高輻射熱車間降溫及余熱回收裝置性能的實驗研究

惠寵，羅會龍*，陳欣

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

0 引言

隨著我國對節能環保方面的日益重視，如何有效利用能源、回收各種余熱、減小對周圍環境的污染成為人們關注的熱點。在傳熱中只要物體的溫度高于“絕對零度”，物體總是不斷將熱能變為輻射能，向外發出熱輻射。在工業車間，由于鍛造、熔煉、燒窯等生產操作，存在一些持續散發大量熱的個體熱源設備，這些熱設備的表面溫度通常可以達到 100～1,000 ℃， 熱輻射強度往往能達到10,000 W/m2，導致工作區域的環境溫度甚至能高達100 ℃[1]。除生產工藝落后、產業結構不合理外，由于能源系統缺乏余熱回收系統,導致能源綜合利用率低,也是造成高能耗的重要原因[2]。

當工人長時間在這種高溫、高熱環境中工作時，將直接導致人體內部水分大量散失，嚴重時出現惡心、中暑等癥狀[3]，對生理系統造成不可逆損傷[4-6]。同時，車間內的生產設備長時間在高溫熱濕環境下工作，其內部電機極有可能出現過載、短路等故障，輕則降低生產效率，重則造成人員傷亡事故或者使車間內有害物質泄漏[7-9]。因此研究如何降低車間內的溫度非常有必要。

苗青等[10]對含有冷軋連續退火機組的冷軋車間熱濕環境進行分析，其中有70%的熱量是輻射熱量。楊偉榮[11]對半導體工業潔凈室進行熱回收并計算，得出特別是在夏季工況時的熱回收，可使制冷設備節約大量的電、煤和氣。張穎等[12]對寶鋼企業鋼鐵生產散發的熱量進行充分調研，得出冶煉區域總共散發的熱量高達2.5×105tce/a，如果不對設備的熱能進行有效利用，則會造成能源的極大浪費。吸收式制冷機和熱變換器在工業的余熱回收方面有較好的回收效果[13-14]。錢惠國等[15]通過研究導流罩爐壁散熱回收機理，設計出一種爐窯壁面散熱回收系統，并將此系統實際運用到某鋼廠的軋鋼加熱爐中，計算得到爐壁的散熱回收率達到36.23%，有效減少了爐壁熱量散失。張俊月[16]對工業余熱進行儲熱和回收，將熱量用于區域供熱相比燃氣供熱有較好的經濟效果。在隔熱材料方面，張弛等[17]研究SiO2氣凝膠復合材料在隔熱方面的作用。國外NIU等[18]設計出一種熱電發電機系統，用于低溫余熱的回收。WU 等[19]使用各種湍流模型和DO 輻射模型對二維和三維密閉腔中空氣的湍流自然對流，進行數值模擬分析研究。HABEEBULLAH 等[20]利用熱管系統回收不銹鋼燃燒室內的高溫熱量。

目前的研究主要是從隔絕熱源、增加通風量、機械制冷來對車間環境進行改善。隔絕熱源的成本較低、效果較好，增加通風量只能局部改善車間熱環境，采用機械制冷效果好但投資和運行費用較高，所以對于需要節約成本且有效改善車間熱環境的企業，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備散發熱量到車間內，同時將高輻射熱加以吸收利用的隔熱屏裝置，并對該裝置進行實驗研究。

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備向外散熱的隔熱屏物理模型結構如圖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外殼散失到車間；排管8 是異型管，內壁結構上有擾流發生器9，可以降低層流流態，增強湍流流態，增大水與管壁的傳熱系數。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 連接起來形成一個密閉的整體。絲堵將集管7 的一端進行密封，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

當高輻射熱設備釋放輻射熱量時，輻射的熱量被周圍的吸熱板1 吸收，同時從入口處進入的換熱流體通過下側管道5 進入隔熱屏內部橫向設置的下側集管7，流入布有繞流發生器9 的排管8，灌滿排管8 后繼續流入橫向設置的上側集管7，然后從管道5 流出，隔熱屏裝置通過導熱與對流的換熱方式將熱量傳遞給流體。

1.2 隔熱屏裝置方案設計

圖3所示為隔絕熱源方案原理。

圖3 隔絕熱源方案原理

由于車間發熱量主要來自車間的高溫生產設備，其他設備和人體的散熱相對于高輻射熱設備散發的熱量可以忽略不計。為了阻隔高輻射熱設備持續向車間釋放熱量，采用一種阻隔散熱并且進行余熱回收的隔熱屏裝置。將隔熱屏安裝在高輻射熱設備的周圍，形成完全包裹，阻隔高輻射熱設備與工作區域的熱量傳遞，讓高輻射熱設備運行散發的熱量無法進入工作區域；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生熱水，實現余熱的回收利用。圖4所示為隔絕熱源方案實物。

圖4 隔絕熱源方案實物

2 降溫及余熱回收的實驗研究

2.1 實驗裝置

為了模擬能夠持續散發熱量的高輻射熱設備，本實驗采用4 個功率為2 kW 的不銹鋼w 型翅片加熱管來模擬高輻射熱設備的散熱，加熱管的尺寸（長×寬）為430 mm×300 mm，翅間距為5 mm。實際工程中高輻射熱設備往往具有一定的高度，本文實驗平臺的搭建如圖5所示。

圖5 實驗平臺

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，每個隔熱屏中有8 個管徑為10、管間距為120 mm 的排管、有2 個管徑為22 mm 的集管。

2.2 實驗測點的布置

本實驗房間內部布置有Pt100 鉑熱電阻，型號為WZPT-291，測溫范圍為-200～500 ℃，探頭材質為不銹鋼，鉑熱電阻用于測量熱源表面溫度、房間內部溫度和隔熱屏進出口流體溫度。房間內部布置6 個空氣溫度測點，分為3 層，其中Z11、Z21和Z31 為中心測點，垂直方向距地面的距離分別為0.3、0.75 和1.2 m，水平方向兩個測點的距離為1.5 m，測點布置如圖6所示。

數據挖掘的過程是在海量數據中追尋有趣模式與認知的過程，利用海量數據挖掘技術，可有效針對大數據，從而在其中發現有用的信息與知識。針對海量數據，采用傳統的分類算法、關聯分析、聚類分析等數據挖掘技術顯然有些無力，因此為了提取與挖掘更多有價值的數據，是人們對大數據進行研究的主要目的。

圖6 實驗測點布置

2.3 實驗工況

實驗分為3 個工況進行，第一組實驗研究在未搭建隔熱屏時，在翅片加熱管功率為8 kW 下室內的溫度分布，分別測量了翅片加熱管表面的溫度變化，以及室內6 個空氣測點的溫度變化。

第二組實驗在搭建隔熱屏時，加熱管功率為8 kW 下室內溫度的分布，為了保證隔熱效果，隔熱屏搭建后取消內部的3 個測點Z11、Z21 和Z31，分別測量了隔熱屏外的3 個空氣測點的溫度變化。

第三組實驗研究在搭建隔熱屏后，在保持隔熱屏裝置進口流體溫度恒定的情況下，通過改變進入隔熱屏裝置流體的進口流量，分別測量在不同流量時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，熱源溫度值呈現較快的增長速度，加熱經過40 min 后，熱源表面溫度值逐漸趨向穩定，溫度變化量逐漸趨向于0，溫度穩定在450 ℃，可知翅片加熱管可以較好模擬車間內的高輻射熱設備。

圖7 熱源溫度曲線

由圖8 可知，Z11、Z21 和Z31 這3 個測點最終穩定在57、74 和80 ℃，說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，溫度出現分層，同時從Z11、Z21和Z31 到達穩定溫度時三條曲線的斜率可得，測點越靠上，溫度上升越快。在38～54 min，Z31 溫度出現一定范圍的波動，原因是Z31 處熱空氣受到周圍冷空氣影響，使該點溫度出現一定幅度的波動。

圖8 Z11、Z21、Z31 溫度變化曲線

由圖9～圖11 可知，在無隔熱屏時Z11 與Z12，Z21 與Z22，Z31 與Z32，在水平方向上也出現溫度差，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，達到23 ℃，這是因為下方的空氣受熱后密度減小，熱空氣上浮，導致上方的空氣擾動加劇，所以差值最大。有無隔熱屏對測點的溫度影響很大，Z12、Z22 和Z32 這3 個測點在無隔熱屏時穩定溫度分別達到54、56 和57 ℃；當加了隔熱屏裝置后3 個測點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

實驗采用變頻增壓水泵，實時控制水流量大小，隔熱屏相互之間利用水管串聯連接，水從外接水管流入到隔熱屏內部的排管中然后匯集到集管，依次通過隔熱屏1～3，吸收熱量后從外接水管流出。房間的環境溫度為62.19 ℃，水質量流量大小分別為0.02、0.03、0.04 和0.05 kg/s，進口水溫保持不變為20 ℃，高輻射熱設備表面與環境的輻射換熱量按式(1)計算[21]：

管內換熱流體的吸收熱量可按如下公式計算：

式中，Q為管內換熱流體的吸收熱量，W；qw為隔熱屏排管內換熱流體的質量流量，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為換熱流體的進水溫度。

系統的余熱回收效率按式(3)計算：

因此，當水的質量流量分別為0.02、0.03、0.04和0.05 kg/s 時，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 結論

本文以高輻射熱車間為研究對象，利用翅片加熱管模擬車間的發熱設備，研究了隔熱屏裝置在車間降溫和余熱回收方面的作用。通過搭建實驗平臺，分析了測點溫度和進出口水溫，得到如下結論：

1）隔熱屏在未安裝時房間測點溫度達到55 ℃，安裝之后房間的溫度降低到25 ℃，降幅為30 ℃，說明隔熱屏裝置可有效阻止熱源向周圍環境散熱，達到車間降溫的目的；

2）當水質量流量大小分別為0.02、0.03、0.04和0.05 kg/s 時，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。