工業(yè)余熱利用技術(shù)研究進(jìn)展

博士后：2003/3-2005/10，東京大學(xué)，日本學(xué)術(shù)振興會(huì)特別研究員（等同于德國(guó)洪堡學(xué)者）博士學(xué)位：1999/10-2003/3，東京大學(xué)工學(xué)系研究科碩士學(xué)位：1988/9-1991/3，天津大學(xué)熱能工程系本科：1981/7-1985/7，中南林業(yè)科技大學(xué)，機(jī)械工程系第一頁(yè)，共49頁(yè)。第一頁(yè)，共49頁(yè)。工作經(jīng)歷2005/11-現(xiàn)在，華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授博導(dǎo)。學(xué)術(shù)方向負(fù)責(zé)人，教育部實(shí)驗(yàn)室副主任1995.5-2005.11，在日本留學(xué)、工作共十年半時(shí)間1991-1999，湖南廣播電視大學(xué)講師1985-1988，中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)械系助教第二頁(yè)，共49頁(yè)。第二頁(yè)，共49頁(yè)。中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)分委會(huì)委員中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)熱管專業(yè)組委員中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)熱能工程分委會(huì)委員廣東省節(jié)能協(xié)會(huì)專家工作委員會(huì)專家成員在日華人汽車工程師協(xié)會(huì)理事日本傳熱學(xué)會(huì)會(huì)員、美國(guó)機(jī)械學(xué)會(huì)會(huì)員第三頁(yè)，共49頁(yè)。第三頁(yè)，共49頁(yè)。電子及航空、LED照明產(chǎn)品散熱技術(shù)；工業(yè)余熱利用技術(shù)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的熱管理；第四頁(yè)，共49頁(yè)。第四頁(yè)，共49頁(yè)。第五頁(yè)，共49頁(yè)。第五頁(yè)，共49頁(yè)。教育部直屬”985”、”211”工程重點(diǎn)建設(shè)大學(xué)。是華南地區(qū)工科龍頭。創(chuàng)立于1932年取名中山大學(xué)。1952年，成立華南工學(xué)院。今年，60年校慶第六頁(yè)，共49頁(yè)。第六頁(yè)，共49頁(yè)。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有固定人員近百人，包括國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者3人，教育部新世紀(jì)人才9人，“珠江學(xué)者”特聘教授2名。

主持和承擔(dān)了一批國(guó)家、省部級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目，近五年科研經(jīng)費(fèi)約6000萬(wàn)元。

先后獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省、部級(jí)科研獎(jiǎng)20余項(xiàng)，中國(guó)專利50余項(xiàng)。第七頁(yè)，共49頁(yè)。第七頁(yè)，共49頁(yè)。能源現(xiàn)狀第八頁(yè)，共49頁(yè)。第八頁(yè)，共49頁(yè)。世界各地區(qū)能源消耗逐年增長(zhǎng)情況2003-2007年中國(guó)能源消費(fèi)總量及其增長(zhǎng)速度能源消耗增長(zhǎng)速度快無論從世界還是從中國(guó)來看，常規(guī)能源都是很有限的，中國(guó)的一次能源儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲(chǔ)量的10％。開發(fā)低碳能源技術(shù)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，解決能源供需矛盾能源需求狀況第九頁(yè)，共49頁(yè)。第九頁(yè)，共49頁(yè)。能源供給狀況根據(jù)BP世界能源統(tǒng)計(jì)，全球化石燃料可用情況如下：40.6年164年65.1年1636億噸

179.8萬(wàn)億立方米9091億噸

儲(chǔ)量?jī)?chǔ)采比《BP世界能源統(tǒng)計(jì)2006》石油天然氣煤炭第十頁(yè)，共49頁(yè)。第十頁(yè)，共49頁(yè)。中國(guó)堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的四大戰(zhàn)略措施建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)第十一頁(yè)，共49頁(yè)。第十一頁(yè)，共49頁(yè)。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工業(yè)余熱利用方面的主要技術(shù)產(chǎn)品（1）高效換熱器（2）強(qiáng)化換熱管（3）熱管技術(shù)第十二頁(yè)，共49頁(yè)。第十二頁(yè)，共49頁(yè)。換熱器是量大面廣的熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備電力冶金運(yùn)輸制藥化工換熱器石化太陽(yáng)能制冷★以石化工業(yè)為例，換熱器投資占總設(shè)備投資的30-40%；★傳熱效率的高低直接影響到過程或系統(tǒng)的能耗水平。85%以上為殼管式換熱器結(jié)構(gòu)第十三頁(yè)，共49頁(yè)。第十三頁(yè)，共49頁(yè)。螺旋槽管橫紋管縮放管螺旋扁管不同類型強(qiáng)化管第十四頁(yè)，共49頁(yè)。第十四頁(yè)，共49頁(yè)。內(nèi)螺紋管低肋管T型翅片管花瓣型翅片管第十五頁(yè)，共49頁(yè)。第十五頁(yè)，共49頁(yè)。三維內(nèi)肋片管三維外肋片管內(nèi)外復(fù)合強(qiáng)化管第十六頁(yè)，共49頁(yè)。第十六頁(yè)，共49頁(yè)。螺旋隔板強(qiáng)化管換熱器1、一種螺旋流花瓣管殼管式換熱器，實(shí)用新型專利：ZL99236801.42、殼管式同軸雙重旋流換熱裝置，實(shí)用新型專利，ZL2.43、殼管式壓縮氣體內(nèi)導(dǎo)筒旋流裝置，實(shí)用新型專利，ZL2.84、一種連續(xù)螺旋折流板雙殼程組合異形管管束換熱器，發(fā)明專利：ZL2.85、螺旋折流板支撐異形管重沸器，實(shí)用新型專利：ZL2.66、螺旋折流板支撐異形管管束冷凝器，實(shí)用新型專利：ZL2.1

強(qiáng)化管作為傳熱元件螺旋隔板作為支撐結(jié)構(gòu)流體螺旋流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱表面結(jié)構(gòu)協(xié)同強(qiáng)化傳熱第十七頁(yè)，共49頁(yè)。第十七頁(yè)，共49頁(yè)。不同類型螺旋隔板強(qiáng)化管換熱器總傳熱系數(shù)比普通換熱器提高40%以上！第十八頁(yè)，共49頁(yè)。第十八頁(yè)，共49頁(yè)。技術(shù)特點(diǎn)：采用空心環(huán)網(wǎng)板作為管間支撐物，取代傳統(tǒng)換熱器的弓形折流板支撐物；采用縮放管作為傳熱管，取代傳統(tǒng)換熱器的光滑管束。第十九頁(yè)，共49頁(yè)。第十九頁(yè)，共49頁(yè)。空心環(huán)管殼式換熱器技術(shù)自1990年開始在硫酸工業(yè)系統(tǒng)投入使用,1996年由國(guó)家科委列入“九五”國(guó)家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)為96010301A）以來，在國(guó)內(nèi)硫酸工業(yè)中已廣泛推廣應(yīng)用。這種高效節(jié)能型換熱器目前已應(yīng)用在全國(guó)29個(gè)省份、400多家硫酸生產(chǎn)企業(yè)、600多套換熱器；包括硫鐵礦制酸、硫磺制酸及冶煉煙氣制酸等多種制酸工況。年產(chǎn)20kt、40kt、60kt、100kt、300kt、500kt，600kt等多種生產(chǎn)規(guī)模上應(yīng)用,均取得良好的效果。空心環(huán)管殼式換熱器的工業(yè)應(yīng)用：第二十頁(yè)，共49頁(yè)。第二十頁(yè)，共49頁(yè)。第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。第二十一頁(yè)，共49頁(yè)?？招沫h(huán)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)介紹：空心環(huán)管殼式換熱器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖空心環(huán)網(wǎng)板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。空心環(huán)管間支撐的優(yōu)點(diǎn)一、不容易堵塞,運(yùn)行阻力較低。

二、開孔率≥80%,流體縱向流、流場(chǎng)均勻。

三、縮放管對(duì)管外也起到了強(qiáng)化傳熱效果。

空心環(huán)管殼式換熱器面積比圓缺型折流板換熱器或折流板換熱器可減少35～40%，重量可以減少40%以上。

第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。第二十三頁(yè)，共49頁(yè)?？s放管的結(jié)構(gòu)：空心環(huán)管殼式換熱器,采用的是雙面強(qiáng)化傳熱的縮放型傳熱管

縮放管結(jié)構(gòu)示意圖

第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。傳熱管采用光滑管強(qiáng)化傳熱能耗代價(jià)高h(yuǎn)∝u0.8△P∝u2.0u2/u1=2,h2/h1=1.74,△P2/△P1=4

折流隔板流體阻力大，操作能耗高

1流體折流阻力損失大；2折流板迎風(fēng)和背風(fēng)流動(dòng)死角大，傳熱性能差。第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。1用縮放管強(qiáng)化傳熱，取代光滑管u2/u1=1,h2/h1=1.8-2.0,△P2/△P1=2.5

2用空心環(huán)網(wǎng)板作為管間支承物，取代折流隔板流體阻力可減少80%－100%。第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。改型縮放管的結(jié)構(gòu)：采用傳熱場(chǎng)協(xié)同理論,對(duì)縮放管的肋型作了優(yōu)化研究,成功的開發(fā)了新型急擴(kuò)加速流縮放管

急擴(kuò)加速縮放管結(jié)構(gòu)示意圖

第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。改型縮放管的強(qiáng)化傳熱原理：

該種管的特點(diǎn)是對(duì)原縮放管的凹凸肋面作了改進(jìn)，將緩縮段與擴(kuò)展段的長(zhǎng)度比例由原來的2:1調(diào)整為10:1,使其能滿足兩場(chǎng)矢量夾角小于90度強(qiáng)化對(duì)流換熱條件的傳熱管段比例由原先的60％提升到90％，從而有效地加強(qiáng)了近壁處傳熱滯流底層的對(duì)流傳熱作用，故比普通縮放管可獲得更高的流體對(duì)流傳熱膜系數(shù)。

第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。第二十八頁(yè)，共49頁(yè)?？招沫h(huán)管殼式換熱器的技術(shù)升級(jí)：

旋流網(wǎng)板管殼式換熱器是空心環(huán)管殼式換熱器的技術(shù)升級(jí)（專利號(hào)：ZL2.1）。其優(yōu)勢(shì)可從兩個(gè)方面來說明：

一、原空心環(huán)管殼式換熱器所具有的優(yōu)點(diǎn)，在旋流網(wǎng)板

管殼式換熱器中均具有。

二、自旋流改善了場(chǎng)的協(xié)同效果，強(qiáng)化傳熱效果顯著。

旋流網(wǎng)板管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)比原來的空心環(huán)管殼式換熱器提高了15～20%。第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。自旋流強(qiáng)化換熱原理：

當(dāng)流體通過一段較短的扭帶時(shí)，流體會(huì)產(chǎn)生旋流，而當(dāng)流體離開扭帶之后，其旋流狀態(tài)仍可持續(xù)向下游發(fā)展，形成流體自旋流，其持續(xù)的旋流長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)10倍的流道當(dāng)量直徑，這種流體自旋流有兩個(gè)技術(shù)特征可用于傳熱強(qiáng)化：

1）旋流形成殼程縱向流道中邊緣區(qū)域流體的切向沖刷速度，對(duì)正方

形排列的傳熱管束縱向管隙間四周凸起的傳熱圓管壁面有正向沖

刷的效果，流體的速度矢量與傳熱溫度梯度矢量間的夾角在較大

部分傳熱界面上小于90度，有效增強(qiáng)了傳熱場(chǎng)協(xié)同的作用；

2）因自旋流僅增加摩擦阻力，而形體阻力很小，總阻力損失小，又有良

好的對(duì)流強(qiáng)化傳熱效果，故是一種節(jié)能高效的傳熱強(qiáng)化新方法。第三十頁(yè)，共49頁(yè)。第三十頁(yè)，共49頁(yè)。旋流網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)示意圖第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。

光滑管換熱器是采用了目前國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的雙圓缺不布管的殼程結(jié)構(gòu)，急擴(kuò)加速流縮放管換熱器是采用旋流網(wǎng)板支承的殼程軸流式換熱器。急擴(kuò)急速流縮放管換熱器可節(jié)省傳熱面積約35％，降低設(shè)備總重量約45％。光滑管換熱器共需5臺(tái)換熱器，其總壓降約9000Pa，而急擴(kuò)加速流縮放管換熱器僅需4臺(tái)，其總壓降僅6200Pa，比光滑管換熱器低約30％。設(shè)計(jì)方案比較結(jié)果第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。兩轉(zhuǎn)兩吸每噸硫酸的生產(chǎn)電耗可由原化工部標(biāo)準(zhǔn)的100度電減少為70度電，能耗下降30%；換熱器的總傳熱系數(shù)可由13~15w/m2℃提升到28~32w/m2℃，鋼材消費(fèi)金屬40%～50%;換熱器的總壓降可由約15000Pa下降為8000Pa左右，節(jié)省風(fēng)機(jī)電耗；換熱器的臺(tái)數(shù)可由6臺(tái)減少為4臺(tái)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)流程與基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用。第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。2003年茂名石化公司要將乙烯裝置的生產(chǎn)能力從年產(chǎn)30萬(wàn)噸提升到33萬(wàn)噸，氣體壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器成了擴(kuò)產(chǎn)的瓶頸。為了在原有的換熱設(shè)備基礎(chǔ)上擴(kuò)產(chǎn)改造，我們采用了殼程流阻小及傳熱強(qiáng)化性能優(yōu)良的空心環(huán)支承縮放管束的殼程結(jié)構(gòu)，利用原有的換熱器殼體，僅更換了換熱管束，就使得系統(tǒng)生產(chǎn)能力提高10％的條件下，氣體壓縮機(jī)級(jí)間的氣體冷卻不僅可以達(dá)到設(shè)計(jì)值，解決了原設(shè)備冷卻不足的問題，而且還將換熱器的氣體阻力降至56KPa，比原設(shè)備的氣體壓降減少54％，使氣體壓縮機(jī)的運(yùn)行功耗可減少281Kw，此例也表明我們采用的傳熱強(qiáng)化技術(shù)具有國(guó)際先進(jìn)水平。

第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。在廣州石化總廠年產(chǎn)15萬(wàn)噸乙烯裝置2003年擴(kuò)產(chǎn)改造至20萬(wàn)噸的改造工程中，面臨著一個(gè)場(chǎng)地小，設(shè)備沒有擴(kuò)展空間，改造工期短，時(shí)間緊迫的問題，為此，乙烯裝置的擴(kuò)產(chǎn)改造中，廣州石化總廠采用了我們提供的包括上述傳熱強(qiáng)化技術(shù)在內(nèi)的多項(xiàng)高效換熱器技術(shù)，在充分利舊的條件下，不增加原設(shè)備的空間位置，沿用原設(shè)備的殼體，僅更換高效傳熱管束，在較短的改造工期內(nèi)，與以較少的設(shè)備改造投資費(fèi)用就很好地完成了系統(tǒng)的擴(kuò)產(chǎn)改造工程，使系統(tǒng)的生產(chǎn)能力提高了三分之一，此工程為我國(guó)的石化工業(yè)采用傳熱強(qiáng)化先進(jìn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)良好的樣板。在節(jié)能與節(jié)材的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)上換熱面積節(jié)省30％，投資減少10％－20％，能耗下降20％及節(jié)能降耗達(dá)1000萬(wàn)元。

第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。廣州石化乙烯裝置中采用的空心環(huán)支承縮放管壓縮機(jī)段間冷卻器第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。針對(duì)傳統(tǒng)的單弓折流隔板管殼式換熱器折流區(qū)流體流動(dòng)死角較大，傳熱性能差且形體阻力較大的問題與缺點(diǎn)，提出和采用螺旋折流板支承菱形翅片管束的換熱器殼程結(jié)構(gòu)，一方面可較大幅度減少殼程流體的流動(dòng)死角，降低流體阻力（約30％－40％），同時(shí)利用菱形翅片管的三維周向翅片可提高殼程流體的對(duì)流傳熱膜系數(shù)（100％－150％），具有良好的傳熱強(qiáng)化性能。第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。圖3菱形翅片管示意圖1管基體；2翅片螺旋折流板是強(qiáng)化管殼式換熱器殼程傳熱的一種十分有效的殼程支撐結(jié)構(gòu)形式，既適用于低粘度流體，又適合高粘度流體；既適合單相流，又適合多相流第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。通過與螺旋折流板支承光滑管換熱器比較，在相同雷諾數(shù)下，螺旋折流板支承菱形翅片管換熱器的殼側(cè)傳熱膜系數(shù)提高54％～108％，且隨Re增大，傳熱膜系數(shù)提高的幅度也增大。而殼側(cè)流動(dòng)的阻力系數(shù)低30％～5％。但隨著雷諾數(shù)增大，三維翅片擾動(dòng)引起的湍動(dòng)程度加劇，這兩種換熱器殼側(cè)的阻力系數(shù)逐漸接近。第四十頁(yè)，共49頁(yè)。第四十頁(yè)，共49頁(yè)。第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管程與殼程流體在換熱過程中為全逆流換熱，傳熱溫差利用效率達(dá)100%，避免了現(xiàn)有技術(shù)中錯(cuò)流換熱有效傳熱溫差小的缺點(diǎn)。采用縮放管作為傳熱管，可在流速不高的條件下，也能獲得良好的傳熱強(qiáng)化效果，有助于縮短傳熱管長(zhǎng)度，避免使用光滑管時(shí)管長(zhǎng)過長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在工業(yè)裝置中易于施工。與單弓折流板光管管殼式換熱器相比，軸流式雙殼程縮放管管殼式換熱器的換熱面積可以節(jié)省43.7%，而殼程壓降可以減少18%，總傳熱系數(shù)可提升63%。與軸流式單殼程光滑管管殼式換熱器相比，軸流式雙殼程縮放管管殼式換熱器的傳熱面積可節(jié)省45.7%，而殼程壓降僅增加8%，總傳熱系數(shù)可提升83.7%。高效傳熱管及雙殼程軸向流全逆流換熱方式，換熱器的傳熱性能大幅提高，可大大減少所需的換熱面積，比現(xiàn)有技術(shù)的換熱設(shè)備投資可有較大幅度減少，同時(shí)體積緊湊，便于設(shè)備的安裝與維修。第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。普通的重力型熱管振蕩流熱管第四十四頁(yè)，共49頁(yè)。第四十四頁(yè)，