制冷循環(huán)系統(tǒng)廢熱再生交換器及其應(yīng)用的設(shè)計(jì)研究

摘 要：制冷循環(huán)系統(tǒng)廢熱再生交換器及其應(yīng)用采用了系列有效措施，可以對(duì)制冷系統(tǒng)廢熱進(jìn)行收集，并使高溫的廢熱與冷水進(jìn)行有效的熱交換，產(chǎn)出熱水。該裝置廢熱回收率高；一年四季穩(wěn)定供應(yīng)熱水；產(chǎn)品在制冷系統(tǒng)中的安裝、運(yùn)行、水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)、水垢清洗、保溫效果都很好；投資小，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：廢熱收集；雙層螺旋管；相變恒溫儲(chǔ)熱

任何制冷循環(huán)系統(tǒng)在工作中為了實(shí)現(xiàn)熱平衡，都會(huì)向大自然排放熱量。制冷循環(huán)系統(tǒng)向大氣中排放的熱量稱(chēng)為“廢熱”。制冷循環(huán)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不停地工作，排出的廢熱數(shù)量相當(dāng)龐大，形成溫室效應(yīng)，造成環(huán)境污染，能源大量浪費(fèi)。與此同時(shí)，凡是需要制冷系統(tǒng)工作的企業(yè)和工廠，在生產(chǎn)和職工生活中又需要大量的熱水，要消耗大量的煤、油、電、汽等能源來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些能源在消耗過(guò)程中，相當(dāng)部分又是以廢熱的形式排放到大氣中去，對(duì)人類(lèi)賴以生存的地球環(huán)境造成極大的破壞。社會(huì)迫切需要研制一種能夠使制冷循環(huán)系統(tǒng)排放的廢熱再生，并用它加熱冷水，節(jié)約大量煤、電、汽、油，實(shí)現(xiàn)定量、恒溫的熱水供應(yīng)。

制冷循環(huán)系統(tǒng)廢熱再生交換器可以對(duì)制冷系統(tǒng)廢熱進(jìn)行收集，使高溫的廢熱與冷水進(jìn)行有效的熱交換，生產(chǎn)出熱水。廢熱再生交換器產(chǎn)品采用了一系列有效措施，廢熱回收率高；不受環(huán)境溫度影響，一年四季穩(wěn)定供應(yīng)熱水；產(chǎn)品在制冷系統(tǒng)中的安裝、運(yùn)行、水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)、水垢清洗都很方便；投資小，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

1 制冷循環(huán)系統(tǒng)廢熱再生交換器的工作原理

安裝有廢熱再生交換器的單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)如圖1所示[2]，箭頭表示制冷劑循環(huán)和熱水流動(dòng)的方向。廢熱再生交換器53安裝在制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)51和制冷系統(tǒng)的冷凝器55之間。制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)從制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器57吸入低壓、低溫制冷劑液體蒸氣，經(jīng)過(guò)制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)壓縮，使其壓力和溫度升高后引入廢熱再生交換器中，在高溫狀態(tài)下自動(dòng)向冷水放出熱量，進(jìn)行熱交換，其壓力并不變；經(jīng)制冷系統(tǒng)的冷凝器后，被冷凝成高壓液態(tài)；高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)制冷系統(tǒng)的節(jié)流裝置56，壓力降低后進(jìn)入制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器57，低壓、低溫制冷劑混合物在制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器內(nèi)，壓力不變，不斷吸熱（制冷過(guò)程）。制冷劑蒸氣又重新進(jìn)入制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)，進(jìn)行新一輪循環(huán)。這樣，制冷劑便在系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過(guò)壓縮、交換器、冷凝器、節(jié)流、蒸發(fā)等五個(gè)過(guò)程完成了一個(gè)完整的制冷循環(huán)。

2 廢熱再生交換器把冷水加熱的工作方式

制冷循環(huán)系統(tǒng)廢熱再生交換器的結(jié)構(gòu)和供熱裝置的工作原理如圖2、圖3、圖4所示。

圖3局部放大圖A。18雙層螺旋管箱蓋固定座 19貯水箱冷水出口 20雙層螺旋管除垢清洗液接入口 21雙層螺旋管冷水腔，22高溫制冷劑引入管，23高溫制冷劑引入管支架，24引入管支座，25高溫制冷劑引入管進(jìn)口 26貯水箱冷水管出口固定座 27冷水貯水箱 28電輔加熱裝置 29太陽(yáng)能與貯水箱連接管機(jī)構(gòu) 30太陽(yáng)能加熱裝置 31交換器箱蓋外保溫層 32交換器的金屬箱蓋 33交換器內(nèi)鍍涂隔熱層 34雙層螺旋管箱內(nèi)固定支座。

圖4，局部放大圖B， 35交換器熱水管出口 36貯水罐熱水入口 37雙層螺線管出口固定座 38交換器箱體外保溫層 39交換器金屬箱體 40交換器內(nèi)隔熱層 41雙層螺旋管套裝固定支釘 42雙層螺線管箱內(nèi)下固定座 43放熱水的水龍頭 44熱水控制閥門(mén) 45貯水罐熱水水管 46熱水貯水罐 47熱水進(jìn)入管固定座 48 廢熱引出管支架 49 廢熱引出管支座 50 廢熱引出管。

廢熱再生交換器如何實(shí)現(xiàn)熱交換？[1]雙層螺旋管2的內(nèi)管22經(jīng)高溫制冷劑引入管進(jìn)口25與制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)的出口管相連；雙層螺旋管的外管冷水進(jìn)口腔21與冷水貯水箱冷水出口19相連；當(dāng)冷水進(jìn)入外管中，制冷循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫、高壓制冷劑蒸氣會(huì)向外散發(fā)熱量，對(duì)管外腔的冷水進(jìn)行首次加熱。此時(shí)的高溫制冷劑蒸氣溫度會(huì)高達(dá)80-120℃，經(jīng)過(guò)與外腔冷水的一定的交換時(shí)間，局部可以把冷水加熱到80℃以上。隨著高溫蒸氣的繼續(xù)進(jìn)入，會(huì)對(duì)后進(jìn)的冷水繼續(xù)加熱；外腔冷水的溫度達(dá)到55℃，多余的熱量會(huì)被交換器內(nèi)冷水腔外的相變恒溫組合儲(chǔ)熱材料4吸收。儲(chǔ)熱材料就會(huì)因吸熱融化產(chǎn)生相變，達(dá)到55℃以上的溫度，把熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)。儲(chǔ)存的熱量可以對(duì)不斷進(jìn)入冷水腔的冷水，進(jìn)行第二次加熱。我們只要控制進(jìn)入冷水的流動(dòng)速度，控制冷水在交換器箱內(nèi)的停留時(shí)間，就可以保證冷水溫度達(dá)到生活用水的溫度（55℃以上），保證廢熱再生交換器能生產(chǎn)恒溫?zé)崴４藷崴畷?huì)不斷經(jīng)交換器熱水管的出口35，貯水罐熱水入36進(jìn)入熱水貯水箱罐46中保存，滿足工廠生產(chǎn)和生活對(duì)熱水的需求。廢熱、熱水的出口閥門(mén)9處，安裝有溫控傳感器座、感溫頭和電磁閥門(mén)，檢測(cè)熱水溫度，隨機(jī)調(diào)節(jié)熱水溫度。

供熱水系統(tǒng)設(shè)備的工作原理：供熱系統(tǒng)分為冷水貯水箱27、熱水貯水罐46兩大部分。引入的外部自來(lái)水首先進(jìn)入安裝了太陽(yáng)能加熱裝置30的冷水貯水箱，把冷水初步保溫，或經(jīng)太陽(yáng)能加熱裝置預(yù)熱后再進(jìn)入冷水貯水箱保存。然后再引入廢熱再生交換器內(nèi)進(jìn)行加熱；廢熱再生交換器加熱的熱水引入熱水貯水罐46中保存；工廠企業(yè)生產(chǎn)和生活用熱水可經(jīng)閥門(mén)、水龍頭43放出。

廢熱再生交換器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式有立式和臥式兩種。[3]每種形式又設(shè)計(jì)為：適合單級(jí)制冷壓縮循環(huán)系統(tǒng)的廢熱再生交換器，適合用于復(fù)疊式制冷壓縮循環(huán)系統(tǒng)的廢熱再生交換器。用戶可根據(jù)自己的需要選用。

3 制冷循環(huán)系統(tǒng)廢熱再生交換器及供熱裝置的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 特種雙層、中空的金屬螺旋管為廢熱再生交換器進(jìn)行熱交換的最主要部件。它的外管與內(nèi)管之間的空腔是通過(guò)來(lái)自冷水貯存水箱中的冷水，內(nèi)管中間的管道腔是通過(guò)來(lái)自制冷壓縮機(jī)的高溫高壓氣態(tài)制冷劑。繞成內(nèi)直徑大于500mm螺旋狀，盡量擴(kuò)大高、低溫度的接觸面積和時(shí)間、進(jìn)行充分熱交換。加工時(shí)雙層、中空的特種金屬螺旋管兩管相套，采用高頻對(duì)接焊接的方法焊接成螺旋管狀。安裝時(shí)雙層螺旋管必須保證在交換器箱內(nèi)的穩(wěn)定、牢固。然后把融化了的恒溫組合儲(chǔ)熱材料，灌入交換器箱體內(nèi)，不留空隙，能夠充分發(fā)揮二次加熱作用。這種雙層、中空的金屬螺旋管可提高廢熱的回收率。

3.2 相變恒溫組合儲(chǔ)熱技術(shù)也是交換器的關(guān)鍵技術(shù)。相變恒溫組合儲(chǔ)熱材料為石蠟+石墨+六水氯化鈣的混合物：相變恒溫材料是根據(jù)物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)需要吸收或放熱的性質(zhì)，進(jìn)行熱能的儲(chǔ)存或釋放。混合物的相變溫度（融化 凝固）與目標(biāo)溫度（高品位熱源回收裝置為55℃、低品位熱源回收裝置為30℃）一致。添加石墨以提高其熱導(dǎo)率。當(dāng)制冷循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，冷凝器內(nèi)高溫氣態(tài)制冷劑的熱量和管外冷水發(fā)生熱交換，水溫上升到設(shè)定目標(biāo)后，多余的熱量則被相變儲(chǔ)熱材料吸收，它由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，將超過(guò)目標(biāo)溫度的多余熱量吸收儲(chǔ)存。當(dāng)水溫低于目標(biāo)溫度時(shí)，相變儲(chǔ)熱材料在由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程中，放出的熱量傳遞給低溫水進(jìn)行二次加熱。

3.3 采用溫控電磁閥門(mén)控制冷水進(jìn)入流速的調(diào)節(jié)技術(shù)。[4]在廢熱再生交換器冷水進(jìn)入口19安裝流速控制閥門(mén)。當(dāng)廢熱再生交換器的熱水高于55℃時(shí)，感溫頭傳感器通過(guò)電磁控制閥門(mén)，把閥門(mén)開(kāi)大些，加快冷水進(jìn)入流速流量，可以降低水溫，增大熱水產(chǎn)量；當(dāng)熱水低于55℃時(shí)，感溫頭傳感器可以把電磁控制閥門(mén)開(kāi)小些，降低冷水進(jìn)入的流量提高水溫。溫控電磁閥門(mén)自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)保證廢熱再生交換器生產(chǎn)定量、恒溫的熱水。

3.4 應(yīng)用了六通閥門(mén)技術(shù)。廢熱再生交換器裝有廢熱、熱水出口閥門(mén)及溫控傳感器座9，其中溫度表、壓力表、流量表、溫控電磁閥門(mén)感溫頭傳感器、進(jìn)口、出口等數(shù)據(jù)顯示表都安裝在六通閥門(mén)座9上，專(zhuān)用的六通閥門(mén)的安裝在冷凝劑出口50和熱水的出口35處，運(yùn)行數(shù)據(jù)可以及時(shí)顯示。

3.5 雙層、中空的特種金屬螺旋管的進(jìn)口和出口交匯處采用了特殊的焊接技術(shù)。為了控制雙層、中空的特種金屬螺旋管內(nèi)冷水、高溫氣態(tài)制冷劑的順利通過(guò)，焊接前要保證兩個(gè)管道的位置正確、牢固，采用專(zhuān)用焊接夾具固定，最后進(jìn)行焊接。焊接中要保證焊縫均勻，焊后進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理，保證以后工作中不變形。必須進(jìn)行加壓檢驗(yàn)，保證使用中水、氣不泄不漏后進(jìn)行固定。

3.6 雙層、中空的特種金屬螺旋管及水箱的水垢的清洗技術(shù)。系統(tǒng)安裝了雙層螺旋管水垢清洗泵。在長(zhǎng)期的工作中，夾層管更容易結(jié)水垢，定期進(jìn)行清洗工作。污垢清洗泵可以通過(guò)件20除垢清洗液接入口位置的雙向接頭，與雙層金屬螺旋管外管連接。并把GJ-4E除水垢清洗劑按比例加入清水中，用較高壓力壓入雙層螺旋管中，利用循環(huán)流動(dòng)或浸泡法清洗，循環(huán)清洗時(shí)間保證2-4小時(shí)即可。

3.7 交換器金屬箱體和熱水貯水箱的隔熱、保溫技術(shù)。交換器金屬箱體39內(nèi)壁用金屬鍍涂方法鍍一層銀白色金屬鋁隔熱層40，金屬箱體39外壁噴涂38為ZS-1型耐高溫隔熱保溫涂料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W/m.K，可抑制高溫物體熱量的散失。施工方便，隔熱保溫效果好。

3.8 冷水貯水箱的功用。廢熱再生交換器前段設(shè)有貯存冷水的水箱件27。冬季自來(lái)水水溫低，直接引入交換器內(nèi)時(shí)加熱效果不理想。為此，在廢熱再生交換器前段設(shè)有冷水箱，用來(lái)貯存即將進(jìn)入廢熱再生交換器的自來(lái)水。利用裝有電輔助加熱的太陽(yáng)能箱蓋的裝置來(lái)提高水的溫度，保障一年四季都能供應(yīng)溫度一定的熱水。

3.9 廢熱再生交換器后端的熱水貯水罐的保溫隔熱技術(shù)。熱水貯水罐46用來(lái)貯存生產(chǎn)的熱水，要有較好的保溫效果。罐內(nèi)壁用金屬鍍涂方法鍍一層銀白色金屬鋁，外層裝有ZS-1型耐高溫隔熱保溫涂料，可以保持70%的熱量不損失，施工方便，隔熱保溫效果好。

3.10 推廣廢熱再生交換器及其供熱水裝置的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

經(jīng)濟(jì)效益：經(jīng)試驗(yàn)廢熱再生交換器廢熱的實(shí)際利用率可達(dá)到10%左右。據(jù)調(diào)查，一般中型食品工廠的制冷系統(tǒng)放出的熱量都在幾百千瓦至幾千千瓦，設(shè)備每天平均工作都在16-24小時(shí)，若按10%計(jì)算，每天產(chǎn)生的廢熱量是十分巨大的。例如，一臺(tái)8缸170型活塞式制冷壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況，每小時(shí)產(chǎn)熱量為：512+190=702kw。按每年運(yùn)行8000小時(shí)。每年產(chǎn)生熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤：702×8000×0.404/1000=2269噸。若達(dá)到利用產(chǎn)生熱量的10%計(jì)算，相當(dāng)于2269×0.10=227噸標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱量。標(biāo)煤按每噸600元計(jì)算，價(jià)值136200元。我們?cè)诖酥评鋲嚎s機(jī)系統(tǒng)中配備這種“制冷循環(huán)系統(tǒng)廢熱再生交換器及其供熱裝置”后，每年最少節(jié)約百萬(wàn)元以上。

一個(gè)普通的中型食品工廠正常運(yùn)行，可配備這種當(dāng)量的“制冷循環(huán)系統(tǒng)廢熱再生交換器及其供熱裝置”應(yīng)該在20臺(tái)以上。一座城市都會(huì)有數(shù)十家這樣的工廠，可配裝該當(dāng)量的廢熱再生交換器設(shè)備的數(shù)量更多。每年節(jié)約費(fèi)用更加巨大。

社會(huì)效益：采用本廢熱再生交換器后，將會(huì)明顯地減少向自然環(huán)境的廢熱排放量。對(duì)于減少碳排放，減少溫室效應(yīng)，對(duì)于能源循環(huán)利用、保護(hù)地球環(huán)境會(huì)起著巨大的作用。縱觀全球，擁有大型制冷循環(huán)系統(tǒng)的食品、化工、啤酒、制藥、電子、醫(yī)院等企業(yè)數(shù)以千萬(wàn)計(jì)，在生產(chǎn)過(guò)程中能采用此技術(shù)，每年節(jié)約的生產(chǎn)成本、減少的廢熱排放，環(huán)境保護(hù)等作用非常巨大。

參考文獻(xiàn)

[1]張軍合，崔國(guó)榮.食品機(jī)械與設(shè)備[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 2012.8.第一版.

[2]勞動(dòng)和社會(huì)保障部教材辦公室組織.制冷技術(shù)基礎(chǔ).北京：中國(guó)勞動(dòng)和社會(huì)保障出版社，2006.1.第五次印刷.

[3]勞動(dòng)和社會(huì)保障部教材辦公室組織.制冷基本操作技能.北京：中國(guó)勞動(dòng)和社會(huì)保障出版社，2007.1.第六次印刷.

[4]章宏甲.金屬切削機(jī)床液壓傳動(dòng)[M].江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1984.3. 第六次印刷.

作者簡(jiǎn)介：崔國(guó)榮（1942，9-），男，籍貫：湖北老河口市、華中科技大學(xué)機(jī)電系本科畢業(yè)、漯河食品職業(yè)學(xué)院教師，技術(shù)職稱(chēng)：教授、專(zhuān)業(yè)技術(shù)拔尖人才，從事工作或研究方向、機(jī)電系主任、機(jī)電專(zhuān)業(yè)科研、教學(xué)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。