日趋大型化及工业化。1984年，Cotter微型热管理论，出现毛细泵热管、回路热管等。应用航天及电子工业。1990年后热管在理论、实验、结构、应用等方面长足发展，尤其今天，节能减排中发挥巨大作用：气气式热管换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等。6.1.2热管技术回顾热管示意图1—管壳；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液

热管：是一种传热性极好的人工构件。常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（管壳），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管芯），管内的空气及其他杂物必须排除在外。6.1.3热管工作原理热管工作时利用了三种物理学原理：

⑴在真空状态下，液体的沸点降低；

⑵同种物质的汽化潜热比显热高的多；

⑶多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。热管的管壳是受压部件，材料要求高导热率、耐压、耐热应力。在材料的选择上必须考虑到热管在长期运行中管壳无腐蚀、工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。管壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属铌、钽或玻璃、陶瓷等。管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接受和放出热量，并承受管内外压力不等时所产生的压力差。

热管的管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构。通常采用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减小接触热阻，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。如右图所示为几种不同的管芯的结果示意图。6.1.3热管工作原理

热管的工作液要有较高的汽化潜热、导热系数、合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性。工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。

工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构。6.1.3热管工作原理

根据热管外部热交换情况分：加热段、绝热段、冷却段根据热管内部工质传热传质情况分：蒸发段、绝热段、冷凝段6.1.3热管工作原理热管在实现其热量转移过程中，包含了六个相互关联的主要过程：①热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液—汽分界面②液体在蒸发段内的液—汽分界面上蒸发③蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段到冷凝段④蒸汽在冷凝段内的汽—液分界面上凝结⑤热量从汽—液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源⑥在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段

6.1.3热管工作原理*高导热性——热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。*良好的等温性——热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的Clausuis-Clapeyron

方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。

6.1.4热管特性*热流密度可变性——热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，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，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。6.1.4热管特性*热二极管与热开关性能——热管可做成热二极管或热开关。所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。6.1.4热管特性*热流方向可逆性——一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可做为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。*环境适应性——热管的形状可随热源和冷源的条件而变化。热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。*恒温特性（可控热管）——普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。但可变导热管可使冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。6.1.4热管特性

与有芯热管的区别在于冷凝液回流的机理不同热虹吸管是依靠冷凝液自身重力回流有芯热管是依靠毛细抽吸力使冷凝液回流①重力热管的特点：*不需要吸液芯，制作简单，成本低廉*减少了吸液芯本身产生的热阻，

——具有良好的传热性能*一切由吸液芯引起的故障，均可避免，

——工作可靠6.1.5两相封闭虹吸热管②重力热管应用场合：只能应用于重力场中，而不能用于空间（无重力场）；只能将热管的下部作为加热段，而上部作为冷凝段；主要用于传热，不能用于均温；可以作为热二极管。根据重力热管具有的特点，国内作为余热回收用的热管换热器大多数采用这种形式的热管。6.1.5两相封闭虹吸热管1）热管换热器热管换热器——由许多单根热管组成的换热器特点：结构简单，换热效率高；压力损失小；安全可靠；灵活调温类型与结构：按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为：气—气式、气—汽式、气—液式、液—液式、液—气式按结构型式分：可分为整体式、分离式、回转式和组合式6.1.6热管的工程应用6.1.6.1热管换热器6.1.6.1热管换热器加热炉余热回收某炼油厂加热炉用的热管空气预热器6.1.6.1热管换热器某化工厂加热炉热管空气预热器某石化二联合加热炉热管空预器6.1.6.1热管换热器要求：质量小、高性能、高可靠、长寿命和能耐受空间环境（微重力、发射时的力学环境、空间粒子辐射等）航天器常用的热管：铝合金轴向槽道热管工质：氨、丙酮、氮、氖6.1.6.2航天上的应用利用二极管特性：冬季——将地下热量传递给地面上空气（辐射及对流）夏季——截止工作美阿拉斯加输油管线支撑1300公里，112000根钢——氨重力热管，热管长9—23米6.1.6.3热管低温桩（形成永冻土）热棒由一根密封的钢管组成，里面充以液态氮，钢管的上部装有散热叶片，称之为冷凝段，置于大气中；钢管的下部埋入地基多年冻土中，称为蒸发段。当蒸发段与冷凝段之间存在温差时，蒸发段的液态氮吸热蒸发成气体，在气压差作用下蒸汽沿管内空隙上升至冷凝段，与较冷的管壁接触放出汽化潜热，冷凝成液体。在重力作用下，冷凝液态氮沿管壁流回蒸发段再吸热蒸发。如此往复循环，将地层中的热量传输到大气中，从而降低多年冻土的地温，以防止多年冻土发生融化，从而达到改善路基土体力学特征的目的。热管稳定青藏铁路冻土路基国家重大建设工程，也是世界上最著名的工程之一。青藏铁路格尔木至拉萨段全长1142公里，连续多年冻土区有547公里。冻土层冬季冻结夏季消融，建设于冻土之上的铁路会扭曲变形导致灾难。利用热管单向导热性，形成永久的冻土层，解决青藏铁路冻土变形最有效而经济的方法。6.1.6.3热管低温桩（形成永冻土）6.1.6.4热管太阳能集热器1.热效率高采用高性能选择性吸收涂层和高热导率传热条带，得热量大，热损失小，同样条件下集热量远高于其它形式的集热器；2.承压运行额定承压能力6kgf/cm2，特别适用于强制循环的大面积集热工程；3.冬季水更热管内不走水，启动迅速，全年运行，和全玻璃真空管相比，多得20—30%热水；4.夏季不过热不用反光板，防止夏季水温超高，风载小，不会因反光板性能下降而影响集热器效率；5.占地面积小真空管密排，集热器外型尺寸小，减少安装占地面积；6.安装维护方便铜套管干插式连接，安装方便，热管冷凝端不结水垢，无漏水隐患，局部维修不影响系统运行，避免了集热器内结水垢影响系统运行或一支管损坏整个系统瘫痪的现象。7.使用寿命长高效长寿命热管，严格的生产工艺控制，正常使用寿命15年以上。6.1.6.4热管太阳能集热器

热管主要应用于电力电子装置的散热系统：热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠，热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围6.1.6.5热管应用于电子领域296.2热泵2026/10/2716:53

所谓热泵（HeatPump），就是一种利用人工技术将低温转换为高温热能而达到供热效果的机械装置。热泵由低温热源（如周围环境的自然空气、地下水、河水、海水、污水、土壤等）吸收热能，然后转换为较高温热源释放至所需的空间（或其它区域）内。这种装置即可用作供热采暖设备，又可用作制冷降温设备，从而达到一机两用的目的。热泵机组装置主要有：

压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成。通过让液态工质(制冷剂或冷媒)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水中。6.2.1热泵主要装置蒸发器壳管式冷凝器蒸发器(Evaporator)：是输入冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；

冷凝器(Condenser)：是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；

6.2.1热泵主要装置压缩机(Compressor)：起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；6.2.1热泵主要装置膨胀阀(ExpansionValve)或节流阀(Throttle)：对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。6.2.1热泵主要装置按冷热源获取来源的种类分：热泵地源热泵空气源热泵复合热泵土壤源热泵水源热泵地下水源地表水源6.2.2热泵系统分类从压缩机的型式来看：有全封闭和半封闭活塞式压缩机、涡旋式压缩机、半封闭螺杆式压缩机等；按机组容量大小分：有别墅式小型机组和中大型机组；按机组结构来分：有整体式机组和模块化机组。按功能分：一般热泵机组、热回收机组、蓄冷热机组。6.2.2热泵系统分类热泵与常规太阳能产品比的优点1）产品适用温度范围在-10～40℃，范围广，不受阴、雨、雪等恶劣天气和夜晚的影响。2）可连续加热，与传统太阳能储水式相比，热泵产品可连续加热，持续不断供热水。3）运行成本低：阳光较好时，运行费用高于太阳能；在阴雨天和夜晚，热效率远远高于太阳能的电辅助加热。全年平均，常规太阳能辅助系统全年耗能比产品全年总耗能还要高出很多。4）安装方便：空气源热泵占地空间很小，外行与空调室外机相似。6.2.3热泵特点热泵产品与锅炉相比的优点：1）热效率高：产品热效率全年平均在300%以上，而锅炉的热效率不会超过100%。2）运行费用低：与燃油、燃气锅炉相比，全年平均可节约70%的能源。3）环保：热泵产品无任何燃烧排放物，制冷剂选用环保制冷剂，对臭氧层零污染，是较好的环保型产品。4）运行安全，无需值守：与燃料锅炉相比，运行绝对安全，而且全自动控制，无需人员值守，可节省人员成本。5）模块式安装，便于增添设备：产品采用多台机组并联的安装模式，当用户用水量增大时，可随时增添设备。6.2.3热泵特点热泵产品与液化气相比的优点1）安全：没有任何漏气、中毒、爆炸的事故发生。2）使用方便：要用热水时只需打开水笼头即可，没有液化气每次用水时都要开关阀门，要定时换气，要定时检查电池等烦恼。3）节省费用：热泵的热效率平均都在300%以上，而液化气只有75%。按成本计算下来使用热泵的成本只有液化气的1/3。6.2.3热泵特点

地源热泵是以地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太阳能和地热能分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。6.2.4地源热泵地源热泵图示6.2.4地源热泵按冷热源获取来源的种类分：地源热泵土壤源热泵水源热泵地下水源地表水源6.2.4地源热泵6.2.4.1土壤源热泵

土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。

1）垂直埋管--深层土壤

垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋管通常安装在地下50-150米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。垂直埋管是地源热泵系统的主要方式。

6.2.4.1土壤源热泵2）水平埋管--大地表层

在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻的液体，并与热泵相连。

水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化的影响。6.2.4.1土壤源热泵利用地球表面浅层水源（如地下水、地表的河流、湖泊和海洋）吸收的太阳能和地热能，并采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。6.2.4.2水源热泵水源热泵开放式水源热泵封闭式水源热泵地表水地下水地表水地下水抛管开放式水源热泵原理图示6.2.4.2水源热泵水源热泵的优点1）高效节能

水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。2）一机多用，应用范围广水源热泵系统可供暖、空调，生活热水3）节水省地不消耗水资源，不会对水源造成污染，节省建筑空间。4）属可再生能源利用技术，环保效益显著水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘。5）运行稳定可靠，维护方便水体的温度波动的范围远远小于空气的变动，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性；维护费用低，使用寿命长。6）符合国家政策，获得政策性支持

6.2.4.2水源热泵海水源热泵是一种以海水为换热源而设计和配置的热泵冷暖系统及装置，是热泵装置的一种不同的配置形式，只是所选择利用的换热源的不同。而其特殊之处，只是针对海水水质的不同而采用了不同材质的(耐腐蚀的)换热器(蒸发器和冷凝器)等其优势在于海水吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且海水的温度一般都比较稳定。如青岛气温-6℃时海水稳定在6℃。6.2.5海水源热泵其工作原理是将空气中的能量吸收，变成热量转移到水箱中，把水加热起来，同时把失去大量能量的低温空气释放到厨房，用于厨房制冷。空气在失去能量降低温度的同时，大量的水蒸气被冷凝，因而释放的冷气湿度大大降低，相当于具有除湿的效果。因此该产品集节能中央热水、厨房（卫生间）制冷、局部除湿功能于一体，大大挺高的产品的性价比和使用性能。6.2.6空气源热泵6.2.6空气源热泵空气源热泵的特点1）不受环境影响，一年四季可用；2）节能效果突出，投资回收期短；3）环保型产品，无任何污染；4）使用寿命长，运行费用低；5）运行安全，无人值守操作；6）模块化设计，安装方便。6.2.6空气源热泵526.3余热锅炉2026/10/2716:53HRSG是余热锅炉的缩写。余热锅炉是锅炉的一种，它主要是利用燃气轮机排气的余热产生蒸汽。产生蒸汽燃气轮机燃气轮机排气燃料空气给水536.3余热锅炉2026/10/2716:53在燃气轮机内做功后排出的燃气，仍具有比较高的温度，一般在540℃左右，利用这部分气体的热能，可以提高整个装置的热效率。通常是利用此热量加热水，使水变成蒸汽。蒸汽可以用来推动蒸汽轮机一发电机，也可用于生产过程的加热或供生活取暖用。利用燃气轮机排气的热量来产汽的设备，称为“热回收蒸汽发生器”，表明回收了排气的热量。我国习惯上称为“余热锅炉，并把燃气轮机的排气简称为“烟气”。546.3余热锅炉2026/10/2716:53“余热锅炉”通常是没有燃烧器的，如果需要高压高温的蒸汽，可以在“余热锅炉”内装一个附加燃烧器。通过燃料的燃烧使整个烟气温度升高，能够产生高参数的蒸汽。例如某余热锅炉不装燃烧器时，入口烟气温度为500℃，装设附加燃烧器后，可使入口烟气温度达到756℃。蒸汽的压力可以从4MPa升到10MPa，蒸汽的温度可以从450℃升到510℃，蒸汽可以供高温高压汽轮机用，从而增加了电功率输出。556.3余热锅炉2026/10/2716:53余热锅炉应用领域:热电联产为工厂提供工艺用汽；联合循环电厂为蒸汽轮机提供蒸汽。566.3.1余热锅炉与普通锅炉的区别2026/10/2716:53余热锅炉主要是利用燃气轮机排气作为热源，因此不需要燃烧系统(除非有补燃要求)。余热锅炉不用风机(通风来自于燃气轮机的排气)。余热锅炉可在多压状态下产生蒸汽提高了热回收效率。对流热交换而不是辐射热交换。余热锅炉不采用膜式水冷壁结构。余热锅炉采用翅片管提高传热效率。576.3.1余热锅炉与普通锅炉的区别2026/10/2716:53余热锅炉常规电站锅炉586.3.2余热锅炉组成2026/10/2716:53典型典型余热锅炉断面图596.3.2余热锅炉组成2026/10/2716:53通常余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器以及联箱和汽包等换热管组和容器等组成，在有再热器的蒸汽循环中，可以加设再热器。在省煤器中锅炉的给水完成预热的任务，使给水温度升高到接近饱和温度的水平；在蒸发器中给水相变成为饱和蒸汽；在过热器中饱和蒸汽被加热升温成为过热蒸汽；在再热器中再热蒸汽被加热升温到所设定的再热温度。606.3.2余热锅炉组成2026/10/2716:53616.3.3余热锅炉主要特性参数2026/10/2716:531）热端温差

热端温差是指换热过程中过热器入口烟气与过热器出口过热蒸汽之间的温差。降低热端温差，可以得到较高的过热度，从而提高过热蒸汽品质。但降低热端温差，同时也会使过热器的对数平均温差降低，也就是增大了过热器的传热面积，加大了金属耗量。大量计算表明，当热端温差选择在30～60℃范围内，是比较合适的。626.3.3余热锅炉主要特性参数2026/10/2716:532）节点温差

节点温差也叫窄点温差，是换热过程中蒸发器出口烟气与被加热的饱和水汽之间的最小温差。当节点温差减小时，余热锅炉的排气温度会下降，烟气余热回收量会增大，蒸汽产量和汽轮机输出功都随之增加，即对应着高的余热锅炉热效率，但平均传热温差也随之减小，这必将增大余热锅炉的换热面积。显然，是不允许等于零的，否则，余热锅炉的换热面积将为无穷大，这是不现实的。此外，随着余热锅炉换热面积的增大，燃气侧的流阻损失也将增大，有可能使燃气轮机的功率有所减小，导致联合循环的热效率有下降的趋势。636.3.3余热锅炉主要特性参数2026/10/2716:533）接近点温差

接近点温差是指余热锅炉省煤器