新型高效、節能蒸汽生成系統探究

鐘立榮

（珠海共同低碳科技股份有限公司，廣東 珠海 519090）

隨著社會工業化進程的發展，蒸汽生成系統在各行各業中的地位變得越來越重要，常見的蒸汽生成系統涉及多個領域，如化工、制藥、烘烤等，可見蒸汽生成系統應用之廣泛。然而，在國家提倡各行各業節能減排、環保增效的熱潮下，這也意味著對新型高效、節能蒸汽生成系統需求也在不斷增加。本文將對新型高效、節能蒸汽生成系統的高效、節能特性及經濟性、維護簡便性進行針對性的探討。

1 CB“水”機理簡述

常態水（即1標準大氣壓、常溫下，密度1000kg/m3）通過“CB”專用設備獲得能量，使微觀水分子間距加大（克服范德華力Van De Val force），使得常態水從大分子團(large cluster)變化為小分子團(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，其狀態亦不會改變。“CB”水機理特點有：

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

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

（3）無接觸及化學反應，態的轉變純是物理性(pure physical change) 。

（4）采用動能(potential and kinetic energy)、壓電能(piezo-electric energy)、旋渦能(vortex energy) 、稀土能(rare earth energy) ，結合物理學上流水帶電的基本理論，產生能量來增長水的氫鍵。

2 “CB”水“蒸汽發生器”設備機理簡述

按常規冷、熱介質之間熱傳遞皆是通過熱傳導、熱輻射實現的，尤其是冷測介質之間還存在熱傳導、熱輻射過程（例如，各種列管式換熱器），則吸熱時間長，效益不為最佳。

“CB”水“蒸汽發生器”利用“CB”水機理特點，設備內設置了特種噴頭作原子化(atomization)、傳熱盤（板）等。“CB”水通過泵以壓力7～15(bar)壓入，然后經噴頭霧化噴射在吸熱面上，直接及間接進行吸熱蒸發。當然，有部分的熱能同時亦是經輻射熱傳來，藉以增加受熱能。由于“CB”水經原子化，其表面面積(total surface area) 已增大很多，一旦接受了熱能，便瞬間轉化成蒸汽。

與常規換熱設備相比（如列管式、板式、蒸汽鍋爐等，總傳熱系數“K”值考慮了冷介質內的熱傳導、熱輻射、相變等因素，即其計算值是去介質換熱面換熱行程上的平均值），因大大減少或消除了冷介質內的熱傳導、熱輻射過程；加上快速吸熱蒸發，“K”可以視為傳熱初始的最佳定值，顯然對于同類物質的熱交換“K”值得到增大。根據熱交換方程Q=KA⊿tm（Q為傳熱速率，W；K為比例系數，總傳熱系數，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”值設定在一可變范圍內，吸熱量的大小主要取決于“K”的大小。所以，使用該設備就明顯提高了產汽效益。時間相對就短很多。設備簡圖如圖1。

圖1

3 1t/h蒸汽生成系統工藝原理

“CB”水物質與“蒸汽發生器”設備機理是本系統核心工藝原理。

操作基本原理過程是熱載體導熱油經鍋爐加熱到270℃（出口260～265℃），采用泵打入“CB”“蒸汽發生器”夾套中（換熱面積S=8m2），5～10min后，“CB”水經水泵打入設備內噴頭進行噴射霧化(atomization)。在此過程中，自控系統自動根據罐內蒸汽壓力的變化，自動調整水泵噴射壓力，始終保證“CB”水噴射壓力基本恒定在7bar。10～15min設備壓力表與溫度計顯示處于恒定，讀數：壓力-0.7MPa、溫度170℃，即罐內形成了此狀態的飽和水蒸汽。

按此狀態運行1h,系統連續可產飽和水蒸汽1t.

№：以此同樣工藝與相應設備，采用常態水進行對比運行：

在設備壓力與溫度顯示處于恒定下，讀數：壓力-0.7MPa、溫度-170℃，即罐內形成了此狀態的飽和水蒸汽。

按此狀態運行1h,系統連續產飽和水蒸汽0.815t.停機排放水量為 0.185t(溫度 -90～95℃ )。

4 1t/h蒸汽生成系統工藝流程圖（圖2）

5 數據分析

符號：

熱側：Q1為熱負荷(按1h單位時間、以常態水物質屬性計算，生成1t飽和水蒸汽實際傳出的熱負荷，設定值為：710kW）kW。

冷側：Q2為(CB水）吸熱量kW；Q3為(常態水）吸熱量kW。

5.1 試驗數據統計

CB水（運行）：飽和水蒸汽實際測試狀態（產飽和水蒸汽1000kg/h,飽和狀態：t=170℃，P=0.7MPa）：

Q2=M2Co2，

M2=1000kg/h(按設定實際輸入流量）

Co2：比焓-查表：2538.47kJ/kg

Q2=1000×2538.47=2538470kJ=705.13kW。

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

設備內無飽和蒸汽下的飽和水。

常態水（運行）：飽和水蒸汽實際測試狀態-產飽和水蒸汽815kg/h,飽和狀態：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 (實際蒸發量）

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：單位時間總吸熱量

Q3=Q3’+Q3”=574.68+8.92=583.60kw。

Q1=Q2>Q3

5.2 試驗數據分析

根據Q1=Q2=705.13kW，Q=KA⊿tm,計算“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·℃ )

查閱換熱相關手冊“K”實驗數據統計范圍，常規油水換熱總傳熱系數“K”值一般取值在100～600范圍內（在使用常規設備作熱交換時，工程上一般保守取值為450～500，尤其是當介質有相變時，取值要更低一些）。

同時，又據Q1=Q2>Q3。

得到結論一：“CB”水“蒸汽發生器”設備與CB“水”機理是完全成立的。二者機理的結合，通過換熱總傳熱系數“K”的提高，大大提高了產汽效益。具體能效計算如下：

根據數據：CB水-飽和蒸汽生成量：1000kg/h；

常態水-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%。

這是常態水采用“CB”水“蒸汽發生器”作為熱交換設備才有的能效與相應能效提高率。如果采用常規熱交換設備，很顯然其能效率會更高一些。

得到結論二：CB水與常態水只是在分子團大小上有改變，即是分子間距的改變，系水物理狀態的微觀變化。這種克服范德華力所做的功可視為物質密度的微觀變化（變小），即沒有顯熱的表現，從上實驗結果與換熱量計算結果來看，也沒有或可忽略不計潛熱。所以在工程換熱計算時，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常態水生成1t飽和水蒸汽所需吸收的熱量是相等的。

6 結語

從投入成本來看，常規換熱設備構成有管板、換熱管、配套大型法蘭等，加上制造工藝煩瑣，則相應造價與維護成本高；“CB”水“蒸汽發生器，設備構成中沒有管板、換熱管、大型法蘭等，則制造工藝簡單，相應造價與維護成本也會低很多。再者，從產汽能效來看，前面已闡明。綜上所述，無論從經濟性，還是從系統運行操作與維護簡便性上看，都有較大推廣、運用價值；從社會的需求來看，新型高效、節能蒸汽生成系統是蒸汽生成系統的發展方向。