新型高效、節(jié)能蒸汽生成系統(tǒng)探究

鐘立榮

（珠海共同低碳科技股份有限公司，廣東 珠海 519090）

隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，蒸汽生成系統(tǒng)在各行各業(yè)中的地位變得越來(lái)越重要，常見(jiàn)的蒸汽生成系統(tǒng)涉及多個(gè)領(lǐng)域，如化工、制藥、烘烤等，可見(jiàn)蒸汽生成系統(tǒng)應(yīng)用之廣泛。然而，在國(guó)家提倡各行各業(yè)節(jié)能減排、環(huán)保增效的熱潮下，這也意味著對(duì)新型高效、節(jié)能蒸汽生成系統(tǒng)需求也在不斷增加。本文將對(duì)新型高效、節(jié)能蒸汽生成系統(tǒng)的高效、節(jié)能特性及經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)簡(jiǎn)便性進(jìn)行針對(duì)性的探討。

1 CB“水”機(jī)理簡(jiǎn)述

常態(tài)水（即1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、常溫下，密度1000kg/m3）通過(guò)“CB”專(zhuān)用設(shè)備獲得能量，使微觀水分子間距加大（克服范德華力Van De Val force），使得常態(tài)水從大分子團(tuán)(large cluster)變化為小分子團(tuán)(small cluster)，形成“CB”水。該種水在低溫（水分子間形成氫鍵molecular bonds）至55℃之間，不受壓力影響，其狀態(tài)亦不會(huì)改變?！癈B”水機(jī)理特點(diǎn)有：

（1）分子間距大：吸熱系數(shù)(heat coefficient) α值相比常態(tài)水吸熱系數(shù)α’大，即相應(yīng)“K”增大。

（2）分子團(tuán)表面張力(surface tension)小，并且總表面能量(total surface energy) 是小。

（3）無(wú)接觸及化學(xué)反應(yīng)，態(tài)的轉(zhuǎn)變純是物理性(pure physical change) 。

（4）采用動(dòng)能(potential and kinetic energy)、壓電能(piezo-electric energy)、旋渦能(vortex energy) 、稀土能(rare earth energy) ，結(jié)合物理學(xué)上流水帶電的基本理論，產(chǎn)生能量來(lái)增長(zhǎng)水的氫鍵。

2 “CB”水“蒸汽發(fā)生器”設(shè)備機(jī)理簡(jiǎn)述

按常規(guī)冷、熱介質(zhì)之間熱傳遞皆是通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射實(shí)現(xiàn)的，尤其是冷測(cè)介質(zhì)之間還存在熱傳導(dǎo)、熱輻射過(guò)程（例如，各種列管式換熱器），則吸熱時(shí)間長(zhǎng)，效益不為最佳。

“CB”水“蒸汽發(fā)生器”利用“CB”水機(jī)理特點(diǎn)，設(shè)備內(nèi)設(shè)置了特種噴頭作原子化(atomization)、傳熱盤(pán)（板）等。“CB”水通過(guò)泵以壓力7～15(bar)壓入，然后經(jīng)噴頭霧化噴射在吸熱面上，直接及間接進(jìn)行吸熱蒸發(fā)。當(dāng)然，有部分的熱能同時(shí)亦是經(jīng)輻射熱傳來(lái)，藉以增加受熱能。由于“CB”水經(jīng)原子化，其表面面積(total surface area) 已增大很多，一旦接受了熱能，便瞬間轉(zhuǎn)化成蒸汽。

與常規(guī)換熱設(shè)備相比（如列管式、板式、蒸汽鍋爐等，總傳熱系數(shù)“K”值考慮了冷介質(zhì)內(nèi)的熱傳導(dǎo)、熱輻射、相變等因素，即其計(jì)算值是去介質(zhì)換熱面換熱行程上的平均值），因大大減少或消除了冷介質(zhì)內(nèi)的熱傳導(dǎo)、熱輻射過(guò)程；加上快速吸熱蒸發(fā)，“K”可以視為傳熱初始的最佳定值，顯然對(duì)于同類(lèi)物質(zhì)的熱交換“K”值得到增大。根據(jù)熱交換方程Q=KA⊿tm（Q為傳熱速率，W；K為比例系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；⊿tm為兩流體的平均溫度差，℃；A為傳熱面積，m2），故此在“A”值固定，“⊿tm”值設(shè)定在一可變范圍內(nèi)，吸熱量的大小主要取決于“K”的大小。所以，使用該設(shè)備就明顯提高了產(chǎn)汽效益。時(shí)間相對(duì)就短很多。設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1

3 1t/h蒸汽生成系統(tǒng)工藝原理

“CB”水物質(zhì)與“蒸汽發(fā)生器”設(shè)備機(jī)理是本系統(tǒng)核心工藝原理。

操作基本原理過(guò)程是熱載體導(dǎo)熱油經(jīng)鍋爐加熱到270℃（出口260～265℃），采用泵打入“CB”“蒸汽發(fā)生器”夾套中（換熱面積S=8m2），5～10min后，“CB”水經(jīng)水泵打入設(shè)備內(nèi)噴頭進(jìn)行噴射霧化(atomization)。在此過(guò)程中，自控系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)罐內(nèi)蒸汽壓力的變化，自動(dòng)調(diào)整水泵噴射壓力，始終保證“CB”水噴射壓力基本恒定在7bar。10～15min設(shè)備壓力表與溫度計(jì)顯示處于恒定，讀數(shù)：壓力-0.7MPa、溫度170℃，即罐內(nèi)形成了此狀態(tài)的飽和水蒸汽。

按此狀態(tài)運(yùn)行1h,系統(tǒng)連續(xù)可產(chǎn)飽和水蒸汽1t.

№：以此同樣工藝與相應(yīng)設(shè)備，采用常態(tài)水進(jìn)行對(duì)比運(yùn)行：

在設(shè)備壓力與溫度顯示處于恒定下，讀數(shù)：壓力-0.7MPa、溫度-170℃，即罐內(nèi)形成了此狀態(tài)的飽和水蒸汽。

按此狀態(tài)運(yùn)行1h,系統(tǒng)連續(xù)產(chǎn)飽和水蒸汽0.815t.停機(jī)排放水量為 0.185t(溫度 -90～95℃ )。

4 1t/h蒸汽生成系統(tǒng)工藝流程圖（圖2）

5 數(shù)據(jù)分析

符號(hào)：

熱側(cè)：Q1為熱負(fù)荷(按1h單位時(shí)間、以常態(tài)水物質(zhì)屬性計(jì)算，生成1t飽和水蒸汽實(shí)際傳出的熱負(fù)荷，設(shè)定值為：710kW）kW。

冷側(cè)：Q2為(CB水）吸熱量kW；Q3為(常態(tài)水）吸熱量kW。

5.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

CB水（運(yùn)行）：飽和水蒸汽實(shí)際測(cè)試狀態(tài)（產(chǎn)飽和水蒸汽1000kg/h,飽和狀態(tài)：t=170℃，P=0.7MPa）：

Q2=M2Co2，

M2=1000kg/h(按設(shè)定實(shí)際輸入流量）

Co2：比焓-查表：2538.47kJ/kg

Q2=1000×2538.47=2538470kJ=705.13kW。

Q1-Q2=710-705.13=4.87kW(系設(shè)備熱能損耗 )，符合能量守恒定律，即Q1=Q2。

設(shè)備內(nèi)無(wú)飽和蒸汽下的飽和水。

常態(tài)水（運(yùn)行）：飽和水蒸汽實(shí)際測(cè)試狀態(tài)-產(chǎn)飽和水蒸汽815kg/h,飽和狀態(tài)：t=170℃、P=0.7 MPa，存在此飽和蒸汽下的飽和水。

Q3=Q3’+Q3”

Q3’：飽和狀態(tài)下的吸熱量，Q3”：飽和蒸汽下飽和水的吸熱量。

飽和蒸汽：

Q3’=M3xCo3

M3=815kg/h (實(shí)際蒸發(fā)量）

Co3比焓-查表：2538.47kJ/kg

Q3’=815x2538.47= 2068853.05kJ=74.68kw

飽和水：

Q3”=M3’Cp(T2-T1)

M3’=185kg/h, Cp:查 表 -4.339kJ/kgk,T2=95℃、T1=55℃

Q3”=185x4.339x40 = 32108.6kJ = 8.92kw

則：?jiǎn)挝粫r(shí)間總吸熱量

Q3=Q3’+Q3”=574.68+8.92=583.60kw。

Q1=Q2>Q3

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Q1=Q2=705.13kW，Q=KA⊿tm,計(jì)算“K”值

A=8m2、⊿ t1=270℃-55℃=215℃，⊿t2=260℃-170℃ =90℃

⊿ tm=215-90/ln215/90=143.55

705130=K×8×143.55，K=615.4(W/m2·℃ )

查閱換熱相關(guān)手冊(cè)“K”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)范圍，常規(guī)油水換熱總傳熱系數(shù)“K”值一般取值在100～600范圍內(nèi)（在使用常規(guī)設(shè)備作熱交換時(shí)，工程上一般保守取值為450～500，尤其是當(dāng)介質(zhì)有相變時(shí)，取值要更低一些）。

同時(shí)，又據(jù)Q1=Q2>Q3。

得到結(jié)論一：“CB”水“蒸汽發(fā)生器”設(shè)備與CB“水”機(jī)理是完全成立的。二者機(jī)理的結(jié)合，通過(guò)換熱總傳熱系數(shù)“K”的提高，大大提高了產(chǎn)汽效益。具體能效計(jì)算如下：

根據(jù)數(shù)據(jù)：CB水-飽和蒸汽生成量：1000kg/h；

常態(tài)水-飽和蒸汽生成量：815kg/h，飽和水生成量：185kg/h則在不考慮飽和水利用，主要以飽和蒸汽為使用需求的前提下。

能效提高：ψ=185/815×100%=22.69%

相應(yīng)反之，在同一飽和蒸汽需求量之下，即其能耗降低 22.69%。

這是常態(tài)水采用“CB”水“蒸汽發(fā)生器”作為熱交換設(shè)備才有的能效與相應(yīng)能效提高率。如果采用常規(guī)熱交換設(shè)備，很顯然其能效率會(huì)更高一些。

得到結(jié)論二：CB水與常態(tài)水只是在分子團(tuán)大小上有改變，即是分子間距的改變，系水物理狀態(tài)的微觀變化。這種克服范德華力所做的功可視為物質(zhì)密度的微觀變化（變小），即沒(méi)有顯熱的表現(xiàn)，從上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與換熱量計(jì)算結(jié)果來(lái)看，也沒(méi)有或可忽略不計(jì)潛熱。所以在工程換熱計(jì)算時(shí)，在同一初始條件下，1tCB水生成1t飽和水蒸汽所需吸收的熱量與1t常態(tài)水生成1t飽和水蒸汽所需吸收的熱量是相等的。

6 結(jié)語(yǔ)

從投入成本來(lái)看，常規(guī)換熱設(shè)備構(gòu)成有管板、換熱管、配套大型法蘭等，加上制造工藝煩瑣，則相應(yīng)造價(jià)與維護(hù)成本高；“CB”水“蒸汽發(fā)生器，設(shè)備構(gòu)成中沒(méi)有管板、換熱管、大型法蘭等，則制造工藝簡(jiǎn)單，相應(yīng)造價(jià)與維護(hù)成本也會(huì)低很多。再者，從產(chǎn)汽能效來(lái)看，前面已闡明。綜上所述，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性，還是從系統(tǒng)運(yùn)行操作與維護(hù)簡(jiǎn)便性上看，都有較大推廣、運(yùn)用價(jià)值；從社會(huì)的需求來(lái)看，新型高效、節(jié)能蒸汽生成系統(tǒng)是蒸汽生成系統(tǒng)的發(fā)展方向。