余熱回用裝置的設計原則研究

陳威

摘要：熱能作為現代工業生產的重要能量形式，與電能、機械能一同被稱為現代工業驅動力的“三駕馬車”。由于熱能無法長期儲存和長距離運輸，在生產使用過程中的熱量散失及余熱浪費，給企業造成了額外的成本負擔。為了提升熱能的利用率，余熱回用裝置通過將游離態的熱能導入水、油等儲熱介質，實現對熱能輸送和轉移，提升系統熱效率，降低熱能浪費，這一裝置在發電工業、涂裝印花等多個領域有著廣泛的應用。為了完善余熱回用裝置的設計方案，本文基于余熱回用裝置的功能需求和回用方式，對余熱回用裝置的設計原則進行探討。

關鍵詞：工業生產；余熱回用；熱效率；廢氣處理；機械設計

1 引言

熱能是目前工業生產過程中必不可少的能量形式，但是由于熱能易散失、難儲存的物理特性，使得熱能在使用過程中的浪費情況較為嚴重，具體表現為熱效率偏低。目前常用的熱能機械，如內燃機熱效率一般小于50%，鍋爐熱效率一般在80%左右，涂裝固化爐熱效率一般在70%。熱效率的提升伴隨的是直接經濟效益提升，因此如何能夠提升系統的熱效率，成為熱能利用領域時刻關注的重點問題。目前提升熱效率最有效的辦法是將余熱進行回用，通過余熱回用裝置，對使用過的熱量進行轉換、輸送、再利用，輸入到其它需求熱能的領域。作為工業熱能的關鍵設備，余熱回用裝置的適用性和可靠性直接決定了系統熱效率的提升幅度。因此有必要針對余熱回用裝置的設計原則開展研究工作。

2 余熱回用裝置的熱能回用原理及功能需求

熱量回用原理如下，我們制造的設備其中一類用于彩涂廠、印刷廠等有機廢氣排放企業。熱能回用原理是將固化爐中有機廢氣通過高溫裂解為二氧化碳和水，其中一部分的熱能通過多組新風換熱器換熱后進入固化爐循環使用，另外一部分熱能通過多組廢氣換熱器換熱降溫后排入大氣，熱效率達到95%，同時裂解后的氣體不會對環境造成污染，有效的降低了熱能浪費。

余熱回用裝置其中一種多為液態良性導體，如導熱溶液等良導體，另外一種多為通過氣態換熱形式的回用裝置，根據使用需求和末端熱能去向不同，對余熱回用裝置的需求也不相同，目前常用的需具備以下幾點需求：第一、熱量的穩定輸入。需要連續的導入熱量，以確保將熱量連續的輸入回用裝置。第二、熱量的高效率傳輸。余熱回收裝置的核心功能是將熱量轉移，在轉移過程中盡量避免熱量的散失，一般要求熱量傳輸的效率達到95%。第三、確保余熱回用裝置的合理布置。余熱回用裝置一般連接于設備之間，需要具備設計合理、連接方便，換熱面積合理分配，布置靈活等特點。

3 余熱回用裝置的設計原則

余熱回用裝置與一般的機械裝置相同，為保證高效的運行，首先從設計層面入手，根據用途分為態液和氣態選擇設計，液態按照不同介質分類。氣態按照低溫廢氣和高溫廢氣進行分類設計。為了提升裝置的實際效能，有必要對余熱回用裝置的設計原則進行研究。

3.1 “三化”原則

余熱回用裝置的設計工作，首先需要滿足機械設計工作中最基本的“三化”原則，即標準化、通用化和系列化。標準化原則，以滿足設備生產能力為保證，通過標準化的零部件設計方式，盡量避免非標件的產生。通用化原則，是以提升設備適用環境的原則，由于余熱回用裝置可應用于不同的工業領域，需要設備具有較高的通用性，且零件具備一定的互換性，多采用國家標準件，以滿足后期保養維護的需求。系列化原則，是滿足設備橫向發展需要的原則。在設備開發與生產過程中，為了能夠覆蓋更多的客戶，往往需要在基礎型號上進行改進或改造，使其能夠滿足廣大客戶的不同需求。

3.2 可靠性原則

余熱回用裝置是工業生產過程中重要的熱能輸送裝置，被認為是工業生產的樞紐，需要具備較高的可靠性。滿足可靠性原則常通過設計加以實現；第一、冗余設計。冗余設計是提升機械系統可靠性的重要設計方式，其核心理念在于通過關聯的多個相同功能的機構，實現系統功能的分攤，減小因一個零件失效造成設備整體失靈的風險，多個組件進行合理的設計，就是冗余設計原則的體現。第二、提升系統安全系數，在設計工作中，需要對材料進行選擇，對于主要支撐或高溫區域，需選擇不同材質的材料并加固的方式，提升系統安全系數，以保證設備運行的穩定性和安全性。第三、超額設計。超額設計是提升裝置可靠性的重要設計思路之一，其核心理念在于在實際的運行工況需求下，通過乘以一定的安全系數，實現對單元機的過載需求，當滿足過載的需求后，即可保證單元機正常情況下的基本運行需求。

3.3 拓展性原則

考慮到余熱回用裝置的使用環境、安裝要求、以及設備之間的連接一般較為復雜，這就需要余熱回用裝置具有一定的拓展性，以滿足不同工況的需要。滿足拓展性原則，可以采用模塊化的設計理念，模塊化設計指的是將裝置設計為可以自由拆裝的單元機部件，或可以在裝置與裝置間實現自由的拼接，以達到安裝布置的需求。模塊化設計需要余熱回用裝置具有通用的接口類型，且通過增加簡易連接件的方式，降低安裝和拆卸難度，以實現裝置的拓展需要。

4 結論

余熱回用裝置是一種能夠熱量高效利用的重要裝置，裝置的設計水平直接關系到裝置的

實際使用效果。作為工業生產中必不可少的熱量回用設備，有必要對余熱回裝用置的設計原則進行研究。本文通過對余熱回用裝置的應用需求和工作原理的分析，提出了裝置需要具備“三化”原則、可靠性原則和拓展性原則的設計原則，通過明確的設計原則進行指引，以及提升設備的整體質量水平和實際應用效果。

參考文獻

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（作者單位：江陰志海環保機械有限公司）