工業(yè)余熱利用技術研究進展-華南理工大學汪雙鳳

工業(yè)余熱利用(lìyòng)技術研究進展華南理工大學汪雙鳳sfwang@Telobile五十一頁教育(jiàoyù)經(jīng)歷博士后：2003/3-2005/10，東京大學，日本學術振興會特別研究員（等同于德國洪堡學者）博士學位：1999/10-2003/3，東京大學工學系研究科碩士學位：1988/9-1991/3，天津大學熱能工程系本科：1981/7-1985/7，中南林業(yè)(línyè)科技大學，機械工程系共五十一頁工作(gōngzuò)經(jīng)歷2005/11-現(xiàn)在，華南理工大學化學與化工學院教授博導。學術方向(fāngxiàng)負責人，教育部實驗室副主任1995.5-2005.11，在日本留學、工作共十年半時間1991-1999，湖南廣播電視大學講師1985-1988，中南林業(yè)科技大學機械系助教共五十一頁主要(zhǔyào)學術兼職中國工程熱物理學會傳熱傳質(zhì)分委會委員中國工程熱物理學會熱管專業(yè)組委員中國機械工業(yè)教育協(xié)會熱能工程分委會委員廣東省節(jié)能協(xié)會專家工作(gōngzuò)委員會專家成員在日華人汽車工程師協(xié)會理事日本傳熱學會會員、美國機械學會會員共五十一頁目前研究方向(fāngxiàng)：節(jié)能與新能源電子及航空、LED照明(zhàomíng)產(chǎn)品散熱技術；工業(yè)余熱利用技術電動汽車動力電池的熱管理；共五十一頁共五十一頁教育部直屬(zhíshǔ)”985”、”211”工程重點建設大學。是華南地區(qū)工科龍頭。創(chuàng)立于1932年取名中山大學。1952年，成立華南工學院。今年，60年校慶共五十一頁傳熱強化(qiánghuà)與過程節(jié)能

教育部重點實驗室實驗室現(xiàn)有固定人員近百人，包括國家杰出青年科學基金獲得者3人，教育部新世紀人才(réncái)9人，“珠江學者”特聘教授2名。

主持和承擔了一批國家、省部級重點科研項目，近五年科研經(jīng)費約6000萬元。

先后獲得國家技術發(fā)明二等獎2項，省、部級科研獎20余項，中國專利50余項。共五十一頁為什么要余熱(yúrè)利用？能源現(xiàn)狀共五十一頁世界各地區(qū)能源消耗逐年增長情況2003-2007年中國能源消費總量及其增長速度能源消耗增長速度(zēnɡchánɡsùdù)快無論從世界(shìjiè)還是從中國來看，常規(guī)能源都是很有限的，中國的一次能源儲量遠遠低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量的10％。開發(fā)低碳能源技術，調(diào)整能源結(jié)構，解決能源供需矛盾能源需求狀況共五十一頁能源(néngyuán)供給狀況根據(jù)BP世界(shìjiè)能源統(tǒng)計，全球化石燃料可用情況如下：40.6年164年65.1年1636億噸

179.8萬億立方米9091億噸

儲量儲采比《BP世界能源統(tǒng)計2006》石油天然氣煤炭共五十一頁中國堅持(jiānchí)可持續(xù)發(fā)展的四大戰(zhàn)略措施建設(jiànshè)資源節(jié)約型社會建設環(huán)境友好型社會發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展低碳經(jīng)濟共五十一頁重點實驗室工業(yè)余熱利用(lìyòng)方面的主要技術產(chǎn)品（1）高效換熱器（2）強化(qiánghuà)換熱管（3）熱管技術共五十一頁換熱器是量大面廣的熱能轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)設備電力冶金運輸制藥化工換熱器石化太陽能制冷★以石化工業(yè)為例，換熱器投資占總設備投資的30-40%；★傳熱效率的高低直接影響到過程或系統(tǒng)(xìtǒng)的能耗水平。85%以上為殼管式換熱器結(jié)構共五十一頁螺旋(luóxuán)槽管橫紋管縮放管螺旋(luóxuán)扁管不同類型強化管共五十一頁內(nèi)螺紋管低肋管T型翅片管花瓣(huābàn)型翅片管共五十一頁三維內(nèi)肋片管三維外肋片管內(nèi)外(nèiwài)復合強化管共五十一頁螺旋隔板(ɡébǎn)強化管換熱器1、一種螺旋流花瓣管殼管式換熱器，實用新型專利：ZL99236801.42、殼管式同軸雙重旋流換熱裝置，實用新型專利，ZL200420083360.43、殼管式壓縮氣體(qìtǐ)內(nèi)導筒旋流裝置，實用新型專利，ZL200420083356.84、一種連續(xù)螺旋折流板雙殼程組合異形管管束換熱器，發(fā)明專利：ZL200810025632.85、螺旋折流板支撐異形管重沸器，實用新型專利：ZL200720057747.66、螺旋折流板支撐異形管管束冷凝器，實用新型專利：ZL200720057746.1強化管作為傳熱元件螺旋隔板作為支撐結(jié)構流體螺旋流動與強化傳熱表面結(jié)構協(xié)同強化傳熱共五十一頁不同類型(lèixíng)螺旋隔板強化管換熱器總傳熱系數(shù)比普通(pǔtōng)換熱器提高40%以上！共五十一頁技術特點：采用空心環(huán)網(wǎng)板作為(zuòwéi)管間支撐物，取代傳統(tǒng)換熱器的弓形折流板支撐物；采用縮放管作為傳熱管，取代傳統(tǒng)換熱器的光滑管束?？招?kōngxīn)環(huán)管殼式換熱器

共五十一頁空心環(huán)管殼式換熱器技術自1990年開始在硫酸工業(yè)系統(tǒng)投入使用,1996年由國家科委列入“九五”國家級科技成果重點推廣計劃項目（編號為96010301A）以來，在國內(nèi)硫酸工業(yè)中已廣泛(guǎngfàn)推廣應用。這種高效節(jié)能型換熱器目前已應用在全國29個省份、400多家硫酸生產(chǎn)企業(yè)、600多套換熱器；包括硫鐵礦制酸、硫磺制酸及冶煉煙氣制酸等多種制酸工況。年產(chǎn)20kt、40kt、60kt、100kt、300kt、500kt，600kt等多種生產(chǎn)規(guī)模上應用,均取得良好的效果?？招?kōngxīn)環(huán)管殼式換熱器的工業(yè)應用：共五十一頁金川集團有限公司空心(kōngxīn)環(huán)管殼式換熱器（年產(chǎn)30萬噸硫酸）共五十一頁空心環(huán)管殼式換熱器的結(jié)構(jiégòu)介紹：空心環(huán)管殼式換熱器整體(zhěngtǐ)結(jié)構簡圖空心環(huán)網(wǎng)板結(jié)構簡圖共五十一頁空心(kōngxīn)環(huán)管間支撐的優(yōu)點一、不容易堵塞,運行(yùnxíng)阻力較低。

二、開孔率≥80%,流體縱向流、流場均勻。

三、縮放管對管外也起到了強化傳熱效果。

空心環(huán)管殼式換熱器面積比圓缺型折流板換熱器或折流板換熱器可減少35～40%，重量可以減少40%以上。

共五十一頁縮放管的結(jié)構(jiégòu)：空心環(huán)管殼式換熱器,采用的是雙面強化(qiánghuà)傳熱的縮放型傳熱管

縮放管結(jié)構示意圖

共五十一頁傳熱管采用光滑管強化傳熱能耗代價(dàijià)高h∝u0.8△P∝u2.0u2/u1=2,h2/h1=1.74,△P2/△P1=4

折流隔板流體阻力大，操作能耗高

1流體折流阻力損失大；2折流板迎風和背風流動死角大，傳熱性能差。傳統(tǒng)換熱器存在(cúnzài)的缺點共五十一頁空心(kōngxīn)環(huán)換熱器改進的特點1用縮放管強化傳熱(chuánrè)，取代光滑管u2/u1=1,h2/h1=1.8-2.0,△P2/△P1=2.5

2用空心環(huán)網(wǎng)板作為管間支承物，取代折流隔板流體阻力可減少80%－100%。共五十一頁改型縮放管的結(jié)構(jiégòu)：采用傳熱場協(xié)同理論,對縮放管的肋型作了優(yōu)化研究,成功的開發(fā)了新型(xīnxíng)急擴加速流縮放管

急擴加速縮放管結(jié)構示意圖

共五十一頁改型縮放管的強化(qiánghuà)傳熱原理：

該種管的特點是對原縮放管的凹凸肋面作了改進，將緩縮段與擴展段的長度比例由原來的2:1調(diào)整為10:1,使其能滿足兩場矢量夾角小于90度強化對流換熱條件的傳熱管段比例由原先的60％提升到90％，從而有效地加強了近壁處傳熱滯流底層的對流傳(liúchuán)熱作用，故比普通縮放管可獲得更高的流體對流傳(liúchuán)熱膜系數(shù)。

共五十一頁空心(kōngxīn)環(huán)管殼式換熱器的技術升級：

旋流網(wǎng)板管殼式換熱器是空心環(huán)管殼式換熱器的技術升級（專利號：ZL200420088741.1）。其優(yōu)勢(yōushì)可從兩個方面來說明：

一、原空心環(huán)管殼式換熱器所具有的優(yōu)點，在旋流網(wǎng)板

管殼式換熱器中均具有。

二、自旋流改善了場的協(xié)同效果，強化傳熱效果顯著。

旋流網(wǎng)板管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)比原來的空心環(huán)管殼式換熱器提高了15～20%。共五十一頁自旋流強化(qiánghuà)換熱原理：

當流體通過一段較短的扭帶時，流體會產(chǎn)生旋流，而當流體離開扭帶之后，其旋流狀態(tài)仍可持續(xù)向下游發(fā)展，形成流體自旋流，其持續(xù)的旋流長度可達數(shù)10倍的流道當量直徑，這種流體自旋流有兩個技術特征可用于傳熱強化：

1）旋流形成殼程縱向流道中邊緣區(qū)域流體的切向沖刷速度，對正方

形排列的傳熱管束縱向管隙間四周凸起的傳熱圓管壁面有正向沖

刷的效果，流體的速度矢量與傳熱溫度梯度矢量間的夾角在較大

部分(bùfen)傳熱界面上小于90度，有效增強了傳熱場協(xié)同的作用；

2）因自旋流僅增加摩擦阻力，而形體阻力很小，總阻力損失小，又有良

好的對流強化傳熱效果，故是一種節(jié)能高效的傳熱強化新方法。共五十一頁旋流(xuánliú)網(wǎng)板的結(jié)構示意圖共五十一頁光滑管換熱器是采用了目前國內(nèi)較先進的雙圓缺不布管的殼程結(jié)構，急擴加速流縮放管換熱器是采用旋流網(wǎng)板支承的殼程軸流式換熱器。急擴急速流縮放管換熱器可節(jié)省(jiéshěng)傳熱面積約35％，降低設備總重量約45％。光滑管換熱器共需5臺換熱器，其總壓降約9000Pa，而急擴加速流縮放管換熱器僅需4臺，其總壓降僅6200Pa，比光滑管換熱器低約30％。設計方案比較(bǐjiào)結(jié)果共五十一頁新技術與傳統(tǒng)(chuántǒng)換熱器相比較兩轉(zhuǎn)兩吸每噸硫酸的生產(chǎn)電耗可由原化工部標準的100度電減少(jiǎnshǎo)為70度電，能耗下降30%；換熱器的總傳熱系數(shù)可由13~15w/m2℃提升到28~32w/m2℃，鋼材消費金屬40%～50%;換熱器的總壓降可由約15000Pa下降為8000Pa左右，節(jié)省風機電耗；換熱器的臺數(shù)可由6臺減少為4臺，簡化系統(tǒng)流程與基礎建設費用。共五十一頁在茂名石化公司(ɡōnɡsī)的應用2003年茂名石化公司要將乙烯裝置的生產(chǎn)能力從年產(chǎn)30萬噸提升到33萬噸，氣體壓縮機級間冷卻器成了擴產(chǎn)的瓶頸。為了在原有的換熱設備基礎上擴產(chǎn)改造，我們采用了殼程流阻小及傳熱強化性能優(yōu)良的空心環(huán)支承縮放管束的殼程結(jié)構，利用原有的換熱器殼體，僅更換了換熱管束，就使得系統(tǒng)生產(chǎn)能力提高10％的條件下，氣體壓縮機級間的氣體冷卻不僅可以達到設計值，解決了原設備冷卻不足的問題，而且還將換熱器的氣體阻力降至56KPa，比原設備的氣體壓降減少54％，使氣體壓縮機的運行功耗可減少281Kw，此例也表明(biǎomíng)我們采用的傳熱強化技術具有國際先進水平。

共五十一頁在廣州石化總廠的應用(yìngyòng)在廣州石化總廠年產(chǎn)15萬噸乙烯裝置2003年擴產(chǎn)改造至20萬噸的改造工程中，面臨著一個場地小，設備沒有(méiyǒu)擴展空間，改造工期短，時間緊迫的問題，為此，乙烯裝置的擴產(chǎn)改造中，廣州石化總廠采用了我們提供的包括上述傳熱強化技術在內(nèi)的多項高效換熱器技術，在充分利舊的條件下，不增加原設備的空間位置，沿用原設備的殼體，僅更換高效傳熱管束，在較短的改造工期內(nèi)，與以較少的設備改造投資費用就很好地完成了系統(tǒng)的擴產(chǎn)改造工程，使系統(tǒng)的生產(chǎn)能力提高了三分之一，此工程為我國的石化工業(yè)采用傳熱強化先進節(jié)能技術創(chuàng)造了一個良好的樣板。在節(jié)能與節(jié)材的技術與經(jīng)濟效益指標上換熱面積節(jié)省30％，投資減少10％－20％，能耗下降20％及節(jié)能降耗達1000萬元。

共五十一頁廣州石化乙烯裝置中采用的空心(kōngxīn)環(huán)支承縮放管壓縮機段間冷卻器共五十一頁螺旋折流板支承(zhīchénɡ)菱形翅片管換熱器

針對傳統(tǒng)的單弓折流隔板管殼式換熱器折流區(qū)流體流動死角較大，傳熱性能差且形體阻力較大的問題與缺點，提出和采用螺旋折流板支承菱形翅片管束的換熱器殼程結(jié)構，一方面可較大幅度減少殼程流體的流動死角，降低流體阻力（約30％－40％），同時利用菱形翅片管的三維周向翅片可提高殼程流體的對流傳熱膜系數(shù)（100％－150％），具有良好(liánghǎo)的傳熱強化性能。共五十一頁螺旋(luóxuán)折流隔板換熱器共五十一頁圖3菱形(línɡxínɡ)翅片管示意圖1管基體；2翅片螺旋折流板是強化管殼式換熱器殼程傳熱的一種十分有效的殼程支撐結(jié)構形式，既適用于低粘度流體，又適合(shìhé)高粘度流體；既適合(shìhé)單相流，又適合(shìhé)多相流共五十一頁螺旋折流板支承(zhīchénɡ)菱形翅片管換熱器的性能通過與螺旋折流板支承(zhīchénɡ)光滑管換熱器比較，在相同雷諾數(shù)下，螺旋折流板支承(zhīchénɡ)菱形翅片管換熱器的殼側(cè)傳熱膜系數(shù)提高54％～108％，且隨Re增大，傳熱膜系數(shù)提高的幅度也增大。而殼側(cè)流動的阻力系數(shù)低30％～5％。但隨著雷諾數(shù)增大，三維翅片擾動引起的湍動程度加劇，這兩種換熱器殼側(cè)的阻力系數(shù)逐漸接近。共五十一頁縮放管全逆流(nìliú)雙殼程換熱器共五十一頁換熱器的使用(shǐyòng)場合與特點結(jié)構特點：管程與殼程流體在換熱過程中為全逆流換熱，傳熱溫差利用效率達100%，避免了現(xiàn)有技術中錯流換熱有效傳熱溫差小的缺點。采用縮放管作為傳熱管，可在流速不高的條件下，也能獲得良好的傳熱強化效果(xiàoguǒ)，有助于縮短傳熱管長度，避免使用光滑管時管長過長的缺點，在工業(yè)裝置中易于施工。與單弓折流板光管管殼式換熱器相比，軸流式雙殼程縮放管管殼式換熱器的換熱面積可以節(jié)省43.7%，而殼程壓降可以減少18%，總傳熱系數(shù)可提升63%。與軸流式單殼程光滑管管殼式換熱器相比，軸流式雙殼程縮放管管殼式換熱器的傳熱面積可節(jié)省45.7%，而殼程壓降僅增加8%，總傳熱系數(shù)可提升83.7%。高效傳熱管及雙殼程軸向流全逆流換熱方式，換熱器的傳熱性能大幅提高，可大大減少所需的換熱面積，比現(xiàn)有技術的換熱設備投資可有較大幅度減少，同時體積緊湊，便于設備的安裝與維修。共五十一頁廣州金珠江化工廠使用(shǐyòng)的液－液雙殼程全逆流縮放管換熱器共五十一頁熱管換熱器普通的重力(zhònglì)型熱管振蕩流熱管共五十一頁振蕩(zhèndàng)流熱管工作基理

將蛇形密閉空間(kōngjiān)抽真空并填充一定量的工質(zhì)（使得工質(zhì)在低于常壓沸點的情況下蒸發(fā)），在管徑足夠小的情況下，管內(nèi)將形成汽泡柱和液體柱間隔并呈隨機分布的狀態(tài)。工作過程中，在蒸發(fā)端，