0我國工業(yè)余熱利用現狀

1、我國工業(yè)余熱利用現狀 摘要：工業(yè)發(fā)展帶來了巨大的污染，工業(yè)余熱的利用是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹了工業(yè)余熱的資源特點，概述了工業(yè)余熱的利用方式，中國目前低溫工業(yè)余熱技術，以及分析了工業(yè)余熱利用中存在的問題?？偨Y出目前應該大力發(fā)展利用低溫余熱技術。關鍵詞：工業(yè)余熱；低溫余熱利用技術；節(jié)能減排0引言 工業(yè)部門余熱資源總量極為豐富，“十二五”期間可以開發(fā)利用的潛力超過1億噸標準煤?！笆濉笔俏覈?jié)能減排承前啟后的關鍵時期，國務院和有關部委已就節(jié)能減排工作作出全面的決策部署，明確提出單位GDP能耗降低16%左右、單位GDP二氧化碳排放降低17%左右、規(guī)模以上工業(yè)增加值能耗降低21%左右等多項節(jié)

2、能減排目標。工業(yè)部門能源消費約占全國能源消費的70%。 目前余熱利用最多的國家是美國，它的利用率達到60%，歐洲的達到50%，我國30%。就余熱利用來看，我國還有很大的利用空間。中、高溫余熱發(fā)電已經形成了比較完備的產業(yè)，而低溫余熱發(fā)電則剛剛開始。1.工業(yè)余熱資源特點工業(yè)消耗的能源部門品種包括原煤、洗煤、焦炭、油品、天然氣、熱力、電力等。工業(yè)余熱資源特點主要有：多形態(tài)、分散性、行業(yè)分布不均、資源品質較大差異等特點。 對鋼鐵、水泥、玻璃、合成氨、燒堿、電石、硫酸行業(yè)余熱資源的調查分析結果顯示，上述工業(yè)行業(yè)余熱資源量豐富，約占這7個工業(yè)行業(yè)能源消費總量的1/3?！笆濉睍r期，綜合考慮行業(yè)現狀與發(fā)展

3、趨勢，這7個工業(yè)行業(yè)余熱資源總量高達3.4億噸標準煤。2010年末，余熱資源開發(fā)利用總量折合為8791萬噸標準煤。其中，余熱資源開發(fā)利用量超過1000萬噸標準煤的有鋼鐵、合成氨、硫酸、水泥4個行業(yè)，分別為3560萬噸標準煤、2450萬噸標準煤、1244萬噸標準煤、1124萬噸標準煤。從余熱資源的行業(yè)分布來看，上述7個工業(yè)行業(yè)中，鋼鐵、水泥、合成氨行業(yè)的余熱資源量位居前三，分別為1.71億噸標準煤、9300萬噸標準煤、3454萬噸標準煤，占這7個工業(yè)行業(yè)余熱資源總量的比重分別為50.3%、27.3%、10.2%；硫酸、電石、燒堿、玻璃余熱資源總量則較少，分別為1940萬噸標準煤、1408萬噸標準

4、煤、495萬噸標準煤、311萬噸標準煤，合計占7個工業(yè)行業(yè)余熱資源總量的122%。從工業(yè)余熱資源的地區(qū)分布來看，“十二五”時期，上述7個工業(yè)行業(yè)余熱資源可開發(fā)利用潛力居前六位的地區(qū)是河北、江蘇、山東、遼寧、山西、河南，分別為1507萬噸標準煤、680萬噸標準煤、664萬噸標準煤、530萬噸標準煤、419萬噸標準煤、361萬噸標準煤。從余熱資源的來源來看，可分為高溫煙氣和冷卻介質等六類，其中高溫煙氣余熱和冷卻介質余熱占比最高，分別占50%和20%，而其他來源分別是廢水、廢氣余熱占11%，化學反應余熱8%，可燃廢氣、廢液和廢料余熱7%，高溫產品和爐渣的余熱4%。從余熱資源品位來看，約46%為400

5、及以上的高品質余熱資源，其余約54%則為400以下的中低品質余熱資源。從余熱量占各行業(yè)燃耗量的比例來看，建材行業(yè)的余熱占燃耗量的比例最大，約占40%，其他各行業(yè)的余熱資源也豐富。各行業(yè)余熱資源在該行業(yè)的燃耗量的比例如下表1-1：表1-1 各行業(yè)余熱占該行業(yè)燃耗量的比例行業(yè)余熱資源來源占燃料消耗量的比例冶金軋鋼加熱爐、均熱爐、平爐、轉爐高爐、焙燒窯等33%以上化工化學反應熱，如造氣、變換氣、合成氣等的物理顯熱；可燃燒熱，如炭黑尾氣、電石氣等的燃料熱15%以上建材高溫煙氣、窯頂冷卻、高溫產品等約40%玻糖玻璃窯爐、搪瓷窯、坩堝窯等約20%造紙洪缸、蒸鍋、廢氣、黑液等約15%紡織烘干機、漿紗機、蒸煮

6、爐等約15%機械鍛造加熱爐、沖天爐、熱處理爐及汽錘排氣等約15%2.工業(yè)余熱利用技術工業(yè)余熱資源來源于工業(yè)生產中各種爐窖、余熱利用裝置和化工過程中的反應等。這些余熱能源經過一定的技術手段加以利用，可進一步轉換成其他機械能、電能、熱能或冷能等。利用不同的余熱回收技術回收不同溫度品位的余熱資源對降低企業(yè)能耗,實現我國節(jié)能減排、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略目標具有重要的現實意義。余熱溫度范圍廣、能量載體的形式多樣，又由于所處環(huán)境和工藝流程不同及場地的固有條件的限制，生產生活的需求，設備型式多樣，如有空氣預熱器，窯爐蓄熱室，余熱鍋爐，低溫汽輪機等。根據佘熱的溫度范圍，可以將目前的工業(yè)余熱技術分為中高溫余熱回收技術和低

7、溫回收技術。中高溫回收技術主要有三種技術：余熱鍋爐、燃氣輪機、高溫空氣燃燒技術。低溫回收技術主要有有機工質空肯循環(huán)發(fā)電、熱泵技術、熱管技術、溫差發(fā)電技術、熱聲技術。 從目前工業(yè)余熱現狀來看，高溫余熱回收技術已經在我國的鋼鐵、水泥、冶金等行業(yè)廣泛應用。但除了高溫余熱外，還有大量的低溫工業(yè)余熱未得到利用，我國我國對于低溫余熱的利用還處于嘗試和發(fā)展階段,低溫余熱回收技術不成熟,導致這部分余熱多直接排向環(huán)境，造成了巨大的能源浪費。因此，本文著重概述低溫余熱回收技術。3.有機工質朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)3.1有機工質朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的原理有機朗肯循環(huán)是將熱能轉換為機械能的系統(tǒng)，與常規(guī)的蒸汽發(fā)電裝置的熱力循環(huán)原理

8、相似，但有機工質低溫熱發(fā)電不是用水作工質，而是用有機物為工質的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng), 其工作原理如圖4-1所示。系統(tǒng)由蒸發(fā)器、透平、冷凝器和工質泵四大部分組成, 有機工質在蒸發(fā)器中從低溫熱流中吸收熱量, 生成具一定壓力和溫度的蒸汽, 蒸汽推動透平機械做功, 從而帶動發(fā)電機或拖動其它動力機械。從透平機排出的有機蒸汽在冷凝器中向冷卻水放熱, 凝結成液態(tài), 最后借助工質泵重新回到蒸發(fā)器, 如此不斷地循環(huán)下去。圖3-1 有機工質朗肯循環(huán)發(fā)電原理圖3.1.2有機工質朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的特點有機工質朗肯循環(huán)采用有機工質（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等 ）作為循環(huán)工質的發(fā)電系

9、統(tǒng)，由于有機工質在較低的溫度下就能氣化產生較高的壓力，推動渦輪機（透平機）做功，故有機工質循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)可以在煙氣溫度200左右，水溫在80左右實現有利用價值的發(fā)電。目前，對低溫熱能發(fā)電技術的研究主要集中在以下幾個方面：工質的熱力學特性和環(huán)保性能；混合工質的應用；熱力循環(huán)的優(yōu)化等。國外有機朗肯循環(huán)低溫熱發(fā)電技術主要應用于地熱發(fā)電，但未來可能應用于太陽能熱電、工業(yè)余熱、生物質能和海洋溫差能等。目前美國、法國等國的余熱發(fā)電技術的最低溫度是80，我國自主研發(fā)的低溫發(fā)電機組，通過提升熱電轉換介質的性能，已經實現了最低發(fā)電溫度為60能實現穩(wěn)定發(fā)電。3.2有機工質朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)國內外研究案例國內外對于低溫

10、熱能利用的研究主要開始于20世紀70年代的石油危機時期。其中，有機物朗肯循環(huán)的研究和應用最為廣泛。早在1924年，就有人開始研究采用二苯醚作為工質的有機物朗肯循環(huán)。到目前為止，全世界已有2OOO多套ORC裝置在運行，并且有十幾家生產制造企業(yè)，生產出單機容量為14000 kW的ORC發(fā)電機組。 有機工質低溫發(fā)電設備的制造及生產在國內還是一個空白。清華大學柯玄齡、梁秀英等在這方面進行了深入系統(tǒng)的研究, 并研制出產品, 應用于工程實踐。近年來, 浙江大學、上海交通大學習等主要對有機工質和熱力循環(huán)進行了一定的研究，但總體來說國內對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研究和應用工作較少，所以開展這方面的研究工作是很有意義

11、的。 國內外對低溫余熱朗肯循環(huán)系統(tǒng)做了大量的研究，其研究案例見表4.1，表3.1國內外低溫余熱回收有機介質循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究案例研究單位研究項目工質研究溫度年份天津大學廢熱源驅動的有機朗肯循環(huán)R134、二苯甲等65200R143在65150內，系統(tǒng)循環(huán)效率最高達11.8%，適合回收150以下的余熱。西安交通大學固定流量15.951kg/s工質循環(huán)性能分析R718（水）、R717（氨）、R600、R600a、R11、R123、R141b、R235ea、R245ca、R11380140水和氨的輸出功隨溫度的升高而升高，其余隨溫度而降低。熱源條件相同時，R236a火用效率最高。加拿大皇家軍事學院流量

12、300kg/s工質循環(huán)性能分析R718（水）、R717（氨）、R290（丙烷）、異丙烷、苯、正庚烷、100250熱源條件相同時，苯為工的ORC效率最高，最大約24%；丙烷、異丙烷、正庚烷效率基本相同，最大約20.8%；氨為18%；水僅為16.8%。北京科技大學、 清華大學汽車尾氣在有機朗肯循環(huán)的回收研究R11、R141b、R113、R123、R236ea、R245fa、R245ca、R60030330R245fa 和R245ca 更適合作為循環(huán)工質。2011印度國家火力發(fā)電有限公司140熱源下，工質的循環(huán)性能分析R12 ( 二氟二氯甲烷) 、R123、R134a140以R123 為工質的循環(huán)性

13、能最好，依據熱力學第一定律算出的R123的系統(tǒng)循環(huán)效率可達25. 3%，依據熱力學第二定律的效率為64.4%。臺灣義守大學工質的循環(huán)性能分析苯、甲苯、對二甲苯、R113和R123300采用對二甲苯工質的循環(huán)熱效率最高,苯最低；對二甲苯一般適合于回收溫度在300左右的高溫廢熱,而R113和R123在回收200的低溫廢熱時有較好的性能，且R123優(yōu)于R113。2001意大利米蘭理工大學非共沸硅氧烷混合工質和純工質的比較直鏈式烴類和芳香族烴類、全氟化烴、氟代直鏈烴類、硅氧烷類混合工質效率更高臺灣工業(yè)技術研究院有機工質分析在分子中存在氫鍵的流體都不適合作為有機朗肯循環(huán)的工質,如水、氨和乙醇等濕流體。工

14、質臨界溫度對熱力學效率有一個較小的影響。2004意大利布雷西亞大學回熱式微型渦輪有機朗肯循環(huán)研究多甲基硅氧烷300質量流量為1/,溫度為300的廢熱,100的微型渦輪機中采用多甲基硅氧烷作為工質可以多產生45的電能,將效率從30%增加到40%。2007華北電力大學電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室有機朗肯循環(huán)低溫余熱回收系統(tǒng)的工質選擇R600、R245fa、2,2-二甲基丙烷、R123 和苯等14種工質170大部分烷類工質的熱效率和壓比相對其他類工質較高，而所需質量流量遠小于其他類工質，且烷類工質環(huán)己烷以其較高的熱效率、較低的單位功量質量流量和UA 等特性，被認為是低溫余熱回收系統(tǒng)中較理想

15、的循環(huán)工質2014 從表4.1里可以看出，目前國內外對低溫余熱發(fā)電的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的理論研究很多，并且著重在烷烴類工質對循環(huán)系統(tǒng)的研究較多，且針對工業(yè)余熱不同溫區(qū)來選擇適于ORC回收工程應用的工質；混合工質有利于提高ORC循環(huán)的效率而得到研究者關注。3.3有機工質朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)國內外應用案例 國外ORC 系統(tǒng)動力回收研究開展較早，上世紀初始，美國和日本就開始將其應用于工程實踐。目前, 以色列的低溫廢熱發(fā)電技術居世界領先地位, 日本、美國、俄羅斯等在引進以色列的廢熱發(fā)電設備和技術基礎上, 也進行了大量的研究工作, 并開發(fā)了有機朗肯循環(huán)余熱鍋爐發(fā)電機組系統(tǒng)等, 取得了極其明顯的經濟效益。國際上

16、，以色列一直在研發(fā)及制造低溫熱源的有機朗肯循環(huán)(0rganic Rankine Cycle，簡稱 ORC)純低溫余熱發(fā)電技術及設備。 國內外低溫余熱回收有機介質循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的應用案例見表4.2，表3.2 國內外低溫余熱回收有機介質循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的應用案例項目投入運行時間生產商功率/KW熱源溫度/工質比利時垃圾電站2008年Turboden意大利3000熱水180摩洛哥水泥廠2010年Turboden意大利2000煙氣330日本大岳地熱站1977年日本三菱重工1000熱水260異丁烷回收煉油廠余熱的ORC系統(tǒng)美國MTI1174110R113中國那曲地熱發(fā)電站1993年以色列ORMAT1000110

17、異戊烷日新鋼余熱電廠1981年日本三井造船公司14000煙氣340德國Lengfure水泥廠余熱發(fā)電站1999年以色列ORMAT1500煙氣275美國柴油機余熱發(fā)電美國聯合能量公司600300 從表4.2可以看出，國內外對余熱發(fā)電的實際應用都在相繼展開。未來余熱發(fā)電是節(jié)能的一個大趨勢。國外ORC 技術已成功商業(yè)化，涌現出許多ORC設計與制造廠商，如以色列ORMAT 公司、意大利Turboden、德國GMK 公司等，GE、三菱等著名葉輪機械設計制造企業(yè)也成立了專門的ORC 公司。 3.4有機工質朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)經濟性分析 例如某水泥廠余熱發(fā)電站，一條3000噸/天的新型干法水泥生產線，窯頭與窯尾

18、配備有余熱鍋爐，用的是凝汽式汽輪機，該系統(tǒng)設計出來效果為每小時的平均發(fā)電總量為3500kW，參照發(fā)電機組的真實規(guī)格，必須用3000kW的汽輪機組。某項目的總投資數額高達60萬元，一年平均運轉300多天，則1年的發(fā)電總量可達到2270萬kWh。這種情況下和采用標準煤生產相比，能夠節(jié)約1.3萬噸的煤，減少約2.2萬噸二氧化碳的排放量，然后除掉系統(tǒng)自身耗費電量的10%，則每年供電量能夠達到1905萬kWh，而1噸熟料的發(fā)電能力能夠達到26.5kWh。相比之下，應用純低溫余熱發(fā)電技術來發(fā)電，整個發(fā)電系統(tǒng)一共投資1962萬元，外界購電價格按照0.5元/kWh進行計算，除去余熱電站供電所花費的成本，則每噸

19、熟料的成本大約能下降11.5元，進一步降低了水泥工業(yè)生產成本，提升企業(yè)在市場上的競爭力。以某冷卻塔低溫余熱利用系統(tǒng)用于發(fā)電為例，扣除泵的耗功后，1t熱水的發(fā)電量為1kW.h，每年按照7000h計算，則年發(fā)電量為70000kW.h，電價按0.5元計算，年經濟效益可達35萬元，相當于減少CO2排放量650t，經濟和環(huán)保效益顯著。隨著國家節(jié)能減排力度不斷加碼，水泥余熱發(fā)電項目的魅力日益顯著。預計，到2015年，我國余熱余壓發(fā)電要實現新增裝機2000萬千瓦。按照每千瓦造價5000元計算，“十二五”期間水泥余熱余壓發(fā)電將形成1000億元投資規(guī)模。 結論：固然純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的投資非常高，但在短短幾年中

20、基本上可收回成本，可以說構建出低溫余熱電站，既能變廢為寶，充分利用能源，降低對環(huán)境的污染，又能增加企業(yè)受益，可謂一舉兩得。4.熱泵技術4.1熱泵技術的原理熱泵就是在兩個熱源之間工作，消耗一定的功（W），使低溫熱源供給熱量（Q1），在高溫熱源處獲得熱量（Q2），亦即以消耗少量高質能為代價,達到提高溫位以利于利用。熱泵大概分兩類：一是蒸汽壓縮式；二是吸收式，后者是熱泵的主流。壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流裝置及水源、熱水側管路等部分組成。壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流裝置及水源、熱水側管路等部分組成。機械壓縮式熱泵系統(tǒng)的工作過程如下：低佛點工質流經蒸發(fā)器時蒸發(fā)成蒸汽，此時從低溫

21、位處吸收熱量，來自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸汽，經過壓縮機壓縮后升溫升壓，達到所需溫度和壓力的蒸汽流經冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發(fā)器中吸取的熱量和壓縮機耗功所相當的那部分熱量排出。放出的熱量就傳遞給高溫熱源，使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相，流經節(jié)流閥膨脹后，壓力繼續(xù)下降，低壓液相工質流入蒸發(fā)器，由于沸點低，因而很容易從周圍環(huán)境吸收熱量而再蒸發(fā)，又形成低溫低壓蒸汽，依此不斷地進行重復循環(huán)。吸收式熱泵是利用工質的吸收循環(huán)實現熱泵功能的一類裝置，它采用熱能直接驅動，而不是依靠電能、機械能等其他資源。溴化鋰吸收式熱泵機組回收利用低溫熱源(如廢熱水)的熱能，制取所需的工藝或采暖用高溫熱媒，實現從低溫向高溫

22、輸送熱能的設備，它以低溫熱源為驅動熱源，在采用低溫冷卻水的條件下，制取比低溫熱源溫度高的熱媒。它與第一類溴化鋰吸收式熱泵機組的區(qū)別在于，它不需要更高溫度的熱源來驅動。但需要較低溫度的冷卻水。4.2熱泵技術的特點我國許多行業(yè)對熱源的需求溫度多集中在75200之間，且存在著低溫余熱大量浪費的情況，可以把熱能由低溫位熱源轉移到高溫位熱源的中高溫熱泵技術有著巨大的應用空間。對高溫熱泵的研究多集中在適宜工質的選擇和制熱效率提高這兩個方面。對高溫熱泵的研究多集中在適宜工質的選擇和制熱效率提高這兩個方面。全世界有超過1.3億臺熱泵機組在正常運行,總供熱量超過了 4.7E+10GJ/年, 目前,工業(yè)熱泵主要應

23、用在釀造、紡織、木材、食品加工、石油化工、海水淡化、熱電以及冶金等領域。在國外,利用吸收式熱泵系統(tǒng)回收余熱技術的研究已有多年的發(fā)展。在溴化鋰吸收式制冷技術上我國已經積累了雄厚的技術基礎,但在吸收式熱泵系統(tǒng)的應用技術上還比較落后。4.3熱泵技術國內外的研究案例 早在20世紀80年代，日本大型節(jié)能技術研究開發(fā)項目項目就把高溫熱泵列入了重點研究方向之一，該項目總的目標是將制熱性能系數（COP）提高到68，出口熱水溫度提高到150300。在美國IEA熱泵中心和 IIR的熱泵發(fā)展計劃以及歐洲大型熱泵研究計劃中，中高溫熱泵技術都是研究的重點。 2007年太原理工大學根據山西某熱電廠冷凝抽汽工況條件設計了基

24、于單效吸收式熱泵機組的新型熱電聯產系統(tǒng)。改造后的熱電聯產系統(tǒng)統(tǒng)在原有汽輪機抽汽量不變的條件下回收汽輪機冷凝余熱,實現熱網供熱負荷增大、熱電廠一次能源利用率提高、節(jié)能減排的目標,實際運行工況良好,經濟效益和社會效益顯著。大慶石油學院結合油田的實際情況,通過對油田污水熱源和油田用熱要求的分析,探討了采用單效第一類吸收式熱泵為油田的生產過程供熱的可行性、節(jié)能和經濟效益。清華大學2008年提出了基于Co-ah循環(huán)的熱電聯產集中供熱方法,其中對熱電廠的冷凝余熱利用雙效吸收熱泵機組配合單效吸收熱泵機組的方式,其設計目標是實現依靠熱電廠冷凝乏汽、冷凝余熱及汽輪機抽汽并以此對熱網回水進行升溫。4.4熱泵技術國

25、內外的應用案例美國B.C.L.(Battdle Clumber Labs) 與A.C.公司(Adolphcooc Compange)合作,共同研發(fā)出較為完善的吸收式AHT系統(tǒng),1983年已能規(guī)?；a,并將它用于回收煉油廠中汽提塔和蒸館塔塔頂蒸汽的冷凝余熱,以及造紙廠制漿工藝和食品加工過程中泄漏蒸汽的余熱。1981年以來,日本的三洋公司已為日本和全球各地建立了 20套大型吸收熱泵裝置,部分機組已成功運行十年以上。同時在日本的千葉工廠,已將吸收式熱泵裝置集成于橡膠裝置中的凝聚釜頂廢熱的回收系統(tǒng)中,并且取得了良好的效果,據記載其改造投資回收期只有15年。遼河油田曙光采油廠曙五聯合站采用高溫熱泵技術

26、!以清華大學研發(fā)的HTR01為工質，從 5640m/d的含油污水(溫度為71)中提取2797KW的熱量,將2355m/d、53的進站原油加熱到85。機組自2010 年投產以來，運轉正常，熱泵機組總耗電折合人民幣 192.37萬元，產生的加熱效果相當于以往消耗價值1053萬元燃油或690.74萬元天燃氣的加熱效果，經濟效益顯著。云駕嶺煤礦等就以1820礦井涌水和2040的坑口電廠凝氣冷卻水為熱源 ，采用高溫熱泵和低溫熱泵結合：高溫熱泵產生的 7075的熱水作為礦區(qū)地面建筑冬季采暖，低溫熱泵則產生 60左右的熱水用于井筒保溫和職工浴室噴淋。 采用熱泵技術以來，礦區(qū)每年節(jié)約煤炭消耗40005000t

27、，減排 CO21200014000t,節(jié)能減排效果非常顯著.5.熱管技術5.1熱管技術的原理 以熱管作為傳熱元件的廢熱鍋爐稱為熱管式廢熱鍋爐，由外筒體、內筒體、飽和汽包、熱管四部分組成。工作時廢氣（或工藝氣）由上部進入，經外筒體和內筒體環(huán)隙流動，經熱管換熱后氣體由下部流出；水由內筒體下部進入，經熱管加熱后，進汽包，汽水分離后，產生飽和蒸汽，并網或直接使用。 5.2熱管技術的特點熱管的二次間壁換熱特性是實現安全、可靠及長周期運行的重要保證。熱管的熱流變換及自吹灰特性是防止工業(yè)上換熱設備露點腐蝕及灰塵堵塞的重要技術保證。熱管的均溫熱屏蔽及分離式熱管技術的完善, 將可能解決化學反應器中溫度分布不均勻

28、、反應過程偏離最佳反應溫度的缺陷、石油裂解中由于管壁溫度不均勻而出現的過熱分解以及核反應堆安全殼體的散熱等等問題。液態(tài)金屬熱管的出現及材料價格的下降, 可實現在超高溫反應設備中實現連續(xù)取熱。5.3熱管技術的國內外應用現狀早在 1942 年，Gauler 就曾提出熱管的原理。1962 年，L. Trefethen 再次提出類似于Gauler 的傳熱元件，但因故未能實施。直到1964 年，Grover等人獨立地提出了類似于Gauler 的傳熱元件，并且取名熱管，此后吸引了很多的科學技術工作者從事熱管研究，使熱管得到了很快的發(fā)展。熱管自1964 年正式在美國發(fā)明問世, 至今已有50年的歷史, 常作為

29、一種傳熱元件, 但作為一項傳熱技術, 則仍處于發(fā)展階段。我國的熱管技術開發(fā)研究一開始有明確為工業(yè)化服務的目標, 因此重點在于開發(fā)碳鋼-水熱管換熱器。經過多年的努力, 我國的熱管技術工業(yè)化應用已處于國際先進水平。目前, 氣-氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管節(jié)能產品已廣泛用于冶金、石油、化工、動力及陶瓷等工業(yè)領域。6.半導體溫差發(fā)電6.1半導體溫差發(fā)電原理 溫差發(fā)電器是一種基于塞貝克效應，直接將熱能轉化為電能的熱電轉換器件。1982 年，德國物理學家塞貝克發(fā)現了溫差電流現象，即兩種不同金屬構成的回路中，若兩種金屬結點溫度不同，該回路中就會產生一個溫差電動勢。由于材料的限制，熱電能量轉換的效率很低

30、，所以很少能在工程技術上得到實際應用。20世紀五十年代以后，隨著半導體技術的迅速發(fā)展，半導體溫差發(fā)電技術引起了世界范圍內的極大關注。圖6-1 溫差電池示意圖如圖6-1所示，將端置于高溫，處于低溫端的就可得到電動勢式中：為賽貝拉系數，其單位是V/K。是由材料本身的電子能帶結構決定的。6.2 半導體溫差發(fā)電的特點半導體溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，具有體積小，無噪音和有害物質排放，壽命長，可靠性高，性能穩(wěn)定，安全無污染等一系列優(yōu)點，符合綠色環(huán)保的要求。而且溫差發(fā)電不受溫度的限制，有溫差存在就能發(fā)電，選擇合適的半導體材料類別，可以在很寬的溫度范圍內（300K-1400K）利用熱能。特別適合低品位熱源

31、的回收利用。溫差發(fā)電作為一種熱電能量直接轉換方式，與現行的機電變換系統(tǒng)相比，轉換過程中不需要機械運動部件，不需要附加的驅動、傳動結構，沒有震動和噪聲。但是由于受到熱點轉換效率的制約（目前一般不超過14%，遠低于普通發(fā)電機40%的效率）和成本的限制，溫差電技術除了在航天和軍事等尖端技術領域應用外，很少用于工業(yè)和民間。目前國內外對半導體溫差發(fā)電的研究主要在半導體熱點材料、熱點轉換效率的提高等方面。主要在太陽能、汽車尾氣、低溫冷能利用方面有所應用。相信半導體溫差發(fā)電技術會在未來有更廣泛的應用。6.3 半導體溫差發(fā)電的國內外研究案例最早的溫差發(fā)電機于1942年由前蘇聯研制成功，發(fā)電效率為1.5%2%。

32、從20世紀六十年代開始陸續(xù)有一批溫差發(fā)電機成功用于航天軍事等領域。近年隨著技術的發(fā)展，半導體溫差發(fā)電技術已經成為研究熱點。研究單位研究內容年份哈爾濱工業(yè)大學改進熱點摸塊設計以提高溫差發(fā)電器熱點轉換效率2000西安交通大學半導體熱電堆的發(fā)電問題2001浙江大學熱電式微電源的研究現狀2005中國科學技術大學低溫下半導體熱點材料發(fā)電性能的研究2004廣州工業(yè)大學太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電性能分析2011中國科學技術大學溫差發(fā)電的熱力過程研究和材料的賽貝克系數測定2005南京航空航天大學基于余熱回收的半導體熱電模型2010中南大學半導體溫差發(fā)電在工業(yè)余熱利用中的可行性分析2009河南省科學院能源研究所從

33、不可逆過程熱力學的角度出發(fā)，推導出了穩(wěn)態(tài)條件下的半導體溫差發(fā)電性能的基本表述方程，并進一步分析推導了循環(huán)效率與材料優(yōu)值系數ZT之間的函數關系及其影響。首次得到了低溫半導體熱電堆內部溫度場在發(fā)電循環(huán)建立后能夠達到平衡狀態(tài)的時間域（610秒），以及冷端溫度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。哈爾濱工業(yè)大學胥大川針對溫差電轉換效率低這個問題，討論了如何改進熱點摸塊的設計，以提高溫差發(fā)電器的性能，促進溫差發(fā)電器在實際中的應用。西安交通大學陳浩在國內首次研究了半導體熱電堆的發(fā)電堆的發(fā)點問題，提出了求解的方法和分析的公式，為國內溫差發(fā)電的設計提供了理論和實驗依據。6.4 半導體溫差發(fā)電的國內外應用案例廈門納米克熱電電子有

34、限公司自2001年起開始自主研發(fā)半導體溫差發(fā)電技術，經過三年多的努力，成功研發(fā)出擁有自主知識產權的模塊產品。其耐溫性能、疲勞性能、輸出功率等均達到國際先進標準，而制造成本僅為國外同類廠商的的20%。在我國的西氣東輸工程中，直徑超過3m的輸氣管道總長度達到6000km。為此我國研制以天然氣為燃料的熱電發(fā)電器，它將作為輸氣管道陰極保護電源應用在西氣東輸工程。7.熱聲技術7.1 熱聲技術的原理熱聲效應是由熱在彈性介質（常為高壓惰性氣體）中引起聲學自激振蕩的物理現象。熱聲效應可分為兩類：一類用熱能來產生聲波，即熱致聲效應；另一種是用聲波來產生制冷效應，即聲致冷效應。7.2 熱聲技術的特點熱聲技術應用的

35、范圍相當廣泛，將來會給整個能源工業(yè)帶來很大的影響，它的簡單、環(huán)保、節(jié)能高效的特性符合當今時代的需求。熱聲技術近十幾年來的研究已經取得了飛速發(fā)展作為發(fā)動機，其轉換效率已達到30%以上，完全可以同內燃機（轉換效率在25%40%之間）相媲美；作為制冷劑，完全無運動部件的熱聲驅動脈沖管制冷機已達到液氫溫度以下（低于20K），而熱聲驅動的室溫行波熱聲制冷機則在-20獲得了300W以上的制冷量，顯示了熱機制冷技術子啊室溫以及深低溫制冷領域應用的巨大潛力。但是就現在的情況而言，由于設計水平沒有達到優(yōu)化的程度，材料的選擇和制造技術都在完善之中，并且制造的成本會高于普通的現有技術，這也是行業(yè)研究的主要方向。7.

36、3 熱聲技術的國內外研究案例南京大學聲學研究所的韓飛等人對Rijke管內的非線性效應進行了比較深入的研究。指出了Rijke管內引起非線性效應的兩個因素，并通過計算聲波的增長率和實驗分析聲波的頻譜，發(fā)現非線性效應限制了管內聲波振幅的增長，并且導致了二次高階諧波的產生。西安交通大學的劉繼平研究管受熱氣體層流流動時發(fā)現：由于氣體密度隨溫度增加而減少，動力粘度和導熱系數隨溫度增加而增加，在一定的加熱條件下，加熱管內會形成壓力與流量關系的奇異性，產生不穩(wěn)定性。認為這是Rijke管震蕩的原因所在。中國科學院理化所的李青老師對熱聲發(fā)動機起振的非線性飽和過程進行了研究，認為熱聲熱機其回熱器實際就是一個由聲感和流容構成的儲能部件諧振器，聲感對于維持系統(tǒng)起振起到了舉足輕重的作用，聲感是實現并維持熱聲轉換的關鍵的時變網絡