高效节能换热技术概述（精选5篇）
高效节能换热技术概述 篇1
在国家政策推行节能减排的大形势下, 国内石油化工、医药领域诸多的热交换设备逐渐采用高能效低成本的先进技术。传统的热交换器弓形折流板以及光管换热管结构注定了其效率低下成本较高的弊病。国内外纷纷把目光投向高效的换热技术以及传统热交换设备强化传热技术。
热交换设备强化传热过程是力求使热交换设备在一定的时间和传热面积内完成的热传递更多。强化传热技术是使热交换设备最大限度的提高传热效率的一种技术, 这样能够更大限度的提高传热过程的传热效率。在特定条件下提高传热面积、提高传热系数、提高平均温差是提高传热效率的最终途径。对管壳式热交换器换热管普通光管进行深加工得到不同形式的异形管。较光管来说, 异形管或是增大传热面积, 或是提高传热系数, 管内插件够提高平均温差。在不同场合恰当选择使用异形管能够极大的提高传热效率。
1异形管——波纹管
波纹管按波形分为:波鼓形波纹管、梯形波纹管、缩放管和波节管。流体在经过波纹管时, 在波峰处流速降低, 静压增加, 在波谷处流速增加, 静压降低。流体在管内流动反复的压力波动会使流体产生剧烈的湍流效果, 提高雷诺系数, 干扰减薄流体的边界层。波节的存在有助于提高管内流体的湍流效果, 进而提高波纹管的传热效果, 但波纹管会降低管内流体的流动性能。高雷诺数情况下波节管与光管的换热效果比较接近;低雷诺数的情况下, 因波节管会提高管内流体的湍流效果, 传热效率会比使用光管效果更好。
2异形管——螺旋槽纹管
通过挤压光管管壁加工制作成螺旋槽纹管, 槽纹纹路有单头和多头之分。螺旋槽纹管对管内流体的扰动使得流体成大体螺旋式流动, 并在槽纹处造成流体小范围的二次流动, 消除分离边界层, 提高传热效率2~4倍。螺旋槽纹管对管内管外流体具有双面强化传热的作用, 适用于对流、沸腾和冷凝等工况。
3异形管——翅片管
通过在换热管表面添加各种形式翅片, 增大换热面积, 对流体造成极大的扰动, 从而提高传热效率。选用翅片管为传热元件, 多使用在高温烟气的工况下, 如余热锅炉用翅片管使用在高温高压且具腐蚀性的恶劣环境。这就要求翅片管应具有很高的的性能指标:1防腐性能、2耐磨性能、3低接触热阻、4高稳定性、5防积灰能力等。
4异形管——螺旋扁管
螺旋扁管由圆管加工制成, 其截面形状为扁圆或者椭圆形, 流体在管内流通呈现螺旋状提高了湍流程度。实验研究结果表明:在雷诺数低的螺旋扁管的强化传热效果比光管提高2~3倍, 随雷诺数的增大, 其强化效果有所减小, 但仍可达50%
5异形管——表面多孔管
使用烧结、火焰喷涂、电镀及机械加工的方式形成的多孔表面能够极大地强化沸腾传热, 提高传热效率, 从而能够减少热交换面积, 减少传热的不可逆损失。其多空表面还具有良好的阻垢性能。
6异形管——针翅管
针翅管表面针状结构既扩大了传热面, 又能对流体造成很大扰动, 增强了边界层与主流的混合, 在对压降影响微弱的情况下极大的强化了传热效率, 针翅管的表面针状结构可以与相邻针翅管针状结构相互支持, 从而可以代替支撑板或者支撑杆材料, 针翅管普通应用在油品热交换器以及很多低传热膜系数、高粘度介质以及含尘高温烟气的热交换设备中。
7管内插件
通过在管内插入纽带、螺旋线圈、螺旋片等插入件能够有效促进管内流体湍流, 提高传热系数, 并且能够有效降低热交换器壁温, 管内外温差, 从而强化传热。
8结语
结合管程强化传热技术的进步, 更多的强化传热技术手段逐渐被应用在更多的现实工程设备中, 在各行业热交换设备上, 强化传热技术将发挥其强大的优势。强化传热管极大地提高了热交换器的传热性能, 减小了热交换器所需的传热温差和压降损失, 提高了能源利用率, 简化紧凑了设备结构, 减少了设备材料成本, 结合国家推行的各种节能减排政策措施, 强化传热技术已经被国家、被企业重视, 进而与实际应用相结合, 实现其巨大的经济效益。
参考文献
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[4]杨胜, 张颂, 张莉, 徐宏, 螺旋扁管强化传热技术研究进展2010.
[5]丁铭, 阎昌琪, 缪红建, 孙立成, 整体针翅管的强化传热实验研究2005.
[6]高阳, 波节管换热器的强化换热分析2000.
概述电气自动化节能技术 篇2
【关键词】电气自动化；节能技术；分析
对于电气自动化系统而言，必须保证供电的可靠、安全，并且还要为使用此电力系统的工程或是建筑带来良好的社会效益和经济效益。而且由于城市电网的不断扩大，电力也不断增容，因此就使用的很多的整流器、变频器等，而这样也使大量的谐波产生，从而危害了电网。因此，为了消除谐波与从节能的方向考虑，电气自动化就主要从电力滤波器、无功补偿、变压器等技术着手，对电气自动化的节能设计技术进行研究。
1.电气自动化及节能设计概述
电气自动化是电气信息领域的一门新兴学科，它和人们的日常生活及工业生产有着密切联系。它在提高工作效率、运行成本、劳动生产率以及改善劳动条件等方面起着重要的作用。对于电气自动化系统来说，由于城市电网的不断扩大，电力也不断增容，因此会使用很多的变频器、整流器等，而这样会造成大量的谐波产生，从而危害到电网。由此，为了消除谐波，从节能的方向考虑，电气自动化应主要从变压器、无功补偿、有源滤波器等技术上下功夫，可以利用减少电路的传输损耗、优选变压器、补偿无功、使用有源滤波器等方法来使电气系统在运行的过程中达到节能的目的。也只有这样，才能使电气自动化系统使用时达到节能的效果。
2.电气自动化的节能设计技术
2.1电气工程的设计
在电力工程中，要达到节能的目的首先要做的就是做好电气工程的安装、设备等的设计。只有在第一步都做好了才能保证整个工程其后的设计与完成后使用时达到节能的作用。
①优化配电设计。电力系统就是要为安装这个电气系统的工程中需要用电的设备提供一个必要的动力。因此，在整个配电设计的过程中首先就要考虑到电力系统的适用性。对于适用性而言，应该满足用电设备对负荷容量与供电设备等可靠性的要求，还应该保证电气设备对控制方式的要求等。在配电的过程中，除了要满足用电设备与电气设备的要求之外，还要保证电力系统高效、稳定、易控、灵活、可靠等。在配电设计的过程中其次要考虑到的就是电力系统的安全性。而对于电气系统的安全性而言，首先就必须保证导线的绝缘性良好，然后在进行走线的时候应该保证各导线之间的绝缘距离。另外还要保证导线的负荷能力、热稳定和动态稳定的裕度，以确保在电气系统运行的过程中用电设备与配电设备的安全。除此之外，还要做好电气系统的防雷与接地。
②提高电气系统的运行效率。在电气系统中最好选用节能设备，从设备的选择就开始为电气系统的节能打下基础。另外，我们可以利用均衡负荷、补偿无功、减少电路损耗等方法来使得电气系统在运行的过程中达到节能的目的。比如，在进行配电设计时可以合理的调整负荷以及选取合理的设计系数。在电气系统的安装或是运行过程中采用这些方法能够提高电源的综合利用率与设备的运行效率，从而间接或直接减少电能的损耗。
2.2电气系统中的节能技术
①降低电能的传输消耗。电能传输时，因为导线有电阻从而会产生有功功率的消耗。但是线路上的电流是不变的，所以，为了降低电能在线路上的传输消耗，只能降低导线的电阻。事实上，导线的电阻和导线的截面积之间的关系是成反比关系，而和电导、导线长度成之间成正比关系。即要想降低导线的电阻，就必须从如下几方面着手：首先，选择电导率比较小的材质当作导线，从而降低电能在电路上的消耗；其次，缩短导线的长度。从而在布线的时候，让导线尽可能走直路，以免过走的弯路太多，以缩短导线的长度；最后，变压器尽可能接近负荷中心，以缩短供电的距离。其四，加大导线的横截面积。所选择的导线的横截面积尽可能大一些，利用降低电阻减少消耗，实现节能的目标。
②选取变压器。在设计过程中对于变压器的选择，必须满足如下几方面的要求：第一，应当选择节能型的变压器，从而降低变压器的有功功率的消耗；第二，为了使得通过的三相电的电流维持平衡，应当降低变压器自身的消耗，最好采取一定的措施比如三相四线制的供电方式、单相自动补偿设备、将单相用电设备分别接在三相电源上等方式从而减少负荷不平衡。
③无功补偿。在电力系统中，无功功率占有供配电设备的很大一部分容量，因此增大了线路的损耗，从而造成电网的电压下降，也因此影响了电能质量和电网的经济运行。而对于用户而言，无功功率的直观表现为功率因数偏低，而当功率因数小于0.9时，用户就会向供电部门缴纳一定比率的罚款，因此用户用电的成本也增高，经济效益就会下降。但是我们若选用恰当的无功补偿设备的话就可以实现无功就地平衡，提高功率因数，从而事项节能减耗、提高电能质量、稳定系统电压的目的，而且能够提高经济效益和社会效益。比如，在受导电抗的作用下，电机发出的交流电流和交流电压的相位角不为零，因此电机发出的电能不能完全被用电器吸收，不能被吸收的部分则在电机和用电器之间往返变化而不会释放出来。又因为电容器产生的是超前的无功，因此采用电容器补偿可以与无功率的电能进行抵消，即Q=QL-QC。
在采用无功补偿设备对电力系统进行无功补偿时，对于无功补偿设备的要求有以下几点：1）在使用电容器补偿时，电容器容量的确定应该根据配电电压的容量、负荷、三相电压的平衡度、自然功率因素、目标功率因数等参数经过计算来确定。而若是在补偿处产生了谐波的话就要串联一定量得电抗器，滤除线路上的谐波。2）为了有效的防止投切振荡、过补偿和无功倒送，在电容器的功率参数、无功电流、无功功率这些投切物理量中最好选择无功功率作为投切参数物理量。3）在很早以前的补偿电容组中电容器的分担方式和投切开关的方式普遍采用等容量分组和循环投切；后来又采用了按比例分配、按编码配置、投切开关按级投切。但是这些方式都不能达到我们想要的补偿效果。
因此，现在所采用的是模糊投切，其适应面广、调节平滑、跟踪准确而且效果很好。在使用过程中，低压的时候投切开关则选择投切复合开关，而高压补偿柜中选真空接触器。
④使用有源滤波器。为了有效避免与电网联结电气设备的误动作，就必须消除谐波，而消除谐波最有效的方法就是使用有源滤波器。误动作主要是由于电气设备数量的增加，产生的谐波越来越多，又由于这些谐波电流在电网阻抗上产生的电压与基波电压重叠，就会引起电压的畸变，从而造成电气设备产生误动作。概括起来，有源滤波器主要以下特性：具有优异的动态性能；反应快；能使功率范围更宽大等，能使无功补偿达到更好的效果。一般情况下，采用有源滤波器对产生的谐波进行过滤，在电气设备误操作之前就能够将其阻止，使电气设备的运行更加有效率，从而达到节能的目的。
3.结束语
总之，现今国家强烈要求发展“节能经济”的大好形势，有志于发展“节能经济”与“节能经济”的中国“工业自动化”的企业与单位，应当坚持“节能”理念。国家也已经注意制定发展“节能经济”的战略，制定优惠发展“节能经济”企业的政策，并积极支持“节能经济”的研发。同时，也应看到，我国在“节能技术”领域里的自主创新能力正在快速提高，新的更有效的“节能技术”正在国家的大力支持下研发出来，并被产业化应用。
参考文献
[1]周丹.我国工业节能电气自动化的发展现状与趋势[J].科技创新导报，2008，（17）.
换热器节能技术的研究 篇3
对于管壳式的换热器中的管程的强化传热技术来说, 其传热技术的原理就是在对传热面的形状或者是管内的插入物进行改变来增加流体的湍流度以及对传热面的面积进行扩展, 这样就会强化传热, 并且也十分的节能。在管程的强化节能技术中会用到的元件发挥着重要的作用。带内凸肋的结构管, 这种结构管在管壁上有着内凸肋的结构, 现在对于螺旋的槽管和横纹管的使用比较广泛。
其中, 螺旋槽管的管壁通过光管的挤压而形成的, 同时处于管壁上的曹纹可以在有相变及无相变的状况下提高了管内及管外的传热系数。螺旋草在一定程度上促进冷凝膜产生了表面的张力场, 这样减薄了平均的冷凝液膜并且减少了冷凝的传热的热阻。横纹管的毛坯是有普通的圆管做成的, 并在管的外壁滚轧了垂直于轴线的凹槽, 这时管内会有环肋形成。在管内的流体经过环肋的时候, 在管壁周围会有轴向的漩涡形成, 这样就使边界层的扰动增大, 并且也有利于边界层的分离, 同时增加了热量的传递。等到漩涡即将消失的时候会经过别的横向的环肋, 这就产生了连续的涡流使得强化作用一直保持着稳定。这些就是带内凸肋的结构管的换热器的工作原理及传热的原理。这种结构管有着对双面进行强化传热的特点。在研究中发现, 在一样的流速之下, 横纹管比单头螺旋的纹管的流体阻力比较大, 但传热的性能较强。内翅片管使在经过比较特别的焊接工艺及设备的加工而形成的, 流体在它的管内部的换热的过程就是单项的强制对流的方式换热。它主要的特定就是能够在传热管的内部将面积扩大, 并对管内的传热镜子那个强化, 这样就提高了换热器的传热的性能。相比较光管来说, 它在一定程度上将馆内的流场及温度场的分布改变了, 这样就产生了能够强化换热的漩涡并使得流场的湍动能增大, 将换壁面周围的温度也大大的提高, 使得进一步的强热传热。在各种工况之下都会存在最佳流路管径比, 计算得出最佳的管径比在0.8左右, 这种管径比使得换热器的换热性能比相同管径下提高6%～11%, 并且空气侧的阻力减小2%。管内的插入物是以中被动的强化传热的形式。在低雷诺数或者是高粘度的流体进行传热的状况之下, 管内的插入物就会对气体进行强化, 这时低雷诺数或者高粘度的流体的传热效果变得更好。管内的插入物大体上包括以纽带式或半纽带形式, 强化旋流;以螺旋线及斜环片等形式, 促进湍流;球形体或者静态混合器等形式的置换型的强化器。管内的插入物的传热的原理就是, 形成了旋转流对边界层进行破坏, 在中心的流体和管壁的流体之间产生了置换的作用, 同时生成了二次流。缩放管的结构中包括多节渐缩段与渐扩段。它的传热激励即使缩放管的管壁的缩放, 使得流体的压力有了周期性的变化并且缠身漩涡对边界层进行冲刷, 使边界层减薄。在同等流的阻损失的情况下, 并在Re=1×104～1×105的范围之内, 它比光管增加了70%。
二、壳程节能技术
对于管壳式的换热器中的壳程的强化传热技术来说包括对管外的强化传热或对管内的支撑结构进行改变。对于改变传热管的外表面主要针对外表面加工出沟槽及多孔的表面。在外表面上带有沟槽的传热管, 主要的有螺旋的槽管和横纹管, 这两种管在上文中提及到, 都对强化管的外蒸汽的冷凝作用有着明显的效果。对于带有多孔的表面管, 由于表面比较粗糙, 这样就增加了汽化的核心, 使得泡核更容易沸腾, 沸腾时就会有强烈的对流给热。对于管内的支撑结构来说, 异形的折流板在结构形式和布置的方式上都可以对流体的速度和方式进行改变这样就减少了容易生成污垢的死角, 从而大大的提高了传热的效率。其中双弓形的折流板与具有一样间距或是缺口的单弓折流板相比, 压降下降了50%～70%, 对于传热的系数仅仅降低了20%～40%。空心环的支撑结构, 这种管壳式的换热器就是将直径比较小的金属管有一定的间隔进行布置在换热管的截面内, 使得对管束进行支撑并且大大的对流体的扰动提到促进作用。自支撑管, 这种结构在一定程度上简化了管束的支撑结构, 也在一定程度上对换热器的进错度有了很大的提高, 这种类型的管由于自身的刺孔膜片或螺旋线等的点接触能够支撑管子, 有组成了壳程的扰流元件, 这样就增大了湍流的速度, 一定程度上破坏了管壁上的流体边界层, 增大了传热的效率。
结语
当今, 换热器的优化节能技术主要采用强化传热的原件或者改进换热器的结构的方式。对于花热气优化节能技术来说, 要利用实验研究对其进行研究。在传热得到强化的同时, 有时流动的阻力也会增加, 流动的阻力会比换热的增加量大, 所以要注意对流体的阻力增加量进行控制。
摘要：在化工以及石油, 动力高耗能的产业部门中实测性与模型值的趋势对比界的换热器有着十分广泛的应用。本文主要介绍了在换热器的管程及壳程的基础上介绍管壳式的换热器的传热技术的原理和应用的范围, 同样的分析了一些强化传热的技术的优点和不足。同时提出了改进的措施和一些新思路。
关键词：换热器,管程节能技术,壳程节能技术,研究
参考文献
[1]李军.多种强化传热管的强化传热性能与流阻性能研究[D].广州:广州华南理工大学, 2000.
[2]吴慧英, 帅志明, 周强泰.凝结换热器采用螺旋槽管的强化传热研究[J].化工学报, 1997 (06) :626-629.
高效节能换热技术概述 篇4
1 蓄热式高效换热燃烧技术
1.1 蓄热高效换热燃烧技术工作原理
全新型蓄热式高效换热燃烧技术是利用蓄热室换热原理, 使低温空气从鼓风机通过空气管道由换向系统进入蓄热室 (或蓄热烧嘴) 进行蓄热, 预热的高温空气通过蓄热体进入炉内与燃气混合燃烧;与此同时燃烧产生的烟气流经另一个配对的蓄热室 (或蓄热烧嘴) , 此时蓄热体储存热能, 降低烟温至低于150℃左右, 低温烟气流经换向系统借助引风机的作用排出。这个过程中换向装置以一定频率进行切换 (3 0~200 s) , 使得成对的蓄热室 (或蓄热烧嘴) 处于蓄热和放热的交换工作状态, 进而节约能源, 降低污染物的排放。
1.2 我国蓄热高效换热燃烧技术的发展
在我国, 加热炉使用的燃料多为低热值燃料 (如高炉煤气) , 这样就出现了大量的高炉煤气被放散的现象, 能源损失严重。80年代中后期, 我国热工科研人员开始研究蓄热换热燃烧技术, 结合我国工业生产实际情况, 着力进行陶瓷小球蓄热体燃烧技术的研究和应用, 同时结合此项技术在国际上应用产生的不足开发研究成适合我国加热炉独具特色的蓄热式换热燃烧技术。
国内经济飞速发展, 而在经济发展中工业产业占有重要的地位, 节能环保又逐渐成为工业领域的重要课题。国内多家公司纷纷开展蓄热式燃烧技术的研究和推广应用, 成功研制了新型节能蓄热燃烧器并加强了换向系统自动化控制水平。此外, 蓄热式加热炉通常采用的加热方式有空气单蓄热和空煤气双蓄热两种, 我国的热工工艺人员更在加热炉上研发使用了常规和双蓄热组合式的燃烧技术, 并在某钢厂的生产实践中取得了良好的节能效果。蓄热式燃烧技术的逐渐成熟, 使得在蓄热式换热燃烧技术方面形成了比较完善的设计理念和设计思想, 蓄热式技术在加热炉上的应用实现了高产量、低热耗、少污染和高自动化的水平。
2 关于蓄热体
蓄热式换热燃烧技术的重要组成部分就是蓄热体, 蓄热体的选择对于工业炉的节能效果有着至关重要的作用。随着钢铁工业的发展和工业炉设备在生产实践中的技术革新, 国际上常用的蓄热体主要有陶瓷小球蓄热体和蜂窝式蓄热体。下面我们从3个重要部分对两种蓄热体在加热炉上的使用效果进行对比介绍。
2.1 通过蓄热体的透热程度分析蓄热能力
小球蓄热体通常为Φ12~20 mm球面体, 以Φ15 mm小球蓄热体为例, 其透热深度是7.5 mm;蜂窝式蓄热体多为密布细小孔道的立方体, 以100×100×100 mm规格24×24孔、孔壁厚度为0.7 mm的蜂窝式蓄热体为例, 其透热深度仅为0.35 mm;二者相差21倍多。在正常的换热周期内, 蓄热体表面热流强度变化幅度很小, 假定表面热流强度不变的情况下, 蓄热体的蓄热深度越小, 透热效果越好, 蓄热能力就越好, 就越能够发挥蓄热体的蓄热作用。
2.2 配合蓄热体使用的换向系统和换向时间
小球蓄热体通常采用集中换热, 如果换向时间为60 s, 在一个换向周期内, 使用小球蓄热体的加热炉换向时炉内熄火时间约10 s左右, 占换向周期时间的6%;然而当蜂窝式蓄热体也采用集中换向时, 由于换向周期短, 熄火时间就占换向周期时间的30%, 但是以我公司为例, 实际生产中通常采用蜂窝式蓄热体全分散换向控制, 技术先进, 蓄热效果良好, 但阀数量多, 系统复杂。
2.3 蓄热体的阻力损失
对于陶瓷小球蓄热体组成的蓄热室而言, 小球间缝隙有大有小, 有宽有窄, 是不规则的。当高温烟气或被预热的空气流过这些堆积的小球时形成涡流状态, 其局部阻力损失和摩擦阻力损失就大大增加。
对于蜂窝式蓄热体组成的蓄热室而言, 其形状使气体的流通通道是一个个直直的格子通道, 具有一定的规则性和一致性。当气体流过这些笔直的通道时形成层流状态, 其局部阻力损失和摩擦阻力损失就大大减小。
在实际生产和使用中, 蓄热体的比表面积、传热效率、耐热温度、抗烧性及积渣程度等都影响着蓄热体的使用情况, 我们要根据不同炉型和不同的工艺需要选择合适的蓄热体。
3 蓄热式高效换热燃烧技术的节能效益
21世纪, 我国钢铁工业面临的能源形式十分严峻, 节约能源, 提高燃料利用率, 减少热损失是钢铁行业的发展方向, 蓄热式加热炉的发展成为一项必不可少的重要节能技术。
从长期的生产和实践中可以看出, 采用蓄热式燃烧技术后加热炉的排烟温度低于150℃, 烟气的物理热得到很好的回收利用, 因而与常规余热回收工业炉相比其节能潜力巨大, 特别是对低热值燃料 (如高炉煤气) , 采用单蓄热燃烧方式燃料节约率能达到25%以上, 而采用双蓄热燃料节约率更达到了45%以上之多, 换言之向大气环境排放的CO2量就大大的降低, 大大缓解了大气的温室效应, 达到了保护环境, 节能减排的预期。同时我国钢铁企业高炉煤气平均放散率约为13.72%, 如果将放散的高炉煤气全部加以利用的话, 相当于每年节约260万吨标准煤, 可见新技术带来的效益可观。
综上高效蓄热式换热燃烧技术的优势可以简单归纳为:
(1) 炉温均匀, 加热质量好。
(2) 最终排烟温度低, 节能效果好, 燃耗低。
(3) 烟气中NOx含量低, 环境污染小。
(4) 燃烧噪音低, 氧化烧损少。
(5) 适用于老旧炉子改造, 产量提高, 成本降低, 效果良好。
摘要：蓄热式高效换热燃烧技术是热工领域的先进技术, 它不断的发展和技术的革新满足了我国当前资源和环境的要求, 更从根本上降低了加热炉的排烟温度, 提高了加热炉的燃料节约率和能源利用率, 既减少了大气污染物的排放, 又节约了能源。
关键词：蓄热式换热,蓄热体,节能环保
参考文献
[1]王秉铨.工业炉设计手册[M].机械工业出版社.
高效节能换热技术概述 篇5
蒸发循环制冷技术
蒸发循环系统由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀等组成, 其核心为电动压缩机。蒸发循环系统是一种闭环系统, 工作原理如图1所示, 与热泵相似, 把热量从低温介质取出并把它排到较高温度的介质中去。其中热载荷由蒸发器中的液体制冷剂 (如“氟利昂”) 的汽化而被吸收, 然后制冷剂经过电动压缩机相应地提高压力和温度, 继而在冷凝器中冷却, 将热量排放至热沉, 最后制冷剂经膨胀阀膨胀降温后流回蒸发器。
蒸发循环制冷系统制冷能力范围3~70kw, 其以燃油作为系统热沉时, 与外界大气环境的关系较小, 基本上不受飞机飞行高度和速度影响, 并且其具有不需从发动机引气, 系统能效比高, 飞机燃油代偿损失小, 能够满足大功率、高热流密度电子设备的低温冷却需求, 并且具有系统运转费用低等明显的优势。由于以上特点, 蒸发循环制冷系统是目前先进飞机热载荷管理的重点研究系统之一。
飞机热载荷管理的重点研究系统之一。20世纪后期, 蒸发循环制冷系统逐步在民用客机、直升机、战斗机上开始广泛使用。典型事例:波音公司研制的B787双发动机宽体民用客机采用了蒸发循环辅助制冷系统;美国西科斯基飞机公司研制的S-92通用型/军用型直升机, 法国、德国、意大利和荷兰四国联合研制的NH-90多用途直升机, 均采用了蒸发循环制冷系统;美国F-22“猛禽”战斗机, 使用了以蒸发循环制冷系统为核心的综合环境控制/热管理系统。
喷雾冷却制冷技术
喷雾冷却系统由喷雾冷却室、雾化喷嘴、泵、冷凝器等组成。其工作原理如图2所示, 通过雾化喷嘴借助高压气体 (空气助力雾化喷射) 或是依赖本身的压力 (压力雾化喷射) , 使液态制冷工质雾化成约20~100μm的小颗粒, 强制喷射到被冷却发热单元表面, 实现对其有效冷却。
以水、甲醇、氨为冷却工质时, 喷雾冷却的对应临界热流密度可达1000W/cm2、490W/cm2、500W/cm2。喷雾冷却具有换热系数大、过热度小、临界热流密度高和低冷却液流量等特点, 能在很小过热度的条件下产生极高的热流密度。由于喷雾冷却的特点, 这项技术可以用来解决设备散热载荷大、能耗高以及温度控制精度不够问题。
20世纪70年代初期, 最先利用气液两相流体混合形成雾状射流喷射到金属切削加工的加工区, 通过微小液滴的相变换热达到冷却加工工件的效果。而随着航空电子装备武器技术的迅速发展, 尤其是定向能激光武器的发展, 喷雾冷却作为一种解决高功率定向能武器散热问题的技术得到了越来越多的关注。
环路热管制冷技术
环路热管 (Loop Heat Pipe) 是一种高效的相变传热装置, 它由蒸发器、储液罐、冷凝器、蒸汽管线、液体管线等组成。其工作原理如图3所示。环路热管蒸发器从外部吸热, 使浸入毛细芯的制冷液体相变蒸发, 提高蒸汽压力, 导致沿管长方向出现压力差, 这样蒸汽就会流向压力和温度较低的冷凝器, 在冷凝器中与外界环境交换放热, 重新凝结为液体。由于蒸发器的液体饱和度减小, 依靠毛细芯的毛细作用, 产生了液体自补偿, 将冷凝的工作液抽吸或由重力回流到加热区, 又再次蒸发, 从而在环路热管中形成蒸发-凝结-液体回流的自动循环系统。
环路热管是采用毛细力驱动工质循环的回路型两相传热设备, 其传热量范围由几十瓦至千瓦。环路热管系统具备传输距离远 (可达10m) 、可反重力工作、自主启动和自适应控温, 同时, 由于不含任何机械运动部件, 系统的可靠性高等特点。
从上世纪80年代至今, 欧美等航空大国相继开始环路热管技术在航空领域的应用研究。典型示例:俄罗斯开展了采用环路热管技术解决商用飞机飞行娱乐系统极小空间热管理问题;美国陆续开展了采用环路热管技术解决战斗机电子光学设备局部散热问题、解决电子舵机散热问题、解决飞机局部位置防/除冰需求问题等方面的应用研究。
相变储热技术
相变储热技术不但可以利用储热材料巨大相变潜热吸收热载荷, 为设备提供冷却, 还能利用储热材料的等温相变储热能力缓解热载荷释放压力, 延长热载荷释放时间, 保证热载荷能够得到合理、有效地利用。
相变储热技术是航空、航天及工业热载荷存储及运用的研究热点, 其在航天器太阳能利用、工业余热回收和电力削峰填谷等领域已经推广使用。目前美国正在研究的机载定向能武器散热系统方案之一就是利用相变材料储热技术为喷雾冷却系统提供冷源, 其原理如图4所示。
朗肯循环技术
朗肯循环系统主要由蒸发器、冷凝器、循环泵、膨胀涡轮-电机等组成。其系统工作原理如图5所示, 制冷介质通过循环泵增压, 变成高压液体进入蒸发器, 在蒸发器中吸收废热工质热量发生相变, 变为高压气体, 然后进入膨胀发电机进行膨胀做功, 利用产生的膨胀功推动发电机发电, 而高压气体经过膨胀发电机膨胀降温后, 转化为低压气体进入冷凝器, 与冷凝器中冷却工质进行热量交换, 转化为低压液体, 最后低压液体再次通过循环泵进行增压。
朗肯循环系统利用制冷工质相变吸收热源热量, 将其转化为可用的轴功, 驱动机电发电, 不仅可以降低发热热源的热载荷总量, 还可以提供有效可用能源。由于这一特点, 这项技术成为废弃热量回收利用的重点研究方向之一。
20世纪60年代, 国外就提出了应用有机朗肯循环回收低品位的热能的设想, 以氟利昂为工质回收低品位热能的有机朗肯循环引起了广泛关注。目前, 朗肯循环系统发电技术已经广泛用于工业废热回收、太阳能发电、地热发电、生物质能发电等方面。而随着在航空、航天技术的发展, 为了降低飞行器整体热载荷总量, 增加飞行器可用能源总量, 国外越来越重视利用朗肯循环回收飞行器废热的研究。典型示例:美国先后开展了将有机朗肯循环应用于喷气式发动机废热回收、应用于航天电源和推进系统、应用于空气涡轮发动机发电等研究, 并且, 霍尼韦尔公司获得空气涡轮发动机利用闭式朗肯循环发电研究专利授权。
总结与展望
通过以上内容可以看出, 国外现代飞行器高效换热技术的研究及应用有以下几个方向:1) 大功率高效换热方向, 主要利用蒸发循环结合液体冷却手段满足大功率雷达等电子设备散热需求;2) 高热流密度换热方向, 主要利用喷雾冷却、相变储热材料等手段满足定向能武器等瞬时杀伤性武器散热需求;3) 局部小功率热载荷管理方向, 主要利用环路热管等手段满足小空间、小功率电子设备的热载荷管理需求;4) 废热载荷回收利用方向, 主要利用朗肯循环技术、环路热管技术满足机载设备废热载荷回收利用需求。
当今世界各航空大国都提出了下一代飞机研究需求, 其更加强调机动能力和超音速巡航能力, 更加重视隐身性能及长航时能力, 这必然造成先进机载设备散热问题更加突出, 造成机载能源增加及利用效率提高的需求更加突出。文章通过论述国外现代飞行器高效换热技术研究及应用情况, 为我国未来先进飞机电子设备的冷却及热能量管理提供借鉴与参考。