【正文】 卻水余熱對水環(huán)境的影響較大時，會發(fā)生嚴(yán)重的熱污染。 利用工廠冷卻水余熱的意義 隨著人民生活水平的提高，城市生活及輕工業(yè)生產(chǎn)中對中、低溫?zé)崮艿南M越來越多，如：許多工業(yè)生產(chǎn)過程都需要 70～ 110℃ 范圍的熱能，目前這些熱能大都是通過電力或石 油、天然氣和煤炭等燃料的燃燒來獲攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 概述 2 得。如果利用熱泵、熱管技術(shù)將低品位的電廠余熱提高品位向這些工業(yè)過程供熱，將會節(jié)約大量的燃料。這既可提高能源綜合利用率，符合 “ 總能系統(tǒng) ” 的操作原則 (高品位能做功，低品位能供熱 )，也可實現(xiàn)工廠燃煤熱能、核能的 “ 循環(huán)使用 ” 。許多國家都在進行這方面的研究、開發(fā)，以充分利用各種類型的余熱。 能源生產(chǎn)和能源消費所引起的環(huán)境問題已經(jīng)成為制約我國可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一。而未來 20 年經(jīng)濟翻兩番和全面實現(xiàn)小康社會，能源和能源消費所帶來的問題同過去 20年相比將會更加突出、更加嚴(yán)峻。 在當(dāng)今全 球規(guī)模的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的情勢下，以往那種 “ 大量生產(chǎn)、大量流通、大量浪費、大量廢棄 ” 的生產(chǎn)模式己經(jīng)越來越不被人們所接受。因此，應(yīng)切實關(guān)注這一巨大的低溫?zé)嵩吹馁Y源效益，在 “ 把節(jié)約放在首位，依法保護和合理使用資源，提高資源利用率，實現(xiàn)永續(xù)利用 ” 的方針指導(dǎo)下，樹立開展電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的超前理念，設(shè)立專門的組織機構(gòu)，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一管理。將高技術(shù)含量的回收利用與一般性回收利用途徑結(jié)合起來。以高技術(shù)為龍頭，因地制宜、因時制宜地開展這一余熱利用的事業(yè)；在宏觀監(jiān)控上，國家應(yīng)出臺鼓勵工廠余熱利用的政策，對于利用余熱進行 生產(chǎn)加工的企業(yè)給予優(yōu)先發(fā)展的條件，對其產(chǎn)品銷售給予優(yōu)惠；在技術(shù)研發(fā)上，要研制和開發(fā)低成本高效率、能充分利用工廠自身廢熱能為驅(qū)動能的熱泵機組，以及開發(fā)采用熱管這一熱超導(dǎo)元件的高效換熱裝置。隨著科技的發(fā)展，應(yīng)逐步加大熱泵、熱管高技術(shù)回用技術(shù)在工廠循環(huán)冷卻水余熱利用中的比例。為保障 ‘ 循環(huán)水余熱利用 ’ 研究項目的實施，要建立 “ 產(chǎn)學(xué)研 ” 一體的技術(shù)開發(fā)體系，組織示范工程。 利用工業(yè)冷卻水余熱，使排放到大氣、水域中的熱量降低，甚至實現(xiàn)工廠零熱排放，可避免熱污染發(fā)生，這無疑是工廠對周圍生態(tài)環(huán)境保護的極大貢獻，經(jīng)熱泵提升溫度后 的循環(huán)冷卻水的熱量，不僅可用于空調(diào)、生活熱水、輕工業(yè)生產(chǎn) (如：干燥、食品加工、紡織業(yè) ??) ，也可返回工廠回?zé)嵯到y(tǒng)，加熱給水，提高工廠熱效率。因此，無論從工廠循環(huán)冷卻水所蘊含的巨大熱量可作為城市低溫?zé)崮苜Y源加以再利用；還是從保證工廠安全經(jīng)濟運行，或是從降低冷卻水排放熱污染影響，進而一定程度削減工廠建設(shè)中關(guān)于取、排水工程問題難度而言，都應(yīng)該把循環(huán)冷卻水熱能回收利用的研究提到考慮的日程上來。 如圖為熱水（工業(yè)冷卻水）余熱在熱交換器中的應(yīng)用。圖 1 所示。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 概述 3 （工業(yè)冷卻水） 熱水 熱流體 蒸汽 降溫水 冷流體 圖 1 冷卻水余熱利用示意圖 從圖 1 可以看出，利用工業(yè)冷卻水的余熱在熱交換器中加熱冷流體的過程，它充分利用了冷卻水的余熱。在這個控制過程中，首先讓控制冷卻水的閥全開，此時，當(dāng)冷流體的出口溫度達不到給定值時， 再打開蒸汽閥，以滿足出口溫度的要求。可見，這節(jié)省了能源，充分實現(xiàn)了能源的回收利用，降低了能耗。下面就怎樣充分利用（工業(yè)冷卻水）的余熱，作進一步的探討。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 熱交換工藝及控制要求 4 2 熱交換工藝及控制要求 在石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，許多單元操作如蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結(jié)晶等，均需根據(jù)具體的工藝要求，對物料進行加熱或冷卻，以維持一定的溫度。對于化學(xué)反應(yīng)器來講，更需要嚴(yán)格控制一定的反應(yīng)溫度，才能使化學(xué)反應(yīng)達到預(yù)定的要求。因此，傳熱過程是工業(yè)生產(chǎn)過程中極其重要的組成部分，對傳熱設(shè)備的控制也就顯得十分重要。而熱交換器在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的傳 熱設(shè)備。 一般傳熱設(shè)備（兩側(cè)均無相變化） 傳熱設(shè)備一般以對流傳熱為主 ,最常見的傳熱設(shè)備有換熱器、蒸汽加熱器、在沸器等，其中以間壁式換熱器應(yīng)用最為普遍。這些傳熱設(shè)備在控制中有一些共性，在大多數(shù)情況下，都是以工藝介質(zhì)的出口溫度為被控變量。而操縱變量通常是載熱體的流量。換熱器的目的是為了使工藝介質(zhì)加熱到某一溫度，自動控制的目的就是要通過改變換熱器熱負(fù)荷，以保證工藝介質(zhì)在換熱器的出口溫度達到給定值。換熱器的傳熱情況從圖 2 可以看出，要從載熱體把熱量傳遞到工藝介質(zhì)，必須先由載熱體傳給間壁，然后間壁傳給工藝介 質(zhì)。 2G 1G 圖 2 換熱器傳熱情況 當(dāng)換熱器兩側(cè)流體在換熱過程中均不起相變化時，采用控制載熱體（工業(yè)冷卻水）的流量。 靜態(tài)特性主要是輸入變量 1T 、 1G 、 3T 、 2G 之間的函數(shù)關(guān)系 f 。 如果用函數(shù)形式來表示，則為 ),( 21314 GGTTfT ? (1) 對象的靜態(tài)特性就是要確定 4T 與 1T 、 1G 、 3T 、 2G 之間的函數(shù)關(guān)系 f 。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 熱交換工藝及控制要求 5 靜態(tài)特性的求得，可以作為控制方案設(shè)計時系統(tǒng)的靜態(tài)分析。靜態(tài)放大系數(shù)也能作為系統(tǒng)整定分析以及控制閥流量特性選擇的依據(jù)。 靜態(tài)特性指導(dǎo)的兩個基本方程式 — 熱量平衡關(guān)系式及傳熱速率方程式如下： 如果忽略傳熱過程中損失掉的熱量，那么熱流體放出的熱量應(yīng)該等于冷流體所獲得的熱量，這樣可寫出下列平衡方程式： )()( 34222111 TTCGTTCGQ ???? (2) 式中， Q— 單位時間內(nèi)傳遞的熱量； 21,GG — 分別為載熱體和冷流體的流量； 21,CC — 分別為載熱體和冷流體的比熱容； 21,TT — 分別為載熱體的入口和出口溫度； 43,TT — 分別為冷流體的入口和出口溫度。 另外，熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞，物體間的溫差是傳熱的動力，溫差越大 ，傳遞速率越大。傳遞過程中傳熱的速率可按下式計算： mtKFQ ?? （ 3） 式中， K — 傳遞函數(shù)； F — 傳遞面積； mt? — 兩流體間的平均溫差 從傳熱角度看，冷熱流體間的傳熱量既要符合熱量平衡方程式（ 2），又要符合傳熱速率方程式（ 3），所以得出如下方程式： mtKFTTCG ??? )( 3422 (4) 整理后可得 3224 TCG tKFT m ??? （ 5） 上式表明，假如讓傳熱設(shè)備的面積 F 以及進入傳熱設(shè)備的冷流體的進口流量 2G 、溫度 3T 及比熱容 2C 保持不變，那么影響冷流體出口溫度 4T 的因素，主要是傳熱系數(shù) K 及平均溫差 mt? 。而載熱體流量的改變能有效地改變傳熱過程中的 mt? ,從而也就改變了傳熱量。所以采用這個方案能滿足要求。例如，由于某種原因使進入換熱器的冷流體的量增加了，致使冷流體的出口溫度 4T 降低，那么控制器 TC就會開大閥門以增加載熱體的流量，載熱體的出口溫度將要上升，這就必然導(dǎo)致冷流體平均溫差 mt? 上升，根據(jù)式（ 5）可知冷流體的出口溫度 4T 也將上升，從而使 4T 維持所要求的給定值上。所以此種方案實質(zhì)上是通過改變平均溫差 mt? 來控制工藝介質(zhì)出口溫度 4T 的。另外，載熱體流量的變化會引起傳熱系數(shù)的變化，由于這種影響不會太大，可以不考慮。 換熱器的控制 方案中應(yīng)用最為普遍的是改變載熱體流量，這種方案最攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 熱交換工藝及控制要求 6 簡單，經(jīng)常用于載熱體流量的變化對溫度影響較靈敏，并且載熱體上游壓力比 較平穩(wěn)的場合。 一側(cè)有相變的加熱器 在實際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常利 用控制蒸汽流量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。在這種控制方案中假如蒸汽壓自身比較穩(wěn)定可采用簡單控制方案。 而當(dāng)閥前蒸汽壓力有波動時，它會影響進入加熱器的蒸汽流量，此時需要對蒸汽總管的壓力進行控制；或者采用串級控制系統(tǒng)以出口溫度為主參數(shù)，以蒸汽流量（或壓力）為副參數(shù)。一般來說，設(shè)壓力定值控制比較方便，但對于除壓力波動以外的干擾就 不能克服了，而采用溫度與流量（或壓力）的串級控制，它對于副環(huán)內(nèi)的其余干擾，或者閥門特性不夠完善的情況，也能有所克服，這就是串級控制系統(tǒng)的好處。 在石油、化工生產(chǎn)中，經(jīng)常見到利用蒸汽冷凝來加熱介質(zhì)的加熱器。這種加熱器叫蒸汽加熱器，它是利用蒸汽冷凝有氣相變?yōu)橐合鄷r，放出大量的熱量，再通過加熱器的管壁來加熱工藝介質(zhì)的。假如要將工藝介質(zhì)加熱到 200℃以上或 30℃以下時，經(jīng)常要使用一些專門的有機化合物作為載熱體。 蒸汽冷凝的傳熱過程不同于上一節(jié)介紹的兩側(cè)均無相變的傳熱過程。它在整個冷凝過程中溫度保持不變但有相變。傳熱 過程分兩階段完成：先冷凝再降溫。在一般情況下，由于蒸汽冷凝所發(fā)出的熱量要比冷凝降溫時所發(fā)出的熱量大的多，所以為簡化起見，就不考慮冷凝降溫所發(fā)出的那部份熱量。當(dāng)僅考慮蒸汽冷凝所發(fā)出的熱量時，工藝介質(zhì)吸收的熱量應(yīng)該等于蒸汽冷凝時放出的熱量，因此，我們就能寫出下列熱量平衡方程式： ?23411 )( GTTCGQ ??? （ 6） 式中， Q— 單位時間傳遞的熱量； 1G — 被加熱介質(zhì)流量； 2G — 蒸汽流量； 1C — 被加熱介質(zhì)比熱容； 43,TT — 分別為被加熱介質(zhì)的入口、出口溫度； ? — 蒸汽的汽化潛熱。 傳熱方程式仍為： mtKFQ ?? （ 7） 式中， K 、 F 、 mt? 的意義同式（ 3）。 從傳熱速率方程 mtKFQ ?? 來看，假如讓傳熱系數(shù)和傳熱平均溫差基本保攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 熱交換工藝及控制要求 7 持不變，那么改變傳熱面積也可以改變傳熱量，從而達到控制出口溫度的 目的。有種方案將控制閥裝在凝液管線上，通過調(diào)節(jié)控制閥的開度來控制冷凝液的排出量。如果某種原因使得被加熱物料出口溫度高于給定值，表明傳熱量過大，此時可通過控制器的作用將凝液管線上的控制閥關(guān)小，蒸汽的凝液就會積聚起來，蒸汽冷凝的 有效換熱面積 F 就會減少了，從而傳熱量也減少了，工藝介質(zhì)出口溫度就會回復(fù)到給定值上來；反之；則相反。在這種控制方案中，冷凝液積聚起來達到改變傳熱面積的過程是一個積分過程，因此調(diào)節(jié)起來比較遲鈍，變化較緩慢。如果工藝介質(zhì)溫度偏離給定值，往往需要很長時間才能回復(fù)到給定值。傳熱面積改變過程的滯后將降低控制質(zhì)量，有時需設(shè)法克服。比較有效的方法就是采用串級控制方案，可以用溫度與凝液的液位組成串級控制