高輻射熱車間降溫及余熱回收裝置性能的實(shí)驗(yàn)研究

惠寵，羅會(huì)龍*，陳欣

（1-昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明 650500；2-中建安裝集團(tuán)有限公司上海分公司，上海 201206）

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能環(huán)保方面的日益重視，如何有效利用能源、回收各種余熱、減小對(duì)周圍環(huán)境的污染成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。在傳熱中只要物體的溫度高于“絕對(duì)零度”，物體總是不斷將熱能變?yōu)檩椛淠?，向外發(fā)出熱輻射。在工業(yè)車間，由于鍛造、熔煉、燒窯等生產(chǎn)操作，存在一些持續(xù)散發(fā)大量熱的個(gè)體熱源設(shè)備，這些熱設(shè)備的表面溫度通?？梢赃_(dá)到 100～1,000 ℃， 熱輻射強(qiáng)度往往能達(dá)到10,000 W/m2，導(dǎo)致工作區(qū)域的環(huán)境溫度甚至能高達(dá)100 ℃[1]。除生產(chǎn)工藝落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理外，由于能源系統(tǒng)缺乏余熱回收系統(tǒng),導(dǎo)致能源綜合利用率低,也是造成高能耗的重要原因[2]。

當(dāng)工人長(zhǎng)時(shí)間在這種高溫、高熱環(huán)境中工作時(shí)，將直接導(dǎo)致人體內(nèi)部水分大量散失，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)惡心、中暑等癥狀[3]，對(duì)生理系統(tǒng)造成不可逆損傷[4-6]。同時(shí)，車間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在高溫?zé)釢癍h(huán)境下工作，其內(nèi)部電機(jī)極有可能出現(xiàn)過(guò)載、短路等故障，輕則降低生產(chǎn)效率，重則造成人員傷亡事故或者使車間內(nèi)有害物質(zhì)泄漏[7-9]。因此研究如何降低車間內(nèi)的溫度非常有必要。

苗青等[10]對(duì)含有冷軋連續(xù)退火機(jī)組的冷軋車間熱濕環(huán)境進(jìn)行分析，其中有70%的熱量是輻射熱量。楊偉榮[11]對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)潔凈室進(jìn)行熱回收并計(jì)算，得出特別是在夏季工況時(shí)的熱回收，可使制冷設(shè)備節(jié)約大量的電、煤和氣。張穎等[12]對(duì)寶鋼企業(yè)鋼鐵生產(chǎn)散發(fā)的熱量進(jìn)行充分調(diào)研，得出冶煉區(qū)域總共散發(fā)的熱量高達(dá)2.5×105tce/a，如果不對(duì)設(shè)備的熱能進(jìn)行有效利用，則會(huì)造成能源的極大浪費(fèi)。吸收式制冷機(jī)和熱變換器在工業(yè)的余熱回收方面有較好的回收效果[13-14]。錢惠國(guó)等[15]通過(guò)研究導(dǎo)流罩爐壁散熱回收機(jī)理，設(shè)計(jì)出一種爐窯壁面散熱回收系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用到某鋼廠的軋鋼加熱爐中，計(jì)算得到爐壁的散熱回收率達(dá)到36.23%，有效減少了爐壁熱量散失。張俊月[16]對(duì)工業(yè)余熱進(jìn)行儲(chǔ)熱和回收，將熱量用于區(qū)域供熱相比燃?xì)夤嵊休^好的經(jīng)濟(jì)效果。在隔熱材料方面，張弛等[17]研究SiO2氣凝膠復(fù)合材料在隔熱方面的作用。國(guó)外NIU等[18]設(shè)計(jì)出一種熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，用于低溫余熱的回收。WU 等[19]使用各種湍流模型和DO 輻射模型對(duì)二維和三維密閉腔中空氣的湍流自然對(duì)流，進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究。HABEEBULLAH 等[20]利用熱管系統(tǒng)回收不銹鋼燃燒室內(nèi)的高溫?zé)崃俊?/p>

目前的研究主要是從隔絕熱源、增加通風(fēng)量、機(jī)械制冷來(lái)對(duì)車間環(huán)境進(jìn)行改善。隔絕熱源的成本較低、效果較好，增加通風(fēng)量只能局部改善車間熱環(huán)境，采用機(jī)械制冷效果好但投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，所以對(duì)于需要節(jié)約成本且有效改善車間熱環(huán)境的企業(yè)，隔絕熱源是一種理想的選擇。

本文采用一種能夠阻隔高輻射熱設(shè)備散發(fā)熱量到車間內(nèi)，同時(shí)將高輻射熱加以吸收利用的隔熱屏裝置，并對(duì)該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 隔熱屏裝置

1.1 隔熱屏工作原理

本文采用的阻隔高輻射熱設(shè)備向外散熱的隔熱屏物理模型結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2所示。涂有吸收涂層的吸熱板1 中，涂層可以提高吸熱板的輻射吸收率；吸熱板1 與外殼4 之間填充有保溫材料3 防止吸收的熱量通過(guò)外殼散失到車間；排管8 是異型管，內(nèi)壁結(jié)構(gòu)上有擾流發(fā)生器9，可以降低層流流態(tài)，增強(qiáng)湍流流態(tài)，增大水與管壁的傳熱系數(shù)。吸熱板1 與排管8 緊密接觸，外殼4 將吸熱板1、集管7、排管8 連接起來(lái)形成一個(gè)密閉的整體。絲堵將集管7 的一端進(jìn)行密封，防止流體外泄。

圖1 隔熱屏物理模型

圖2 隔熱屏A-A 剖面圖

當(dāng)高輻射熱設(shè)備釋放輻射熱量時(shí)，輻射的熱量被周圍的吸熱板1 吸收，同時(shí)從入口處進(jìn)入的換熱流體通過(guò)下側(cè)管道5 進(jìn)入隔熱屏內(nèi)部橫向設(shè)置的下側(cè)集管7，流入布有繞流發(fā)生器9 的排管8，灌滿排管8 后繼續(xù)流入橫向設(shè)置的上側(cè)集管7，然后從管道5 流出，隔熱屏裝置通過(guò)導(dǎo)熱與對(duì)流的換熱方式將熱量傳遞給流體。

1.2 隔熱屏裝置方案設(shè)計(jì)

圖3所示為隔絕熱源方案原理。

圖3 隔絕熱源方案原理

由于車間發(fā)熱量主要來(lái)自車間的高溫生產(chǎn)設(shè)備，其他設(shè)備和人體的散熱相對(duì)于高輻射熱設(shè)備散發(fā)的熱量可以忽略不計(jì)。為了阻隔高輻射熱設(shè)備持續(xù)向車間釋放熱量，采用一種阻隔散熱并且進(jìn)行余熱回收的隔熱屏裝置。將隔熱屏安裝在高輻射熱設(shè)備的周圍，形成完全包裹，阻隔高輻射熱設(shè)備與工作區(qū)域的熱量傳遞，讓高輻射熱設(shè)備運(yùn)行散發(fā)的熱量無(wú)法進(jìn)入工作區(qū)域；并利用流入到隔熱屏管道中的流體，帶走隔熱屏所吸收的熱量并產(chǎn)生熱水，實(shí)現(xiàn)余熱的回收利用。圖4所示為隔絕熱源方案實(shí)物。

圖4 隔絕熱源方案實(shí)物

2 降溫及余熱回收的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了模擬能夠持續(xù)散發(fā)熱量的高輻射熱設(shè)備，本實(shí)驗(yàn)采用4 個(gè)功率為2 kW 的不銹鋼w 型翅片加熱管來(lái)模擬高輻射熱設(shè)備的散熱，加熱管的尺寸（長(zhǎng)×寬）為430 mm×300 mm，翅間距為5 mm。實(shí)際工程中高輻射熱設(shè)備往往具有一定的高度，本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

隔熱裝置由3 塊隔熱屏組成，外殼采用鋁合金材料、管道材料為銅、保溫層材料為酚醛泡沫保溫板，每個(gè)隔熱屏中有8 個(gè)管徑為10、管間距為120 mm 的排管、有2 個(gè)管徑為22 mm 的集管。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布置

本實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)部布置有Pt100 鉑熱電阻，型號(hào)為WZPT-291，測(cè)溫范圍為-200～500 ℃，探頭材質(zhì)為不銹鋼，鉑熱電阻用于測(cè)量熱源表面溫度、房間內(nèi)部溫度和隔熱屏進(jìn)出口流體溫度。房間內(nèi)部布置6 個(gè)空氣溫度測(cè)點(diǎn)，分為3 層，其中Z11、Z21和Z31 為中心測(cè)點(diǎn)，垂直方向距地面的距離分別為0.3、0.75 和1.2 m，水平方向兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離為1.5 m，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

數(shù)據(jù)挖掘的過(guò)程是在海量數(shù)據(jù)中追尋有趣模式與認(rèn)知的過(guò)程，利用海量數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可有效針對(duì)大數(shù)據(jù)，從而在其中發(fā)現(xiàn)有用的信息與知識(shí)。針對(duì)海量數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的分類算法、關(guān)聯(lián)分析、聚類分析等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)顯然有些無(wú)力，因此為了提取與挖掘更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)，是人們對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的主要目的。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)分為3 個(gè)工況進(jìn)行，第一組實(shí)驗(yàn)研究在未搭建隔熱屏?xí)r，在翅片加熱管功率為8 kW 下室內(nèi)的溫度分布，分別測(cè)量了翅片加熱管表面的溫度變化，以及室內(nèi)6 個(gè)空氣測(cè)點(diǎn)的溫度變化。

第二組實(shí)驗(yàn)在搭建隔熱屏?xí)r，加熱管功率為8 kW 下室內(nèi)溫度的分布，為了保證隔熱效果，隔熱屏搭建后取消內(nèi)部的3 個(gè)測(cè)點(diǎn)Z11、Z21 和Z31，分別測(cè)量了隔熱屏外的3 個(gè)空氣測(cè)點(diǎn)的溫度變化。

第三組實(shí)驗(yàn)研究在搭建隔熱屏后，在保持隔熱屏裝置進(jìn)口流體溫度恒定的情況下，通過(guò)改變進(jìn)入隔熱屏裝置流體的進(jìn)口流量，分別測(cè)量在不同流量時(shí)隔熱屏裝置的出口溫度。

2.4 阻隔熱源散熱分析

熱源溫度變化曲線如圖7所示，熱源起始表面溫度為50 ℃，在加熱起始階段，熱源溫度值呈現(xiàn)較快的增長(zhǎng)速度，加熱經(jīng)過(guò)40 min 后，熱源表面溫度值逐漸趨向穩(wěn)定，溫度變化量逐漸趨向于0，溫度穩(wěn)定在450 ℃，可知翅片加熱管可以較好模擬車間內(nèi)的高輻射熱設(shè)備。

圖7 熱源溫度曲線

由圖8 可知，Z11、Z21 和Z31 這3 個(gè)測(cè)點(diǎn)最終穩(wěn)定在57、74 和80 ℃，說(shuō)明在垂直方向上越往上溫度越高，原因是處于下方的空氣受熱后密度減小，熱空氣上浮，溫度出現(xiàn)分層，同時(shí)從Z11、Z21和Z31 到達(dá)穩(wěn)定溫度時(shí)三條曲線的斜率可得，測(cè)點(diǎn)越靠上，溫度上升越快。在38～54 min，Z31 溫度出現(xiàn)一定范圍的波動(dòng)，原因是Z31 處熱空氣受到周圍冷空氣影響，使該點(diǎn)溫度出現(xiàn)一定幅度的波動(dòng)。

圖8 Z11、Z21、Z31 溫度變化曲線

由圖9～圖11 可知，在無(wú)隔熱屏?xí)rZ11 與Z12，Z21 與Z22，Z31 與Z32，在水平方向上也出現(xiàn)溫度差，且垂直高度越高，水平溫度的差值越大，Z31與Z32 處的水平差值最大，達(dá)到23 ℃，這是因?yàn)橄路降目諝馐軣岷竺芏葴p小，熱空氣上浮，導(dǎo)致上方的空氣擾動(dòng)加劇，所以差值最大。有無(wú)隔熱屏對(duì)測(cè)點(diǎn)的溫度影響很大，Z12、Z22 和Z32 這3 個(gè)測(cè)點(diǎn)在無(wú)隔熱屏?xí)r穩(wěn)定溫度分別達(dá)到54、56 和57 ℃；當(dāng)加了隔熱屏裝置后3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度基本都維持在25 ℃，兩者之間的溫差平均在30 ℃。

圖9 Z11 與Z12 溫度變化曲線

圖10 Z21 與Z22 溫度變化曲線

圖11 Z31 與Z32 溫度變化曲線

2.5 余熱回收能力分析

實(shí)驗(yàn)采用變頻增壓水泵，實(shí)時(shí)控制水流量大小，隔熱屏相互之間利用水管串聯(lián)連接，水從外接水管流入到隔熱屏內(nèi)部的排管中然后匯集到集管，依次通過(guò)隔熱屏1～3，吸收熱量后從外接水管流出。房間的環(huán)境溫度為62.19 ℃，水質(zhì)量流量大小分別為0.02、0.03、0.04 和0.05 kg/s，進(jìn)口水溫保持不變?yōu)?0 ℃，高輻射熱設(shè)備表面與環(huán)境的輻射換熱量按式(1)計(jì)算[21]：

管內(nèi)換熱流體的吸收熱量可按如下公式計(jì)算：

式中，Q為管內(nèi)換熱流體的吸收熱量，W；qw為隔熱屏排管內(nèi)換熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；cw為換熱流體的比熱容，J/(kg·K)；Two為換熱流體的出水溫度；Twi為換熱流體的進(jìn)水溫度。

系統(tǒng)的余熱回收效率按式(3)計(jì)算：

因此，當(dāng)水的質(zhì)量流量分別為0.02、0.03、0.04和0.05 kg/s 時(shí)，隔熱屏的出口水溫分別為76.81、57.97、48.54 和42.86 ℃；余熱回收效率分別為72.5%、72.7%、72.8%和72.9%，回收效果明顯。

3 結(jié)論

本文以高輻射熱車間為研究對(duì)象，利用翅片加熱管模擬車間的發(fā)熱設(shè)備，研究了隔熱屏裝置在車間降溫和余熱回收方面的作用。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了測(cè)點(diǎn)溫度和進(jìn)出口水溫，得到如下結(jié)論：

1）隔熱屏在未安裝時(shí)房間測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到55 ℃，安裝之后房間的溫度降低到25 ℃，降幅為30 ℃，說(shuō)明隔熱屏裝置可有效阻止熱源向周圍環(huán)境散熱，達(dá)到車間降溫的目的；

2）當(dāng)水質(zhì)量流量大小分別為0.02、0.03、0.04和0.05 kg/s 時(shí)，出水溫度分別為76.81、57.97、48.54和42.86 ℃，余熱回收效率分別為72.5%、72.7%、72.8%和72.9%，回收效果明顯。