如何理解传热对节能的重要科学意义.docx

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如何理解传热对节能的重要科学意义

如何理解传热对节能的重要科学意义

栾五洲112286

摘要：

能源问题是当今世界面临的最为紧迫的问题之一，因此研究如何节约能源将有重要的意义。

传热与节能关系密切，本文首先介绍传热管的种类，其次介绍一种新型的传热节能元件，最后介绍一种高效节能传热器。

关键词：

传热节能传热器

世界各国经济发展中都面临两个重要问题：

能源和环保，能源是一个国家经济持续发展的基础，随着地球人口急剧增长，对能源的需求量会越来越大。

供需矛盾加剧，为此国家制定了：

开发与节约并重，近期要把节能放在优先地位，大力开展节能为中心的技术改造。

换热技术是能源利用的重要技术之一。

无论在空调、冰箱、制冷机等制冷系统的换热器，还是在热水器、冷水器中，均有热交换的过程。

因此换热器效率的提高将会对节能起到很重要的作用。

1换热器中的一个关键元件——传热管

1.1内螺纹管

内螺纹管是一种应用较普遍的铜管，管内壁有许多螺旋状凸筋和沟槽，可用于冷凝器，也可用于蒸发器、吸收器和供热管。

习惯中所称的内螺纹管大多用于空调器的热交换器上，一般规格为φ9．52×0．36和φ7．94×0．36两种。

目前已有用于冷水机组的内螺纹管，常用规格为φ16×1和φ16×1．2两种。

内螺纹凸筋的形状以三角形和FF型为多。

根据不同工况，凸筋的具体形状和高度以及螺纹头数均有所不同。

1.2翅片管

翅片管是在管外表面有翅片与沟槽相间结构的一种传热管，多用于制冷机的高低发生器中。

翅片管又称为外筋管，按筋高分为低筋管、中高筋管、高筋管。

一般而言，筋高1．5mm以下称为低筋，3mm为中高筋，5mm为高筋。

目前国内应用较多的是低筋管。

1.3来复线筋管

来复线筋管主要用在冷凝器、蒸发器上，是在翅片管的基础上，内侧加工成来复线螺纹沟槽和凸筋的一种传热管。

作内侧凸筋的一般为十头螺纹，形状以梯形居多，凸筋高一般在0．2mm～0．3mm之间。

1.4波纹管

波纹管没有筋，在管外有大节距的波纹浅沟，管内有相应螺旋状突起，一般有三头波纹管和单头波纹管两种。

1.5斜纹管

斜纹管主要用在制冷机的吸收器上，在管外有均匀的斜花纹，所以又被称为滚花管。

1.6DAE双侧强化蒸发管

DAE双侧强化蒸发管（以下简称DAE管）由单头波纹和内螺纹组合而成，外侧有大节距的波纹浅沟，内侧带有沿波纹线起伏的螺旋沟槽和凸筋。

DAE管多用于冷水机组的蒸发器中。

1.7DAC双侧强化冷凝管

DAC双侧强化冷凝管（以下简称DAC管）由单头波纹、翅片和斜纹组合而成，管外有大节距的波纹浅沟和有序、均匀、扩散的锯齿形低筋，管内有对应于外侧浅沟的突起，以用于冷水机组的冷凝器为主。

1.8弯筋管

弯筋管既可用作蒸发管，也可用作冷凝管。

管外的翅片经局部闭合加工，形成点状斜花纹以及大小不等的浅槽和开口，管内有不同头数的沟槽。

1.9梅花管

梅花管断面呈梅花形，分为直槽梅花管和斜槽梅花管以及单面槽管和内外两面对称带沟的双面槽管。

以上列举的9种传热管，除了都增加了传热面积以外，其中内螺纹管、来复线筋管、DAE管和弯筋管均有促进管内流体紊流的作用，而翅片管和来复线筋管、斜纹管、DAC管、弯筋管和梅花管有增加沸腾气泡核的优点，还有减少冷凝液膜厚度的作用，用于合适的场合均能显著提高传热效率。

经理论计算并通过单管传热性能测试，与同规格光面管比较，内螺纹管的管内蒸发传导率约提高1．1倍，管内冷凝热传导率提高0．7倍左右；翅片管一般提高0．6～1．1倍；而其它列举的传热管一般能提高1．3--2．5倍以至3．1倍。

DAE管、DAC管的主要技术参数和传热性能测试结果【1】示于表1-1和图1-1、图1-2。

表1-1DAE和DAC管的主要技术参数

图1不同质量流量下DAE管的蒸发换热系数

注：

①采用量热筒平衡法，热平衡误差小于5％；②测试工况：

蒸发温度4--5E；蒸发压力O．56～O．58MPa；制冷剂R22

图2-2不同蒸发温度下DAC管的冷凝换热系数

注：

①采用量热筒平衡法，热平衡误差小于5％；②测试工况：

冷凝温度32E；冷凝压力1．25MPa；冷凝管进口过热度5～8℃，出口过热度3～5℃

2一种新型的节能传热元件—热管【2】

2.1热管的工作原理

热管是一种通过相变传热、具有超导热性能的传热元件，它通过管内工作介质的相变所产生的潜热来传递热量。

因此，它传热能力大，传热效率高，是传热技术中近十年来出现的一项高效传热研究成果，它具有极高的导热性和较高的等温性，冷热两侧的传热面积可任意改变，可远距离传热，可控制温度等一系列优点。

热管可以根据不同使用条件，设计成低温热管、中温热管、高温热管等，管内填充的工质也相应有所不同。

填充的工质主要有水、酒精、钠、钾等。

根据使用条件选择使用高、中、低温热管，并相应注意现场保管条件，防止以水为介质的低温热管发生冻裂现象。

由热管组成的热管换热器具有传热效率高，结构紧凑，流体阻力小，有利于控制露点腐蚀等优点．目前热管技术已广泛应用于航天、电子、医学、冶金，化工，锅炉，炼油、核反应堆冷却等行业以及青藏铁路建设和高海拔永久冻土层中。

2.2重力热管在锅炉中的应用

其工作原理为：

热管吸收段受热，管内工质吸收废气热量，工质温度升高后以蒸发和沸腾的形式转变为蒸汽，蒸汽在压差的作用下上升到放热段，同时凝结成液体放出汽化潜热，热量传递给流体，冷凝液依靠重力回流到吸热段完成一个循环，如图2-1所示。

这样周而复始的循环，不断的将热流体的热量导向冷流体，由于热管内部压力接近真空，所以管内填充的工质极易沸腾和蒸发，热管启动迅速，并可回收低温余热，为了加大传热效果热管吸热端还可加装翅片以强化传热。

图2-1重力热管的工作原理

在锅炉行业，热管主要应用于热管空气预热器和热管省煤器上。

现以辽河油田热电厂正在运行的某公司生产的75T／H循环流化床为例，该锅炉空气预热器采用了某厂生产的热管空气预热器（见图2-2），该锅炉的一次风是经过空气预热器预热后由布风板和炉膛下部引入。

经过两年的运行和调整，国家火电设备性能检测中心对该锅炉进行了考核，与热管空气预热器运行有关的测试参数如表1-1所示。

图2-2热管空气预热器

表2-1锅炉的主要数据测试表

试验数据结果表明热管空气预热器在75T／H循环流化床回收烟气余热，预热一次风的运行中是成功的，基本达到了不同T况下的设计要求。

另外一种换热装置是热管式省煤器。

热管式省煤器的受热元件采用无缝钢管制造，其中一端与烟气换热，管内工质汽化后上升到工质侧，工质侧伸人联箱内部，周边由水包围，热管内汽化后的工质在联箱内遇冷凝结回流，释放出热量，从而完成热量交换与传递。

这种热管省煤器在正常情况下，其出水温度小于80度，其换热面布置分为两部分，一部分联箱体，一部分为热管，其热管的换热量占总换热量90％。

根据传热公式Q=KH△T分析，在低温余热回收中其对数平均温差很小，如果想提高传热量Q值，则只能提高K值或增大传热面积H。

对于钢管省煤器和铸铁省煤器而言，增加受热面积H受到了结构空间限制，而提高K值则必须提高烟气流速，根据《锅炉设备空气动力计算标准方法》有关内容，烟气阻力与烟气流速的平方成正比，其阻力增加很大，将大幅度增加电厂的动力消耗，长期运行很不经济。

而热管式省煤器由于其吸热端可采取增加翅片的方法来增大传热面积，继而增加了传热量Q。

克服了钢管省煤器和铸铁省煤器由于空间限制无法增加受热面积H的问题，大大提高了换热效果，节省了省煤器所占用空间。

即：

热管省煤器具有占地面积小，结构紧凑等优点。

在低温余热回收中，还必须考虑到酸露点腐蚀的问题。

我国发电行业多数是以燃煤为主，烟气的酸露点较低，如含流1％的煤，其酸露点在120～130℃之间。

这样钢管式省煤器的低温部分则不可避免地受到低温露点的腐蚀，如进口水温为60℃，烟气温度为270℃时，其烟气侧壁温为65—70℃，低温腐蚀严重。

而热管式省煤器在给水温度为60℃．烟温为170oC时，管壁温度为134℃，高于烟气酸露点温度，从而防止了因管壁温度过低造成的酸露点腐蚀问题。

根据这几年来对几家安装了热管式省煤器的锅炉用户的跟踪调查数据，其经济效益非常显著，基本上当年即可收回投资。

由热管元件组成的热管省煤器和热管空气预热器，具有冷，热流体分开，安装方便，结构简单，占地面积小，不需维修等特点。

使用寿命5—7年，投资回收期一般在一年之内，提高余热利用率约30％，节约能源10％左右，对其它设备无影响，又可减少大气污染。

所以热管技术是当今取代钢管省煤器、铸铁省煤器和列管式空气预热器的更新换代产品。

相信不久的将来，热管技术会在越来越多的领域发挥出更大的作用。

3高效节能传热器的研制

家庭使用的热水壶、炒锅在使用过程中，加热速度慢，热量损失达，一方面造成周围温度的升高，另一方面浪费能源。

新型高效传热器不仅具有普通传热器所具的特点，适用于煤炉液化气炉以及其他燃具，而且传热器采用了特殊的传热结构和特殊的气体流通通道，加热速度快，热量损失小。

无论采用何种加热装置，都能高效地吸收热量。

与普通传热器相比，在不改变炉具结构的情况下，提高加热装置的利用率，有效地节约能源。

下面以热水壶为例，说明传热器的结构、原理和设计制造工艺。

其总体结构（隐去壶嘴部位）如图所示：

1.气流上出口2.上盖3.堵塞4.外壁5.中心传热装置6.传热器底部7.火焰入口8.蒸汽出口

图3-1热水壶纵剖面结构图

3.1传热机理

普通传热器（如热水壶）一般只有底部部分能传热，传热面积小，燃具燃烧的热量很大一部分由周边损失掉。

高效节能传热器用于吸收热量的有以下两部分：

（1）传热器底部，与普通传热器底部一样可吸收热量。

（2）中心传热器，该部分是主要传热部分，热气流（或火焰）通过此部，热量被迅速吸收。

火焰或热气流由火焰入口7进入中心传热器，首先由底部6传热，火焰或热气流从底部向上流动时形成一股漩涡热流，由于烟囱效应热气流经由中心传热器5向上流动，中心传热器进一步将大量的热量吸收传给中间传热介质（水），最后由上部出口1将气流排出。

故有效地利用了燃具燃烧的热量，是燃烧的热量很快被吸收。

3.2燃料通道及特点

由燃料燃烧形成的热气流，首先经由火焰或热气流入口1，进入中心传热装置2，并在传热装置的中心空穴3保持温度，然后热气流进入上步的热流旋流空间4形成湍流，最后由收缩出口5排入大气。

在整个热气流流经的通道周围有铝制传热片和内壁将热量传给外面的传热介质，由于传热面积大，热气流的流动速度受到了充分的限制，与被加热介质的加热时间长，因而热利厨率显著提高。

1．火焰或热气流入口2．中心传热装置通道3．传热装置中心空穴4．热气流旋流空间5．收缩出口

图3-2热气流流向图

3．3烟囱效应的抑制

下面就普通管和中心传热装置利用流体力学的贝努利方程来分析：

左图没有传热片的直通管右图具有传热片和堵塞的中心传热片

图3贝努力方程参考图

其中，

、

——通道中入口、出口气流的密度——外界环境大气密度mg/

；

——外界环境大气密度mg/

；

——相应断面上中心点的压强

；

——相应断面上的平均流速m/s；

——选定的1、2渐变流断面上中心点相对于选定基准面的垂直高度m；

——1-2断面间的能量损失；

普通的管道和中心传热装置在相同的1—1入口处热流的温度、密度相同，环境温度

、周围介质密度

也相同，也就是在入口处的条件据均相同；在相同的条件下左图所示，由于中间的管道没有其他阻挡，所以热气流通过时它的能量损失就较小，那么

，由于

，

，

。

所以

形成上面出口的流速加快，下口产生负压，即所谓的“烟囱效应”。

具有中心传热装置可堵塞的通道力求避免“烟囱效应”的发生，采用了相应的措施增加气流通过的阻力，第一、增加中心传热器传热片的排列密度，第二、在中心传热装置的上部出口处使导热片倾斜一个角度，增加气流的流动阻力，第三、在中心传热装置中心空穴的上部加设堵塞，四、在中心传热上面增设热气流旋空间，五、出口采用缩口；这些措施使得在其他条件相同的情况下中间的能量损失增大即

，而

，

（

，

）从而改变了上端出口处速度大

压力小的状况，抑制了“烟囱效应”的发生，使热流在中心传热装置中被充分吸收，大大增加了热利用率。

3.4高效节能传热器的设计

3.4.1材料的选用

选用变形铝合金LF2l（防锈铝）。

性能特点：

抗腐蚀性好，压力加工性、焊接性好，强度低。

材料状态：

板材。

力学性能：

抗拉强度盯

=100～150Mpa，延伸率

％=22。

3.4.2结构设计

（1）底部采用球冠形结构，特点：

易于火焰或热流的聚集，避免向周围扩散。

如图3-4所示

图3-4底部结构

（2）中心传热装置的结构设计，特点：

增大导热面积，减缓热流速度，抑制“烟囱效应”；加设堵塞，避免热流通过中心流失。

如图3-5所示。

图3-5中心传热装置的结构

（3）上端出口结构，出口采用缩口形式，与中心传热装置之间形成环流区，使热量进一步吸收。

如图3-6所示。

图3-3上端口结构

3.4.3工艺方法设计

（1）底部工艺：

冲压、拉深。

下料

拉深1

拉深2

冲孔

翻边

去毛边。

（2）中心传热装置工艺：

热压加工成型。

（3）堵塞和上口加工工艺：

冲压

拉深

冲孔

翻边

去毛边。

（4）上盖采用普通盖经过冲孔翻边。

上口和中心传热装置以及底部采用焊接方法组合为一体，整体与筒身采用滚边技术整合，上盖经加工与于上口部分配合，其余部分采用通用结构。

3.5使用效果比较

1、同等条件下与普通传热器的使用情况比较结果（如下表）：

表3-1普通型传热器与节能型传热器的使用情况对比

2、与普通传热器比较有以下优点：

（1）加热速度快，以普通24cm水壶为例，在环境温度为20℃时，普通加热器加热至沸腾需要9分钟，效节能传热器首次加热同等水量至沸腾需要6．5分钟，二次及在加热使用仅需5．8分钟；

（2）节约能源：

与普通传热器相比较首次使用节约燃料28％，连续使用二次以后节约35．5％燃料效果。

（3）使用寿命长。

3、经济效益

（1）家庭燃具10％用于加热水来使用，仅采用此加热器可以节约全部燃料的3．175％，若仅用于加热水，平均可以节约31．75％的燃料，按每罐煤气50元计算，可以节约15．875元，普及使用将带来可观的社会经济效益。

（2）节能型水壶是普通型价格的2倍（30元计），普通型水壶连续使用的寿命为4-5年，节能型水壶使用寿命在11-12年，是普通水壶的2.5倍。

有效的节约能源已成为全世界各个国家政府和企业的工作重点，而民用耗能产品似乎没有足够被重视，实际上千千万万的民用耗能产品，已经成为消耗能源的很大一部分，如何开发研制高效节能用品是一项长期、艰巨的任务。

本产品具有结构简单、制造工艺简单、使用方便、节能、效率高、节约时间等优点，在能源紧张的今天具有很好的推广价值。

参考文献

[1]绍兴百灵铜材集团公司委托上海理工大学的传热性能试验报告.

[2]吕震宇、周保东新型节能传热元件-热管锅炉制造2010

（1）.

[3]解金榜三门峡职业技术学院学报高效节能传热器研制2002

（2）1.