干燥过程的节能问题Word格式.docx

1、热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动的量度，当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，数量不变。该分析法得到了广泛应用，它主要是用热效率的高低来估计节能潜力，热效率越高说明节能潜力越大。能量平衡工作正是基于这一定律，把能量的来龙去脉搞清楚，确定多少能量被利用，多少能量损失掉。优点：简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能工作能起到重要作用。缺点：由于它所依据的仅是能量数量上的守恒性，在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性。 3.2.2 热力学第二定律分析法20世纪50年代以后，热力学第二定律的理论开始在节能实践中广泛应用。它的表述方法很多，其中之一是：当任何一种形式的能量

2、被转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降低或来变，绝不可能提高。这样能量在数量的守恒性和质量上的贬值性，就构成了能量的全面本性。 现代节能原理是同时依据热力学第一、第二定律，并通过直观实用的方式，来体现能的全面本性，由此建立的节能理论和方法，称为第二定律分析法。这种方法有两大类，熵分析法和火用分析法。由于熵分析法比较抽象，不能评价能量的使用价值，且本身也不是一种能量，现在已被火用分析法取代。 火用分析法认为：能量=火用+火无 火用是这样一种能，在给定环境的作用下，可以完全连续地转化为任何一种其它形式的能量，而火无是一种不可能转化的能量形式。 火用主要是针对热提出的，即热量中最大能转化为

3、功的部分。 采用火用分析法，能从本质上找出能量损失。3.2.3 热经济学20世纪60年代以来，在节能领域产生了将火用分析法与经济因素及优化理论有机结合的热经济学，即除了研究体系与自然环境之间的相互作用外，还要研究一个体系内部的经济参量与环境经济参量之间的相互作用。 一般来说，第一定律和第二定律分析法，在方案比较中仅能给出一个参考方向，而不能得出具体结论。而热经济学分析法可以直接给出结果，这种方法特别适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。3.2.4 火用 能的本质认识按能量的作功能力，将其分为三大类：高级能量：理论上可以完全转化为功的能量，如机械功、电能、水能等；低级能量：理论上不能全

4、部转化为功的能量，主要是热能；僵态能量：完全不能转化为功的能量。 可逆过程是热力学中的一种理想过程，在这个过程中，如为机械运动则没有摩擦阻力，如为传热过程则没有温差，如对常减压蒸馏装置，如达到可逆过程，其能耗就可能仅为23的程度。因此可以看出：真正的可逆过程是不存在的，事实上，自然界的任何过程都不是可逆过程。节能工作就是要在现有的经济合理条件下，接近可逆过程。 火用 能的本质：大部分能量是过客；能量是完成过程中不发生化学变化的“催化剂”；能量是完成过程的推动力。3.2.5 干燥过程的节能方法1 大力发展组合、智能型干燥系统目前，我国多数产品的干燥操作是在单一干燥设备内在一种干燥参数下完成的，而

5、从物料的干燥动力学特性可以看出，在物料的不同干燥阶段，其最优的干燥参数是不同的。同时，一种干燥设备，往往不能适应物料在不同干燥阶段其含水率和其它物性对干燥设备的不同要求。如果采用单一干燥设备和单一干燥参数，不仅会造成能源与资源的浪费，还会影响干燥质量与产量。因此，必须首先从干燥工艺上进行根本改造，改变粗放型的干燥方式，逐步向循环经济的方向过渡，即实现无废弃物、零污染排放、高效优化用能和优质生产。 2进行全面、多层次的节能技术改造 全面节能应包括过程节能、系统节能和单元设备节能几个方面，其根本目的是要提高能源的利用效率，以降低一次能源的消耗和提高单位能耗的产值。过程节能是指生产过程的节能，如上述

6、通过干燥工艺改造来实现节能。对于整个工业生产而言，是要争取实现循环经济，即上游生产的产品或副产品可以作为下游生产的原料或燃料。在循环经济的理念中，将没有废物，而只是处于不同生产环节中的资源。在干燥工艺的改造中，要努力实现资源的综合利用，这也是从根本上节能。系统节能是指对干燥系统进行总能系统分析，以实现对系统中各单元设备的优化配置，不仅要进行热效率分析和热经济分析，还必须进行（Exergy）分析，以实现能源的温度对口合理梯级利用。目前，许多干燥系统用高温热源降温使用或直接用高温热源进行不需要高温的干燥作业，都是对能源的很大浪费，应当尽快改变。单元设备节能包括干燥器本身和热源设备的节能改造。目前，

7、我国在干燥设备中，低效高污染的老式设备占大多数，低水平重复的现象相当严重。除了要采用经济手段，逐渐淘汰这些落后设备以外，应当加大对开发先进干燥设备的技术投入和推广力度，要更加重视干燥基础理论的研究，要更快地引进其它领域的科研成果，以弥补干燥行业基础研究力量的不足。当前，场协同强化传热理论，快速高强度先进干燥设备，新型的高效热交换设备和炉窑以及一些先进的除尘设备，都有可能在干燥技术的节能改造中发挥显著作用。 3大力发展应用可再生能源与工业余热的干燥技术大力发展应用可再生能源与工业余热的干燥技术，逐步减少一次能源的消耗和对燃用化石燃料的依存度。大力调整和优化能源结构，是我国实施中长期能源发展规划的

8、主要战略措施之一。我国有丰富的太阳能资源，年日照时数超过2200小时的地区占国土面积的三分之二，为广泛利用太阳能创造了有利条件。我国在利用太阳能干燥方面已有多年历史。近年来，在用太阳能与热泵联合对木材干燥方面已取得显著效果，需要在更大范围内推广和供其它物料干燥时借鉴。 我国的生物质能资源也相当丰富，尤其在广大农村，用秸杆制造沼气的技术已相当成熟，现在要进一步提高技术含量和实行规模化工业生产。另外，生物制氢与生物质制工业柴油的研究也已在国内外蓬勃开展。用生物质燃料为干燥提供热源有广阔的应用前景。据报道，每增加1吨生物质能的消耗，大约可减少相当于2吨化石燃料的温室气体排放。目前这方面的报道尚不多，

9、我们应加紧开发。 风能，是目前国内外在可再生能源开发方面的一个热点。风能利用投资较少，技术相对成熟，利用风能为热风干燥系统提供动力和风源，是一种有推广前景的技术措施。 4建立与完善干燥设备的综合评价准则与行业标准，建立宏观调控与市场调节机制，加快干燥技术的更新换代。 综合评价准则应当包括干燥系统的热效率、火用效率、环境友好程度、干燥品质与经济行等各项指标。通过这类综合评价准则或行业标准的制定以强化宏观管理和调控机制。另外，要探索在市场经济条件下的一些经济手段，来加快干燥设备的更新换代。 例如粮食干燥是一个非常复杂的加工过程，影响因素多，干燥条件多变，其中的影响因素有介质参数（如热风温度、热风风

10、量和热风湿度）、粮食参数（如粮食类别、粮食水分、粮食温度和粮食流量）、环境条件（如环境温度和环境湿度）、干燥工艺（如顺流干燥、逆流干燥、横流干燥、混流干燥）以及干燥机的结构参数。因此同一台粮食干燥机可能在很低的环境温度下（零下15）工作，也可能在高达30的环境条件下工作，其工作性能完全不同，甚至相差甚远。所以必需将测得的性能指标进行折算，折算到一个统一的标准条件，再进行比较和评价。因此干燥机生产能力和单位热耗的折算是一个十分重要的标准。 国际上粮食干燥技术标准已经修订了多次，如ISO11520-1：1997，农业粮食烘干机烘干性能的测定，又如ISO11520-2：2001。在这些新的干燥技术标

11、准中都有主要干燥性能参数的折算方法，采用的模型和公式多达54个，是一个很重要而比较复杂的问题。 我国现行粮食烘干技术标准大部分是上个世纪八九十年代制定。经过十多年的时间，我国的粮食烘干技术和设备已有较大进步，许多粮食烘干新技术、新工艺、新设备被应用，现行粮食烘干技术标准与粮食烘干技术和设备的发展已不能完全适应，因此必须进行修定。 实现科学发展观指导下的高效与绿色干燥发展战略，是新时期赋予我国干燥科技工作者的长期而又十分紧迫的光荣任务。要实现这一目标，需要主管部门和产、学、研各方面的共同努力。当前，要注意克服只顾眼前的经济效益，不重视科技创新的错误倾向。要抓住机遇，力争在全国实施新型工业化发展道

12、路的大潮中，逐步明确和加快实现我国干燥技术发展道路的战略转变。3.4 高效低污染脉动燃烧技术“脉动燃烧”（pulse combustion）是指燃料（固态、液态或气态）间断性燃烧过程，而传统的燃烧炉都是连续燃烧。间断性的脉动燃烧过程所产生的尾气流的速度和压力在爆燃阶段急剧上升，当达到一定程度时压力波便从燃烧室通过尾管传播到热能应用装置（如干燥器、煅烧炉或焚化炉等）。由于传递的动量具有振荡特性，脉动燃烧提高了热质传递效率，极大的强化了诸如热力干燥等生产过程。除此之外，脉动燃烧的燃烧效率高，而且降低了污染物的排放，这种技术以引起研究工作者和专业技术人员的极大兴趣。当脉动燃烧应用于具体干燥过程时，该

13、干燥过程被称为脉动燃烧干燥。3.4.1 脉动燃烧技术的发展概况脉动燃烧的历史可追溯到1777年由Byron Higgins首次报道的燃烧振荡现象：把气体火焰放置于一个竖直的圆管里，火焰会引起圆管的自激振荡，管中的火焰也受到声振的影响，声振与燃烧过程存在耦合作用，该火焰被称为会唱歌的火焰（singing flames）。1859年，Rijke发现当一个加热的金属网被放置在一个两端开口的竖直圆管的下半部分时，强烈的声振出现在管内。这种声振所驱动的不稳定燃烧，也叫脉动燃烧，发生在许多燃烧系统中，如固体火箭。它会产生大的噪声和振动，甚至可以破坏燃烧装置。因此，人们极力避免燃烧不稳定现象的发生，研究如何

14、消除这一现象。在研究的过程，人们发现脉动燃烧也有可以利用的一面，具有燃烧强度高，污染物排放低等优点，从而设计了不同机构的脉动燃烧装置。1900年Gobble申请了第一个脉动燃烧装置德国专利，由于气动循环控制机构过于复杂，未能实际应用。1906年Esnault-Prlterie申请了机械膜片阀式自发振荡脉动燃烧器法国专利，它是利用脉动燃烧器推动燃气涡轮机的装置。1908年Lorin设计了脉动燃烧喷气发动机。法国人Marconnet在1909年研制出了结构完全不同的，用于产生推动力的脉动燃烧器，它不是用机械式的单向阀门，而是采用一扩散段的简单圆管结构的空气动力阀。1931年，德国人Schmidt研

15、制出了用于产生推力的脉动燃烧装置，申请了德国专利。该装置是一个带机械阀的14波形脉动燃烧器，也称Schmidt型脉动燃烧器。Schmidt的研究成果在第二次世界大战中被用于德国的V-1飞弹的推进器，并用于轰炸伦敦的战斗中。第二次世界大战后的最初几年里，大部分脉动燃烧的研究目的仍在与发展各种推进装置，以用作飞机和导弹的推进发动机。为了克服带机械阀的脉动喷气发动机的疲劳问题，改善发动机的性能，第二次世界大战后出现了用气动单向阀代替机械阀的无阀脉动喷气发动机。因为以脉动燃烧器原理研制的脉动喷气发动机作为飞行器的推进装置，在于当时出现的以稳态燃烧为基础的燃气涡轮喷气发动机的竞争中失利，被淘汰，以至于在

16、世界范围内对燃烧器的研究兴趣大幅度下降，出现了十余年的低估状态。20世纪60年代后，人们开始将研究的目标对准了提高燃烧效率和热效率，节约燃料、能源转换、工业及民用应用领域的研究，如热水、采暖、锅炉等。1973年世界性的能源危机，石油价格大幅度上涨的冲击，唤醒了人们的能源保护意识，以节约能源为目的的脉动燃烧研究又得到了蓬勃发展。20世纪80年代，脉动燃烧技术研究进入实用开发阶段，欧、美、日等都致力于开发工业、商业及家用脉动燃烧装置，尤其以美国的脉动燃烧装置专利最多。由美国AGA和LENNON公司共同研究开发LENNOX民用暖风机，在商业上大获成功，使人们对该技术的发展前景更加乐观。3.4.2脉动

17、燃烧的工作循环脉动燃烧器可以燃烧气体、液体、固体燃料。燃气和空气可以通过阀门进入燃烧室；液、固体燃料可直接喷入燃烧室，也可以与空气混合再进入燃烧室。图1-18为脉动燃烧器的工作循环示意图，由四个基本过程组成。图1-18 脉动燃烧器的工作循环示意图（1）点火与燃烧 进入燃烧室的可燃物被火花塞点燃，燃烧伴随着放热过程，使燃烧室内温度，压力开始升高，燃烧室膨胀，燃烧产物通过尾管排出。工作点由A达到B点。 （2）气体膨胀 当燃烧室内的压力上升到大于空气和燃料的供给压力时，两进气阀相继关闭，切断空气和燃料进入燃烧室的通路，燃烧气体不能通过阀门倒流，只能通过尾管向外流出。燃烧室内的压力由B点开始下降，由于

18、气流的惯性，使燃烧室压力降到大气压力以下C点，造成燃烧室内负压。 （3）吸入可燃物 在燃烧室负压作用下进气阀开启，燃料和空气由进气阀自动吸入。与此同时，尾管中的燃烧产物也部分回流到燃烧室，使燃烧室压力由C点升到D点。 （4）压缩重新点火 新鲜的空气和燃气通过阀门被吸入燃烧室的同时，由于负压作用，尾管中部分高温也高速返回到燃烧室。高速回流气体的惯性，使燃烧室内的气体压缩，压力由D点上升到A点，空气和燃气急速混合并被回流的高温气流点燃，开始下一循环。燃烧过程自动重复，不再需要外加点火。3.4.3 脉动燃烧器 基本类型 根据发生装置的特点，脉动燃烧器分为：Schmidt型脉动燃烧器（或14波长脉动燃

19、烧器）；Helmholtz型脉动燃烧器；Rijke型脉动燃烧器。Schmidt型脉动燃烧器Schmidt型脉动燃烧器是基于声学上14波长共鸣器的原理工作的（也称14波型脉动燃烧器），点火和压力上升较快，有利于产生推力，因此常被用作推进器。如图1-18（a）所示，该类型燃烧器简单由一端封闭，一端开口的直管组成，并可分为3个不同的部分：进口、燃烧室和尾管。与封闭端相邻的部分称为燃烧室，燃料的燃烧和放热过程发生在这一区域。14波长共鸣器的闭合端盖用机械或气动阀代替。当燃烧室的压力低于空气或燃料的供给压力时阀门打开细如新鲜空气或燃料。当燃烧室内压力大于空气或燃料的供给压力时，阀门自动关闭，阻止燃烧室内

20、的燃气倒流。在燃烧器工作过程中，管内所激发的声学压力和声学速度脉动的振幅值沿管长分布如1-18（b）所示。声学压力脉动的振幅在上游封闭端最大，在下游开口端最小，接近于环境压力，形成14波形的驻波分布，封闭端为压力驻波的波腹（antinode），开口端为压力驻波节（node）.声学速度脉动的振幅分布相反，在封闭端速度振幅为零，在开口端达到最大。图1-19 1/4波型脉动燃烧器（a）和声学压力与速度的分布（b）对于Schmidt脉动燃烧器，管内激发的声波波长是燃烧器管长的14.压力脉动的频率为（式中，为管内平均声速；L为燃烧器管长）。为了确保脉动压力正常发生，需要很好的平衡混合燃料和空气混合过程与

21、燃烧过程时间，以保证当燃烧室压力达到最大值时，大部分燃烧热已经释放。换言之，燃烧所持续的时间，即在12脉动周期内，必须完成混合和燃烧过程。图1-20 典型的Helmholtz型脉动燃烧器1-燃料膜片阀；2-混合室；3-电磁阀；4-燃料去耦室；5-空气膜片阀；6-燃烧室；7-尾管 Helmholtz型脉动燃烧器Helmholtz型脉动燃烧器是一类应用比较广泛的脉动燃烧器，特别是中、小功率的机械阀的燃烧器，在家用热水器、采暖及商用加热设备中应用较多。Helmholtz型脉动燃烧器是基于Helmholtz共鸣腔原理工作的。图1-20为一个典型的Helmholtz型脉动燃烧器的结构，具有一定容积的燃烧

22、室相当于Helmholtz共鸣腔，通常是圆柱形的；燃烧室的出口连接一根相当长的尾管，并且尾管的出口装了一个容积更大的去耦消声室，具有消声作用。在燃烧室的上游，一般装有一个直径较小的混合室，空气和燃气进口通道、点火器（火花塞）就设在这里，并在一个横截面成120排列。在空气和燃料的通道上，各装有机械式单向阀，有时也有燃料或空气去耦室。空气或燃料通过各自的单向阀进入燃烧室互击混合，成为可燃混合物，并由火花塞点燃，进入燃烧室燃烧放热，维持燃烧室内燃气压力脉动。燃烧尾气通过尾管后的去耦室和排气管排出燃烧室之外或进入应用装置（如干燥塔）。对于Helmholtz型脉动燃烧器，燃烧室内压力脉动随时间按正弦曲线

23、规律周期性变化的，并且燃烧室内各点的压力瞬时值基本相同。在尾管中，压力脉动的振幅值沿其轴线的分布，是按14波长谐振管驻波波形分布的，在尾管出口为驻波节，压力振幅最小而速度振幅最大。在尾管入口和燃烧室相连的截面上，压力脉动振幅最大，速度振幅最小。计算Helmholtz型脉动燃烧器频率的经验公式为 （1-46）式中，为脉动燃烧的声学频率，Hz；平均速度，ms；A为尾管截面积，m2；L为尾管长度，m；V为燃烧室容积，m3。Rijke型脉动燃烧器图1-21 Rijke管的结构及管内声学压力和声学速度振幅沿管长的分布Rijke型脉动燃烧器建立在Rijke型管的原理上，为了确保平衡操作，燃烧过程应在燃烧室

24、长度的前部12完成。图1-21所示为Rijke管的模型及管内声学压力和声学速度振幅沿管长的分布。声学压力的振幅沿管长呈半波型驻波分布，在管子的中央即L2处为驻波波腹，压力振幅最大，而在管子两端为驻波节，压力振幅为零。声学速度振幅分布正好相反，在L2处为零，在两端声学速度的振幅最大，并且声学速度的相位相反。这正是声学中半波型谐振管的特性。由声学原理知，Rijke管的基波振型压力振动的频率为 （1-47） 机械阀与气动阀式脉动燃烧器 根据燃料、空气进入燃烧室的方式，又可将脉动燃烧器分为机械阀式脉动燃烧器（膜片阀、簧片阀和旋转阀3种）和气动二极管脉动燃烧器（或叫做无阀式脉动燃烧器）。单向流动是有阀式

25、脉动燃烧室的一个基本特征。在脉动燃烧处于正压状态，机械式阀门为燃烧产物的回流设置了一道屏障。在要求低功率输入，高开度（最大输出与最小输出之比）的情况下，机械阀门具有突出的优点。膜片阀膜片阀（flapper valve）也叫瓣阀，通常由带通气孔的圆盘阀座、膜片和止动盘组成，如图1-22（a）所示。膜片阀是由目前小功率脉动燃烧器上应用较多的一种阀，其工作的原理是：当阀的左侧气体压力大于右侧气体压力时，压差所产生的作用力把膜片压向止动盘，空气或气体燃料经阀底盘上的圆孔进入膜片和阀底座之间形成的空间，在经止动盘上的腰型孔和止动盘与阀体室内形成的环形断面而进入燃烧室。空气和燃气在燃烧室混合燃烧后，使燃烧

26、室内的压力迅速升高。此时，阀门右侧的气体压力大于左侧气体压力，膜片被压向阀底盘，盖住了通气孔，从而切断了气流的反向流动。止动盘还有防止火焰对阀片的侵蚀作用。图1-22 脉动燃烧器机械阀当脉动燃烧器的结构设计好后，空气和燃气的流量可以通过调节阀片的间隙即增加或减少膜片阀的流通面积来实现。在脉动燃烧器中空气阀远比燃气阀重要，它直接影响脉动燃烧器的启动可靠性、运行稳定性和运行频率。空气阀的进气量和空气膜片阀的结构尺寸、膜片密度及燃烧室内的压力、脉动频率等参数有关，通过各参数对空气流量的影响分析，可对空气阀进行优化设计。对于膜片应满足：密度小、材料平整、抗挠性能好、热变形小，才能保证其使用寿命，目前常

27、用的膜片材料由：聚四氟乙烯、树脂板、不锈钢和弹簧钢薄板（0.11mm）。簧片阀簧片阀是最早出现并被使用的单向阀，有多簧片和单簧片两种结构形式。图1-22（b）显示簧片式单向阀的机构。当进气道里的空气压力大于燃烧室压力时，空气流冲开簧片进入燃烧室提供燃烧用空气；当燃烧防热使得燃烧室内燃气压力大于进气道里空气压力时，簧片张开把阀门通道关闭，燃烧产物只能通过尾管排出。簧片阀的主要问题在于因簧片阀工作在高频振动条件下，极易疲劳破坏，寿命短。近年来，材料科学的发展提供了抗疲劳强度很高的新型金属材料及氟塑料等非金属材料，有助于提高簧片的寿命，簧片式单向阀仍不失为一种结构简单，工作可靠的单向阀。 旋转阀旋转

28、阀的功能和膜片簧片式单向阀相同，即当燃烧室内压力大于进气压力时，将进气通道密封，阻止燃烧室内高压气体回流。一种旋转阀的设计包括两块平板：一块电机带动的碟形旋转板和一块钻有相距180两个长孔的静止板。燃烧所需的空气以垂直于旋转方向通过该旋转阀，进入燃烧室。空气进气道的面积取决于静止板上长孔的高度和宽度。另一种旋转阀的设计如图1-23所示，在燃烧室头部的圆柱壁面上，开有沿圆周均布的数个径向通孔，形成阀座，在它的外面套有一个同轴的与其配合的阀门转筒，转筒壁上开有与阀座相对应的孔。电机带动阀筒旋转，当两孔相对时，空气通过孔进入燃烧室；当两孔错开时，空气通道被堵住，燃烧室内的高压气体不能倒流。图1-23

29、 旋转阀脉动燃烧器结构 旋转阀具有经久耐用、适应性强、抗油和污物积聚的特点，它的设计、制造与燃烧器的设计无关，可以适应一个较大范围的燃烧器运行频率和燃烧速率。但是，阀门的转速决定着脉动燃烧器的工作频率，因此需要有一个“反馈”装置使其转速与燃烧器的共振频率同步。当阀门的转速和燃烧器共振频率不同步时，这个燃烧器被称为频率可调的“脉动”燃烧器。“脉动”燃烧器是一种周期性但非共振燃烧并具有自吸功能的装置，其旋转阀用于控制空气和燃气的顺序流人，工作频率通常低于燃烧器共振频率。 气动阀 气动式阀门是利用流体流入特殊设计的入口所表现的流动特性，对燃烧产物的回流实现阻碍作用（即为无阀式的）。这种结构的主要优点是：没有活动部件，从而避免了机械故障或机械损坏，可用于重型燃烧器等入口部件操作环境恶劣的场合。设计气动式阀门应最大限度地防止回流，同时尽可能地减少对流体流人的阻碍。一种方法是人口处安装一个叫做“流体二极管”的装置，但此种装置在操作上不及机械式止回阀，它不能完全防止回流。限制回流量大小的另一种方法是将入口设计为异型截面。逐步向燃烧室扩散的喇叭形入口，首先对进入的空气流加速，然后在进入燃烧室前将气流扩散。在回流