热能转换与利用中的节能技术

热能转换与利用中的节能技术

2022/12/211

余热利用1余热资源2余热利用方式3梯级利用4热电联产5热泵和热管技术2022/12/2121余热资源余热资源属于二次能源。衡量余热资源不仅要看数量，还要看质量。按余热温度范围可分：高温余热（≥500℃）；中温余热（250～500℃）；低温余热（≤250℃）2022/12/2132余热利用方式直接利用（1）预热空气或煤气（2）预热或干燥物料（3）生产蒸汽或热水（4）余热制冷，作为吸收式制冷机的热源余热发电（1）利用余热锅炉产生蒸汽，按凝汽式机组循环或背压式供热机组循环发电（2）以高温余热作为燃气轮机工质的热源（3）采用低沸点工质回收中低温余热2022/12/214

在集中供热系统中，除了最主要的热源型式－热电厂和区域锅炉房外，还可以利用工业余热、地热、热泵、太阳能等。3梯级利用2022/12/215一工业余热

工业余热是指工业生产工程的产品和排放物料所含的热或设备的散热。根据余热的载体分气态液态固态可燃气体、高温烟气、乏汽等从工业炉或其它设备派出的冷却水等焦炭、铸锭或熔渣所带有的物理热等特点1.其数量和参数直接受生产工艺影响，波动较大，而且与外部热负荷无直接关系。2.大多数工业余热的载能体都属于高温和非洁净的载能体。2022/12/216

煤气冷却余热的利用焦炉冷却水的供热系统示意图1-一段初冷器；2-二段初冷器；3-冷却水循环泵；4-冷却塔；5-旁通管路及阀门；6-热水网路循环水泵；7-补水调节器；8-补给水泵2022/12/217二地热水供热

低温＜40℃中温40～60℃高温60～100℃过热＞100℃按地热水

温度分按地热能的

利用方式分直接利用间接利用特点1.在不同条件下，地热水温度与参数及成份差别大

2.地热水参数与负荷无关3.一次利用，地热水热能利用后被废弃2022/12/218

地热水直接利用示意图1-开采井；2-抽水泵；3-供暖系统地热水间接利用示意图1-开采井；2-抽水泵；3-地热水-水换热器；4-高峰热源；5-供暖热用户，6-除污器；7-补给水泵；8-补水压力调节器；9-回灌井；10-供暖系统循环水泵二地热水供热2022/12/219直接利用级：第一、二级：为直接利用的部分，采用的是风机盘管机组。使循环水降到热泵可以接受的温度，约为35℃；热泵利用级：第三、四、五、六级；每个热泵的水源侧温降约为5℃，水源热泵的负荷侧并联在一起接风机盘管机组，冬季供/回水温为50℃/45℃。尾水回灌：地热水经过放热后，以20℃左右温度直接回到回灌井，循环水则往复作用。2022/12/2110电力热建筑社区工业加工…而且…

提高能源效率减少废物和排放减少输配电的损失利用区域能源系统的机会制冷照片提供

:AndrewCarlin,TracyOperators/NRELPIX以生物质为燃料的电厂,美国4热电联产（CHP）2022/12/2111热电联产概念从单一能量来源同时产生两种或多种类型的可利用的能源(也叫“联产”)利用来自电力生产设备的余热2022/12/2112热电联产设备和技术制冷设备压缩机吸收式制冷机热泵等加热设备锅炉／窑炉／余热回收热泵等发电设备燃汽轮机燃气联合循环蒸汽轮机活塞式发动机燃料电池等照片提供

:Rolls-Royceplc汽轮机照片提供

:UrbanZiegler,NRCan冷却设备2022/12/2113热电联产应用单栋建筑商业和工业多栋建筑区域能源系统（如社区）工业加工照片提供

:UrbanZiegler,NRCan温室中的微型汽轮机照片提供

:UrbanZiegler,NRCan垃圾填埋气体CHP的区域供热系统，瑞典照片提供

:UrbanZiegler,NRCanKitchener市政大楼的CHP2022/12/2114实例：加拿大

单栋建筑往复式发动机照片提供

:GEJenbacher排气热回收蒸汽锅炉

照片提供:GEJenbacher照片提供

:GEJenbacher加拿大安大略省的医院2022/12/2115实例：瑞典和美国

多栋建筑照片提供

:SweHeat区域电厂

TurbineusedatMIT,Cambridge,Mass.USA25MW燃气轮机GT102022/12/2116实例：巴西

工业加工具有较高而稳定的热或冷负荷的工业是热电厂良好的候选条件而且可用于产生废弃物可被用于生产热和电的工业照片提供

:RalphOverend/NRELPix工厂用于加工热的甘蔗渣，巴西2022/12/2117实例：加拿大和瑞典

垃圾填埋气体垃圾填埋物产生废物降解物甲烷这种气体可被用作冷却,加热或电力项目的燃料照片提供

:UrbanZiegler,NRCan用于区域加热系统的LFG热电厂,瑞典图片提供

:GazMetropolitan2022/12/2118来自热电厂的热可被分配至多个附近建筑用于供暖和制冷保温钢管被埋在地下0.6至0.8厘米和拥有自备锅炉房的建筑相比的优点：高效率单个锅炉房的排放控制安全舒适操作方便初期成本通常较高区域能源系统照片提供

:SweHeat区域供热厂照片提供

:SweHeat区域供热的热网管道

2022/12/2119热电联产系统的成本成本极其可变初期成本发电设备加热设备制冷设备电力互联出入道路区域能源管线重复成本燃料运行和维护设备更换和维修2022/12/2120热电联产项目考虑因素燃料的可靠和长期供应资金成本必须保持在控制之内需要“用户”使用热和电如果电力不能在当地全部被利用，必须协商上网销售通常热电厂按基本热负荷设计大小（即正常运行条件下的最小热负荷）热输出通常等于电力输出的100％－200％热可被用于通过吸收式制冷设备进行制冷与未来不确定性相关的风险／电／天然气（“点火”）价格差额热电联产热电厂：两种能量联合生产的电厂常称为热电厂热电分产：发电厂生产电（纯凝式电厂），锅炉房生产热能的方式。热电站与凝气电站能耗分析：理想卡诺循环TbLk△STkTS（A）（A）凝气循环生产电能的热耗2022/12/2122热电联产

TbLT△STTT（B）所以（约为0.4）即考虑到实际动力循环，凝汽电站效率:40％

热电站效率:75～80％S2022/12/2123热电厂供热系统

热源热网热用户三部分组成供热系统由分类单一热源系统

多热源系统

按热源布置分

多个热电厂并网供热热电厂尖峰锅炉房并网供热2022/12/2124热电厂供热系统

热网分类水为热媒（水网）蒸汽热媒（蒸汽网）热用户分类供暖热用户通风热用户生活热水供应热用户生产热用户季节性热用户全年性热用户2022/12/2125热电联产典型循环热力原理图

燃气轮机热电厂原理图1.压缩机3.燃气涡轮4.发电机2.燃烧室5.空气回热器6.热网加热器7.热网循环泵2022/12/2126

1-蒸汽发生器2-汽轮机3-发电机4-冷凝器5-初级热网加热器6-中级热网加热器7-高级热望加热器8-开压泵9-热网循环泵10-化学净水处理装置11-补水除氧器12-补水泵13-补水调节器14-化学净水泵15-回水总管16-供水总管17-核反应堆18-容器补偿器19-中间回路水泵20-凝结水泵21-水份分离器22-低压回热加热器23-电站除氧器24-给水泵25-高压回热加热器26-蒸汽过热器27-减压器抽汽凝汽机核热电厂原理图2022/12/2127

双抽汽轮机热电厂原理图1-锅炉2-汽轮机3-发电机4-冷凝器5-低级热网加热器6-中级热网加热器7高级热网加热器8-开压泵9-热网循环器10-水处理11-除氧器12-补水泵13-水处理泵

14-调节阀15-回水总管16-供水总管17-加热水管18-凝结水总管19-供汽总管20-凝水泵21-凝水泵22-余热器23-锅炉给水除氧器24-给水泵25-预热器2022/12/2128

背压式热电厂供热系统原理图

背压式热电循环图

（a）工作原理图；（b）T-S图1-锅炉；2-过热器；3-蒸汽汽轮机；4-发电机；5-热用户；6-给水泵抽汽式热电厂供热系统√2022/12/2129(集中式、分布式）供能系统:供电热电联产热电冷联产2022/12/2130制冷方式电驱动制冷（压缩式制冷）热驱动制冷（溴化锂吸收式制冷）2022/12/2131热驱动制冷（溴化锂吸收式制冷）2022/12/2132燃-蒸联合循环（combinationsteamturbine-gasturbinecycle）燃气-蒸汽联合循环型式之一（无补燃）燃气-蒸汽联合循环型式之二（补燃式）

2022/12/21332022/12/2134燃气-蒸汽联合循环型式之三——热电合供2022/12/2135一热泵

现在在我国正在发展

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热源（如空气、土壤、水中所含的热能，太阳能，工业废热等）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电等）的目的。热泵工作原理图5热泵和热管技术2022/12/21361.空气源热泵空气源热泵是以空气作为低温热源来进行供热的装置。相对于其他热泵类型而言，我国对空气源热泵的形容起步较早，研究内容也较多。以环境空气作为低品位热源，可以取之不尽，用之不竭，处处都有，无偿获取。空气源热泵安装灵活、使用方便、初投资相对较低，且比较适用于分户安装，目前我国室内空调器大都采用的是这种形式。2022/12/21372.水源热泵水源热泵技术是利用地球表面浅层水，如地下水、地热水、地表水、海水以及湖泊水中热能作为低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能的转移的一种技术。水源热泵工作原理图1-冷凝器；2-膨胀阀；3-蒸发器；4-压缩机；5-循环泵2022/12/21383.地源热泵顾名思义，“热泵”二字说明它是热泵的一种，具有热泵的共同特点，与空气源热泵类似；而“地源”二字则指明其能量来源，即来源于大地，这一点不同于空气源热泵。地源热泵系统示意图见图。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时大地作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。地源热泵工作原理图2022/12/2139太阳能资源，不仅仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能，而且还包括水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳能资源，甚至前面提到的生物质能也是通过绿色植物的光合作用固定下来的太阳能。太阳能供热的方式可分为直接利用与间接利用。直接利用主要是主动式太阳能供热与被动式太阳能供热。间接利用可分为太阳能蓄热——热泵联合供热等。4.太阳能供热2022/12/2140（3）太阳能——热泵式供热夏季利用太阳能向地源、水源蓄热（取出的冷量用于房间空调），作为冬季采暖的热源，并通过热泵的原理，可大大的节约电能的消耗。主动式太阳能——热泵蓄热供热系统1-太阳能集热器；2-蓄热装置；3-蒸发器；4-压缩机；5-冷凝器；6-节流装置；7-室内采暖系统.8-土壤埋管换热器；9.10-循环泵；11-辅助加热装置；12.13-三通阀；14.15.16.17.18.18.20.21.22.23-阀门2022/12/2141热管的原理及其应用12/21/202242内容提要1.热管的发展2.热管的原理3.热管的基本工作4热管的特点5.热管的应用6.热管性能的影响因素12/21/2022431.热管的发展热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件1965年Cotter首次提出了较完整的热管理论，为以后的热管研究工作奠定了基础1967年一根不锈钢-水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功1970年美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用由宇航回到了地面1980年美国Q-Dot公司生产了热管废热锅炉1984年Cotter较完整的提出微型热管技术理论及展望我国在上世纪70年代开始，开展了热管的传热性能研究及热管在电子器件冷却、空间飞行方面的饿应用研究。80年代初我国的研究重点转向节能和能源的合理利用，相继开发了热管气—气换热器、热管余热锅炉，高温热管蒸汽发生器等产品12/21/2022442.热管的原理热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

12/21/2022453.热管的基本工作

热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×10-1-10-4Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。12/21/202246热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－－汽）分界面；(2)液体在蒸发段内的（液－－汽）分界面上蒸发；(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段内的汽．液分界面上凝结：(5)热量从（汽－－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

12/21/2022474热管的特点很高的导热性优良的等温性热流密度可变性热流方向酌可逆性热二极管与热开关性能恒温特性(可控热管)环境的适应性12/21/2022485.热管的应用热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。

12/21/2022495.1热管式换热器从外型上看热管换热器的管束与普通空气散热器的管束相类似，但两者的根本区别是，热管式换热器的冷热流体全部在管外流动，每根热管可以看成一个独立的换热单元，中间由隔板隔开，通过热管内部的工质的蒸发（或沸腾）—冷凝来传递热量12/21/202250热管换热器的优点无运动部件，每根热管都是永久密封，没有额外的能量消耗，提高了运行的可靠性

其结构决定了他是典型的逆流换热，且其本身的温度降小，近于等温运行，就使得其换热效率较高由于冷热流体在管外流动，，所以容易用增加翅片的方法来强化传热每根热管是独立的，其管间距的安排比较灵活，且易于更换，维修，清洗。

设备的传热性能是可逆的，即冷热流体可以改变，这对于空调的节能是十分有利的结构紧凑，单位体积的传热面积大，通常在流动方向上换热器的尺寸不大于500mm

对于冷热流体温差很小的情况下，也能得到一定的热回收率热管换热器也适用于热气流被冷却到露点一下，即出现冷凝的情况，如溶剂的回收

使用寿命长

12/21/2022515.2热管换热器的应用预热器与余热回收利用工业燃油、燃气、燃煤锅炉设计制造时，为了防止锅炉尾部受热面腐蚀和堵灰，标准状态排烟温度一般不低于180℃，最高可达250℃，高温烟气排放不但造成大量热能浪费，同时也污染环境。热管余热回收器可将烟气热量回收，回收的热量根据需要加热水用作锅炉补水和生活用水，或加热空气用作锅炉助燃风或干燥物料。节省燃料费用，降低生产成本，减少废气排放，节能环保一举两得。12/21/2022525.2热管换热器的应用

1、预热气流烟道气流废热回收加热炉废热回收12/21/2022532、干燥设备的废热回收

对于各种干燥设备而言，由于排气通常不含腐蚀性气体，没有露点腐蚀问题，回收温度的下限可能比较低，一般其回收温度为40~120℃。目前热管换热器已经开始在各类干燥设备中应用，如木材干燥，纺织品干燥，农副产品干燥等。从干燥设备的排气中回收废热，除显热外还可以回收水蒸气的潜热，将大大节省能源。12/21/2022543、化工装置中的应用在炼油厂和其他化工装置中，除用热管换热器回收排烟的废热外还可以利用化学反应所放出的热量来预热原料，已达到反应的温度脱硫系统烟气换热器化肥厂余热回收12/21/2022554、空调系统冷、热量的回收在发达国家，通风、空调和制冷设备的能源消耗占总能耗的很大比重，所以，在这一领域中节能技术能起到很大的作用。另外如军火工业的火工品车间，生产药剂厂，医院手术室等部门，所使用的直流式空调系统，用电量大，造价高，节能潜力巨大。由于热管换热器可以做到在传热方向上的可逆，所以十分适合在上述部门中使用，同一台设备在夏天回收冷量，冬天回收热量，回收的温度范围一般在-20℃~40℃。热管的表面用大翅化比的翅片形式以增加其换热面积，对于新鲜空气要求高的场合，热管换热器的隔板可以考虑使用双层结构，以保证气流不会互相泄露12/21/202256空调用热管换热器原理空调用热管换热器运行12/21/2022575.3热管余热回收装置的性能特点

安全可靠性高

常规的换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄露，则将造成停产损失。热管余热回收器则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到泠流体热管余热回收器传热效率高，节能效果显著

热管余热回收器具有良好的防腐蚀能力

热管管壁的温度可以调节，可以通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点之上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。由于避开烟气露点，使灰尘不易粘结于肋片和管壁上。同时热管在导热时会产生自振动，使灰不易粘附在管壁和翅片上，因而不会堵灰

安装及结构布置灵活：热管余热回收器的安装无需改变原工艺系统结构设计和位置布置非常灵活可适应各种复杂的场合

使用寿命在10年以上，单根热管可拆卸更换，维护简单成本低。

投资回收期短12/21/2022585.4热管技术在航天器上的应用热管在航天器上用于两个方面使航天器结构或内部设备等温化﹕利用热管使航天器外部结构各部分减少温差﹐实现部分等温化﹐藉以改善太阳电池的工作温度条件﹐提高输出功率。实现仪器舱结构和内部仪器的温度均匀化﹐改善工作温度条件。解决航天器所载电子设备﹑元器件的散热问题﹕应用热管可以把热量分布到较大的散热面(辐射板)上﹐变成低热流密度的热量向外排散。这种把可变热导热管和辐射板组合在一起的装置称为可变热导热管辐射器。一些通信卫星使用可变热导热管辐射器解决了行波管的散热和温度控制问题。此外﹐这类热管在航天器空间致冷技术中也得到了12/21/2022595.5热管应用于电机以及电器的冷却热管用于电机冷却方面可以分为两种形式：一种是经普通装在电机定子和转子的发热部位，把热量导到电机两端容易散热的部位，以降低电机的温升，这种方法需要适当的改变电机的结构。另一种是旋转热管电机，这时电机的转子为空心的轴，空心轴本身做成旋转热管，电机转子的热量通过旋转热管带到电机的一端散掉，这样转子的温度下降了很多，同时，定子绕组的温升也有所降低。热管电机密闭电气柜散热12/21/2022605.6热管应用于电子元件及微型组件的散热对于电子元件或部件进行热控制是电子设备向前发展的重要问题，近年来，由于技术的进步电子设备向大功率，紧凑化方向发展，因此，单位体积内产生的热量增长很快，与此同时，有效的散热面积却相应的缩小，从而使散热问题更为突出。

12/21/202261上图分别为计算机显卡的热管散热产品，以及大功率电脑芯片的热管散热器，它们形态各异，但是所完成的功能是一样的，而且都有散热能力大，重量轻，尺寸小等优点。12/21/2022625.7热管在太阳能利用方面的应用由于石油危机和环境污染的日益严重，在发达国家以及发展中国家太阳能利用的研究受到相当的重视，研究和商业生产同时并举，进展相当迅速。太阳能热水器的发展很快，其它如在采暖空调，工农业生产过程的加热及太阳能发电等方面也进行了深入的研究。一方面太阳能是一个巨大的，清洁的能源，但是它却是间断的，要连续的供能，就需要适当的储能系统，此外，太阳能的密度低，为取得必要的能量，常常需要采用聚焦系统，在这些方面，热管作为热能的传递元件是具有很大的潜力的。12/21/202263太阳能热管的原理图产品结构图12/21/202264热管式太阳热水器的优点启动快，传热元件可将真空管获得的热量迅速传递到水箱中。可直接与自来水连接，自动承压运行（承压式）。日平均热效率可达60%，高于直插式热水器，在我国北方地区冬季晴天仍可得到满意的热水。真空管与水分离，传热元件具有极好的耐温性能，在-40℃的低温状态下也不会冻裂，更适合严寒地区使用；热管内介质工作压力低，即使管壁温度高达300℃，也不会“爆管”。真空管内不走水，少量真空管损坏，热水器仍可正常运行。因真空管内无水运行，解决了真空管内的结垢问题。可以多台串联和并联，组成太阳能热水中心，提高利用效率。12/21/2022655.8其他方面---热棒“热棒”是一种低温热虹吸管，长度为8至12米，直径为8至9厘米。它具有唯一方向性，即只能从下向上传热，从上往下导冷，反之则不能传递。因此，在寒冷的冬季，地下的恒温热量会被导出地面，而外界的“冷量”则被传递到地下，形成巨大的冰块。在夏季，“热棒”又能吸收高原地区夜间骤冷的寒气带到地下，从而形成终年不化的冻土层。

12/21/202266热棒实际运行表明，“热棒”效果大大超过预期，并且没有出现片石护坡、加隔热层、通风路基、高架桥等常规手段导致冻土地区荒漠化的生态问题，从而被国家指定为青藏铁路冻害处理的唯一技术储备。“热棒”还可用于冻土地区的公路、桥梁、涵洞、输油和输气管线、房屋建筑、山体热融滑坡防治、输变电铁塔基础稳固、机场跑道及道路融雪以及低温地热利用等工程中，应用前景广阔。12/21/2022675.8其他方面---超导热管

超导热管的工作介质由多种无机活性金属及其化合物混合而成，具有超常的热活性和热敏感性，遇热而吸，遇冷而放。这种热超导工质在一定温度下被激活，并以分子震荡形式来传递热量，它超强导热性能使其导热系数是一般金属的一万倍左右，是水热管的十倍左右，在传导方向上几乎没有温度的衰减并能以极快的速度传递（超音速传递）

12/21/202268超导热管1）适用范围广。适用温度为60一1000℃，而一般液体工质如水，只能用于100一350℃。温压曲线。

2）安全可靠。不存在管内超压问题，不怕干烧。液体工质汽化