化工过程节能原理与技术 第5章化工单元过程与设备的节能-第6章新型节能设备及方法课件

第五章化工单元过程与设备的节能2026/10/2820:151兰州炼油厂2026/10/2820:152大庆炼油厂2026/10/2820:1534炼油化工2026/10/2820:155主要内容5.1流体流动及流体输送机械5.2换热5.3蒸发5.4精馏5.5干燥5.6反应

2026/10/2820:1565.1.1直管内流体流动

流体流过管道、设备时克服摩擦阻力有流体阻力降，造成Ex损失。化工厂中消耗的动力，大都直接用于弥补这项损失，如风机、泵、压缩机等。

这种损失可以理解为，为了推动过程进行所必须付出的Ex代价。但并不意味着完全合理，应当运用热力学和传递过程原理进行分析，找出其变化规律，进行合理的管径及流速设计。5.1流体流动及流体输送机械2026/10/2820:157应用稳流体系热力学第一定律：dH=0根据能量微分关系式dH=TdS+VdP则5.1.1直管内流体流动

无论对于液体或气体，在绝热稳流过程中相对密度变化不大，因此V视为不变。则2026/10/2820:158可见Ex损失与T0/T成正比，当流体阻力降和体积流量不变时，流体温度愈低（T

）则Ex损失愈大。因此，对低温流体更应注意保温减少Ex损失。

减少阻力降（ΔP

）：尽可能减少管道上的弯头、缩扩变化、阀门与管件数量、选择最佳管径和经济流速等，以减少Ex损失。

5.1.1直管内流体流动2026/10/2820:159在上式中引入范宁摩擦因子f:5.1.1直管内流体流动

式中L-管长，ρ-流体密度，u-流速，D-管径。可见各物理参数对Ex损失的影响，还可针对不同的流动状态及几何条件对上式作近一步分析。2026/10/2820:1510综上：

直管Ex损失与流体的绝对温度T

成反比。高温流体输送时要加强保温，但是低温流体输送时更应注意保温。直管Ex损失与压降ΔP

成正比。因此流体在在管道上流动时尽量减少局部阻力降。直管Ex损失与流速平方u2

成正比。应合理选择适宜流速，寻求最经济的管径。5.1.1直管内流体流动2026/10/2820:15流体流动过程中适当加大管径可减少局部阻力损失。（×）11

化工管道中的缩扩变化、各种调节阀门、限流孔板、高压流体的泄压或排放等，均属节流过程。节流过程是等焓的，在压力降低的同时，温度也变化。将Ex损失对压力求偏导5.1.2节流流动因为代入上式作为理想气体，对上式积分对于不可压缩性流体，V

视为常数，则2026/10/2820:1512由以上各式可见：

节流过程的Ex损失随压力的变化率，正比于流体的流量V，故气体或蒸汽的节流比液体节流Ex损失大得多。

节流过程的Ex损失随压力的变化率，正比于T0/T，即环境温度一定时，流体温度越低Ex损失越大，在T<T0时（制冷过程的低温管道）尤甚。节流过程的Ex损失，正比于压力差

ΔP。5.1.2节流流动2026/10/2820:15135.1.2节流流动对于理想气体，节流过程的Ex损失正比于压力比。因此，气体低压下的节流也应注意Ex的回收。如0.2-0.1MPa与10-5MPa压力间的节流，Ex损失是相同的。由于摩差阻力造成的压力降和Ex损失可按节流过程来分析计算。2026/10/2820:1514

近年来，为了减少流体流动过程的不可逆损耗，采用添加某些高分子聚合物作为减阻剂的研究和应用，也受到了人们的重视。添加减阻剂可降低流体流动过程的阻力降，减少泵的功耗。应用减阻剂两个突出的特点：一是减阻剂添加量少，通常只需输送流体量的万分之几以下；二是减阻效果显著，可使管路的沿程阻力降减少50%以上。因此节能潜力较大。5.1.3减阻剂的应用2026/10/2820:1515

在流体中添加微量减阻剂，可改变流动时的摩擦系数（λ）-雷诺数（Re）关系。典型的关系曲线如下图。5.1.3减阻剂的应用10324681042468105240.100.040.020.010.007Reλ/4层流线最大减阻线

纯溶剂线ⅠⅡⅢ2026/10/2820:1516

不同减阻剂的减阻效率差别很大，高效的减阻剂只要添加百万分之几就能达到百分之几十的减阻效果。因此，减阻剂的选择很重要。高效减阻剂都是高分子聚合物，并具有以下特性：在输送的流体中具有良好的溶解性；有很大的分子量，通常达106-107数量级；具有柔性的线性分子结构；在流动过程中具有良好的抗机械降解性；对输送流体的使用无不良影响。5.1.3减阻剂的应用2026/10/2820:1517几种高效减阻剂适用流体类别减阻剂品种水相流体聚丙烯酰胺聚氧乙烯胍胶油相流体聚异丁烯聚辛烯-1氢化聚异戊二烯长链α-烯烃共聚物5.1.3减阻剂的应用2026/10/2820:15185.1.3减阻剂的应用减阻的概念早在20世纪40年代就已经提出。20世纪初美国纽约的消防队员曾使用水溶性聚合物增加排水系统的流量。1948年Toms在第一届国际流变学会议上发表了第一篇有关减阻的论文，文章指出，以少量的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于氯苯中，摩阻可降低约50%，因此，高聚物减阻又称为Toms效应。

20世纪60年代末，美国Conoco(康诺克)公司研制成CDR-101型减阻剂，1972年取得专利，1977～1979年间首次商业化应用于原油管道，1984年正式在成品油管道上应用。1983年，美国AtlanticRichfieldco(大西洋富田)公司研制出Arcoflo减阻剂产品，加入5ppm即可达到20%的减阻效果。

减阻聚合物的生产条件很难控制，国际上只有极少数公司垄断了这项技术，其代表是美国的Conoco(康诺克)公司和BakerHughes（贝克休斯）公司，他们的产品基本上代表了目前世界上减阻剂生产工艺的最高水平和发展方向。

2026/10/2820:15195.1.3减阻剂的应用1982年，我国浙江大学开始国产减阻剂的开发和试验工作，1985年进行了EDR型减阻剂的试生产，并在国内原油管道上进行了中型试验，产品性能已达到国外70年代初期水平。1984年，成都科技大学也发表了PDR型减阻剂的研制成果，以上两校的试验，都曾采用过柴油和煤油等成品油。近年来，中国石油管道公司管道科技研究中心开展了减阻剂的研究工作，并取得了成功，其EP系列减阻剂产品的性能已经达到国际同类产品的水平。2026/10/2820:1520

减阻剂在强剪切力作用下会发生不可逆的降解破坏，因此用于管路系统时，减阻剂通常都在流体输送泵后再注入管道与流体混合。最常用的方法先把减阻剂配成浓溶液（10%左右），再用计量泵按所需比例注入管道。如果用于搅拌系统，则可直接加入容器中。减阻剂应用领域十分广泛，与化工过程有关的主要有以下几类：5.1.3减阻剂的应用油品的输送原油从油田或码头到炼油厂的输送以及成品油从炼油厂到用户的输送是减阻技术的重要应用领域。最早使用减阻剂的是美国阿拉斯加管线，每天加入约44Kg的减阻剂，节省了一台393KW的输送泵，每天节电9400KW·h。对世界各地的20条输送各种汽油、柴油、燃料油、原油的工业管线统计，使用减阻剂后，平均减阻达37.2%。2026/10/2820:15212.工业用水的输送用于加热及冷却的工业用水，据报道，在两条分别长为5km和7km的热水输送管道上的试验表明，加入0.0044%的减阻剂可使阻力减小20%以上，并对传热过程无不良影响。3.污水输送工业或生活污水使用管道输送到集中式污水处理厂时，在污水中添加减阻剂可大大减少输送能耗。5.1.3减阻剂的应用4.生化反应器的搅拌在发酵罐或污水曝气池一类慢速生化反应器中使用减阻剂，可节省搅拌功率，而不会影响反应过程的速率。5.流体喷嘴在液体喷嘴或射流喷嘴系统中应用减阻剂，可在不增加功率的情况下显著提高射流速度，从而提高泵的效率或增加射流的工作能力。固体物料的水力输送如水煤浆、矿浆、粉煤灰、灰渣等的水力输送，在固体悬浮液中加入减阻剂不仅能降低输送能耗，而且还能增加悬浮液的稳定性。2026/10/2820:1522应用范围：农业、矿山、冶金、石化、化工等。能耗：全国电耗中泵耗占21%，风机大于10%；

100万kw的发电厂，泵、风机耗电占全厂耗电量的5-10%。

钢铁厂，泵、风机耗电量占全厂耗电量的48%；

煤矿，据淮南、北票、本溪、抚顺等矿务局的统计，泵与风机平均耗电量占总用量的64.4%；

石油化工和炼油厂中占总量的70-80%。5.1.4流体机械2026/10/2820:15235.1.4流体机械2026/10/2820:15245.1.4流体机械2026/10/2820:15255.1.4流体机械2026/10/2820:15回转式压缩机类型2026/10/2820:1526回转式液体泵类型2026/10/2820:15272026/10/2820:15282026/10/2820:152930目前泵使用中存在主要问题：

流体机械性能：改善效率、提高可靠性、扩大高效稳定运转范围等已付出了巨大的努力，不能期望今后有大的突破。选型匹配。设计者选泵时考虑到管路阻力、流量变化等因素，考虑裕量过大，使设备处于低效区工作。

调节方法简单。运行中用关小调节法调流量。管路系统设计不完善。增加局部阻力。

管理不善、维修不及时、泄漏。

石油化工行业应着重从以上几方面考虑降低能耗。5.1.4流体机械考虑裕量，设备容量大；运行中关小调节阀调节2026/10/2820:155.1.4流体机械2026/10/2820:153132泵的工作范围与选择

泵的选择：安全、可靠、经济运行——最佳工作范围。

1.泵的工作范围在一定的转速下，离心泵的扬程、轴功率、效率、流量间的关系——泵的特性曲线表示。线上每一点对应着一工况，泵的最高效率点的工况是泵运行的最理想设计工况。5.1.4流体机械η%HQΔηη2η112泵的工作范围ABCD设计点1-叶轮直径未切割的H-Q线；2-叶轮在允许切割范围内经切割后（或改变转速后）的H-Q线；η

1，η2-等效率曲线。工作范围-效率下降不大于7%（一般5-8%）为限。2026/10/2820:15332.管路性能曲线与工作点即吸入容器1与压出容器2间的所需总能量=高度差+压头差+沿程局部阻力损失QH0泵运转工作点L=f(Q)H=f(Q)MAB5.1.4流体机械2026/10/2820:1534M-泵运转工况点，即泵的特性曲线与管路特性曲线的交点，应在泵的工作范围区ABCD内。由于管路输送条件的不同，一般离心泵不可能正好在最佳工作点运行，应在不低于最高效率7%范围内运行。5.1.4流体机械2026/10/2820:15η%HQΔηη2η112泵的工作范围ABCD设计点H—Q曲线与L—Q曲线交点3.工况调节：改变离心泵的工作点。一、改变管路特性泵性能曲线不变！

改变管路局部损失→改变管路特性曲线斜率→交点（工作点）改变。⑵旁路调节⑴出口管路节流调节⑶管路静特性变化时，管路特性上下移动，也可以达到调节目的，吸排液罐中压力及液位变化。5.1.4流体机械2026/10/2820:1535图1-67出口节流调节出口节流调节流量Q1时，管路中的流动损失为h=k1Q12，流量Q2时，管路中输送液体的流动损失为k1Q22，总的流动损失为k2Q22，所以节流损失为k2Q22-k1Q22效率低，节流调节不经济5.1.4流体机械2026/10/2820:1536旁路调节类似分支管路，将排出的液体引回吸液灌，以此调节泵的排液量。旁路阀关闭，工作点为M1，旁路阀全开，工作点为M1管特性，主管（h-Q）12管特性，调节管（h-Q）2管1、2是并联，同扬程流量相加得（h-Q）旁路中的流量白白浪费了功耗，不经济5.1.4流体机械2026/10/2820:15375.1.4流体机械二、改变泵的性能曲线⑶串联、并联改变泵特性曲线⑴改变工作转速n调速范围广、平滑，工作相对稳定性好，操作方便⑵切割叶轮外径D2改造成本低、泵结构变化小QH0L=f(Q)H=f(Q)M2026/10/2820:1538流量调节方式选择5.1.4流体机械转速调节：负荷变化频繁且负荷变化大切割叶轮调节：调节幅度大、时间长的季节性调节阀门调节：负荷变化频繁但负荷变化不大2026/10/2820:1539405.2换热化工生产中换热的目的在于：控制化学反应过程在一定的温度下进行；加热与冷却，使物料达到指定的温度；换热，以回收利用热量；保温，以减少热损失。2026/10/2820:15415.2.1传热节能的理论基础Ex的利用与损耗是评价换热过程经济性的重要指标。对于稳定传热过程，换热量为Q，则Ex损失：dE=T0（dSl+dSh）传热过程的Ex损失为：高温流体T1换热器T4T2低温流体T3根据热力学第一定律：Q=dHl=-dHhdHl、dHh：冷、热流体焓变ThdSh=dHh-VhdphTldSl=dHl-VldpldH=TdS+Vdp2026/10/2820:15425.2.1传热节能的理论基础传热过程的Ex损失为：传热Ex损失流动Ex损失传热Ex损失流动Ex损失Th>TlδQ>0传热Ex损失>0dph<0dpl<0流动Ex损失>0dE>0换热过程Ex损失不可避免，为不可逆过程2026/10/2820:15435.2.1传热节能的理论基础忽略流体压降，传热过程的Ex损失为：传热过程的Ex效率：Ex损失愈大，Ex效率愈小，能量的降级愈大。传热过程的温差愈大，Ex损失愈大。减小传热温差，会降低传热速率，就必须提高K。Ex损失与冷热流体热力学温度乘积成反比。为了减少Ex损失，首先要设法减少传热温差，其次不同温位下的传热应取不同的传热温差。2026/10/2820:15445.2.1传热节能的理论基础减少传热过程的Ex损失主要考虑降低传热温差△tm保持一定的传热速率增大换热面积A增大传热系数K投资费用增加，摩擦损耗增加逆流换热增大流速强化传热流动阻力迅速增加，流动损失增加；运行费用上升换热器优化：兼顾传热与流动损失，兼顾节能与投资2026/10/2820:1545Ex损失是衡量换热器节能与经济效益的重要指标之一。对给定的换热器，传热面积一定，为满足一定工艺热负荷要求，所需传热温差为：5.2.2换热器的节能与效益换热过程中不同热载体温度的Ex损失Q为换热器的热负荷，kJ/h或kw；W为流体的质量流量，kg/h；cp为流体平均定压比热容，kJ/(kg.K)；T’为冷流体的温度，K。2026/10/2820:1546逆流换热器：对所需的传热温差，各温度可相互推算，不同的热载体温度（T1、T2），Ex损失不同。因此，生产上既要满足工艺要求，又应使Ex损失最小。如一工艺物料，从00C预热至1000C，维持传热温差50K，不同温度热载体Ex损失如下表：5.2.2换热器的节能与效益热流量（相对值）Ex损失(相对值)010020020500.560.135010017531500.690.126010015050501.000.125010012588502.700.1420100120100505.000.15选用1500C~500C的载热体最节能，因为传热过程的Ex损失最小。2026/10/2820:1547对于温度为T1的热流体，在换热过程中存在着最经济的排出温度T2。热流体可提供的热量:若用平均温度计算Ex，则：5.2.2换热器的节能与效益经济排热温度：QTT1T2t1t2△△逆流换热器假设传热温差为△，则流体的平均温度：2026/10/2820:1548则Ex的计算可写成：5.2.2换热器的节能与效益单位热容量流率的Ex为：单位热容量流率的传热面积为：假设余热回收中Ex的单价为k1，设备折旧费单价为k2，则该换热器的净收益为：2026/10/2820:1549上式对T2求偏导：5.2.2换热器的节能与效益整理得：令,得最适宜的排放温度：上式表明：当能量费用k1愈大，设备折旧费用k2愈小时，则排放温度T2愈低。故排放温度，应根据具体情况综合予以考虑。2026/10/2820:1550稳定传热过程：可见要提高传热速率：提高传热系数；增大换热面积；增大传热平均温差。5.2.3传热节能方法和措施2026/10/2820:1551增大传热平均温差逆流操作传热平均温差最大。但温差增大，Ex损失增大。适宜的传热温差，视情况而定。采用逆流操作，若换热介质流量一定，则可以节省传热面积，减少设备费；若传热面积一定，则可减少换热介质的流量，降低操作费，因而工业上多采用逆流操作。5.2.3传热节能方法和措施2026/10/2820:1552对于洁净的换热器：第二项与管子的材料有关，对于金属管，管壁的热阻可忽略不计。主要是增大管壁两侧的对流传热系数α1与α2

。提高传热系数采用肋片管、螺纹管、波纹管、板式换热器、板肋式换热器等。5.2.3传热节能方法和措施2026/10/2820:1553改进工艺装置、提高燃料的热利用率采用热—电联合装置；改进工艺，提高热能利用率；如由三效改为四效蒸发、单效改多效蒸馏、精馏系统利用热泵等。5.2.3传热节能方法和措施2026/10/2820:1554热量充分回收利用有效利用工厂中大量低位热能据统计化工企业所消耗总热量的80%左右，最终以低品位热能形式排放，如：预热物料（精馏顶、侧、底产品的显热及潜热）、预热锅炉给水（烟道气）。作为干燥过程的热源；作为溴化锂制冷的热源；5.2.3传热节能方法和措施充分利用化学反应热如：硫酸厂废热锅炉、甲醇氧化制甲醛、氨合成余热锅炉2026/10/2820:1555减少热量传输过程中的热损失减少设备、管道的热损失。一根一米长裸露的四英寸的蒸汽管道，每小时将冷凝2-5kg蒸汽。5.2.3传热节能方法和措施散热量散热Exergy损保温层越厚，保温效果越好，散热损失越小，但成本越高。2026/10/2820:15565.2.3传热节能方法和措施减少换热器的压降损失，降低动力消耗。

要合理选择流体流速。加强企业管理，杜绝跑、冒、滴、漏。采用新型高效的传热元件与传热设备目的：减少传热面积、提高换热能力、维持较小的传热温差。2026/10/2820:15575.3蒸发蒸发是浓缩溶液的化工单元操作。在工业上采用加热沸腾的方法使含有不挥发性溶质的稀溶液中的部分溶剂汽化从而获得浓缩溶液。蒸发操作的主要目的：1）获得浓缩的溶液作为产品或半产品，以利于储运或加工利用；2）得到近饱和状态的浓缩液以便于进行后续的结晶操作；3）脱除溶剂中的杂质，制取较纯的溶剂组分。2026/10/2820:15585.3蒸发2026/10/2820:15蒸发是消耗大量热能的过程，对这一过程从热力学角度进行分析，不仅从数量上而且从质量上研究能量的利用与转换，以便指导节能工作。5.3蒸发2026/10/2820:1559605.3.1蒸发过程的热力学分析加热蒸汽D、T、H原料液F、X0、t0、h0冷凝水完成液（F-W）、X1、t1、h1热损失QL二次蒸汽蒸发室加热室W、T’、H’D、T、h2026/10/2820:15=对单效蒸发作热量衡算：61蒸发器热负荷：r—蒸汽汽化潜热，kJ/kg；r‘—二次蒸汽汽化潜热，kJ/kg。

从上式可见，消耗的热量用于以下三个方面：①使原料升温到沸点t1②供给产生二次蒸汽所需的汽化潜热③热损失。2026/10/2820:155.3.1蒸发过程的热力学分析忽略溶液浓缩热，焓值可近似由比热容值计算：62对于单效蒸发：蒸发器保温不良；加热蒸气冷凝水带出热量；完成液带出热量；二次蒸汽带走的热量。2026/10/2820:155.3.1蒸发过程的热力学分析二次蒸汽温度、压力低于加热蒸汽，但仍有较大的利用价值。传热需要一定的温差作为推动力，所以溶液汽化温度低于加热蒸汽的温度；在一定的压力下，溶质的存在导致溶液沸点升高。蒸发操作是高温位的蒸汽向低温位转化，既需要加热也需要冷却。较低温位的二次蒸汽的利用决定了蒸发操作的经济性。63比较蒸发器的性能时，用生产强度作为比较标准：指单位传热面积上单位时间内所蒸发的水(溶剂)量。若沸点进料，并忽略热损失，则△t—加热蒸气温度与溶液沸点之差(T-t)2026/10/2820:155.3.2蒸发器节能分析可见，要提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的传热温差和总传热系数。642026/10/2820:15根据Ex的分析：可见温差越大，不可逆性越大，Ex损失越大。因此必须设法提高传热系数，通过经济分析探索最佳的温差。增大传热温差提高热源温度：提高加热蒸汽压力降低溶液沸点：降低冷凝器压力受现场条件限制，且不经济真空装置功耗增加，且沸点降低，粘度增加，传热系数降低5.3.2蒸发器节能分析65

提高蒸发器生产强度U的途径，主要应是提高总传热系数K。总传热系数取决于传热壁面两侧的对流传热系数和污垢热阻。蒸发过程强化传热：为了节约蒸发过程能耗，必须减少蒸发器中所需的传热温差，就必须设法强化有相变过程的沸腾和冷凝传热。2026/10/2820:15传热壁面两侧的对流传热系数:溶液性质、蒸发器结构、沸腾传热形式及操作条件污垢热阻:加快溶液循环速度、定期清洗污垢、加入阻垢剂阻止和减缓污垢产生5.3.2蒸发器节能分析66

近年来，在乙烯分离、天然气液化、海水淡化、深冷等行业中都在探索新型、高效的蒸发器冷凝器，特别要求在低温差（△t=2-30C）下仍能具备较高的传热系数，以实现低能耗的目的。内外纵槽管总传热系数比光管提高2-3倍。纵槽管在冷凝侧的管子表面开有纵槽，冷凝液沿槽下流，能将冷凝液从冷凝面及时排除，使传热面上的液膜减薄（光管上从上到下液膜厚度逐渐增加），管子从上到下热阻都很小，冷凝传热系数有较大提高。适用于低温差，主要用于有机物蒸汽的冷凝，如异丁烷冷凝时，有效温差△t=1.3-5.00C。冷凝传热系数提高4-6倍，只适用于立式冷凝器。2026/10/2820:155.3.2蒸发器节能分析67表面多孔管。为了提高低温差下的沸腾传热系数，在普通金属管内表面或外表面上加上一薄层多孔金属，多孔层一般为0.25-0.38mm厚，孔径0.01-0.1mm，孔隙率65%左右。沸腾传热效果好，传热系数比一般光管提高10倍以上，强化效果十分显著。2026/10/2820:15添加表面活性剂减小流体阻力来强化传热。表面活性剂降低了相介面间的张力，具有润湿、乳化、分散、柔软、平滑等性能。加入表面活性剂的优点：管内沸腾传热系数增大，可采用较小的温差；另一优点是加热面覆盖了一薄层表面活性剂，可阻止污垢黏附在壁面上，使沸腾侧的壁面不生成垢层，保持清洁，强化传热。5.3.2蒸发器节能分析68蒸发过程的节能途径：浓缩液余热的利用；加热蒸汽冷凝水的利用；二次蒸汽的再压缩；采用多效蒸发流程；额外蒸汽的引出；选择高效的蒸发器。2026/10/2820:155.3.3蒸发过程的节能途径二次蒸汽热损失加热蒸汽原料液冷凝水完成液蒸发室加热室692026/10/2820:151)多效蒸发器多效蒸发：将几个蒸发器串联运行的蒸发操作，使蒸汽热能得到多次利用，从而提高热能的利用率，多用于水溶液的处理。在三效蒸发操作的流程中，第一个蒸发器（称为第一效）以生蒸汽作为加热蒸汽，其余两个（称为第二效、第三效）均以其前一效的二次蒸汽作为加热蒸汽，从而可大幅度减少生蒸汽的用量。每一效的二次蒸汽温度总是低于其加热蒸汽，故多效蒸发时各效的操作压力及溶液沸腾温度沿蒸汽流动方向依次降低。702026/10/2820:151)多效蒸发器①并流加料溶液和二次蒸汽同向依次通过各效。由于前效压力高于后效，料液可借压差流动；同时后效沸点降低，溶液自前效进入后自蒸发，因而可以产生更多二次蒸汽。但末效溶液浓度高而温度低，溶液粘度大，因此传热系数低。712026/10/2820:151)多效蒸发器722026/10/2820:151)多效蒸发器②逆流流程溶液与二次蒸汽流动方向相反。需用泵将溶液送至压力较高的前一效。各效溶液的浓度和温度对粘度的影响大致抵消，各效传热条件基本相同。732026/10/2820:151)多效蒸发器③平流流程二次蒸汽依次通过各效，但料液则每效单独进出，这种流程适用于有晶体析出的料液。742026/10/2820:151)多效蒸发器2026/10/2820:1575762026/10/2820:151)多效蒸发器在生蒸汽温度与末效冷凝器温度相同（即总温度差相同）条件下，将单效蒸发改为多效蒸发时，蒸发器效数增加，生蒸汽用量减少，但总蒸发量不仅不增加，反而因温度差损失增加而有所下降。多效蒸发节省能耗，但降低设备的生产强度，因而增加设备投资。在实际生产中，应综合考虑能耗和设备投资，选定最佳的效数。烧碱等电解质溶液的蒸发，因其温度差损失大，通常只采用2～3效；食糖等非电解质溶液，温度差损失小,可用到4～6效；海水淡化所蒸发的水量大，在采取了各种减少温度差损失的措施后，可采用20～30效。772026/10/2820:152)二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发器）782026/10/2820:152)二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发器）在单效蒸发的基础上将蒸发室内蒸出的低压低温的二次蒸汽经热泵压缩（蒸汽动力压缩、机械压缩）成为较高压力、较高温度的蒸汽并送回加热室与浓缩液进行换热，被压缩后的较高温度及较高压力的二次蒸汽被浓缩液冷凝变成冷凝水排出，同时浓缩液被压缩后的二次蒸汽加热继续蒸发。仅使用了少量的机械能即可将全部的二次蒸汽变成可回用的蒸汽源，从而使蒸发过程持续进行，而无需对外部蒸汽的依赖。

792026/10/2820:152)二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发器）

DTB型结晶器是60年代出现的一种效能较高的结晶器，首先用于氯化钾的生产，后为化工、食品、制药等工业都门所广泛采用。经过多年运行考察，证明这种型式的结晶器性能良好，能生产较大的晶粒（粒度可达0.6～1.2mm），生产强度较高，器内不易结晶疤。它已成为连续结晶器的主要形式之一，可用于真空冷却法、蒸发法、直接接触冷冻法及反应法的结晶操作。机械压缩热泵蒸发消耗了电能，适用于蒸发沸点升高不大的溶液的浓缩，优化后的机械压缩热泵蒸发系统年度总成本介于三效和四效之间。2026/10/2820:15802)二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发器）2026/10/2820:15812)二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发器）2026/10/2820:15822)二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发器）2026/10/2820:15832)二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发器）蒸汽动力压缩热泵蒸发利用少量的高压蒸汽将部分二次蒸汽压缩并混合在一起后进入加热室作为加热蒸汽使用。蒸汽动力压缩热泵蒸发系统能量利用率较低，介于二效和三效之间。结构简单、费用低廉，消耗蒸汽而不消耗电，因此可以在投资较小的前提下取得较大的节能效果和经济效益，因而应用较多。2026/10/2820:15843)额外蒸汽的引出某些场合将多效蒸发器中的某一效的二次蒸汽引出一部分，作为其他换热器的热源，这部分被引出的蒸汽被称为额外蒸汽。只要二次蒸汽的温位能够满足其他加热设备的需要，引出额外蒸汽就是有利的，而且引出额外蒸汽的效数越往后移，生蒸汽利用率越高。2026/10/2820:15854)冷凝水热量的利用冷凝水排出加热室后可直接利用显热预热料液，也可利用自蒸发方式回收潜热。86指膜的一侧是混合液体，经过选择性渗透进入膜的另一侧汽化，由于采用真空操作，汽化的蒸汽不断被引出冷凝，从而达到分离的目的。由于膜分离技术，省却了加热汽化操作，所以是一种节能的分离技术。适用性：主要是目标分子大小近似的混合物，如水-乙醇、苯-环己烷；沸点相近的有机物系统，如共沸混合物、异构体混合物、旋光异构体混合物等。2026/10/2820:155)高效蒸发器：渗透蒸发膜分离技术优点：过程单纯、选择性高、节能、流程短。膜：无孔活性层的非对称膜、复合膜、均质膜。872026/10/2820:155.4精馏简单蒸馏就是在蒸馏釜中装入一定量的混合液，在一定压力下，利用间接饱和水蒸气加热到沸腾，使混合液的易挥发组分得以部分汽化的过程。简单蒸馏只能使混合液部分分离，在工业生产中一般用于混合液的初步分离（粗分离），或用来除去混合液中不挥发的物质。精馏操作就是利用液体混合物在一定压力下各组分挥发度不同的性质，在塔内经过多次部分汽化与多次部分冷凝，使各组分得以完全分离的过程。精馏是分离互溶液体混合物的最常用方法，也是化工操作中最大的耗能操作，如原油精馏燃料消耗占全厂的15%-40%。精馏系统能量利用率低，95%左右被塔顶冷凝器的冷却水带走，能量利用率仅5%左右。882026/10/2820:155.4精馏892026/10/2820:155.4精馏t<130℃130℃~250℃250℃~350℃~350℃蜡油350℃~520℃渣油>520℃2026/10/2820:15905.4精馏912026/10/2820:15连续精馏装置示意图精馏段提馏段1－精馏塔2－再沸器3－冷凝器5.4精馏922026/10/2820:155.4.1精馏过程能量消耗分析精馏过程为不可逆过程，不可逆性导致Ex损失：1）不同温度物流间的传热；2）不同浓度物流间的传质；3）物体流动阻力造成的压力降。x-y相图中平衡线与操作线的距离反映了塔内传热传质过程的不可逆程度。操作线越靠近平衡线，精馏过程不可逆损失越小，所需要的能量就越少，单所需塔板数增加，投资增大。减少精馏过程不可逆损失需要减小压差、温差和浓度差，但上述推动力是实现精馏过程不可缺少的。精馏塔的节能必须综合考虑能量利用、操作费用、设备费用等因素来制定切实可行的措施。精馏过程不可逆损失932026/10/2820:155.4.1精馏过程能量消耗分析QFQDQWQRQlQB精馏塔以热力学第一定律为基础，对体系作热量衡算：其中：QB与QR为再沸器与冷凝器的热负荷；QF、QD与QW为原料液、塔顶馏出液及塔釜产品所含有的热量；Ql为散失于环境的热损失。精馏过程节能降低再沸器加热量QR

、QD与QW热量回收减小热损失942026/10/2820:155.4.1精馏过程能量消耗分析再沸器的热负荷：假设塔顶为全冷凝器，且原料液为沸点进料，忽略原料液与出料液间的温度差异，并忽略热损失，则上式表明，再沸器所消耗的热量与塔顶蒸汽冷凝所带走的热量相等，似乎Ex并没有损耗。但实际两者温度并不相同，则Ex不相等。若塔顶冷凝器温度为T1，塔底再沸器供热温度为T2（高），若不计塔内流体阻力，则Ex损失为：952026/10/2820:155.4.1精馏过程能量消耗分析综上可得到如下结论：提高原料液的焓值或采用汽相进料，如沸点进料，可减小塔底再沸器的热负荷，减少蒸馏过程对能耗的需求；塔底产品（塔顶产品）、再沸器蒸汽冷凝液温度均较高，可再利用其显热，减少能耗；塔顶冷凝器中相变潜热，是主要能量损失项。充分利用这部分潜热在节能中有明显的效果和良好的经济效益。962026/10/2820:155.4.2精馏塔节能方法(1)热量充分回收利用：据调查炼化企业，小于1000C的余热占57%，1200C-2000C的占37%，大于2000C的占6%。一般1500C以下的低温余热占一半以上，如何加以利用是值得研究的。(2)减少蒸馏过程所需能耗：在很大程度上取决于回流比大小，可能的条件下，尽量减少操作回流比。(3)严格控制产品的质量规格：不盲目的追求高纯度。如一座70块塔板的精馏塔，塔顶轻组分从98%提高到99%，塔底重组分从99.6%到99.7%，则能耗增加8%。再如丙烷-丙烯混合物的精馏操作，生产99.9%及99.7%的产品比生产99.5%的产品能耗分别增加36%及10%。(4)精馏装置的技术改造：选择高效塔板、高效填料，合理的结构参数和操作参数，强化相间传质过程，提高系统的分离效率等；精馏系统精心设计，使分离效率最高、流体力学性能最好、操作处于最佳状态；精确测量、计量及计算机程序控制，一般疏水器容易失灵，如果采用液位指示控制的冷凝水槽代替疏水器，效果较好。(5)采用精馏节能新技术：中间加热-冷却精馏。可改变精馏过程的操作线，合理分布塔内传质传热推动力，减少过程的不可逆性。如采用中间再沸器、多效精馏、热泵技术。975.4.2.1低温余热回收利用5.4.2.2预热进料5.4.2.3多效精馏5.4.2.4热泵精馏5.4.2.5增设中间再沸器和中间冷凝器5.4.2.6多股进料和侧线出料5.4.2.7热偶精馏5.4.2.8减小回流比5.4.2.9S.R.V蒸馏5.4.2.10其他精馏技术2026/10/2820:155.4.2精馏塔节能方法982026/10/2820:155.4.2.1低温余热回收利用塔顶蒸汽、塔底釜液、侧线馏分余热回收利用：（1）利用余热预热原料液

利用塔釜产品、塔顶蒸汽及蒸汽冷凝水和侧线馏分的余热来预热原料液，以提高进料温度。（2）利用冷凝水闪蒸产生低压蒸汽

再沸器消耗大量蒸汽，随之产生大量冷凝水，将冷凝水减压，自蒸发产生的低压蒸汽可供作其他热源使用。（3）塔釜液减压闪蒸回收热量

利用塔釜液的自蒸发作用回收热量。992026/10/2820:155.4.2.1低温余热回收利用塔顶蒸汽、塔底釜液、侧线馏分余热回收利用：（4）塔顶蒸汽潜热的回收利用将塔顶冷凝器用作蒸汽发生器，回收塔顶蒸汽的潜热，回收的低压蒸汽可作为补充蒸汽供作热源使用（5）一个塔的塔顶蒸汽作相邻低压塔再沸器的热源（6）塔顶蒸汽余热制冷、余热发电1002026/10/2820:155.4.2.2预热进料利用精馏塔采出液热能预热进料，以较低温位的热能代替了再沸器所要求的高温位热能，是低温位热能的有效利用方法。对于较易分离体系，把进料一直加热到气相进料状态，与沸点进料相比，如果固定回流比不变，则精馏段操作线不变，提馏段操作线斜率变大，向平衡线靠拢，因而精馏过程Ex损失减少，再沸器加热量降低，但所需板数增多。如果塔底再沸器加热量不变，则塔顶冷却量必然增大，回流比相应增大，所需塔板数减少。如果固定塔板数不变，则回流比增大，装置塔径和冷凝器增大，但再沸器的加热量减小。料液预热有好处，但需要利用余热来进行。1012026/10/2820:155.4.2.3多效精馏

多效精馏的原理与多效蒸发相似：由不同压力的精馏塔组成，利用压力高的塔顶蒸汽依次作为相邻压力低的塔的再沸器热源，汽化潜热被精馏系统本身回收利用，节能效果显著。近年来作为节能的新工艺在生产中广泛应用，不仅蒸汽消耗量下降，而且冷却水的用量也减少。一般双效精馏可节能30%-50%，三效精馏可节能40%-60%，四效精馏节能效果可达70%左右。一般不大于四效，否则效果变差。1022026/10/2820:155.4.2.3多效精馏

考虑到操作条件和投资，一般多效精馏的效数为二。典型例子为空气低温精馏、甲醇-水体系精馏、丙烯-丙烷体系精馏。1032026/10/2820:155.4.2.4热泵精馏热泵精馏类似于热泵蒸发：将塔顶蒸汽加压升温，使其返回用作本身的再沸热源，回收其冷凝潜热，提高了过程的热效率。目前热泵精馏主要用于沸点接近的组分的分离，其塔顶和塔底温差不大。蒸汽加压方式分为两类：蒸汽压缩机方式即机械压缩式热泵，主要利用螺杆式压缩机或离心式透平压缩机。由于压缩比大，余热温位提高较大，热泵精馏多采用此种型式；蒸汽喷射式泵：利用0.8MPa以上的较高压蒸汽从喷嘴处高速喷出，所产生的卷带抽吸作用，降低温位的蒸汽吸入，混合后以0.4MPa以下的低蒸汽从喷射器中喷出，作为热源使用，设备简单，但节能效果不如压缩式热泵。1042026/10/2820:155.4.2.4热泵精馏缺点：压缩机操作范围窄，控制性能不佳，易引起塔操作的不稳定性。适用场合：塔顶气体具有腐蚀性；塔顶冷凝器需要冷剂或冷冻盐水；被分离组分沸点接近，全塔温差小于18℃；塔压高，再沸器热负荷大。1052026/10/2820:155.4.2.4热泵精馏优点：新增设备费用低；蒸汽喷射泵结构简单、容易维修且维修费低；设备可靠。必要条件：精馏塔塔顶和塔底压差不大，减压蒸馏真空度比较低。1062026/10/2820:155.4.2.5增设中间再沸器和中间冷凝器采用中间再沸器将再沸器加热量分配到塔底和塔中间段，采用中间冷凝器把冷凝器热负荷分配到塔顶和塔中间段。优点：操作线靠近平衡线，精馏过程Ex损失减少；第二蒸馏釜可采用较低温位热源，第二冷凝器可排出较高温度热量，降低了能量的降级损失；设计新设备时可节省设备费用。条件：增设中间再沸器的条件是具有不同温度的热源可使用；增设中间冷凝器的条件是中间回收的热能有适当的用户或可以用冷却水冷却，以减少塔顶所需要的制冷负荷。1072026/10/2820:155.4.2.6多股进料和侧线出料当两种或多种成分相同但浓度不同的料液进行分离时，可考虑不同方式。考虑设备费用，只比较进料混合一塔和二段进料一塔模式。采用二段进料复杂塔时，操作线接近平衡线，不可逆损失降低，热能消耗降低。精馏段操作线斜率减小，回流比减小，所需塔板数增加。1082026/10/2820:155.4.2.6多股进料和侧线出料当需要组成不同的两种或多种产品时，可在塔内相应塔板安装侧线，抽出产品。侧线抽出产品可以是塔板上的饱和蒸汽或泡点液体。侧线出料相当于多个常规塔联立，减少了塔数，减少了所需热量；灵活性比较小。1092026/10/2820:155.4.2.7热偶精馏热偶精馏：通过气、液互逆流动接触来直接进行物料输送和能量传递实现精馏的流程体系。完全热偶塔：主塔、副塔组成，只需要一个冷凝器和再沸器。热偶精馏在热力学上是最理想的系统结构，即可节省设备投资，又可节省功耗。由于操作不稳定，目前只用于易分离体系。1102026/10/2820:155.4.2.8减小回流比回流比决定了精馏装置所需热能，同时决定了塔板数。回流比的选择是个经济性问题，回流比降低，能耗降低，但塔板数增多，投资增加。所以需要在能量费用和设备费用之间做出选择。1112026/10/2820:155.4.2.9S.R.V蒸馏基本原理：将精馏段与提馏段分开，使精馏段压力高于提馏段，利用精馏段与提馏段之间的温差进行热交换，把回收的能量用于过程本身，减少塔顶冷凝器与塔低再沸器的外加能量，从而达到节能的目的。两段之间，利用压缩机将提留段上升蒸汽加压后送入精馏段。精馏塔顶高压蒸汽经膨胀机回收部分能量后预热原料液。

塔顶蒸汽冷凝后部分作产品部分回流。DistillationWithSecondaryRefluxandVaporization（分割型热泵精馏）原料D提留段精馏段减压阀膨胀机压缩机泵热源冷凝器换热器W1122026/10/2820:155.4.2.9S.R.V蒸馏与常规精馏相比较可以节约能耗50%-70%。另据文献报导：S.R.V的能耗受操作温度影响较大。如丙烯-丙烷系统，常规精馏的塔压0.66MPa，冷凝温度50C，改用S.R.V蒸馏，操作压力1.40MPa，冷凝温度34.5℃，可节约冷却水61%，但蒸汽消耗量反而增加71%。乙烯-乙烷系统，常规精馏塔压0.3MPa，冷凝温度-82℃，改后塔压0.99MPa冷凝温度-54℃，节约冷却水77%，蒸汽消耗量减少54%。可见低温效果明显。S.R.V蒸馏设备较复杂，投资较大，操作控制较困难，但节能潜力大。随着工业技术和能源问题的重视，将日益受到人们的普遍关注。1132026/10/2820:155.4.2.10其他精馏技术反应精馏过程是将反应与精馏两操作放在同一台设备内完成的过程。由于可提高产品的回收率，降低设备投资和能量消耗，因此在工业上有较大的推广价值。反应与精馏存在找复杂的相互影响，进料位置与浓度、传热速率、停留时间、催化剂种类、反应产物的性质等都会多过程产生强烈的影响，故反应精馏过程还有待进一步研究和开发。研究始于20世纪30年代，以某些特定的工艺体系为对象，有关一般研究始于60年代，目前仍未建立起完整的理论或有一套反应精馏的通用办法。反应法精馏的应用如：酯化、酯交换、皂化及胺化、水解、异构化、卤化、脱水、乙酰化、硝化等反应。114干燥是从湿物料中除去湿分的操作过程。干燥过程一是周围环境将热能传递至湿物料的表面，使表面湿分受热蒸发；二是湿物料的内部湿分传递到物料表面，并随之由上述过程而蒸发。干燥是同时包含传热与传质过程的操作。广泛应用于化工、轻工、食品、医药、农副产品加工等国民经济的几十个行业中的数以万计品种的产品生产过程中，直接影响到产品性能、质量和成本。2026/10/2820:155.5干燥干燥器湿物料废气产品空气115干燥过程必须同时满足的条件：湿分在物料表面的蒸汽压必须大于干燥介质（如空气）中湿分的蒸汽压；湿分汽化时必须不断地提供热量。2026/10/2820:155.5干燥干燥速度是以被干燥体与干燥体间的温差和含水浓度差为推动力的，Ex损失随推动力的增大而增大。所谓干燥节能，就是在保证一定干燥速度的前提下，尽可能减少加热。116工业上的干燥方法直接干燥法：通风、通气、流动（沸腾、振动）、气流、喷雾、回转、搅拌、高温高湿干燥等；间接干燥法：常压、真空、附着、冷冻等；电器干燥法：高频、远红外、超声波干燥等；油浸法：常压、真空干燥等；复合干燥法：通气搅拌、层内加热流动干燥等。2026/10/2820:155.5干燥2026/10/2820:151175.5干燥2026/10/2820:151185.5干燥气流干燥器119工业发达国家干燥操作能耗占全国总能耗的18%-20%，我国近期统计占10%左右。我国由于对干燥器的设计、选型和操作不当，较普遍的存在能源浪费现象，与国外比较差距较大。2026/10/2820:155.5干燥120适用于排气温度高而且比较干燥场合，在间歇干燥过程中具有吸引力。限制干燥气体循环量的变量是湿度。引入部分再循环后，进口干燥空气湿度增加，干燥速度减慢，时间延长，装置也相应加大，因此要研究节能与投资的关系，求得最低成本下的操作条件。2026/10/2820:155.5.1排气的再循环121送入空气和排气之间设置换热器，用排气预热送入的空气，回收余热，使用较普遍。但由于气-气换热的传热系数很小，近年来采用热管换热器取得了很好的效果。2026/10/2820:155.5.2采用换热器的余热回收122在完全是用热风的干燥工艺中，热泵的蒸发器置于排风中，吸收排风中的热量；冷凝器置于送风中，向送风提供热量。热泵也可用于回风再循环过程，此时热泵起着脱去水分和加热空气的作用。2026/10/2820:155.5.3热泵的应用123当原料含水分较多时，应先用机械分离的方法，如过滤、离心分离等降低水分，然后再进入干燥工序。由于生产中的各种干扰，为避免产品不合格，无在线分析情况下，目前多数干燥器以产品过度干燥的方法在运行。带来一系列弊端，如产品损失、燃料的消耗、生产能力降低、环境污染等。若使用在线测量湿度的仪器，避免过度干燥，可节能10%，纺织、医药工业大20%，在某些场合可达50%。另外，控制空气温度和流量。2026/10/2820:155.5.4其他124化学反应热的有效利用和提供。无论吸热反应还是放热反应，均应在整个装置进行能量平衡，高、中、低品位的能量合理分配，综合利用。反应装置的改进。使反应的核心，绝大多数伴随着流体的流动、传热、传质等过程，每个过程均有流体阻力，需要消耗能量。因此应考虑改进反应装置中流体的流道、改善保温、选择高效搅拌形式、减少电解槽的电阻等。催化剂的开发。现有的化学工业装置80%采用催化剂，所以催化剂是工艺装置的关键物质。新型催化剂：缓和反应条件，使反应在较低温度、压力下进行；选择性提高，生成物纯度提高；或性提高，降低了反应过程的推动力，减少了反应能耗等等。反应与其他过程的组合。如高低温反应与反应、反应精馏、膜反应器等。2026/10/2820:155.6反应过程125了解流体流动中的Ex损失原因及减小措施；掌握流体机械工况调节方法。掌握换热过程的Ex损失原因及减小措施。掌握蒸发器原理及蒸发过程主要节能方法。掌握精馏塔原理及精馏过程主要节能方法。了解干燥过程主要节能方法。了解化学反应过程节能主要方法。

2026/10/2820:15本章重点2026/10/2820:15演讲完毕第六章新型节能设备及方法2026/10/2820:15127128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

2026/10/2820:151296.1热管及热管换热器2026/10/2820:15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1556.2热泵2026/10/2820:15

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