如何理解傳熱對節(jié)能的重要科學意義

如何理解傳熱對節(jié)能的重要科學意義欒五洲112286摘要：能源問題是當今世界面臨的最為緊迫的問題之一，因此研究如何節(jié)約能源將有重要的意義。傳熱與節(jié)能關系密切，本文首先介紹傳熱管的種類，其次介紹一種新型的傳熱節(jié)能元件，最后介紹一種高效節(jié)能傳熱器。關鍵詞：傳熱節(jié)能傳熱器世界各國經(jīng)濟發(fā)展中都面臨兩個重要問題：能源和環(huán)保，能源是一個國家經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎，隨著地球人口急劇增長，對能源的需求量會越來越大。供需矛盾加劇，為此國家制定了：開發(fā)與節(jié)約并重，近期要把節(jié)能放在優(yōu)先地位，大力開展節(jié)能為中心的技術改造。換熱技術是能源利用的重要技術之一。無論在空調、冰箱、制冷機等制冷系統(tǒng)的換熱器，還是在熱水器、冷水器中，均有熱交換的過程。因此換熱器效率的提高將會對節(jié)能起到很重要的作用。1換熱器中的一個關鍵元件——傳熱管內(nèi)螺紋管內(nèi)螺紋管是一種應用較普遍的銅管，管內(nèi)壁有許多螺旋狀凸筋和溝槽，可用于冷凝器，也可用于蒸發(fā)器、吸收器和供熱管。習慣中所稱的內(nèi)螺紋管大多用于空調器的熱交換器上，一般規(guī)格為屮9.52X0.36和屮7.94X0.36兩種。目前已有用于冷水機組的內(nèi)螺紋管，常用規(guī)格為屮16X1和屮16X1.2兩種。內(nèi)螺紋凸筋的形狀以三角形和FF型為多。根據(jù)不同工況，凸筋的具體形狀和高度以及螺紋頭數(shù)均有所不同。翅片管翅片管是在管外表面有翅片與溝槽相間結構的一種傳熱管，多用于制冷機的高低發(fā)生器中。翅片管又稱為外筋管，按筋高分為低筋管、中高筋管、高筋管。一般而言，筋高1.5mm以下稱為低筋，3mm為中高筋，5mm為高筋。目前國內(nèi)應用較多的是低筋管。來復線筋管來復線筋管主要用在冷凝器、蒸發(fā)器上，是在翅片管的基礎上，內(nèi)側加工成來復線螺紋溝槽和凸筋的一種傳熱管。作內(nèi)側凸筋的一般為十頭螺紋，形狀以梯形居多，凸筋高一般在0.2mm?0.3mm之間。波紋管波紋管沒有筋，在管外有大節(jié)距的波紋淺溝，管內(nèi)有相應螺旋狀突起，一般有三頭波紋管和單頭波紋管兩種。斜紋管斜紋管主要用在制冷機的吸收器上，在管外有均勻的斜花紋，所以又被稱為滾花管。DAE雙側強化蒸發(fā)管DAE雙側強化蒸發(fā)管（以下簡稱DAE管）由單頭波紋和內(nèi)螺紋組合而成，外側有大節(jié)距的波紋淺溝，內(nèi)側帶有沿波紋線起伏的螺旋溝槽和凸筋。DAE管多用于冷水機組的蒸發(fā)器中。DAC雙側強化冷凝管DAC雙側強化冷凝管（以下簡稱DAC管）由單頭波紋、翅片和斜紋組合而成，管外有大節(jié)距的波紋淺溝和有序、均勻、擴散的鋸齒形低筋，管內(nèi)有對應于外側淺溝的突起，以用于冷水機組的冷凝器為主。彎筋管彎筋管既可用作蒸發(fā)管，也可用作冷凝管。管外的翅片經(jīng)局部閉合加工，形成點狀斜花紋以及大小不等的淺槽和開口，管內(nèi)有不同頭數(shù)的溝槽。梅花管梅花管斷面呈梅花形，分為直槽梅花管和斜槽梅花管以及單面槽管和內(nèi)外兩面對稱帶溝的雙面槽管。以上列舉的9種傳熱管，除了都增加了傳熱面積以外，其中內(nèi)螺紋管、來復線筋管、DAE管和彎筋管均有促進管內(nèi)流體紊流的作用，而翅片管和來復線筋管、斜紋管、DAC管、彎筋管和梅花管有增加沸騰氣泡核的優(yōu)點，還有減少冷凝液膜厚度的作用，用于合適的場合均能顯著提高傳熱效率。經(jīng)理論計算并通過單管傳熱性能測試，與同規(guī)格光面管比較，內(nèi)螺紋管的管內(nèi)蒸發(fā)傳導率約提高1．1倍，管內(nèi)冷凝熱傳導率提咼0.7倍左右；翅片管一般提咼0.6?1.1倍；而其它列舉的傳熱管一般能提高1．3--2．5倍以至3．1倍。DAE管、DAC管的主要技術參數(shù)和傳熱性能測試結果【1】示于表1-1和圖1-1、圖1-2。DAC■爺（冷卑管），卜徑mm16光額外程/加乳19農(nóng)壁目■/mmL2翅爺外徨,turn加衛(wèi)翅浙/mm0.25光管璧呼/mmJ.3刖翅捷/nvhU.71S翅離/mm1.2翅4L/*W嫌族ifc皺灤Jt/nim0.9夕卜螺辣深/nun卄堤扯節(jié)亞，表」J0.8DAE和DAC螺族枝蚊節(jié)距/mm管的主要技術參數(shù)13?■芒?■芒A就噲薩?諷焜亦S'1)圖1不同質量流量下DAE管的蒸發(fā)換熱系數(shù)注：①采用量熱筒平衡法，熱平衡誤差小于5%;②測試工況：蒸發(fā)溫度4—5E;蒸發(fā)壓力O.56?0.58MPa;制冷劑R22圖2-2不同蒸發(fā)溫度下DAC管的冷凝換熱系數(shù)注：①采用量熱筒平衡法，熱平衡誤差小于5%;②測試工況：冷凝溫度32E;冷凝壓力1.25MPa;冷凝管進口過熱度5?8°C，出口過熱度3?5°C2一種新型的節(jié)能傳熱元件—熱管【2】熱管的工作原理熱管是一種通過相變傳熱、具有超導熱性能的傳熱元件，它通過管內(nèi)工作介質的相變所產(chǎn)生的潛熱來傳遞熱量。因此，它傳熱能力大，傳熱效率高，是傳熱技術中近十年來出現(xiàn)的一項高效傳熱研究成果，它具有極高的導熱性和較高的等溫性，冷熱兩側的傳熱面積可任意改變，可遠距離傳熱，可控制溫度等一系列優(yōu)點。熱管可以根據(jù)不同使用條件，設計成低溫熱管、中溫熱管、高溫熱管等，管內(nèi)填充的工質也相應有所不同。填充的工質主要有水、酒精、鈉、鉀等。根據(jù)使用條件選擇使用高、中、低溫熱管，并相應注意現(xiàn)場保管條件，防止以水為介質的低溫熱管發(fā)生凍裂現(xiàn)象。由熱管組成的熱管換熱器具有傳熱效率高，結構緊湊，流體阻力小，有利于控制露點腐蝕等優(yōu)點．目前熱管技術已廣泛應用于航天、電子、醫(yī)學、冶金，化工，鍋爐，煉油、核反應堆冷卻等行業(yè)以及青藏鐵路建設和高海拔永久凍土層中。2.2重力熱管在鍋爐中的應用其工作原理為：熱管吸收段受熱，管內(nèi)工質吸收廢氣熱量，工質溫度升高后以蒸發(fā)和沸騰的形式轉變?yōu)檎羝?，蒸汽在壓差的作用下上升到放熱段，同時凝結成液體放出汽化潛熱，熱量傳遞給流體，冷凝液依靠重力回流到吸熱段完成一個循環(huán)，如圖2-1所示。這樣周而復始的循環(huán)，不斷的將熱流體的熱量導向冷流體，由于熱管內(nèi)部壓力接近真空，所以管內(nèi)填充的工質極易沸騰和蒸發(fā)，熱管啟動迅速，并可回收低在鍋爐行業(yè)，熱管主要應用于熱管空氣預熱器和熱管省煤器上。現(xiàn)以遼河油田熱電廠正在運行的某公司生產(chǎn)的75T／H循環(huán)流化床為例，該鍋爐空氣預熱器采用了某廠生產(chǎn)的熱管空氣預熱器（見圖2-2），該鍋爐的一次風是經(jīng)過空氣預熱器預熱后由布風板和爐膛下部引入。經(jīng)過兩年的運行和調整，國家火電設備性能檢測中心對該鍋爐進行了考核，與熱管空氣預熱器運行有關的測試參數(shù)如表1-1所示。

制吒出口圖2-2熱管空氣預熱器單他頷宦工況t圾泄［:況150工況30工況詵計數(shù)據(jù)1l/b*辭75.53￥3,2918.￡5752主汽蠱直弋443.1447?0447.2斗始.94J03MFa3JM3-533.253.253.82斗空荊器人口炯沿222.6226.0222.1沁92365空茂器出口劑蟄*S56.3160.4130126.21576FfcM址nf鵡72634)42U4I43OJ300007空訊器人口鳳S3X33.S3]?302?呂齋瑣藝出□肚鈕七[49.015UT3I.2125.5巧D9抻焰扭先*6-3D6?r7S96.8346.5236.4710閑爐蝕半%89.9的上SS.S2sa.3SI.75表2-1鍋爐的主要數(shù)據(jù)測試表試驗數(shù)據(jù)結果表明熱管空氣預熱器在75T／H循環(huán)流化床回收煙氣余熱，預熱一次風的運行中是成功的，基本達到了不同T況下的設計要求。另外一種換熱裝置是熱管式省煤器。熱管式省煤器的受熱元件采用無縫鋼管制造，其中一端與煙氣換熱，管內(nèi)工質汽化后上升到工質側，工質側伸人聯(lián)箱內(nèi)部，周邊由水包圍，熱管內(nèi)汽化后的工質在聯(lián)箱內(nèi)遇冷凝結回流，釋放出熱量，從而完成熱量交換與傳遞。這種熱管省煤器在正常情況下，其出水溫度小于80度，其換熱面布置分為兩部分，一部分聯(lián)箱體，一部分為熱管，其熱管的換熱量占總換熱量90％。根據(jù)傳熱公式Q=KHAT分析，在低溫余熱回收中其對數(shù)平均溫差很小，如果想提高傳熱量Q值，則只能提高K值或增大傳熱面積H。對于鋼管省煤器和鑄鐵省煤器而言，增加受熱面積H受到了結構空間限制，而提高K值則必須提高煙氣流速，根據(jù)《鍋爐設備空氣動力計算標準方法》有關內(nèi)容，煙氣阻力與煙氣流速的平方成正比，其阻力增加很大，將大幅度增加電廠的動力消耗，長期運行很不經(jīng)濟。而熱管式省煤器由于其吸熱端可采取增加翅片的方法來增大傳熱面積，繼而增加了傳熱量Q。克服了鋼管省煤器和鑄鐵省煤器由于空間限制無法增加受熱面積H的問題，大大提高了換熱效果，節(jié)省了省煤器所占用空間。即：熱管省煤器具有占地面積小，結構緊湊等優(yōu)點。在低溫余熱回收中，還必須考慮到酸露點腐蝕的問題。我國發(fā)電行業(yè)多數(shù)是以燃煤為主，煙氣的酸露點較低，如含流1％的煤，其酸露點在120?130°C之間。這樣鋼管式省煤器的低溫部分則不可避免地受到低溫露點的腐蝕，如進口水溫為60C，煙氣溫度為270C時，其煙氣側壁溫為65—70C，低溫腐蝕嚴重。而熱管式省煤器在給水溫度為60C.煙溫為170oC時，管壁溫度為134C，高于煙氣酸露點溫度，從而防止了因管壁溫度過低造成的酸露點腐蝕問題。根據(jù)這幾年來對幾家安裝了熱管式省煤器的鍋爐用戶的跟蹤調查數(shù)據(jù)，其經(jīng)濟效益非常顯著，基本上當年即可收回投資。由熱管元件組成的熱管省煤器和熱管空氣預熱器，具有冷，熱流體分開，安裝方便，結構簡單，占地面積小，不需維修等特點。使用壽命5—7年，投資回收期一般在一年之內(nèi)，提高余熱利用率約30％，節(jié)約能源10％左右，對其它設備無影響，又可減少大氣污染。所以熱管技術是當今取代鋼管省煤器、鑄鐵省煤器和列管式空氣預熱器的更新?lián)Q代產(chǎn)品。相信不久的將來，熱管技術會在越來越多的領域發(fā)揮出更大的作用。3高效節(jié)能傳熱器的研制家庭使用的熱水壺、炒鍋在使用過程中，加熱速度慢，熱量損失達，一方面造成周圍溫度的升高，另一方面浪費能源。新型高效傳熱器不僅具有普通傳熱器所具的特點，適用于煤爐液化氣爐以及其他燃具，而且傳熱器采用了特殊的傳熱結構和特殊的氣體流通通道，加熱速度快，熱量損失小。無論采用何種加熱裝置，都能高效地吸收熱量。與普通傳熱器相比，在不改變爐具結構的情況下，提高加熱裝置的利用率，有效地節(jié)約能源。下面以熱水壺為例，說明傳熱器的結構、原理和設計制造工藝。其總體結構（隱去壺嘴部位）如圖所示：氣流上出口2.上蓋3.堵塞4.外壁5.中心傳熱裝置6.傳熱器底部7.火焰入口8.蒸汽出口圖3-1熱水壺縱剖面結構圖傳熱機理普通傳熱器（如熱水壺）一般只有底部部分能傳熱，傳熱面積小，燃具燃燒的熱量很大一部分由周邊損失掉。高效節(jié)能傳熱器用于吸收熱量的有以下兩部分：（1）傳熱器底部，與普通傳熱器底部一樣可吸收熱量。（2）中心傳熱器，該部分是主要傳熱部分，熱氣流（或火焰）通過此部，熱量被迅速吸收?；鹧婊驘釟饬饔苫鹧嫒肟?進入中心傳熱器，首先由底部6傳熱，火焰或熱氣流從底部向上流動時形成一股漩渦熱流，由于煙囪效應熱氣流經(jīng)由中心傳熱器5向上流動，中心傳熱器進一步將大量的熱量吸收傳給中間傳熱介質（水），最后由上部出口1將氣流排出。故有效地利用了燃具燃燒的熱量，是燃燒的熱量很快被吸收。燃料通道及特點由燃料燃燒形成的熱氣流，首先經(jīng)由火焰或熱氣流入口1，進入中心傳熱裝置2，并在傳熱裝置的中心空穴3保持溫度，然后熱氣流進入上步的熱流旋流空間4形成湍流，最后由收縮出口5排入大氣。在整個熱氣流流經(jīng)的通道周圍有鋁制傳熱片和內(nèi)壁將熱量傳給外面的傳熱介質，由于傳熱面積大，熱氣流的流動速度受到了充分的限制，與被加熱介質的加熱時間長，因而熱利廚率顯著提高。1．火焰或熱氣流入口2．中心傳熱裝置通道3．傳熱裝置中心空穴4．熱氣流旋流空間5．收縮出口圖3-2熱氣流流向圖3．3煙囪效應的抑制下面就普通管和中心傳熱裝置利用流體力學的貝努利方程來分析：左圖沒有傳熱片的直通管右圖具有傳熱片和堵塞的中心傳熱片圖3貝努力方程參考圖pw2Pw2(P—P)gz+P=(P-p)gz+P+22+□P1a1122a2221-2其中，P、P——通道中入口、出口氣流的密度——外界環(huán)境大氣密度12mg/m3；P——外界環(huán)境大氣密度mg/m3；aPP——相應斷面上中心點的壓強P；12aww——相應斷面上的平均流速m/s；12zz——選定的1、2漸變流斷面上中心點相對于選定基準面的垂12直高度m；□P——1-2斷面間的能量損失；1-2普通的管道和中心傳熱裝置在相同的1—1入口處熱流的溫度、密度相同，環(huán)境溫度T、周圍介質密度p也相同，也就是在入口處的條件據(jù)均相同；在相0a同的條件下左圖所示，由于中間的管道沒有其他阻擋，所以熱氣流通過時它的能量損失就較小，那么□PT0，由于P>P，p<p，p=p。所以w>w形1-21212aa21成上面出口的流速加快，下口產(chǎn)生負壓，即所謂的“煙囪效應”。具有中心傳熱裝置可堵塞的通道力求避免“煙囪效應”的發(fā)生，采用了相應的措施增加氣流通過的阻力，第一、增加中心傳熱器傳熱片的排列密度，第二、在中心傳熱裝置的上部出口處使導熱片傾斜一個角度，增加氣流的流動阻力，第三、在中心傳熱裝置中心空穴的上部加設堵塞，四、在中心傳熱上面增設熱氣流旋空間，五、出口采用縮口；這些措施使得在其他條件相同的情況下中間的能量損失增大即PT，而P-P,wuw(pvp,P=P)從而改變了上端出口處速度大1-2122112aa壓力小的狀況，抑制了“煙囪效應”的發(fā)生，使熱流在中心傳熱裝置中被充分吸收，大大增加了熱利用率。3.4高效節(jié)能傳熱器的設計材料的選用選用變形鋁合金LF2l(防銹鋁)。性能特點：抗腐蝕性好，壓力加工性、焊接性好，強度低。材料狀態(tài)：板材。力學性能：抗拉強度盯b=100?150Mpa,b延伸率5%=22。結構設計底部采用球冠形結構，特點：易于火焰或熱流的聚集，避免向周圍擴散。如圖3-4所示煙囪效應”；加設堵塞，避免熱流通過中心流失。如圖3-5所示。圖3-5中心傳熱裝置的結構上端出口結構，出口采用縮口形式，與中心傳熱裝置之間形成環(huán)流區(qū)使熱量進一步吸收。如圖3-6所示。圖3-3上端口結構工藝方法設計底部工藝：沖壓、拉深。下料T拉深1T拉深2T沖孔T翻邊T去毛邊。中心傳熱裝置工藝：熱壓加工成型。堵塞和上口加工工藝：沖壓T拉深T沖孔T翻邊T去毛邊。上蓋采用普通蓋經(jīng)過沖孔翻邊。上口和中心傳熱裝置以及底部采用焊接方法組合為一體，整體與筒身采用滾邊技術整合，上蓋經(jīng)加工與于上口部分配合，其余部分采用通用結構。3.5使用效果比較1、同等條件下與普通傳熱器的使用情況比較結果(如下表)：件熱器黃S1加乂出更fit傳找面駛tnm1u時舸?井帥｝菁24ctu水壷Aduu1哨型24c