基于超導材料的余熱回收系統研究

朱明，王哲，陳飛

（中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601）

1 超導換熱技術的優點

相比于常規熱管，超導熱管有其天然的優勢[1]。

1）導熱系數。 超導熱管的導熱能力遠超常規熱管，在所有固體中，金屬銀是最好的熱導體，常規熱管的導熱系數是銀的200～3 000 倍，而超導熱管可達到銀的32 000 倍。

2）等溫特性。 常規熱管和超導熱管都具有等溫特性，但即使加熱端與遠端溫度大致相同， 常規熱管遠端比加熱端要低3～5 ℃，而超導熱管遠端溫度反而高出加熱端3～5 ℃。

3）使用壽命。 常規熱管因為傳熱介質與管材不能長期相容，一般使用壽命為1～2 年，個別使用溫度不高時也有用6～7年的。 超導熱管的使用壽命可長達10 年以上。

4）使用條件。常規熱管使用時要垂直或適當傾斜安裝。而超導熱管不受此限制，可以水平安裝，管可以向下彎曲。 常規熱管的導熱方向從上向下，而超導熱管的導熱方向不受限制。

2 方案設計

2.1 設計輸入

根據生產線各個設備的技術性能表， 可以得到基本的設計輸入數據：3 臺粉末固化室排風量均為2 000 m3/h，排放溫度最高240 ℃；3 臺聯合清洗室在脫脂和硅烷工藝段需要熱水加熱。 因為聯合清洗室的水系統需要自成循環，所以槽液加熱需要借助液-液板式換熱器來給槽液水加熱，而提供熱水的方式為常壓熱水鍋爐1 臺，鍋爐供水溫度為80 ℃。 根據以上數據可以得到本次研究的基礎數據，如表1 所示。

表1 基礎數據表

2.2 理論計算

本次研究的理論計算主要分為兩部分， 一部分是高溫煙氣回收熱量計算，另一部分是聯合清洗設備耗熱的計算。 通過比對兩部分熱量，設計一套合理、高效的余熱回收系統。

2.2.1 回收熱量計算

高溫煙氣標準流量6 000 m3/h； 煙氣溫度由240 ℃降至100 ℃。

空氣的密度與比熱容在不同溫度下有所變化， 為方便計算，本次研究取空氣溫度變化區間中，密度與比熱容變化的平均值。 查詢空氣性能表，空氣溫度由240 ℃至100 ℃，取此區間密度平均值為0.761 5 kg/m3；同理，空氣在此區間比熱容平均值為1.034 kJ/（kg·℃）。

超導熱管換熱器的熱利用率90%。 計算后得到高溫煙氣換熱后可回收的熱量為595 219.986 kJ/h。

2.2.2 需求熱量計算

槽液工藝溫度50 ℃；槽體回水溫度45 ℃；水的比熱容4.185 9 kJ/（kg·℃），水的密度1 000 kg/m3；臂架聯合清洗室單個槽體體積16.8 m3；標準節聯合清洗室單個槽體10 m3；升降機聯合清洗室單個槽體體積7.5 m3。

聯合清洗室共有2 處工藝需要加熱——脫脂工序與硅烷工序，所以每臺設備有2 個槽體內液體需要加熱。 計算后可得所有聯合清洗室所需熱量為1 435 763.7 kJ/h。

通過上述計算可以得到基本結論， 即粉末固化室高溫煙氣回收的熱量可以供給聯合清洗室設備的熱量， 但是由于回收熱量有限，不足以替代熱水鍋爐。

2.3 系統整體方案

由上述理論計算數據同時結合規劃方案， 初步設計整體余熱回收系統。

整體系統包括廢氣排風機（原有）、超導熱管余熱回收裝置、送排風管路、廢氣處理設備（原有）、送回水管路。 先由原有的廢氣排風機從粉末固化室中抽風， 再由送風管路送至超導熱管余熱回收裝置，通過余熱回收裝置進行換熱后，廢氣由排風管排至廢氣處理設備，處理VOCs 之后高空排放。

熱水方面經由熱水鍋爐回水管初段接旁通， 將熱水引至余熱回收裝置進水口處，經過換熱之后，再由回水管路接至鍋爐回水管入口處，將熱水送至熱水鍋爐。

此系統設計中有兩個特點。

其一是考慮安全情況， 由廢氣風機接至余熱回收裝置處設置旁通管路，旁通管路不走余熱回收裝置，直接接至排風風管，旁通管與接入管處均設置風閥。 此種設計的目的是考慮余熱回收裝置出現故障，導致排氣不順，此時可以打開旁通管路讓廢氣直接排放，避免廢氣在余熱回收裝置處聚集，導致設備損壞或者高溫漏氣。

其二是回水管路中， 與風路情況相同， 同樣設置旁通管路，可以使得熱水不進余熱回收裝置直接回至熱水鍋爐。

在初步系統設計完畢之后， 通過現場實際生產情況了解到，由于業主方生產成本需要，聯合清洗設備并不是按產線規劃使用，經常出現聯合清洗室不開啟的情況。 聯合清洗室不開啟則會導致粉末固化室的高溫廢氣無法利用， 使得整個系統無法正常運行，能源浪費。

所以為了使得余熱回收系統更加貼近實際，對現場生產實際情況進行了進一步調研。 調研發現，現場生產需求熱水的地方，除聯合清洗室設備之外，還有涂裝車間淋浴間。 淋浴間用途是為涂裝車間工人淋浴所用， 其使用時間通常為工人下班時間，淋浴所需熱水溫度為60 ℃左右，與聯合清洗室需求溫度相當，故項目組對初步系統進行了改進，具體改進情況如下。

在熱水回水管處再做一道旁通支路，接至熱水收集箱，熱水收集箱放置于輔房內部，由PP 材質制作，外敷保溫層，熱水收集箱內水溫最高60 ℃。 將各個旁通管路的控制閥組改為電磁閥，通過電控系統自動控制熱風及熱水走向，基本控制邏輯如下：聯合清洗室正常使用時，余熱回收系統優先將熱水供給至熱水鍋爐，當熱水鍋爐中熱水溫度超過85 ℃，或者聯合清洗室停機時，關閉通往熱水鍋爐的旁通管路，開啟通往熱水收集箱的旁通管路，當熱水收集箱溫度高于60 ℃時，關閉通往熱水收集箱的旁通管路電磁閥。 若熱水鍋爐與熱水收集箱中的熱水溫度均超過設定值， 關閉通往余熱回收裝置的送風管路電磁閥，打開接至排風風管的電磁閥，高溫煙氣直排。 詳見圖1。

圖1 余熱回收系統控制邏輯

需要注意的是，整體的控制邏輯優先級為：聯合清洗室熱水供熱＞熱水收集箱熱水供熱＞高溫煙氣直排。

2.4 電控系統設計

電控系統設計是將整體余熱回收系統作為一套單獨的控制，配置一套電控系統。 主要需求控制的設備為水泵、風機、風閥、水閥等。 以PLC 作為控制核心，現場傳感器通過4～20 mA信號將采集的溫度和壓力傳送給PLC， 風閥執行器將風閥位置狀態以開關量信號反饋給PLC。 PLC 在進行計算和邏輯判斷后控制風機和水泵以及風閥執行器動作。 通過硬線和烘干系統進行安全連鎖。上位機通過車間網絡監控系統的狀態。硬件拓撲結構如圖2 所示。

圖2 硬件拓撲結構

風機用于將粉末固化室內的高溫廢氣抽走， 給余熱回收裝置供熱。 接管處設置三通，判定高溫廢氣是通向余熱回收裝置還是直排大氣， 高溫廢氣通入余熱回用裝置時必然會受到管路和換熱器的阻礙，烘爐廢氣會在車間內溢出，所以高溫廢氣換熱后經引風機排向大氣。 風機轉速過高又會造成烘爐內負壓影響工藝。 保證廢氣風管內氣壓恒定是余熱系統運行的基本要求。 水泵要求與風機同理。

在換熱器前設置壓力傳感器， 壓力測量值以4～20 mA 信號送入PLC， 將風壓數據作為PID 指令的PV 輸入，PID 指令CV 輸出4～20 mA 信號用于控制風機變頻器頻率輸出， 以保證烘爐排煙的恒壓控制。

2.5 保護控制

余熱回用系統中的保護措施按類別可分為溫度保護、壓力保護、位置保護以及時間保護。 以嚴重程度可分為警告和故障，分別執行報警提示和保護動作。

1）溫度保護。 余熱回用系統中采集的溫度分為煙氣溫度和循環水溫度， 煙囪排煙溫度用于判斷高溫廢氣是否滿足回收條件。 余熱回收裝置前的溫度采集點監控換熱器經受的氣體溫度，用于判斷是否超溫時并執行保護動作。 余熱回收裝置后的溫度采集點監控換熱后排向大氣的氣體溫度， 用于判斷是否會產生油蒸汽冷凝現象并適當控制循環水流速。 余熱回收裝置后循環水溫度采集點監控加熱后的水溫， 用于判斷循環水是否超溫并執行保護動作。 在冬季時節，為避免循環水結冰凍壞管路，為水泵設置冬季模式，在冬季模式下，余熱回用系統順序停機時不執行水泵停機。

2）壓力保護。壓力保護分為水壓保護和風壓保護。監控水壓可以判斷水泵是否運行正常以及管路是否出現堵塞。 通過風壓可以判斷風機和風閥以及風管內的異常情況。

3）位置保護。 位置保護是針對電磁閥的位置進行邏輯判斷，從而發現閥門位置是否存在異常。 閥的機械卡死和壓縮空氣泄露都會表現出風閥位置異常。

4）時間保護。 時間保護體現在程序中使用定時器濾除系統中的波動，提高系統穩定性。 水溫和煙氣溫度波動時通過延時進行過濾后再判斷是否有必要執行保護動作。 在程序中給電磁閥執行器規定動作時間用于判斷電磁閥是否動作異常。

3 節能效果

本項目設備改造于2022 年9 月完成，經過一系列調試完善后，運行效果良好。

根據設備運行參數計算， 節約能耗約為595 219.986 kJ/h，天然氣熱值按照35 579.3 kJ/m3（標準大氣壓）計算，則可得到每小時節約天然氣為16.73 m3/h（標準大氣壓）。

按年節約成本計算：根據涂裝線設計時的規劃產能，單班生產制，每班8 h，年生產日251 d。 按照當地天然氣平均價格3.3 元/m3，每年可節省天然氣費用110 852.98 元。

4 結語

綜合來看，本次研究基本上達到了設計之初的預期效果，即將粉末固化排放的高溫廢氣利用起來， 供給涂裝車間需要的供熱點，以降低其他供熱的能源輸出與消耗，同時保證余熱回收系統的安全穩定運行。

項目采用超導熱管換熱技術， 對粉末涂裝線中的高溫煙氣排放的余熱進行了充分的回收利用， 極大地提升了涂裝車間的能源利用率，節能降耗綠色環保，值得在后續項目中進一步推廣。