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1、余热利用技术简介一、热管技术简介1. 热管简介热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元 件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到 热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术目前已广泛应用于宇航、军工、钢铁、 机械等行业。2. 工作原理热管是一种新型高效的传热元件，按较精确的定义应称之为“封闭的两相传热系统”，即在一个抽 成真空的封闭的体系内，依赖装入内部的流体的相态变化（液态变为汽态和汽态变为液态）来传递热 量的装置。热管放在热源部分的称之为蒸发段（热端），放在冷却部分的
2、称之为冷凝段（冷端）。当蒸 发段吸热把热量传递给工质后，工质吸热由液体变成汽体，发生相变，吸收汽化潜热。在管内压差作 用下，汽体携带潜热由蒸发段流到冷凝段，把热量传递给管外的冷流体，放出凝结潜热，管内工质又 由汽体凝为液体，在重力作用下，又回到蒸发段，继续吸热汽化。如此周而复始，将热量不断地由热 流体传给冷流体。执管 F fc 11 IT翅片Eins低温流体low temp, fluid隔板 partition局温流体high temp, fluidheat pipe、蒸汽（工质）M二:二 apor （working fluid）液体（王质）Z quid （working fluid3. 热管
3、优点 金属、非金属材料本身的导热速率取决于材料的导热系数、温度梯度，正交于温度梯度的截面 面积。以金属银为例，其值为415W/m2 K左右，经测定，热管的导热系数是银的几百倍到上千倍，故 热管有热超导体之称。 由于热管内的传热过程是相变过程，而且工质的纯度很高，因此热管内蒸汽温度基本上保持恒 温，经测定：热管两端的温差不超过5。，与其它传热元件相比，热管具有良好的等温性能。 热管能适应的温度范围与热管的具体结构、采用的工作流体及热管的环境工作温度有关。目前，热管能适应的温度范围一般为-200C2000C，这也是其它传热元件所难以达到的。4、热管式余热回收装置1）原理热管式余热回收装置的核心部件
4、是热管。热管式余热回收装置原理图基本结构：热管蒸汽发生器是由若干根特殊的热管元件组合而成。其基本结构如图所示。热管的 受热段置于热流体风道内，热风横掠热管受热段，热管元件的放热段插在水一汽系统内。由于热管 的存在使得该水一汽系统的受热及循环完全和热源分离而独立存在于热流体的风道之外，水一汽系统 不受热流体的直接冲刷。工作原理：热流体的热量由热管传给水套内的饱和水（饱和水由下降管输入），并使其汽化，所 产蒸汽（汽、水混合物）经蒸汽上升管达到汽包，经集中分离以后再经蒸汽主控阀输出（汽包内的水 由104C除氧水经水预热器加热至175C后供给）。这样由于热管不断将热量输入水套，通过外部汽 一水管道的上
5、升及下降完成基本的汽一水循环，达到将热流体降温，并转化为蒸汽的目的。2）优点（1）热管换热设备较常规换热设备更安全、可靠，可长期连续运行。（2）传热效率高，启功速度快，热管的冷、热侧均可根据需要采用缠绕翅片来增加传热面积。（3）有效的防止积灰，换热器设计时能够采用变截面形式，保证流体通过热管换热器时等流速流动， 达到自清灰的目的。（4）结构紧凑，占地面积小。（5）热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段和冷凝段的加热面积，这样可以控制管壁温度以避 免出现露点结灰或酸腐蚀。二、汽化冷却技术1. 汽化冷却的原理及优点：汽化冷却就是冷却水吸收的热量用于自身的蒸发，通过水的汽化潜热带走受热部件的热量，使
6、部 件得到冷却。倘若采用水冷却，lkg水每升高1C所吸收的热量仅为4.2kJ；而100等量的水变为 100C的蒸汽，汽化过程吸收的热量约为2253kJ/kg,为前者的500多倍。所以，汽化冷却的冷却效率 高；大大减少冷却水的消耗量，可减少到冷却水用量的1/301/100；汽化冷却所产生的蒸汽可供用 户使用。2. 汽化冷却烟道的冷却系统汽化冷却烟道是用无缝钢管围焊成的筒形结构，其断面呈方形或圆形均可，图12-2为汽化冷却系 统流程。图12-2汽化冷却系统沉程1 一汽动薄膜调节阀；2 一安全阀；3 一汽包（分离器）；4 一汽化冷却烟道;5 一循环泵；6 一软水泵；7 一软水；8 一蓄热器；9 一用
7、户从图12-2可以看出，汽化冷却烟道管内的冷却水吸收流过烟气的热量而汽化，产生了蒸汽与水的 混合物，经上升管进入汽包3后汽、水分离，所以汽包也称分离器。汽、水分离后的热水从下降管经 循环泵又送入汽化冷却烟道，继续起冷却作用。当汽包内蒸汽压升高至规定值时，汽动薄膜调节阀自 动打开，蒸汽进入蓄热器8,供用户使用；蓄热器的蒸汽压超过一定值时，其上部的汽动薄膜调节阀 自动打开放散。当需要补充软水时，软水泵6启动送入汽包。若取消循环泵5,可形成自然循环系统。 汽包的安装位置应高于烟道的顶面；1座转炉设1个汽包，汽包不宜合用，也不宜串联。三、热泵技术热泵是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置
8、。建筑的空调系统一般应满足冬 季的供热和夏季制冷两种相反的要求，传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。 建筑空调系统由于必须由冷源，如果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但 节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。采用热泵 为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗，通常我们通过直接燃烧矿物燃料产生热量，并通过若干 传热环节最终为建筑供热。在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率最高不会超 过100%，在现有技术条件下，热泵供热的性能系数可达3.5或更高，火力发电站的效率可达35%58% 因此采用燃料发电
9、再用热泵供热的方式，在现有先进技术条件下一次能源利用率可以达到200%。研 究表明，采用热泵的供热方式与直接燃烧矿物燃料供热方式相比，可以节省燃料40%以上，相应减少 CO2的排放量。而用电阻加热设备把电能转化为热能的性能系数为1，当然是非常不经济的。热泵是 减少CO2排放量的最经济有效的技术。现在全世界约有1.3台热泵在运行，总供热量为4.7X101J， 每年减少CO2排放量约为1.3亿吨。随着热泵技术的进一步改进，采用热泵技术供热使全世界CO2 排放量减少16%是有可能的，因此它是建筑节能和减少CO2排放的关键技术之一。热泵利用的低温热 源通常是环境或各种废热，由热泵从这些热源吸收热量属于
10、可再生的能源。热泵分类：热泵可以分为空气源热泵（ASHP）和地源热泵（GSHP），地源热泵又可进一步分为地表水热泵 （SWHP）、地下水热泵（GWHP）、地耦合热泵（GGHP）。1）空气源热泵：空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气钟吸收 热量，经热泵提高温度送人室内供暖；其性能系数一般在23。空气源热泵系统简单，初投资低。 空调源热泵目前的产品主要是家用热泵空调器，商用单元式热泵空调机组和风冷热泵冷热水机组。空 气源热泵的主要缺点在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。空气源热泵的制热量随室外 空气温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。
11、因此当空气温度低于热泵工作的平衡点温 度时，需要用电和其他辅助热源对空气进行加热。而且在供热情况下空气源热泵的蒸发器上会结霜， 需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术 障碍。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。 空气源热泵不适用于寒冷地区，在冬季气候较温和的地区，已得到相当广泛的应用。2）地源热泵地源热泵是一种利用地下浅层的热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等），通过输入 少量的高位能源（如电能），将低温位能向高温位能转移，以实现既可供热又可制冷的高效节能空调 系统。地源热泵利用地能一年四
12、季温度稳定的特点，冬季把地能作为热泵供暖的热源，即把高于环境 温度的地能中的热能取出来供给室内采暖，夏季把地能作为空调的冷源，即把室内的热能取出来释放 到低于环境温度的地能中。通常地源热泵消耗1KW的热量，用户可以得04KW左右的热量或冷量。与锅 炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或7090%的燃料内能为热量，供用户 使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量； 由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为1025C，其制冷、制热系数可达3.54.4,与传统 的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的5060%。因此，近十几年来， 尤其是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及法国、瑞士、瑞典等国家取得了较快的 发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空 调技术。另外热泵热源可以是工业循环冷却水（如高温烟气冷却水等），通过热泵回收低品位热源中的热 能，使热能利用效率最大化。
