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1、节能原理与技术蒋静智河北科技大学 机械学院热能与动力系第四章 新型节能设备方法l热管换热器l热泵l膜分离l蓄热器l变压吸附4.1 热管换热器热管发展历程 1964年：发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）。 1964-1970年：理论研究高峰期，近千篇论文发表。 1970-1980年：机密性应用研究，空间核电源、电子仪 器散热、航天飞行器均温等节能应用性研究，热管换热 器，太阳能发电，高效化学反应器。 1980-2000年：电子电器散热、计算机CPU散热、大型 空气预热器、高温热管换热器、高温高压化学反应器。 2000-2010年：高
2、效微型热管技术、高温大型热管技术 、高效热管反应设备技术、各种高效热管换热装备。青藏铁路沿线的热管TSC897/2型低温热管 青藏铁路沿线的热管地面2米5米89毫米 100 kg里面灌装有液态氨，通过液态氨，将地下冻土层的“冷气”带到地表土层，让 它保持冷冻状态不松软；通过露出地面管径外表的“翅片”，把蕴含在地表土 层中的热量散发到空气中。一根长长的管子，就像是一个个自动传导冷热温度 的“空调器”，让路基永远保持冷冻状态。 笔记本电脑CPU使用的热管4.1.1 热管工作原理l热管的工作原理蒸发冷凝吸液芯QQ加热段冷却段绝热段气体液体壳体在一个密闭结构中装有若干工作液体，借助于液体的吸热蒸发、蒸
3、气的输送和 放热冷凝，然后靠毛细作用或重力作用，使冷凝液从冷凝段返回到蒸发段，从 而把热量从结构的一部分（蒸发段）高速传递到另一部分（冷凝段）。l重力热管， 结构简单加热段冷却段QQ蒸发冷凝加热段Q蒸发Q冷凝热管工作原理l在一个密闭结构中装有若干工作液体，借助于液 体的吸热蒸发、蒸气的输送和放热冷凝，然后靠 毛细作用或重力作用，使冷凝液从冷凝段返回到 蒸发段，从而把热量从结构的一部分（蒸发段） 高速传递到另一部分（冷凝段）。因此，热管本 身是一种高效的传热元件。它是靠封闭在管内的 工质反复进行相变（蒸发、冷凝）而进行热量传 递的。l结构紧凑、重量轻、传热效率高、无运动部件、 维护简单、运行可靠
4、等优点，特别适宜于中、低 温余热的回收。 4.1.2 热管的组成三个基本部分组成：l两端密封的容器，多数做成圆管状；l吸液芯，由多孔材料（金属网、金属纤维 等）构成，覆盖在器壁（管壁）的内表面 ；l容器内充有一定数量的工作液体（工质） 及其蒸气。 4.1.3 热管的工作液体工质凝固点沸点（大气压下） 使用温度范围氨783360100 Rll1112440120 R113354810100 丙酮95570120 甲醇，986410130 水010030250 导热姆A12257150395 硫112444200600 水银39361250650 钾627745001000 钠9889260012
5、00 锂1791340100018004.1.4 热管的特点l输热能力强l良好的等温性l热流方向可逆l热流密度可调l适应性强热管的导热能力热管的导热能力 1铜棒（2.5300）；2热管（2.5300）100w T2T1600oCT2T11.5oC4.1.5 热管分类 l按照工作液体回流动力区分: 有芯热管、重力 热管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力 热管、磁流体动力热管、渗透热管等。l按照热管管内工作温度区分: 低温热管、常温 热管、中温热管、高温热管等。l按照管壳与工作液体的组合区: 分铜-水热管、 碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不 锈钢-钠热管等。常用热管的工作温度范围与
6、典型的工作介质及其相容壳 体材料 工作介质工作温度 / 相容壳体材料 低温热管氨- 60 100铝、不锈钢、低碳钢 氟里昂-21- 40 100铝、铁 氟里昂-11- 40 120铝、不锈钢、铜 氟里昂-113- 10 100铝、铜常温热管己烷 0 100黄铜、不锈钢 丙酮0 120铝、铜、不锈钢 乙醇0 130铜、不锈钢 甲醇10 130铜、不锈钢、碳钢 甲苯0 290不锈钢、低碳钢、低合金钢 水30 250铜、碳钢(内壁经化学处理)中温热管萘147 350铝、不锈钢、碳钢 联苯147 300不锈钢、碳钢 导热姆-A150 395铜、不锈钢、碳钢 导热姆-E147 300不锈钢、碳钢、镍 汞
7、250 650奥氏体不锈钢高温热管钾400 1000不锈钢、 铯400 1100钛、铌 钠500 1200不锈钢、因康镍合金 锂1000 1800钨、钽、钼、铌 银1800 2300钨、钽4.1.6 热管用途l余热回收l电子器件冷却，如电脑CPU散热l太阳能集热器l航空航天导热材料4.1.7 热管换热器l利用热管导热能力强、传热量大的特点， 以多根热管作为中间传热元件，实现冷、 热流体之间换热的设备。气气热管换热器 1热管； 2中间隔板； 3外壳热管换热器的特点、分类 l热管换热器的特点结构简单，换热效率高 ；压力损失小；安全可靠；灵活调温。l热管换热器的类型与结构按照热流体和冷 流体的状态，
8、热管换热器可分为气气式 、气液式、液液式、液气式；从热 管换热器结构型式来看，热管换热器又可 分为整体式、分离式、回转式和组合式。 气液式热管换热器4.1.8 热管的用途与节能 l化学工业1、硫酸系统热管换热器回收焚烧炉出口高温x气体的余热、在 转化工段回收高温气体的余热，产生热水或蒸汽供系统使用。 2、 医药、日化工业热管换热器可用于回收药气或废气的余热，生 产清洁热风，干燥物料。 3、 利用可变热导热管可对反应床层进行恒温控制的同时，取出或 输入反应热。 4、 大型化肥厂合成对流段盘管；中、小型氮肥厂造气工程、变换 工段，利用热管式蒸发器回收工艺气余热产生蒸汽供合成氨系统使 用，变换工段一
9、、二水加热器。 5、 甲醇转化炉对流段盘管。 6、 苯酐装置热容器。 l电力工业l石油化工 l冶金工业 l建材建筑节能 用途l化学工业l电力工业利用热管换热器可作为各种锅炉的尾部受热面。如热管式空气 预热器可替代传统的回转式空气预热器和列管式空气预热器，提高 受热面壁温，避免露点腐蚀，提高炉膛进风温度和炉膛含氧量，减 少漏风，延长锅炉运行周期。 1、工业锅炉尾部的热管空气预热器热管式省煤器或翅片管省煤器 。 2、电站锅炉尾部的热管空气预热器可分下列几种用途： （1）在原低温段空气预热器的空气入口前设置一热管式空气预热器 ，进一步降低锅炉排烟温度，减少排烟热损，提高锅炉效率； （2）整个低温段空
10、气预热器均为热管式结构； （3）用锅炉排放的热烟气加热脱硫后的冷烟气，即电站脱硫的GGH 。 3、燃气锅炉对流段后部。 l石油化工 l冶金工业 l建材建筑节能 用途l化学工业l电力工业l石油化工 1、 炼油厂的常压炉、减压炉、常减压二合一炉、加氢炉减粘炉、 重整炉等，利用热管式空气预热器回收出炉烟气的余热加热空气， 以提高加热炉的送风温度。2 炼油厂催化装置再生烟气和各种内、外取热器的余热回收，可产生 中压蒸汽并用于动力系统。3、乙烯裂解炉对流段盘管、炼油厂加热炉对流段盘管。l冶金工业 l建材建筑节能 用途l化学工业l电力工业l石油化工 l冶金工业 1、炼铁厂用高炉烟气来预热空气、煤气的单预热
11、或双预热整体式或 分离式热管换热器，回收热风炉烟气余热，节约煤气，提高热风炉 的升温速度、炉顶温度和送风温度 降低炼铁焦比，节约焦炭。 2、利用热管式蒸汽发生器或翅片管式蒸汽发生器回收各种带冷机和 环冷机所输送的烧结矿的显热，产生蒸汽。l建材建筑节能 用途l化学工业l电力工业l石油化工 l冶金工业 l建材建筑 对于水泥、陶瓷等建材行业，利用换热器回收窑炉烟气的余热，产 生热风或热水。如热管式热风炉或热管列管组合式热风炉，可产 生500以下的热风，干燥清洁物料。建筑业热管式空气预热器可用 于室外的新鲜空气和室内的浑浊空气之间的热交换；在集中空调制 冷机组中，利用热管换热器口收废气余热产生低压蒸汽
12、供空调制冷 机组使用。 4.2 热泵（Heat Pump）4.2 热泵l一种使热量由低温物体转移到高温物体的能量装置（类 似于水泵使水从低处流向高处）。l作用：把那些不能直接利用的低温热能变为有用的热能 ，提高能量的利用率，节省燃料。热泵高温热源低温热源Q1Q2W4.2.1 热泵种类l压缩式热泵l吸收式热泵l蒸汽喷射式热泵4.2.2 压缩式热泵循环系统蒸发器冷凝器压缩机节流阀QEQCW（低温热源）（高温热源）介质的循环相图液相气相固相放热QC（介质被冷却 ）吸热QE（介质被加热）PT压缩式热泵的理论循环压缩冷凝节流蒸发热泵的性能系数COP单位质量工质耗功量为放热过程节流过程吸热过程其能量衡算式
13、热泵的性能系数qC工质工质是热泵中赖以进行能量转换与传递的物 质。热泵系统的的性能、经济性与可靠性在很大 程度上与工质有关。l临界温度应比最大冷凝温度高得多l在冷凝温度下的饱和压力不要太高（2.5MPa)l在蒸发温度下的饱和压力不要低于大气压l单位容积致热量要大l液体的比热容要小l饱和蒸汽比熵的变化要小，即饱和蒸汽线要陡l工质应由良好的化学稳定性、不然、不爆、无毒 无害、价格便宜、环境友好等热泵工质物性参数环保型制冷剂l冰箱常使用的制冷剂为：R22 （CHF2Cl） ，对环境不友好。l环保型制冷剂：R407c、R410a、R134alR407c： HFC32/125/134a, 组成 23/2
14、5/52 (CH2F2/CHF2CF3/CH2FCF3)lR410a: HFC32/125, 组成 50/50 （ CH2F2/CHF2CF3）lR134a： 1，1，1，2-四氟代乙烷， CF3CH2F4.2.3 吸收式热泵24蒸发器冷凝器吸收器节流阀QEQC 3溶液泵发生器节流阀QAQG1567吸收式热泵与压缩式热泵比较l共同点：冷凝器、节流阀、蒸发器l不同点：压缩式热泵采用压缩机吸收式热泵：用一个溶液回路代替 了压缩机，该溶液回路由吸收器、溶液 泵、发生器、及溶液节流阀等部件构成 。溶液回路用消耗热能取代了压缩机中 所消耗的机械能。吸收式热泵系统热泵的性能系数A吸收器，C冷凝器，D分凝器
15、，E蒸发器，G发生器，H热 交换器，O过冷器，P溶液泵，R精馏器，T1，T2节流阀工质对的选择在工质对中，沸点低的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂。选择吸收剂的要求： （1）具有强烈地吸收制冷剂的能力。这种能力越强，循环中 所需要的吸收剂循环量越少，发生器热源的加热量越少。 （2）在相同压力下，沸点比制冷剂高，相差越大越好。避免 精馏分离。 （3）比热容小、导热率高、黏度低。 （4）化学性质好。选择制冷剂的要求： （1）制冷剂应在吸收剂中有较好的溶解性。 （2）其它与压缩式热泵的制冷剂相同。常用的工质对l氨水l水溴化锂l氨硝酸锂4.3.4 蒸汽喷射式热泵蒸汽喷射式热泵的理论循环84901 2
16、310动力循环 (10-1-2-3-4-8-10)蒸汽喷射式热泵的理论循环84901 2310热泵循环 （3-4-8-8-0-3)热泵的主要应用形式 l蒸气压缩式系统是热泵最主要的应用型式 。l按照低温热源与供热介质的组合方式不同 ，蒸气压缩式热泵系统又分为l空气空气热泵l空气水热泵l水水热泵l水空气热泵l地热空气热源热泵l土壤热源水热泵 按热源分类的热泵l水源热泵 l空气源热泵 l土壤热源热泵 l太阳能热泵 水源热泵l以水作为热源的热泵称作为水源热泵（Water Source Heat Pump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作为低温热 源。由于水的温度变化较小，水源热泵的性能通常要比空气 源（ASHP）的性能好而
