工業(yè)余熱利用技術(shù)研究進(jìn)展-華南理工大學(xué)汪雙鳳

工業(yè)余熱利用(lìyòng)技術(shù)研究進(jìn)展華南理工大學(xué)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(xué)，日本學(xué)術(shù)振興會(huì)特別研究員（等同于德國(guó)洪堡學(xué)者）博士學(xué)位：1999/10-2003/3，東京大學(xué)工學(xué)系研究科碩士學(xué)位：1988/9-1991/3，天津大學(xué)熱能工程系本科：1981/7-1985/7，中南林業(yè)(línyè)科技大學(xué)，機(jī)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(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授博導(dǎo)。學(xué)術(shù)方向(fāngxiàng)負(fù)責(zé)人，教育部實(shí)驗(yàn)室副主任1995.5-2005.11，在日本留學(xué)、工作共十年半時(shí)間1991-1999，湖南廣播電視大學(xué)講師1985-1988，中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)械系助教共五十一頁主要(zhǔyào)學(xué)術(shù)兼職中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)分委會(huì)委員中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)熱管專業(yè)組委員中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)熱能工程分委會(huì)委員廣東省節(jié)能協(xié)會(huì)專家工作(gōngzuò)委員會(huì)專家成員在日華人汽車工程師協(xié)會(huì)理事日本傳熱學(xué)會(huì)會(huì)員、美國(guó)機(jī)械學(xué)會(huì)會(huì)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(shù)；工業(yè)余熱利用技術(shù)電動(dòng)汽車動(dòng)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(diǎn)建設(shè)大學(xué)。是華南地區(qū)工科龍頭。創(chuàng)立于1932年取名中山大學(xué)。1952年，成立華南工學(xué)院。今年，60年校慶共五十一頁傳熱強(qiáng)化(qiánghuà)與過程節(jié)能

教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有固定人員近百人，包括國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者3人，教育部新世紀(jì)人才(réncái)9人，“珠江學(xué)者”特聘教授2名。

主持和承擔(dān)了一批國(guó)家、省部級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目，近五年科研經(jīng)費(fèi)約6000萬元。

先后獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省、部級(jí)科研獎(jiǎng)20余項(xiàng)，中國(guó)專利50余項(xiàng)。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(zhǎng)情況2003-2007年中國(guó)能源消費(fèi)總量及其增長(zhǎng)速度能源消耗增長(zhǎng)速度(zēnɡchánɡsùdù)快無論從世界(shìjiè)還是從中國(guó)來看，常規(guī)能源都是很有限的，中國(guó)的一次能源儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲(chǔ)量的10％。開發(fā)低碳能源技術(shù)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，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(jì)，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(chǔ)量?jī)?chǔ)采比《BP世界能源統(tǒng)計(jì)2006》石油天然氣煤炭共五十一頁中國(guó)堅(jiān)持(jiānchí)可持續(xù)發(fā)展的四大戰(zhàn)略措施建設(shè)(jiànshè)資源節(jié)約型社會(huì)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)共五十一頁重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工業(yè)余熱利用(lìyòng)方面的主要技術(shù)產(chǎn)品（1）高效換熱器（2）強(qiáng)化(qiánghuà)換熱管（3）熱管技術(shù)共五十一頁換熱器是量大面廣的熱能轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)設(shè)備電力冶金運(yùn)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(shè)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(gòu)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(qiáng)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(fù)合強(qiáng)化管共五十一頁螺旋隔板(ɡébǎn)強(qiáng)化管換熱器1、一種螺旋流花瓣管殼管式換熱器，實(shí)用新型專利：ZL99236801.42、殼管式同軸雙重旋流換熱裝置，實(shí)用新型專利，ZL200420083360.43、殼管式壓縮氣體(qìtǐ)內(nèi)導(dǎo)筒旋流裝置，實(shí)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(shí)用新型專利：ZL200720057747.66、螺旋折流板支撐異形管管束冷凝器，實(shí)用新型專利：ZL200720057746.1強(qiáng)化管作為傳熱元件螺旋隔板作為支撐結(jié)構(gòu)流體螺旋流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱表面結(jié)構(gòu)協(xié)同強(qiáng)化傳熱共五十一頁不同類型(lèixíng)螺旋隔板強(qiáng)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(shù)特點(diǎn)：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(shù)自1990年開始在硫酸工業(yè)系統(tǒng)投入使用,1996年由國(guó)家科委列入“九五”國(guó)家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)為96010301A）以來，在國(guó)內(nèi)硫酸工業(yè)中已廣泛(guǎngfàn)推廣應(yīng)用。這種高效節(jié)能型換熱器目前已應(yīng)用在全國(guó)29個(gè)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(yīng)用,均取得良好的效果。空心(kōngxīn)環(huán)管殼式換熱器的工業(yè)應(yīng)用：共五十一頁金川集團(tuán)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(gòu)(jiégòu)介紹：空心環(huán)管殼式換熱器整體(zhěngtǐ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖空心環(huán)網(wǎng)板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖共五十一頁空心(kōngxīn)環(huán)管間支撐的優(yōu)點(diǎn)一、不容易堵塞,運(yùn)行(yùnxíng)阻力較低。

二、開孔率≥80%,流體縱向流、流場(chǎng)均勻。

三、縮放管對(duì)管外也起到了強(qiáng)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(gòu)(jiégòu)：空心環(huán)管殼式換熱器,采用的是雙面強(qiáng)化(qiánghuà)傳熱的縮放型傳熱管

縮放管結(jié)構(gòu)示意圖

共五十一頁傳熱管采用光滑管強(qiáng)化傳熱能耗代價(jià)(dàijià)高h(yuǎn)∝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(fēng)和背風(fēng)流動(dòng)死角大，傳熱性能差。傳統(tǒng)換熱器存在(cúnzài)的缺點(diǎn)共五十一頁空心(kōngxīn)環(huán)換熱器改進(jìn)的特點(diǎn)1用縮放管強(qiáng)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(gòu)(jiégòu)：采用傳熱場(chǎng)協(xié)同理論,對(duì)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(kuò)加速流縮放管

急擴(kuò)加速縮放管結(jié)構(gòu)示意圖

共五十一頁改型縮放管的強(qiáng)化(qiánghuà)傳熱原理：

該種管的特點(diǎn)是對(duì)原縮放管的凹凸肋面作了改進(jìn)，將緩縮段與擴(kuò)展段的長(zhǎng)度比例由原來的2:1調(diào)整為10:1,使其能滿足兩場(chǎng)矢量夾角小于90度強(qiáng)化對(duì)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(qiáng)了近壁處傳熱滯流底層的對(duì)流傳(liúchuán)熱作用，故比普通縮放管可獲得更高的流體對(duì)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(shù)升級(jí)：

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(shù)升級(jí)（專利號(hào)：ZL200420088741.1）。其優(yōu)勢(shì)(yōushì)可從兩個(gè)方面來說明：

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

管殼式換熱器中均具有。

二、自旋流改善了場(chǎng)的協(xié)同效果，強(qiáng)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(qiáng)化(qiánghuà)換熱原理：

當(dāng)流體通過一段較短的扭帶時(shí)，流體會(huì)產(chǎn)生旋流，而當(dāng)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(zhǎng)度可達(dá)數(shù)10倍的流道當(dāng)量直徑，這種流體自旋流有兩個(gè)技術(shù)特征可用于傳熱強(qiáng)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(duì)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(qiáng)了傳熱場(chǎng)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(duì)流強(qiáng)化傳熱效果，故是一種節(jié)能高效的傳熱強(qiáng)化新方法。共五十一頁旋流(xuánliú)網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)示意圖共五十一頁光滑管換熱器是采用了目前國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的雙圓缺不布管的殼程結(jié)構(gòu)，急擴(kuò)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(kuò)急速流縮放管換熱器可節(jié)省(jiéshěng)傳熱面積約35％，降低設(shè)備總重量約45％。光滑管換熱器共需5臺(tái)換熱器，其總壓降約9000Pa，而急擴(kuò)加速流縮放管換熱器僅需4臺(tái)，其總壓降僅6200Pa，比光滑管換熱器低約30％。設(shè)計(jì)方案比較(bǐjiào)結(jié)果共五十一頁新技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(fèi)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(fēng)機(jī)電耗；換熱器的臺(tái)數(shù)可由6臺(tái)減少為4臺(tái)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)流程與基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用。共五十一頁在茂名石化公司(ɡōnɡsī)的應(yīng)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(jī)級(jí)間冷卻器成了擴(kuò)產(chǎn)的瓶頸。為了在原有的換熱設(shè)備基礎(chǔ)上擴(kuò)產(chǎn)改造，我們采用了殼程流阻小及傳熱強(qiáng)化性能優(yōu)良的空心環(huán)支承縮放管束的殼程結(jié)構(gòu)，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(jī)級(jí)間的氣體冷卻不僅可以達(dá)到設(shè)計(jì)值，解決了原設(shè)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(shè)備的氣體壓降減少54％，使氣體壓縮機(jī)的運(yùn)行功耗可減少281Kw，此例也表明(biǎomíng)我們采用的傳熱強(qiáng)化技術(shù)具有國(guó)際先進(jìn)水平。

共五十一頁在廣州石化總廠的應(yīng)用(yìngyòng)在廣州石化總廠年產(chǎn)15萬噸乙烯裝置2003年擴(kuò)產(chǎn)改造至20萬噸的改造工程中，面臨著一個(gè)場(chǎng)地小，設(shè)備沒有(méiyǒu)擴(kuò)展空間，改造工期短，時(shí)間緊迫的問題，為此，乙烯裝置的擴(kuò)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(qiáng)化技術(shù)在內(nèi)的多項(xiàng)高效換熱器技術(shù)，在充分利舊的條件下，不增加原設(shè)備的空間位置，沿用原設(shè)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(shè)備改造投資費(fèi)用就很好地完成了系統(tǒng)的擴(kuò)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(guó)的石化工業(yè)采用傳熱強(qiáng)化先進(jìn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)良好的樣板。在節(jié)能與節(jié)材的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)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(dá)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(jī)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(duì)傳統(tǒng)的單弓折流隔板管殼式換熱器折流區(qū)流體流動(dòng)死角較大，傳熱性能差且形體阻力較大的問題與缺點(diǎn)，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(gòu)，一方面可較大幅度減少殼程流體的流動(dòng)死角，降低流體阻力（約30％－40％），同時(shí)利用菱形翅片管的三維周向翅片可提高殼程流體的對(duì)流傳熱膜系數(shù)（100％－150％），具有良好(liánghǎo)的傳熱強(qiáng)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(qiáng)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(gòu)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(dòng)的阻力系數(shù)低30％～5％。但隨著雷諾數(shù)增大，三維翅片擾動(dòng)引起的湍動(dòng)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(chǎng)合與特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(dá)100%，避免了現(xiàn)有技術(shù)中錯(cuò)流換熱有效傳熱溫差小的缺點(diǎn)。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(qiáng)化效果(xiàoguǒ)，有助于縮短傳熱管長(zhǎng)度，避免使用光滑管時(shí)管長(zhǎng)過長(zhǎng)的缺點(diǎn)，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(shù)的換熱設(shè)備投資可有較大幅度減少，同時(shí)體積緊湊，便于設(shè)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(diǎn)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(jī)分布的狀態(tài)。工作過程中，在蒸發(fā)端，