利用热管技术提高能效和余热回收
摘要：本文研究了热管式换热器在提高工业过程能效方面的应用。特别地，陶瓷工业的情况可以被处理并且确定潜在的热回收和减少的燃料消耗。在此基础上建立了理论模型，并通过数值模拟计算了热管技术的性能特性和陶瓷工艺的性能。将窑体数值模型的计算结果与热管换热器的理论模型相结合，评价了热管换热器的热回收潜力和降低燃料消耗的效果。理论计算和数值计算相结合的方法表明，热管式换热器在陶瓷窑冷却堆上的应用，可以回收超过863兆瓦时的热能，用于加热窑前烘干机的热风气流。这样，每年大约可以从烘干机的燃烧器中节省110,600立方米的天然气，并且每一年可以避免排放164吨二氧化碳。此外，由于减少燃料消耗而避免的费用每年超过2.2万欧元。这些数据支持了热管热回收技术在陶瓷工艺中的应用，从提高能源效率、改善环境影响以及经济投资等方面进行了分析。
关键词：热管 理论方法 数值模型 传热 能效 减排
1. 介绍
利用热管换热器回收工业废气中的余热已在钢铁、食品、交通等行业得到了广泛的研究和应用。热管是一种被动传热技术，能够在没有移动部件的情况下传递大量的热量。热管是由工作流体作为热载体的密封管组成。工作流体在管的顶部冷凝，在底部蒸发，形成两相传热循环[1]。热管式热交换器是由暴露在底部排气气流中的几排热管和冷凝器部分的冷却液(空气、水等)组成。热管机组已在不同的条件(温度、冷却液，蒸发器液，工作液)试运行。恩田开发了一种热管换热器，可以在高温下回收热量，并将热量转移到清洁的空气流中。热管的上部由管束构成，空气通过管束，下部由翅片管构成。该系统能够节省高达15%的天然气，而排气侧[2]没有任何堵塞。Jouhara和Meskimmon研究了热管换热器技术在数据中心冷却系统中的应用。计算产生的热量是相当大的。这项工作开发了一种热管换热器来冷却数据中心室通过从外面使用非纯空气。利用热管技术[3]，可节省75%的能源。Lukitobudi设计了一种基于热管的热交换器来回收烘焙炉的热量，从而回收热空气。设计的热管换热器的热效率为65%，可回收功率在20kw到35kw之间。
已经进行了许多关于陶瓷窑冷却阶段的废热回收的调查。大多数创新技术已被参考文献[5]和[6]总结（见图1）。发展起来的主要废热回收技术是回转窑余热的回收。从窑的冷却区回收的热空气用于加热干燥阶段的空气。由于腐蚀问题，标准热交换器用于将冷却区烟气中的热量转移到干净的热风中，然后将热风送至烘干机。多余的热量也被用来为燃烧器提供热空气，以及工厂的集中供暖。
图1 综合热回收系统[5]的示意图。
开发了热电联产/联合热电厂，并将其应用于陶瓷生产(见图2)。热电联产燃气发动机产生的热量与窑炉烟气一起进入混合室。如果热空气温度不够，则使用燃气燃烧器。窑炉辐射加热通过热交换器，热交换器由热电联产燃气发动机冷却水加热。然后将这些热空气送入搅拌槽。
图2 热电联产/联合热电厂
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