大學生科研思維的培養
——以熱管換熱器在印染熱定型機廢氣余熱回收應用為例

錢 淼 肖建章

（[1]浙江理工大學機械與自動控制學院 浙江·杭州 310018；[2]金華職業技術學院機電工程學院 浙江·金華 321007）

0 引言

科學技術是促進社會進步的支撐，科研是科學技術發展的保障。而要使得科研、創新順利進行，科研思維十分重要。作為促進科技發展的重要社會力量，培養大學生的科研思維具有重要意義。為此，結合熱管換熱器在印染熱定型機廢氣余熱回收中的應用探討，介紹科研工作中發現問題、解決問題的一些思路。

1 發現熱定型廢氣余熱回收裝置存在的科學與技術問題，尋找研究意義

在科研中，首先需要立足與國家和市場需要，找尋研究意義。在印染行業的余熱回收領域，通過企業的調研分析發現：紡織行業是我國的民生行業，在我國國民經濟中占有較為關鍵的位置。在紡織品的制造過程中，印染熱定形是必不可少的一環，起著穩定織物性能、提高織物檔次的作用。熱定形包含織物干燥過程，耗能巨大。因此，印染熱定型機的節能減排受到了政府和各大印染企業的廣泛關注。

眾多印染企業實踐和研究都表明，熱定型能源利用中，2/3能量隨著廢氣被排放掉，導致了大量的能量浪費。如果能對廢氣中含有的能量進行回收，將有效降低能耗，提高企業利潤率。狄育慧等對熱定型余熱回收換熱器的節能效果進行了計算，結果發現，一臺含有八個烘房的熱定型機若能加裝一個可加熱新風到120℃的余熱回收換熱器，一年能節約136.85t標準煤，相當于10.7萬人民幣。一般印染企業都至少有十幾條熱定型產線，這樣一年就可以節約將近130萬左右的生產成本，為企業帶來了非常明顯的經濟效應。為此，很多企事業單位開始研制印染熱廢氣余熱回收裝置，印染企業也紛紛購置并進行了企業實踐。

然而，從企業的實際應用看，理論節能效果好的廢氣余熱回收裝置的應用效果并不令人滿意，節能作用也不明顯。通過分析發現，主要是如下幾個原因：

（1）熱定型廢氣溫度較高（約150℃），且成分復雜。廢氣中既有氣態的印染助劑、機油等粘附力大的可燃物質，又有固態的織物纖維等易燃物質。在通入換熱器后，廢氣中的油污纖維特別容易粘附在換熱器內壁，導致對流換熱系數降低，引起換熱器換熱性能下降。為了保證換熱器正常工作，常常要安排維護、修理人員定期檢修，勞動強度大，且效率很低。此外，當換熱器被油污、纖維堵塞后，換熱器壓力增大，熱定型機又是機械用電設備，當偶然出現火花時，換熱器在纖維等易燃物的輔助下極易出現著火等問題，輕者影響生產效率，重者對企業的正常生產產生不良影響。

（2）如果說換熱器的能量效率很高，節能效果很明顯，那么企業可通過加強換熱器管理和維護，來避免換熱器著火風險。實際情況是，換熱器結構設計仍不夠合理、加熱后的新風在通入熱定型機前段進行利用前保溫不夠都會導致當前廢氣余熱回收綜合能量效率低，節能效果并不理想。

2 提出熱定型廢氣余熱回收裝置相關技術問題的解決措施

發現問題，提出問題后，通過資料查詢、技術分析思考并提出解決的辦法。對于熱定型余熱回收技術，要實現余熱回收裝置的推廣應用，必須考慮解決余熱換熱器的堵塞、著火等難題。一般可以采用下述幾種方法：

（1）換熱器入口前安裝過濾網等設備。孫全平設計了一款熱管換熱器。通過利用濾網，可將廢氣中的纖維等物質擋在換熱器入口前，降低了換熱器堵塞的概率，大大降低了著火風險。然而，缺點也比較明顯，需要不定時地清洗和更換濾網，維護成本和人力勞動強度并沒有降低多少。

（2）換熱器內壁進行表面處理，降低油污等雜質的粘附力。不過，這種方法制造的換熱器往往對加工工藝要求嚴格，購買、更換、維修成本高。我國的印染企業普通為中小企業，在實際生產過程中由于操作使用不當又特容易破壞換熱器涂層，導致換熱器失效。為此，該方法在中小印染企業中推廣存在一定的限制問題。

（3）控制接觸換熱器管壁或者內壁的廢氣溫度在粘附物沸點以上，減少油污等雜質的冷凝沉降，提高換熱器使用效率。采用這種方法會導致廢氣出口溫度仍然很高，降低了熱能的回收效率，理論上就降低了節能效果。

（4）傾斜安裝換熱器，使得油污等雜質在氣流和重力作用下排出換熱器。這種方式實現較為容易，但這種被動的防污防堵塞方法無法有效解決換熱器堵塞燃燒的問題。

圖1：換熱器結構示意圖

（5）在換熱器廢氣一側增加自清潔系統。通過控制方法，實現油污等廢氣雜質的自動清洗。這是一種主動處理方法。由于換熱器堵塞，會導致換熱下降、壓力上升。因此可通過對熱管換熱器進行溫度、壓力檢測來預測換熱器雜質沉積情況。研制自動清潔系統，采用嵌入式系統等開發自動清潔系統相關的控制軟件。當換熱器需要清洗時，即換熱器出口溫度下降或者入口壓力上升至閾值，自動清潔系統啟動工作，打開換熱器廢氣通道側的門板，驅動自動清潔管伸入熱管換熱器內部進行清洗作業。該方法優點是無需人工作業，可自動監控并完成換熱器清洗。缺點是需設計一套可行的自動清洗系統，成本和使用可靠性要滿足企業需要。

3 討論熱管換熱器應用前景

目前，應用于印染熱定型廢氣余熱回收的換熱器主要可分為三類：管式、板式和熱管式，如圖1所示。管式換熱器設計簡單，制造較為容易，但傳熱效率比較低。從圖中可以看到，帶油污等雜質的熱定型廢氣在管外流動時，較容易將油污沉積到換熱管表面，導致換熱器堵塞，影響裝備性能。板式換熱器換熱效率高、結構緊湊、安裝清洗方便，但由于板式換熱器內通道較小，容易被熱定型廢氣中的油霧、纖維所堵塞，從而降低換熱器的傳熱特性。熱管換熱器由于采用傳熱效率很高的熱管作為換熱元件（熱導率可高至金屬的104倍），相對于其它兩種具有更好的傳熱效率，能具有更好地熱回收節能效果，符合企業需要。從結構上看，熱管換熱器的清洗相對也比較方便，開一個清洗口或拆開底板就可以通入清洗液進行清洗。如果設計自動清潔系統，就可以實現無人化清洗，更加方便。此外，熱管換熱器在避免換熱器堵塞方面也具有一定優勢。通過熱管結構設計，可以有效改善傳熱通道的堵塞情況。Tian設計了一款新型熱管換熱器。熱定型廢氣沿著水平管道的內表面流過換熱器，水平管道外為蒸發腔。由于廢氣速度足夠大，管內表面又較為光滑，廢氣中的油污等雜質就不易附著在換熱器內，有效降低了換熱器的堵塞概率。綜上分析，相對于管式和板式，熱管換熱器在熱定型余熱回收領域較大可能將有更大的應用前景，經濟和社會價值值得期待。

4 結語

為了給大學生科研思維培養提供一些思路，以分析熱管換熱器在印染熱定型機廢氣余熱回收應用為例，介紹了發現問題，提出問題及解決問題的科研方法。本文首先說明熱定形過程能量浪費大，市場對熱定型余熱回收技術有著極大的興趣；接著分析了目前熱定型余熱回收裝置存在的問題，闡述了解決問題的技術方法；最后，分析了換熱器在熱定型余熱回收中的應用情況，對熱管換熱器的應用前景進行了討論。