中高溫循環(huán)熱油的套層保溫方法及理論探索

劉永嶺 胡玉濤 王艷艷

（江蘇省聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院連云港中醫(yī)藥分院，江蘇 連云港222007）

以導(dǎo)熱油作為工質(zhì)的儲熱系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工等行業(yè)。此項(xiàng)應(yīng)用的基本思路是利用導(dǎo)熱油沸點(diǎn)高（150-400℃）、導(dǎo)熱性能良好的特點(diǎn)取代最為常用的水工質(zhì)，以提高工質(zhì)與換熱設(shè)備的換熱能力，使比導(dǎo)熱油沸點(diǎn)低的液體沸騰蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)提取、濃縮、干燥的使用目的。

導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱性能好、沸點(diǎn)高、常壓運(yùn)行、可以閉環(huán)循環(huán)、熱損低，在許多場合可以取代蒸汽。比較有代表性的應(yīng)用是利用太陽能將熱油加熱到必要的溫度后泵送到換熱設(shè)備或儲存在保溫油箱中。

根據(jù)我們的研究，在非陰雨天氣環(huán)境下使用太陽能真空管給導(dǎo)熱油加熱，工質(zhì)溫度可以達(dá)到200-350℃，通過換熱器交換直接給加熱、干燥、提取、濃縮等設(shè)備供熱。絕大多數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)都要使用保溫油箱，以便于暫存或儲存能量。

1 常規(guī)保溫方法及效果分析

常規(guī)的熱油應(yīng)用系統(tǒng)多采用熱油箱與冷油箱獨(dú)立放置的方式。如圖1 所示為常規(guī)導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，熱油箱1 和冷油箱2 分別進(jìn)行保溫。這種做法的好處是保溫箱結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、易于安裝和維護(hù)、制造成本較低。

在進(jìn)行熱油保溫箱設(shè)計時，必須合理的選用保溫材料。保溫材料的幾個重要物理參數(shù)是熱導(dǎo)率λ、保溫層厚度δ 和最高使用溫度T。

熱導(dǎo)率λ 是體現(xiàn)絕熱材料絕熱性能的重要參數(shù)，λ 值越低其保溫性能越好，λ 不僅與材料的種類有關(guān)，而且與使用溫度密切相關(guān)。

圖1 常規(guī)熱油循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了詳細(xì)描述保溫箱的保溫性能、評價保溫效果與節(jié)能效益的密切關(guān)系，我們引用《絕熱材料及相關(guān)術(shù)語》GB/T4132-1996、《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》GB50264-97 等相關(guān)規(guī)范，對常見的六種保溫材料的主要參數(shù)列下：

表1 六種常用保溫材料的主要參數(shù)

從上表可見，各種常用的絕熱材料的熱導(dǎo)率都與使用溫度有關(guān)，隨著使用溫度的升高，保溫材料的保溫性能隨之下降。所以，在進(jìn)行保溫設(shè)計時需要進(jìn)行溫度修正或設(shè)法降低使用溫度。

最高使用溫度是保溫材料的在不發(fā)生變性情況下極限溫度。

如果希望獲得良好的保溫效果，勢必在保證使用溫度滿足的前提下，要選擇熱導(dǎo)率λ 低、設(shè)計保溫厚度δ 大的保溫箱建造方案。

然而，由于導(dǎo)熱油的溫度較高，使用常規(guī)的熱油保溫方法具有諸多缺陷，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

首先是導(dǎo)熱油的溫度高，工質(zhì)與環(huán)境之間的溫差大，勢必要加大保溫層厚度以實(shí)現(xiàn)必要的保溫要求，因此增加了保溫箱的造價；

其次是在保溫箱結(jié)構(gòu)方面，但其存在的缺陷是整體散熱面積大、散熱溫差大，使得系統(tǒng)的熱效相對較低。

2 創(chuàng)新設(shè)計

圖2 是創(chuàng)新設(shè)計的中高溫循環(huán)熱油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 熱油循環(huán)系統(tǒng)套層保溫結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)計的特征是在管路循環(huán)關(guān)系保持不變的情況下，將熱油箱1 放置于冷油箱2 的內(nèi)部；熱油箱和冷油箱分別保溫，其中熱油箱的保溫層防護(hù)套使用耐油腐蝕材料（通常是鋼板或不銹鋼板）制作并且密焊；設(shè)計時要使冷油箱的有效容積（四周的容積）等于或略大于熱油箱的有效容積；為盡量降低比表面積，熱油箱和冷油箱的高度與上下底直徑相同。

3 套層保溫方式中的傳熱平衡

為了方便起見，我們建立一個簡化模型。假定通過供熱組件獲得熱量使得熱油箱內(nèi)的熱油溫度tf1保持不變、冷油箱外部的環(huán)境溫度tf3也保持不變。

套層保溫能夠節(jié)能的基本思路是：從供熱組件獲得的中高溫?zé)嵊痛娣旁跓嵊拖鋬?nèi)，熱油箱的外部環(huán)境是冷油箱中溫度較低的導(dǎo)熱油，熱油箱散失的熱流量φ1被冷油箱中的冷油吸收使得冷油箱中的冷油溫度升高，使熱油箱與冷油箱的溫差不斷減小，熱油箱內(nèi)的熱油散失的熱流量φ1不斷降低；另一方面，隨著冷油箱內(nèi)冷油的溫度不斷升高，冷油箱散失到外部環(huán)境的熱流量φ2不斷增大。

開始時，φ1＞φ2，隨著冷油箱內(nèi)冷油的溫度tf2不斷升高，φ1與φ2的差值φ1-φ2不斷減小，當(dāng)φ1-φ2=0 時，冷油箱內(nèi)冷油的溫度tf2將保持不變。

我們將在穩(wěn)定傳熱過程中冷油箱內(nèi)冷油的溫度保持不變時的冷油溫度定義為平衡溫度t0；

φ1-φ2=0 時的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)；

φ1-φ2=0 叫做平衡方程。

4 常規(guī)保溫方法的散熱分析

在常規(guī)熱油循環(huán)系統(tǒng)中，熱油箱1 和冷油箱2 大小尺寸相同，各自獨(dú)立放置于同一個散熱環(huán)境中，因此存在兩個獨(dú)立的散熱途徑，一個是熱油箱1 與散熱環(huán)境之間的熱損耗熱流量φ1（w），另一個是冷油箱2 與散熱環(huán)境之間的熱損耗φ2（w）?？偟某Ｒ?guī)熱油循環(huán)系統(tǒng)熱流量為φ=φ1+φ2（w）。

設(shè)定熱油箱1 內(nèi)熱油的溫度為tf1，冷油箱2 內(nèi)的熱油的溫度為tf2，環(huán)境溫度為tf3；熱油與熱油箱保溫箱內(nèi)筒之間的復(fù)合表面換熱系數(shù)為α1，（W/m2·℃），保溫層外壁與環(huán)境之間的復(fù)合表面換熱系數(shù)為α2（W/m2·℃）。其中的tf2雖說是冷油箱內(nèi)導(dǎo)熱油的溫度，實(shí)際上它并不是接近常溫的溫度，tf2大致是熱油箱1內(nèi)熱油溫度tf1的40%-60%，若tf1=300℃，tf2約為150℃左右。關(guān)于tf2的計算方法在后面內(nèi)容中將做詳細(xì)闡述。

為便于理論分析，假定外界輸入到熱油箱1 內(nèi)熱油的熱能與散熱損失的熱量相抵，保持熱油箱的溫度不變，即熱油箱與外界環(huán)境之間處于穩(wěn)定傳熱狀態(tài)；冷油箱2 內(nèi)的冷油溫度為tf2與換熱組件4、供熱組件3 的輸入量等因素有關(guān)，對于固定的換熱組件4 和固定的輸入量來說，tf2基本保持不變，即冷油箱2 與外界環(huán)境之間也處于穩(wěn)定傳熱狀態(tài)。

根據(jù)傳熱學(xué)的基本規(guī)律，可得出如下計算式：熱油箱的散熱熱流量φ1：

φ1=（tfi-tf3）/（1/α1A1+δ/λA2+1/α2A2）（w）

冷油箱的散熱熱流量φ2：

φ2=（tf2-tf3）/（1/α1A1+δ/λA2+1/α2A2）（w）

其中A1是保溫箱內(nèi)筒的表面積，A2是保溫層保護(hù)層的面積。

A1=3πd12/2（m2）

A2=3πd22/2（m2）

總的散熱熱流量φ

總散熱熱流量φ=（φ1+φ2）/1000（kw）

在24 小時內(nèi)總散熱量Q

Q=24φ（kwh）（*1kwh 相當(dāng)于1 度電，為便于比較，所以換算到kwh 單位）

定義：最大顯熱Q0——保溫箱內(nèi)裝滿溫度為t 的某種工質(zhì)時，散熱后溫度降低到環(huán)境溫度t0時總放熱量。

Q0=cm（t-t0）=cρV（t-t0）/3600（kwh）

其中c 是工質(zhì)的比熱容，單位是KJ/kg·℃；ρ 是工質(zhì)的密度，單位是Kg/m3；V 是工質(zhì)的體積，單位是m3。

對于本項(xiàng)目而言

Q0=cm（t-t0）=cρV（tfi-tf3）/3600（kwh）

定義：24 小時熱損率η——保溫箱在24 小時內(nèi)總散熱量Q 與最大顯熱Q0的比值。用百分?jǐn)?shù)表示。

η= Q/Q0×100%

24 小時熱損率η 是衡量保溫系統(tǒng)保溫效果的重要參數(shù)。

具體計算數(shù)據(jù)需要在創(chuàng)新內(nèi)容敘述完成之后才能完成，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在無法確定冷油箱內(nèi)導(dǎo)熱油的溫度tf2。

5 套層保溫方法的散熱分析

下面我們從理論上分析套層保溫方法熱油循環(huán)系統(tǒng)的散熱耗能。

5.1 項(xiàng)目的物理模型

同樣為了減少散熱面積、節(jié)省建造材料，熱油保溫箱按照直徑與高相等的比例進(jìn)行設(shè)計。

熱油箱1 和冷油箱2 的保溫箱內(nèi)筒都是采用導(dǎo)熱性能良好的金屬材料制作，且其壁厚只有幾個毫米，我們忽略保溫箱內(nèi)筒壁面材料傳導(dǎo)散熱的熱阻影響；忽略各連接口引起的熱量損失。

d1-- 熱油箱1 的內(nèi)徑（m），d1的大小由熱油箱1 的容積決定。

從熱油箱1 的內(nèi)部工質(zhì)到散熱環(huán)境的傳熱途徑包括：

①從熱油箱1 的內(nèi)部工質(zhì)到冷油箱2 內(nèi)部工質(zhì)的傳熱過程，溫度由tf1到tf2，傳熱熱流量為φ1；

②從冷油箱2 的內(nèi)部工質(zhì)到散熱環(huán)境的傳熱過程，溫度由tf2到tf3，傳熱熱流量為φ2。

在穩(wěn)定運(yùn)行時，（φ1-φ2）=0 時，傳熱處于穩(wěn)定狀態(tài)。這時tf2將自動維持不變。

5.2 計算原理

根據(jù)傳熱學(xué)的基本規(guī)律，可得出如下計算式：

RK1是熱油箱1 的內(nèi)部工質(zhì)到冷油箱2 內(nèi)部工質(zhì)的傳熱熱阻，單位（w/℃）。

可見，平衡溫度t0是與保溫箱的形狀、大小、保溫材料、保溫厚度、工質(zhì)溫度及散熱條件有關(guān)。

6 兩種保溫方式下的熱損耗對比

為了比較套層保溫與常規(guī)分體保溫的不同，我們選定兩種保溫形式中的熱油箱大小、形狀、保溫條件完全相同，常規(guī)分體保溫的冷油箱也與其熱油箱完全相同；不同的是套層保溫方法中冷油箱按前述規(guī)則制作；保溫層材料與厚度都相同。

常規(guī)分體保溫條件下總的熱損熱流量為：

可見，套層保溫方法與常規(guī)分體保溫方法的節(jié)能熱流量與熱油溫度與散熱環(huán)境溫度之差（tf1-tf3）有關(guān)、與散熱環(huán)節(jié)的熱阻分布有關(guān)。在保溫材料、厚度及保溫箱形狀大小一定的情況下，兩種保溫方法相比較時的節(jié)能熱流量Δφ 與熱油溫度與散熱環(huán)境溫度之差（tf1-tf3）成正比。

7 套層保溫與常規(guī)分體保溫的節(jié)能案例分析

參數(shù)取值及說明：

導(dǎo)熱油溫度tfi=300（℃）（使用320#導(dǎo)熱油，實(shí)驗(yàn)使用溫度）

環(huán)境溫度tf2=14.7（℃）（我國中部地區(qū)的年平均氣溫）

熱油箱1 保溫層巖棉的熱導(dǎo)率λ1=0.031+0.00018（tf1+tf2）/2（資料值）

冷油箱2 保溫層巖棉的熱導(dǎo)率λ2=0.031+0.00018（tf2+t3）/2（資料值）

導(dǎo)熱油與筒壁之間的表面換熱系數(shù)α1=110（W/m2·℃）（經(jīng)驗(yàn)值）

冷油箱2 外與空氣之間的表面換熱系數(shù)α2=11.6（W/m2·℃）（資料值）

導(dǎo)熱油的比熱容C=2.72kJ/kg·K（320#，300℃時，供應(yīng)商提供）

導(dǎo)熱油的密度ρ=850kg/m3（320#，300℃時，供應(yīng)商提供）

（1）利用上述數(shù)據(jù)并設(shè)定保溫層厚度δ1=50mm，δ2=50mm時，利用平衡方程可求得平衡溫度t0和24 小時熱損率η

由表2 數(shù)據(jù)可見：

當(dāng)熱油箱1 容積V 在5m3-100m3的范圍內(nèi)變化時，平衡溫度t0的變化量微小，平均值t0=151.8℃，最大偏差ζ=0.9%，所以我們可以認(rèn)為，在保溫材料和保溫厚度一定時，套層保溫方法下的熱油箱的平衡溫度是恒定的。

t0=151.8℃與tf1=300℃的比值是0.506，此比值包含在換熱組件4 低溫口溫度與高溫口溫度比值范圍之內(nèi)，即我們可以通過調(diào)整換熱器換熱面積、換熱工質(zhì)流量的方法使得換熱組件4的低溫口工質(zhì)溫度保持在平衡溫度t0，亦即我們完全可以用平衡溫度t0代表常規(guī)熱油保溫箱在相同保溫條件下的冷油箱2內(nèi)工質(zhì)的溫度tf2。

表2 不同容積下的平衡溫度t0 和24 小時熱損率η

24 小時熱損率η 隨著熱油箱1 容積V 的增大而降低，且η＜1%，說明套層保溫效果非常理想。

（2）用平衡溫度t0代表常規(guī)熱油保溫箱在相同保溫條件下的冷油箱2 內(nèi)工質(zhì)的溫度tf2，比較并分析在保溫層厚度δ1=50mm，δ2=50mm 時，套層保溫與常規(guī)熱油保溫箱相在保溫效果和節(jié)能方面的益處。

表3 套層保溫與常規(guī)保溫的保溫效果與節(jié)能效益

表4 套層保溫與常規(guī)保溫的經(jīng)濟(jì)效益比較

分析表3 的計算數(shù)據(jù)，我們可以得出如下結(jié)論；

套層技術(shù)的24 小時熱損率η1明顯優(yōu)于常規(guī)技術(shù)下的24小時熱損率η2，η1僅是η2的41%左右，即套層保溫的保溫效果明顯優(yōu)于常規(guī)技術(shù)；

從節(jié)能數(shù)據(jù)來看，套層保溫的24 小時節(jié)能(kwh）數(shù)量可觀，累積經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）套層保溫技術(shù)的綜合節(jié)能效益分析

為方便說明創(chuàng)新特征的經(jīng)濟(jì)效益，我們將24 小時節(jié)能量(kwh 數(shù)）折算為電費(fèi)。

綜合工業(yè)電價1.2 元/kwh

熱油箱和冷油箱的金屬材料使用鍍鋅鋼板：50 立方以下厚度3mm，50 立方以上厚度5mm,防護(hù)層厚度1mm，鍍鋅鋼板價格4.2 元/kg

保溫材料：巖棉，使用密度60kg/m3，材料價格195 元/m3；

價格來源于網(wǎng)絡(luò)報價；

表4 數(shù)據(jù)關(guān)系；

E=（A+B）-（C+D），G=10F-E；使用壽命10 年；僅計算材料費(fèi)，不含安裝、制作費(fèi)用。

分析表4 的計算數(shù)據(jù)，我們可以得出如下結(jié)論；

套層保溫方法的建造材料費(fèi)雖然比常規(guī)技術(shù)下的材料費(fèi)略高，但比起其節(jié)能價值來說幾乎可以忽略不計；

從長期來看，創(chuàng)新特征的節(jié)能效益特別顯著。