高效能量传递与转换技术

（1）高效低污染燃烧技术 燃烧是获取热能的最主要方式。按燃料性质的不同，一般可分为煤的燃烧、油的燃烧和气体燃料的燃烧。要提高燃料化学能转换为热能的效率，必须广泛采用高效低污染燃烧技术。

1）气体燃料的燃烧技术。气体燃料一般便于储存、运输，燃烧方便，随着天然气被大规模的开发和煤的气化越来越受到重视，其应用的范围也越来越广泛。气体燃料燃烧的效率主要取决于燃烧器，而气体燃料的燃烧效率通常都很高。在气体燃料的燃烧技术中应主要注意：①正确选用燃烧器，如扩散式燃烧器其安全性较好，没有回火爆炸的危险，但火焰较长，仅适合高热值的燃烧。预混式燃烧器，其燃烧强度高，不产生炭黑，但燃烧不稳定，有可能出现回火或脱火的危险，适用于低热值燃料的燃烧。对于一些供热量很大的工业炉，以天然气为燃料时所需流量很大，此时采用部分预混式燃烧器可提高燃烧热负荷，还能控制火焰的发光程度，有利于改善炉内辐射传热。②控制好燃烧器的结构参数和流动参数。改变结构参数会对燃料的燃烧情况产生明显的影响。改变流动参数对燃料的燃烧也会产生明显的影响，对于预混燃烧器的燃烧，气流速度小于火焰速度，可能产生回火，而大于时可能吹灭火焰，产生脱火。因此应控制好燃烧器的参数。③提高火焰的稳定性。所谓火焰稳定性是指火焰连续稳定地维持在某个空间位置，既不熄火又不随意移动的状态。火焰的稳定性是高效燃烧的关键，在工程中应采用各种措施保持火焰的稳定。如利用回流的高温烟气不断向燃料气体提供足够的热量，以保证火焰连续稳定。产生高温烟气回流的方法是在喷口流速较高的湍流区后设置钝体稳焰器、船型稳焰器、多孔板稳焰器等，以形成高温烟气的回流区，持续向燃料气体提供热量，维持火焰的稳定。④燃烧器的改进和新型燃烧器的开发。例如：旋流式燃烧器、旋风燃烧器、高速煤气燃烧器、多喷口板式无焰燃烧器等。旋流式燃烧器是使气流旋转将可燃气体和助燃空气混合和燃烧，燃烧热负荷高，火焰稳定性好。如果提高气流的旋转强度，将形成燃烧旋涡，燃烧更强烈，热负荷更高。

2）油的燃烧技术。油是最常用的燃料。油的沸点总是低于其着火温度，也就是说油总是先蒸发成油蒸汽，然后油在蒸汽状态下燃烧。油的实际燃烧可分为三个过程，油被加热蒸发、油蒸汽与空气混合和着火燃烧。要实现油的高效低污染燃烧，应从两方面着手：一个是提高燃油的雾化质量，另一个是良好的配风。

燃油被雾化的细度是衡量雾化质量的主要数据，雾化后油滴的直径越小，单位质量的表面积就越大，燃料油的雾化就越好，其蒸发混合即燃烧的速率也越快。燃油的喷射速度和温度是影响雾化质量的两个主要因素，雾化油滴的尺寸取决于油气间相对速度的平方，相对速度越大，雾化油滴越细。同时燃油的温度增加，表面张力与粘度下降，雾化油滴的直径越小。燃油的雾化是通过各种雾化器实现的，通常将燃油雾化器称为喷油嘴。喷油嘴按工作形式可分为机械式喷油嘴（压力式和旋杯式）和介质式喷油嘴（以蒸汽或空气为介质），压力式又可分为简单式和回油式。燃料油雾化的能量分别来自机械压力、高速旋转的金属杯、一定压力的蒸汽或空气。要提高雾化的质量，应根据使用情况和油品的种类正确选用具有不同特性的喷油嘴。

配风器是为燃烧提供适量的空气，形成有利于空气和雾化燃料油的空气动力场。好的配风器通常应满足以下要求：①将空气分成一次风与二次风，一次风量约为15%～30%，一次风应在点火前就已和雾化油混合，以避免雾化油着火时由于缺氧而分解，产生大量的炭黑。②一次风应是旋转的，可以产生适当的旋转区，以保持火焰的稳定。③二次风可以是直流的，也可以有小的旋流强度。该旋流可控制火焰的形状，有利于早期混合。不管何种配风方式都应能使空气和雾化油扩展角形成良好的配合，一般气流的扩展角应比雾化油扩展角稍小一些，以使空气能高速喷入雾化油中形成良好的配合。

3）煤粉的燃烧技术。在我国大型锅炉和工业炉窑中多数采用煤粉燃烧，因此采用先进的煤粉高效低污染燃烧技术就显得十分重要。它包括煤粉燃烧稳定技术、煤粉低NOx燃烧技术、高浓度煤粉燃烧技术和流化床燃烧技术等。

煤粉燃烧稳定技术是使用各种新型燃烧器来实现煤粉的稳定着火和燃烧强化。目前被广泛使用的有：煤粉钝体燃烧器、稳燃腔燃烧器、开缝钝体燃烧器、夹心风燃烧器、火焰稳定船式燃烧器和双通道自稳燃式燃烧器等。使用新型燃烧器可使锅炉适应不同的煤种，特别是使用劣质煤和低挥发分煤，同时能提高燃烧效率，实现低负荷稳燃，并节约点火用油。如煤粉钝体燃烧器，利用煤粉气流绕流钝体时的脱体分离现象产生的内、外回流，从而提高了气流的湍流强度，造成一个高温烟气的回流区，在回流区边缘形成局部高浓度煤粉区，有利于煤粉的稳定着火和燃烧强化。它特别适用于燃用劣质煤和低挥发煤的锅炉和窑炉。除煤粉钝体燃烧器外，还有在钝体燃烧器的外面罩上一个稳燃腔的稳燃腔燃烧器，在三角钝体中间开一条中缝的开缝钝体燃烧器，它们延长了使用寿命，提高和改善了钝体燃烧器的性能。

众所周知，煤的燃烧过程会排放大量的污染物，目前世界上大多数燃煤电站对粉尘和SO₂的排放已有相当成熟的控制和处理技术，但对减少NOx的排放仍在进一步的深入研究之中。NOx污染主要是NO和NO₂污染。人为排放的NOx主要来自各种燃烧过程。NOx侵入人体后，能引起支气管炎和肺气肿；在大气中可与其他污染物发生光化学反应，形成光化学烟雾；还可形成酸雨，腐蚀金属、建筑物和其他物品。目前降低NOx的排放比较成熟的办法是采用空气分级燃烧和烟气再循环燃烧等技术。空气分级燃烧技术就是将燃料燃烧过程分为两个阶段，第一阶段将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70%～75%（相当于理论空气量的80%左右），使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧，此时由于过量空气系数小于1，因此降低了该燃烧区的燃烧速度和温度水平，抑制了NOx在这一燃烧区中的生成量。实践表明，采用空气分级燃烧技术可以降低NOx放15%～30%。目前还采用烟气再循环来减少NOx的排放，当烟气再循环率为15%～20%时，煤粉炉NOx的排放可降低25%左右。

高浓度煤粉燃烧技术不但能实现煤粉锅炉低NOx燃烧，而且能实现无烟煤等难燃煤种的稳燃。要实现高浓度煤粉燃烧技术必须提高一次风中的煤粉浓度，目前提高煤粉浓度的方法主要有三种：高浓度给粉、采用燃烧器浓缩技术和采用浓缩器浓缩技术。

煤的流化床燃烧技术是20世纪中期发展起来的一种新的煤的燃烧方式。经过几十年的发展以后，已显现出良好的发展势头，而且已成为全世界洁净煤燃烧技术的重要发展方向之一。流化床燃烧可分为两大类：常压流化床燃烧和增压流化床燃烧。第二代循环流化床锅炉的容量已从75t/h以下为主逐步发展到220t/h、410t/h、800t/h和更高容量，并与20万kW的汽轮发电机组配套。根据我国的能源结构，在较长时间内仍然以煤为主，且煤质较差的现实，应大力发展高效低污染的流化床燃烧技术。

（2）强化传热技术

1）传热过程的基本方式。只要有温差存在，热量就会自发地由高温传向低温，使温度趋于一致，因此热传递过程是自然界中基本的物理过程之一。它广泛地存在于工业生产的各个部门，用来实现各类工艺过程，也存在于各类产品，用于实现产品的性能。所以它广泛见于电力、化工、冶金、机械、轻纺、建筑建材、航空航天、原子能等部门和食品加工储存、室内温度控制、微电子产品散热等过程。

传热过程有三种基本方式：导热、对流换热和辐射换热，它们的传热规律各不相同，实际传热问题往往是几种传热方式同时起作用。我们将实现几种流体在其中进行热量交换的设备称为换热器。具有固体间壁以隔开温度不同的流体的称为间壁式换热器；使流体在器内直接接触而换热的称为混合式换热器；使冷流体和热流体交替通过同一换热面称为蓄热式换热器。按使用目的分为加热器、冷却器和冷凝器等。

2）提高传热系数是强化传热的主要途径。换热器是在工业部门和工业产品中广泛使用的重要设备，如把电站锅炉也可看做换热器，再加上冷凝器，除氧器，高、低压加热器等换热设备，换热器的总投资约占电厂投资的70%。在制冷设备中，蒸发器、冷凝器的质量也要占整个机组质量的30%～40%。因此从节能的角度出发，要想进一步减小换热器的体积，减轻质量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，就必须用各种办法来增强换热器内的传热。因此近十几年来，强化传热技术受到工业界的广泛重视，发展十分迅速，并取得了显著的经济效果。如美国通用油品公司将该公司电厂汽轮机冷凝器中用单头螺旋槽管代替普通铜管，由于其强化了传热效果，使冷凝器的管子长度减少了44%，数目减少了15%，质量减轻了27%，总传热面积节约30%，投资节省了10万美元。又如用我国研制的椭圆矩形翅片管代替圆形翅片管制作的空冷管，其传热系数可以提高30%，而空气侧的流动阻力可以降低50%。我国石化行业和火电厂已广泛应用这种空冷器，取得了显著的经济效益。

换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多。应用强化传热技术的目的是：提高现有换热器的换热能力；减小设计传热面积，以减小换热器的体积和质量；减小换热器的阻力，以减小换热器的动力消耗；使换热器能在较低温差下工作。通俗讲，在工程中强化传热技术就是能够把尽量多的热能传递给需要加热的物质或者把尽量多的余热回收下来，从而提高能源的利用率。从传热方程Q=kFΔT可以看出，换热器的传热量（Q）与传热系数（k）、传热面积（F）和传热平均温差（ΔT）成正比。即强化传热主要有三种途径：提高传热系数、扩大传热面积和增大传热平均温差。

通常情况在一般设备中，冷热流体的种类和温度的选择常常受到生产的工艺过程的限制，不能随意变动，用增大传热平均温差的办法来增加传热只能适用于个别情况。扩大传热面积是常用的一种强化传热的有效方法，但应用时要进行技术经济分析，通常它会使流动阻力增加，金属消耗量增加，体积也随之增大。因此强化传热最重要的途径是提高传热系数，在传热面积和传热平均温差给定时，提高传热系数是强化传热的唯一途径。

要想提高传热系数，就要根据对流的特点，采取不同的强化方法。我国学者过增元院士在研究对流换热强化时，提出著名的场协同理论。该理论指出，要获得高的对流换热系数的主要途径有：①提高流体速度场和温度场的均匀性；②改变速度矢量和热流矢量的夹角，使两矢量的方向尽量一致。

强化传热技术通常分为主动式和被动式两大类。主动式强化传热需要消耗外部能量，如采用电场、磁场、光照射、搅拌、振动、喷射等手段。被动式强化传热则不需要消耗外部能量，是换热器强化传热主要采用的方法，如表面特殊处理法、表面粗糙法、强化元件法、添加剂法。

3）单相介质管对流换热强化的主要方法。单相介质管内对流换热强化的主要方法有流体旋转法和改变流道截面形状。使流体旋转的方法很多，在工艺上可行的通常采用管内插入物或螺旋内肋管。管内插入物可以扰动管内的流体，增强湍流度，有效地清除污垢，提高传热系数；亦可形成旋转流和二次流；插入件在管内扰动流体，破坏了层流边界层，加快了流体同传热管的换热。常用的内插件有：纽带、间隔纽带、错开纽带、螺旋片、螺旋线、静态混合器等。对新设计制造的换热设备，多采用螺旋槽管或螺旋内肋管来使流体旋转。螺旋槽管表面具有螺旋形凹槽，传热管内外表面的凸起或槽纹干扰了管内流体的流动，破坏了层流边界层，流动状态达到充分的湍流，促进了传热管同流体间的热交换，增强了管内外流体的换热。螺旋升角对换热的影响很大，大螺旋升角更有利于换热。研究表明，螺旋槽管换热器比光管的传热系数提高了2～4倍，在阻力损失和换热面积相同时，换热量可增加30%～40%。

改变截面流道形状强化传热时，对于层流工况和过度工况，高度比合适的矩形截面的换热比三角形截面和圆形截面要高得多。对于湍流工况，为改变管子的流道截面，应用最广的是横槽纹管。横槽纹管由光管的外表面被滚压成一圈圈有序的环形凹槽而成，与管子轴线成90°角。其强化机理为：当管内流体流经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递。当漩涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋，因此不断产生涡流，保持了稳定的强化传热作用。研究和实际应用证明：横槽纹管与单头螺旋槽纹管比较，在相同流速下，流体阻力要大一些，传热性能好些。影响横槽纹管综合传热性能的主要结构参数为肋节距和肋形，而肋高影响较小。横槽纹管抗垢能力要优于光管，传热性能较光管提高2～4倍。

单相介质横向或纵向掠过管束是工程上常见的对流换热过程，其最实用的强化方法是扩展换热面和采用各种异型管。当换热面一侧为气体，另一侧为液体时，由于气体一侧的传热系数比液体一侧小得多（一般小10～50倍），此时最有效的方法是用扩展换热面的方法来提高传热系数。为了进一步提高气侧的换热和使换热器的整体结构更加紧凑，各种异型扩展面发展迅速，它们比普通扩展面在气侧的传热系数再提高0.5～1.5倍。发展最快应用最广的是各种普通扩展面（如矩形、三角形）的变形，如平行板肋换热器中的异型扩展换热面等。它们形状各异，种类繁多，其中波形、销钉型、百叶窗型、多孔型等最常用。为强化管束传热，在工程应用中用椭圆管、透镜管、滴形管、椭圆交叉缩放管等来代替圆管的越来越多，其中应用最广的是扁管和椭圆管。随着技术的发展，螺旋扁管、螺旋椭圆扁管及交叉缩放椭圆管的应用也越来越多。螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形，然后扭曲而成，流体在管内处于螺旋流动状态，因而破坏了管壁附近的层流边界层，提高了传热效率。研究表明，螺旋椭圆扁管换热器具有较好的强化传热性能，管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响。从综合性能来看，大管径优于小管径；对于相同规格的管子，导程增大，传热性能降低，流动阻力减小。这种结构的换热器与光管换热器相比，热流密度高50%，容积小30%。

4）有相变传热强化的主要方法。有相变传热是指在对流换热中发生液体沸腾或蒸汽凝结的换热过程。对于强化有相变的沸腾换热主要从两方面着手：增多汽化核心和提高气泡脱离。具体方法有粗糙表面和对表面进行特殊处理、扩展表面、在沸腾液体中加添加剂等。表面粗糙和对表面进行特殊处理可使汽化核心数目大大增加，比光滑表面的传热强度提高好几倍。最简单方法是用砂纸打磨表面和用喷沙的方法来使表面粗糙，工程上应用最多的是经特殊处理后形成许多理想的内凹穴，在低过热度时形成稳定的汽化核心。内凹穴颈口半径越大，形成气泡所需的过热度就越低，从而大大强化了泡状沸腾过程。但应注意在强化沸腾换热时，存在一定极限的粗糙度，超过一定极限的粗糙度，传热系数不再增加。实验证明，表面多孔管的沸腾传热系数可提高2～10倍。此外临界热负荷也相应得到提高。在相同热负荷下，特殊处理过的表面的传热温差也比普通表面低得多。用肋管代替光管也可以增加沸腾传热系数。肋管除有较大的换热面积外，还可以增加汽化核心，同时肋片和管子连接处受到液体润湿作用较差，是良好的吸附气体的场所，另外肋片与肋片之间的空间里的液体三面受热，易于过热，这些因素都促进了气泡的生长，通常传热系数可提高约10%。锯齿形翅片管是一种新型传热管，其翅片外缘有锯齿缺口，加强了流体的扰动，促进对流换热，换热面积增大，增强了换热量，锯齿管的传热系数是光管的6倍，是低肋管的1.5～2倍。花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传热管，从截面上看，各翅片像花瓣状而得此名。花瓣形翅片管既能显著地强化低表面张力介质及其混合物和含不凝性气体的水蒸气的冷凝传热，又能显著地强化空气和高黏性流体的冷却传热。有研究表明：自然对流条件下，其传热系数比锯齿形翅片管提高了8%～10%，在强制对流下，是光管的5～6倍。在液体中加入气体或另外一种适当的液体也可强化沸腾换热。如在水中加入合适的添加剂（例如各类聚合物），可使传热系数提高40%。

凝结也是一种相变换热过程。对于管外凝结换热强化的主要方法有：冷却表面的特殊处理、冷却表面的粗糙化和采用扩展表面等。对冷却表面的特殊处理主要是为了在冷却表面产生珠状凝结，它的传热系数比通常的膜状凝结高5～10倍。而粗糙表面可增加凝结液膜的湍流度，也可强化凝结换热。在管外膜凝结中还常常采用低肋管，它可增加换热面积，还由于冷凝流体的表面张力在肋片上形成的液膜较薄，其凝结传热系数比光管高75%～100%。对于管内凝结换热强化的方法主要有：扩展表面法、流体旋转法等。采用内肋管是强化管内凝结的最有效的方法，试验表明，比光管的传热系数高20%～40%。

5）纳米传热介质的研究。随着技术的进步，纳米传热介质的研究正在逐步进入人们的视野，以前对传热介质的研究主要是针对它的流动特性，对增强介质换热系数的研究很少。增强介质的换热系数是近些年新开辟的领域，并迅速受到重视，成为热点课题。研究表明纳米流体具有很好的传热功能，对纳米流体导热系数的实验研究显示，以不到5%的体积比在水中添加氧化铜纳米粒子形成的纳米流体导热系数比水高60%以上；用纳米流体和微型热交换器构成了冷却强度可达30MW/m²的高效冷却系统。影响纳米流体导热系数的主要因素有四种：①非限域传递的影响；②布朗运动的影响；③液膜层的影响；④颗粒聚集的影响。换热器中如果利用纳米介质换热，传热效率将大大提高，与之相匹配的各种换热器将相继开发出来，并可以节约能源，降低成本。此外，换热器的场协同原理也是今后强化传热技术发展的重要方向，并在此基础上开发第三代传热技术。

（3）余热回收技术 热能是能源利用最广泛的形式，它在家庭特别是在工业企业中被广泛使用，但热能利用率不高，因此余热资源十分丰富。工业上大量的余热未得到充分的回收和利用，如在冶金、化工、机械、玻璃、陶瓷等各行业中的余热均未能很好地回收和加以利用。仅以工业窑炉为例，排烟温度一般为200～600℃，浪费的排烟热量约占燃料消耗量的50%以上。据统计，我国工业窑炉烟气每年排放的余热热值相当于万吨标准煤的热值，等于两个年产千万吨煤矿的产量，这是一笔很大的能源浪费。因此，这一部分的余热回收是节能环节中的要务，余热回收利用潜力巨大。

1）热能与余热。由于工业企业的不同类型，生产过程各不相同，但从热能使用的目的来看，热能主要用于以下三个方面：①发电和拖动。即将蒸汽的热能转变为电力，用作各种电气设备的动力；或者直接以蒸汽为动力，拖动压气机、压缩机、水泵、风机、气锤、锻压机等。通常称为动力用户。②工艺过程加热。即利用蒸汽、热水或热气体的热量对工艺过程的某些环节加热，以及对原料和产品进行热处理，以完成工艺要求或提高产品质量。通常称为热力用户。③采暖和空调。即公用和民用建筑冬季采暖、热水供应以及夏季制冷空调。它们都直接或间接使用大量热能。通常称为生活用户。

从热能使用的参数来看，可分为三个等级：①高温高压热能。通常指500℃以上，压力为3～10MPa的高温高压蒸汽或燃气，它们通常用于发电，温度和压力越高，热能转换的效率也越高。②中温中压热能。通常指150～300℃，4MPa以下的热能，它们大量用于加热、干燥、蒸发、蒸馏、洗涤等工艺过程，少数用于气力拖动。③低温低压热能。通常指150℃、0.6MPa以下的热能，主要用于采暖、热水、制冷、空调等。通常工业中，中、低参数的热能使用最为广泛。

从理论上分析，输入系统的总能量在利用过程中可分为已利用的有效能和未能利用的损失能，比如锅炉生产的蒸汽转换为可用功或利用了的能量为有效能，而散热消耗和排放过程中带到环境中的能量则为损失能，而对有效能重复利用和损失能部分回收的总称为余能，主要有以下几类：①可燃性余能，指可以作为燃料利用的可燃物，包括排放的可燃气体、废液、废料等，如高炉气、焦炉气、转炉气、油田伴生气以及矿井的瓦斯气和可燃矿渣、垃圾等。②载热性余能，就是所谓的余热，包括各种排气、产品、工质、冷却水等所带出的高温热，如锅炉和窑炉的烟气，燃气轮机和内燃机的排气等。③有压性余能，有压性余能通常指工业上排气、排水等有压力或落差流体的能量，可以利用有压流体驱动机械做功或发电。

从广义上讲，凡是温度比环境温度高的排气和待冷物料所含的热量都属于余热，对于工业企业中的余热资源大致可分为以下六大类。①高温烟气余热，主要指各种冶炼炉窑、加热炉、燃气轮机、内燃机等排出的烟气余热，这类余热资源数量最大，约占整个余热资源的50%以上，其温度为650～1650℃。②可燃废气、废液、废料的余热，如高炉煤气、转炉煤气、炼油厂可燃废气、纸浆厂黑液、化肥厂的造气炉渣、城市垃圾等。它们不仅具有物理热，而且含有可燃气体。可燃废料的燃烧温度在600～1200℃，发热值约为3350～10465kJ/kg。③高温产品和炉渣的余热，其中有焦炭、高炉炉渣、钢坯钢锭、出窑的水泥和砖瓦等，它们在冷却过程中会放出大量物理热。④冷却介质的余热，它是指各种工业炉窑壳体在冷却过程中冷却介质所带走的热量，例如电炉、锻造炉、加热炉、转炉、高炉等都需采用水冷，水冷产生的热水或蒸汽都可加以利用。⑤化学反应余热，它是指化工生产过程中的化学反应热，这种化学反应热通常又可在工艺过程中加以再利用。⑥废气、废水的余热，这种余热的来源很广，如热电厂供热后的废气、废水，各种动力机械的排汽以及各种化工、轻纺工业生产过程中蒸发、浓缩产生的废气和排放的废水等。

余热按温度高低可以分为三个等级：高温余热，温度＞650℃；中温余热，温度为230～650℃；低温余热，温度＜230℃。各工业部门余热来源及余热占部门燃料消耗的比例见表4-13。

表4-13 各工业部门余热来源及余热占部门燃料消耗的比例

余热回收中动力回收的经济性好，许多热设备的余热排气温度较高，能满足动力回收的条件，如表4-14所列。此外许多可燃废气的温度和热值都较高，也是较理想的动力回收余热。

表4-14 常见热设备的余热温度

2）余热利用的途径。余热的直接利用。①预热空气。它是利用高温烟道气，通过高温换热器来加热进入锅炉和工业炉窑的空气。由于进入炉膛的空气温度提高，使燃烧效率提高，从而节约燃料。在黑色和有色金属的冶炼过程中，广泛采用这种预热空气的方法。②干燥。即利用各种工业生产过程中的排气来干燥材料和部件。例如，陶瓷厂的泥坯、冶炼厂的矿料、铸造厂的翻砂模型等。③生产热水和蒸汽。它主要是利用中低温的余热来生产热水和低压蒸汽，以供应生产工艺和生活方面的需要，在纺织、造纸、医药等工业以及人们生活上都需要大量的热水和低压蒸汽。④制冷。它是利用低温余热通过吸收式制冷系统来达到制冷目的。

余热发电。如用余热锅炉（又称废气锅炉）产生蒸汽，推动汽轮发电机组发电；高温余热作为燃气轮机的热源，利用燃气发电机组发电；如余热温度较低，可利用低沸点工质（如正丁烷）来达到发电的目的。

余热的综合利用。余热的综合利用是根据工业余热温度的高低，采用不同的利用方法实现余热的梯级利用，以达到“热尽其用”的目的。例如高温排气，首先应当用于发电，而发电余热再用于生产工艺用热，生产工艺的余热再用于生活用热。如工艺用热要求的温度较高，则可通过汽轮机的中间抽气来予以满足。对于高温、高压废气应尽可能采用燃气-蒸汽联合循环。

3）余热的动力回收。在动力回收中最简单的是直接利用可燃废气驱动燃气轮机。例如，一个年产万吨的小化肥厂，其排放的废气流量为450m³/h，热值为14600kJ/m³，采取稳压措施后作为燃料直接驱动200kW的燃气轮机，而燃气轮机的排气还可用作余热锅炉的热源来生产0.3MPa的饱和蒸汽。此外利用高炉煤气的余压0.2～0.3MPa驱动特殊设计的膨胀涡轮机发电，也是动力回收的一种方式。对于中高温的废气，在多数情况下，采用余热锅炉产生蒸汽，再驱动汽轮机发电。20世纪90年代以后，由于大型企业的发展，余热锅炉已向大容量和高参数方向发展，蒸汽压力已达到10～14MPa，单机蒸发量已超过200t/h。余热锅炉因不需要炉膛，外形更类似于换热器。由于热源分散，温度水平不同，不能组成一个整体，应服从工艺需要，多采用分散布置。一般情况下余热源热负荷存在周期性波动，在系统中常要并联工业锅炉，或在锅炉中加装辅助燃烧器，以保持稳定供汽。

对于低温余热，在动力回收中通常采用闪蒸法或低沸点工质法。闪蒸法主要用于低温热水或汽水混合物，低温热水在闪蒸器中闪蒸成蒸汽，然后推动汽轮机发电。为充分利用低温余热，还可采用两级闪蒸，可提高有效功率，但系统较为复杂。采用低沸点工质的动力回收有两种类型，①直接利用低温热源将低沸点工质加热并产生蒸汽，然后驱动汽轮机发电。可选用的低沸点工质除正丁烷外，还有氯乙烷、异丁烷、各种氟利昂，大多数的碳氢化合物以及其他低沸点物质，如CO₂、NH₃等。②采用双循环法，即低沸点工质作为直接做功工质，还有一种工质作为中间传热介质。这种方法常用于温度稍高的低温余热利用。(www.xing528.com)

4）凝结水回收。凝结水的回收是余热利用中的重要方面，在热能利用中一般只重视蒸汽热量（即蒸汽的潜热），而蒸汽的湿热（即凝结水中的热量）几乎没有被利用。凝结水温度等于工作蒸汽压力下的饱和温度，蒸汽压力越高，凝结水中的热量也越多。其所含热量可以达到蒸汽所含热量的20%～30%，如果不加以回收利用，不仅损失了热能，还损失了高度纯净的水，使锅炉补给水和水处理的成本增加。我国在这方面的问题是存在较为严重的蒸气泄漏（60%处于超标准漏气，30%处于严重漏气），每年泄漏蒸汽总量约1亿t，约合1400万t标准煤。而且70%左右的凝结水未被回收利用，直接排放到地下。凝结水中所含热能占蒸汽排放热能的20%～25%，国家规定的凝结水回收比例为80%，国际上先进国家规定的回收比例为90%，由此每年浪费的能源折合标准煤1500万t。

凝结水最好的回收利用方法就是将凝结水送回锅炉，作为锅炉的给水。凝结水回收系统可分为开式和闭式两类。开式系统是将从用气设备来的凝结水，经疏水器靠凝结水本身的重力（或由凝结水泵）排至凝结水箱中。由于凝结水箱与大气相通，凝结水处于大气压力，因此将会因压降产生大量蒸汽，导致大量的热能损失。在凝结水回收中应尽量采用闭式系统。闭式系统的凝结水箱封闭，箱内压力大于大气压力。开发和正确选用疏水器也是凝结水回收利用中的重要一环。疏水器的作用是将凝结水及时排出，同时阻止蒸汽漏出。疏水器作用原理不同可分为机械型、热动力型、热静力型。此外，在选用时必须根据是低压蒸汽系统还是高压蒸汽系统选用不同的疏水器。

（4）热泵技术

1）热泵特性。对于能量的利用，要从能的量和质两个方面去考虑。既要重视能量的利用率，又要重视在利用中品位的合适，以免造成不恰当的能量贬值。据一些工业发达国家的统计，小于100℃的热耗量约占总能耗的三分之一以上。目前的问题是普遍把煤炭、石油、天然气直接燃烧，来取得低温热介质（通常在100℃以下），以用于采暖、制冷、生活用热水以及造纸、纺织、食品、医药等工业部门，而另一方面，工业上有大量的低温余热被白白浪费。

热泵正是以输入一部分高质能或高温位热能为代价，通过热力循环，实现热能由低温位物体转移到高温位物体，供采暖或其他工艺过程用热的一种设备（如通过水泵使水从低处流向高处一般）。如果是那样的话就可以从环境中提取热量用于供热，但根据热力学第二定律，热能不会自发地从低温物体传至高温物体，要实现这一过程就必须消耗机械能。在这一过程中如果消耗的能量大于获得的能量，也就没有实用价值。根据研究，热泵所能提供的热量远大于在这一过程所消耗的机械能，例如：如果驱动热泵所消耗的机械能为1kW，它所获得的热量为3～4kW；而用电加热仅能产生1kW的热量。显而易见，江河湖泊、大气、海洋都是热泵的低温热源，用人工的方法即热泵的方法将它的温度提高，加以利用，如采暖、热水供应、工业中某些工艺过程等，都可以节约大量的高品位能源。例如：用热泵与直接用电取暖相比，可节约80%以上的电能，如果生产和生活中需要100℃以下的热能，与采用锅炉供热相比可节约50%的燃料。

在热力学中，工质经过一系列状态变化后又恢复到原来的状态的过程称为循环过程，或简称为循环。利用工质的状态变化，将热能转化为机械能的循环称作为正向循环，所有的热力发动机都是按照这类循环工作的。通过工质的状态变化，使热量从低温物体传送至高温物体的循环称作为逆向循环，制冷循环和热泵循环皆属于逆向循环。所以热泵工作原理与制冷装置的工作原理相同，就像家里的空调机即可以制冷，也可以制热一样。按照工作原理，热泵可分为两大类，压缩式热泵（图4-4）和吸收式热泵。根据带动压缩机的原动力不同，又可分为电动热泵、燃气轮机热泵或柴油机热泵，其中电动热泵应用最广。对于大型热泵，为了节约高品位的电能，所以用燃气轮机或柴油机驱动，它们的余热（或废水和废气）还可以再利用。吸收式热泵直接利用燃料燃烧或工业过程的余热，其原理与吸收式制冷机类似。

图4-4 压缩式热泵工作原理示意图

2）电动热泵。应用最广的电动热泵由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四大部件组成。压缩机消耗功从蒸发器抽取工质低压蒸汽，将其升温升压，并送至冷凝器，释放出高温热量供取暖或它用，蒸汽则凝结成高压液体，流经节流阀降压变成低压液体进入蒸发器，工质从低温热源（如环境）中吸收热量（介质由液态转化为气态要吸收热量）重新气化进入压缩机，完成循环。热泵与制冷机的工作原理相同，所不同的是两者的应用目的不一样，热泵是利用冷凝器放出的热量（冷凝器的温度高于环境温度），故一般要求冷凝器在较高温度下工作，在余热回收系统，甚至要求高达200～300℃；制冷时则是利用蒸发器带走环境的热量（蒸发器的温度低于环境温度），故要求蒸发器在较低的温度下工作，以达到制冷的目的。同一台设备是通过转向阀门的控制，做到既是制冷机，又是制热机。

电动热泵应用最广的是住宅采暖和温水游泳池。近几年也广泛应用于办公楼、住宅群和教学大楼。冬季用于采暖，夏季用于制冷。如果同时有冷负荷又有热负荷，对热泵运行极为有利。如对既有游泳池又需要人工溜冰场的体育馆，采用热泵装置其经济性就特别好。

3）吸收式热泵。吸收式热泵是以沸点不同而相互溶解的两种物质的溶液为工质，低沸点组分为制冷剂（氨、溴化锂等），高沸点物质为吸收剂（如水），通过加热使制冷剂从溶液中逸出，经冷凝、节流后蒸发吸热制冷（图4-5）。然后，蒸汽在低压下被溶液中的吸收剂吸收，放出热量由冷却水带走；溶液复原，升压后被重新加热，继续循环。因直接以热源为动力，故可直接利用工业余热等热能。吸收式热泵与电动热泵一样既可制冷也可制热。吸收式热泵与电动热泵相比有许多优点：如不需要用高品位的电能，噪声小、寿命长、维修费用低，但缺点是设备投资费用较高。吸收式热泵除在采暖中被广泛应用，在工厂企业中应用也越来越多。一方面它利用轻纺、造纸、制糖、食品、建材等行业在生产过程中产生的大量低温余热，提高了能源的利用率；另一方面采用吸收式热泵“制热”特性，可将这些低温余热的品位提高，提高后的热水或蒸汽不但可用于采暖和生活用水，还可用于生产的工艺过程，可获得明显的经济效益。

图4-5 吸收式热泵工作原理示意图

1—冷凝器 2—节流阀 3—蒸发器 4—吸收器 5—节流阀 6—发生器

（5）热管技术 热管是世界上迄今所知的传热速度最快的传热元件，被称为“热超导管”。它是一种新型高效的传热元件，具有优异的传热特性，传热效率高，沿轴向的等温特性好等一系列新的特性。从1964问世以来得到了迅速发展，已被广泛应用于宇航、电子、冶金、化工、石油等部门，成为强化传热和节能技术的重要部分。

1）热管的工作原理。热管是一个密闭封焊的蒸发冷却器件，它由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成。其中吸液芯由多孔物质组成，或在管壳内壁开沟槽装设通道管（液相工质专用小阻力通道），其原理是靠毛细作用使液相工质由冷凝段回流到蒸发段，并使液相工质在蒸发段沿径向均匀分布。制造时，管内抽成负压后充以适量的可以汽化的工作液体（如水、乙醇、氟利昂等），使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体，并加以密封。从轴向看，管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），中间为绝热段。工作时外部热源的热量传至蒸发段，通过热传导使工质的温度上升，进一步导致液相介质吸热蒸发。液体的饱和蒸汽压随着温度上升而升高，从而使蒸汽经蒸汽通道流向低压部分，即流向温度较低的冷凝段。蒸汽在该段冷凝，放出的热量通过充满工质的吸液芯和管壁的热传导，由管子的外表面传给冷源。此后冷凝液体可以在没有任何外加动力的条件下，借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到加热段继续吸热蒸发，如此循环，达到热量从一处传输到另一处的目的。

由于液态介质的蒸发潜热很大，同时蒸汽的流动阻力小，所以能够在温差较小的蒸发端至冷凝端间传送大量热量。此外，由于热管是一个所谓“自治”的系统，它利用蒸发和毛细现象进行介质循环，不需要借助泵等外力，所以免除了采用风机等旋转部件，运行时没有噪声，且具有很高的可靠性。

图4-6 热管的工作原理图

1—壳体 2—液体 3—蒸汽 4—吸液芯 5—充液封口管

L₁—加热段（蒸发段） L_a—绝热段（传热段） L₂—冷却段（凝结段）

2）热管的特性与类型。热管具有许多优良的性能，正是这些优良性能使热管得到了发展和应用（图4-6）。

①极好的导热性能。热管利用了两个换热能力极强的相变传热过程（蒸发和凝结）和一个阻力极小的流动过程，使其具有了极好的导热性能。相变传热只需要极小的温差，而传递的是潜热。一般潜热传递的热量比湿热传递的热量大几个数量级。因此在极小的温差下热管可以传输极大的热量。

②良好的均温性。热管内腔的蒸汽处于汽液两相共存状态，是饱和蒸汽。此饱和蒸汽从蒸汽蒸发段流向凝结段所产生的压降甚微，这就使热管具有良好的均温性。热管的均温性已在均温炉和宇航飞行器中得到了应用，另外也可以通过热管来均衡机床的温度场，减少机床的热变形，提高机床的加工精度。

③热流方向可逆。热管的蒸发段和凝结段内部结构并无不同，因此当一根有芯热管水平放置或处于失重状态时，任何一端受热，则该端成为加热端，另外一端向外散热就成为冷却端。若要改变热流方向，无需变更热管的位置。热管的热流方向可逆性为特殊场合应用提供了方便，如某些化学反应需先放热后吸热。又如室内的空调，在冬季换气时，热管式空调通过热管利用排出室外的热空气加热从室外吸入室内的新鲜冷空气；由于热管传热方向可逆，在夏季吸入的新鲜空气又被排往室外的冷空气冷却。

④热流密度可变。在热管稳定工作时，热管本身不发热、不蓄热、不耗热，所以加热段吸收的热量Q₁应等于冷却段的热量Q₂。若加热段的换热面积为A₁，冷却段的换热面积为A₂，则它们的热流密度分别为q₁=Q₁/A₁，q₂=Q₂/A₂；因为Q₁=Q₂，由此得q₁A₁=q₂A₂，这样通过改变A₁和A₂即可改变热管两工作段的热流密度。

有些场合需要将集中的热流分散冷却，如某些电子元件体积很小，工作时发热强度高达500W/cm²，即加热段换热面积很小，热流密度很高。若采用空气冷却，冷却段只能达到很小的热流密度。若采用热管，只需将冷却端换热面积加大即可较好解决这一矛盾。

另外利用热管的上述性质，加大加热端的换热面积也可把分散的低热流密度收集起来变为高热流密度供用户使用。热管太阳能集热器就是应用了这一原理制成的。

⑤适应性较强。与其他换热元件相比，热管有较强的实用性。主要是：不需要外加辅助设备，没有运动部件与噪声，结构紧凑简单，重量轻；热源不受限制，高温烟气、电能、太阳能都可以作为热管热源；热管形状不受限制，可以根据冷、热源的具体情况和需要进行改变，甚至可做成针状；既可用于有重力场的地面，又可用于无重力场的太空。在失重状态下，吸液芯的毛细力可使工作介质回流；应用温度范围广，只要材料和工作介质选择适当，可应用于-200～2000℃的温度范围；可实现单向传热，即只允许热向一个方向流动的所谓“热二极管”。如依靠重力回流工作液的无芯重力热管（热虹吸管），其热源只能在下端，产生的热蒸汽在上端凝结后，工作液靠重力回流到下端，即热只能由下端传至上端，反向传热则不可能实现。

热管的类型很多：按工作温度可以分为低温热管（-200～50℃）、常温热管（50～250℃）、中温热管（250～600℃）、高温热管（大于600℃）等；按管壳材料和工作介质可以分为铜-水热管、低碳钢-水热管、铝-氨热管、不锈钢-钠热管等；按结构形式可以分为普通热管、分离式热管、微型热管、平板热管、毛细泵回路热管等；按热管的功能可以分为传热热管、热二极管、热开关管、仿真热管、制冷热管等。

3）热管的传热极限。尽管热管的传热效率很高，但是在设计热管时，必须根据实际情况考虑传热极限。传热极限决定热管在特定的条件下所能达到的最大传热效率和所需要的最低造价等因素。图4-7表示各种传热极限的示意图。处于包络线内侧的范围就是热管的正常工作区，这个工作区是由管外流体、热管尺寸、工质性能、吸热芯结构、工作温度等因素决定的。传热极限主要有五种：

①粘度限。当工作温度过低时，热管中的回流液的粘度变大，液体的流动阻力相应变大，必将影响热管的传热能力。

②声速限。当工作温度过高时，管内蒸汽流动的速度也相应增加，由于流通截面是固定的，蒸发段的蒸汽流量达到一定程度就不能继续增大了，出现阻塞现象，热管正常工作被破坏，热管丧失传热能力。

③携带限。当传热量增加时，热管中的蒸汽流量增大，蒸汽会夹带冷凝段的回流液，使凝结液的回流受阻，甚至出现冷凝段干涸，传热能力降低，热管不能正常工作。

④吸液限。热管吸热芯结构中产生的毛细力要克服冷凝液回流的摩擦力、蒸汽压力和重力的阻力，才能维持工质液体的循环。由于毛细泵提供的毛细力有限，当传热量增加到一定程度时，上述阻力可能超过毛细力，使热管的最大传热量受到限制。

⑤沸腾限。当壁温过高时，工质的液态沸腾干扰了工质的正常循环，导致传热能力达到了极限。

4）热管的应用。热管的优良性能使热管得到了发展和应用。将热管组装起来，就成了热管换热器。热管换热器的传热效率高，结构紧凑，重量轻，工作可靠，因此在工业部门，特别是在锅炉、窑炉及各种工业炉中都有广泛应用，如热管空气预热器、热管省煤器、热管锅炉和热管蒸发器。由于热管的特性，使热管空气预热器的传热系数比普通管壳式空气预热器高得多；由于热管的均温性，热管省煤器可以获得较高的壁温，较好地解决通常省煤器低温腐蚀问题，同时其传热强度高，结构紧凑；热管余热锅炉既有类似于火管锅炉的池沸腾的特点，从而循环过程稳定，又有水管锅炉传热强度高的优点，可使余热得到充分的利用。热管还可应用于太阳能集热器、太阳能海水淡化、电子和电气设备的冷却、生产硅晶体的均温炉、人造卫星的均温及高精度的热控，甚至深冷手术刀上都应用了热管技术。

图4-7 热管的传热极限