朱明，王哲，陳飛

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601）

1 超導(dǎo)換熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

相比于常規(guī)熱管，超導(dǎo)熱管有其天然的優(yōu)勢(shì)[1]。

1）導(dǎo)熱系數(shù)。 超導(dǎo)熱管的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)超常規(guī)熱管，在所有固體中，金屬銀是最好的熱導(dǎo)體，常規(guī)熱管的導(dǎo)熱系數(shù)是銀的200～3 000 倍，而超導(dǎo)熱管可達(dá)到銀的32 000 倍。

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

3）使用壽命。 常規(guī)熱管因?yàn)閭鳠峤橘|(zhì)與管材不能長(zhǎng)期相容，一般使用壽命為1～2 年，個(gè)別使用溫度不高時(shí)也有用6～7年的。 超導(dǎo)熱管的使用壽命可長(zhǎng)達(dá)10 年以上。

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

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)輸入

根據(jù)生產(chǎn)線各個(gè)設(shè)備的技術(shù)性能表， 可以得到基本的設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)：3 臺(tái)粉末固化室排風(fēng)量均為2 000 m3/h，排放溫度最高240 ℃；3 臺(tái)聯(lián)合清洗室在脫脂和硅烷工藝段需要熱水加熱。 因?yàn)槁?lián)合清洗室的水系統(tǒng)需要自成循環(huán)，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(tái)，鍋爐供水溫度為80 ℃。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得到本次研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

2.2 理論計(jì)算

本次研究的理論計(jì)算主要分為兩部分， 一部分是高溫?zé)煔饣厥諢崃坑?jì)算，另一部分是聯(lián)合清洗設(shè)備耗熱的計(jì)算。 通過比對(duì)兩部分熱量，設(shè)計(jì)一套合理、高效的余熱回收系統(tǒng)。

2.2.1 回收熱量計(jì)算

高溫?zé)煔鈽?biāo)準(zhǔn)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(jì)算，本次研究取空氣溫度變化區(qū)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(qū)間密度平均值為0.761 5 kg/m3；同理，空氣在此區(qū)間比熱容平均值為1.034 kJ/（kg·℃）。

超導(dǎo)熱管換熱器的熱利用率90%。 計(jì)算后得到高溫?zé)煔鈸Q熱后可回收的熱量為595 219.986 kJ/h。

2.2.2 需求熱量計(jì)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(lián)合清洗室單個(gè)槽體體積16.8 m3；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)聯(lián)合清洗室單個(gè)槽體10 m3；升降機(jī)聯(lián)合清洗室單個(gè)槽體體積7.5 m3。

聯(lián)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(tái)設(shè)備有2 個(gè)槽體內(nèi)液體需要加熱。 計(jì)算后可得所有聯(lián)合清洗室所需熱量為1 435 763.7 kJ/h。

通過上述計(jì)算可以得到基本結(jié)論， 即粉末固化室高溫?zé)煔饣厥盏臒崃靠梢怨┙o聯(lián)合清洗室設(shè)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(tǒng)整體方案

由上述理論計(jì)算數(shù)據(jù)同時(shí)結(jié)合規(guī)劃方案， 初步設(shè)計(jì)整體余熱回收系統(tǒng)。

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

熱水方面經(jīng)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(jìn)水口處，經(jīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)中有兩個(gè)特點(diǎn)。

其一是考慮安全情況， 由廢氣風(fēng)機(jī)接至余熱回收裝置處設(shè)置旁通管路，旁通管路不走余熱回收裝置，直接接至排風(fēng)風(fēng)管，旁通管與接入管處均設(shè)置風(fēng)閥。 此種設(shè)計(jì)的目的是考慮余熱回收裝置出現(xiàn)故障，導(dǎo)致排氣不順，此時(shí)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(dǎo)致設(shè)備損壞或者高溫漏氣。

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

在初步系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢之后， 通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況了解到，由于業(yè)主方生產(chǎn)成本需要，聯(lián)合清洗設(shè)備并不是按產(chǎn)線規(guī)劃使用，經(jīng)常出現(xiàn)聯(lián)合清洗室不開啟的情況。 聯(lián)合清洗室不開啟則會(huì)導(dǎo)致粉末固化室的高溫廢氣無法利用， 使得整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，能源浪費(fèi)。

所以為了使得余熱回收系統(tǒng)更加貼近實(shí)際，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)研。 調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求熱水的地方，除聯(lián)合清洗室設(shè)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(shí)間通常為工人下班時(shí)間，淋浴所需熱水溫度為60 ℃左右，與聯(lián)合清洗室需求溫度相當(dāng)，故項(xiàng)目組對(duì)初步系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，具體改進(jìn)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?jī)?nèi)部，由PP 材質(zhì)制作，外敷保溫層，熱水收集箱內(nèi)水溫最高60 ℃。 將各個(gè)旁通管路的控制閥組改為電磁閥，通過電控系統(tǒng)自動(dòng)控制熱風(fēng)及熱水走向，基本控制邏輯如下：聯(lián)合清洗室正常使用時(shí)，余熱回收系統(tǒng)優(yōu)先將熱水供給至熱水鍋爐，當(dāng)熱水鍋爐中熱水溫度超過85 ℃，或者聯(lián)合清洗室停機(jī)時(shí)，關(guān)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(dāng)熱水收集箱溫度高于60 ℃時(shí)，關(guān)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(shè)定值， 關(guān)閉通往余熱回收裝置的送風(fēng)管路電磁閥，打開接至排風(fēng)風(fēng)管的電磁閥，高溫?zé)煔庵迸拧?詳見圖1。

圖1 余熱回收系統(tǒng)控制邏輯

需要注意的是，整體的控制邏輯優(yōu)先級(jí)為：聯(lián)合清洗室熱水供熱＞熱水收集箱熱水供熱＞高溫?zé)煔庵迸拧?/p>

2.4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將整體余熱回收系統(tǒng)作為一套單獨(dú)的控制，配置一套電控系統(tǒng)。 主要需求控制的設(shè)備為水泵、風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、水閥等。 以PLC 作為控制核心，現(xiàn)場(chǎng)傳感器通過4～20 mA信號(hào)將采集的溫度和壓力傳送給PLC， 風(fēng)閥執(zhí)行器將風(fēng)閥位置狀態(tài)以開關(guān)量信號(hào)反饋給PLC。 PLC 在進(jìn)行計(jì)算和邏輯判斷后控制風(fēng)機(jī)和水泵以及風(fēng)閥執(zhí)行器動(dòng)作。 通過硬線和烘干系統(tǒng)進(jìn)行安全連鎖。上位機(jī)通過車間網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)。硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)用于將粉末固化室內(nèi)的高溫廢氣抽走， 給余熱回收裝置供熱。 接管處設(shè)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(shí)必然會(huì)受到管路和換熱器的阻礙，烘爐廢氣會(huì)在車間內(nèi)溢出，所以高溫廢氣換熱后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排向大氣。 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高又會(huì)造成烘爐內(nèi)負(fù)壓影響工藝。 保證廢氣風(fēng)管內(nèi)氣壓恒定是余熱系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求。 水泵要求與風(fēng)機(jī)同理。

在換熱器前設(shè)置壓力傳感器， 壓力測(cè)量值以4～20 mA 信號(hào)送入PLC， 將風(fēng)壓數(shù)據(jù)作為PID 指令的PV 輸入，PID 指令CV 輸出4～20 mA 信號(hào)用于控制風(fēng)機(jī)變頻器頻率輸出， 以保證烘爐排煙的恒壓控制。

2.5 保護(hù)控制

余熱回用系統(tǒng)中的保護(hù)措施按類別可分為溫度保護(hù)、壓力保護(hù)、位置保護(hù)以及時(shí)間保護(hù)。 以嚴(yán)重程度可分為警告和故障，分別執(zhí)行報(bào)警提示和保護(hù)動(dòng)作。

1）溫度保護(hù)。 余熱回用系統(tǒng)中采集的溫度分為煙氣溫度和循環(huán)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(diǎn)監(jiān)控?fù)Q熱器經(jīng)受的氣體溫度，用于判斷是否超溫時(shí)并執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。 余熱回收裝置后的溫度采集點(diǎn)監(jiān)控?fù)Q熱后排向大氣的氣體溫度， 用于判斷是否會(huì)產(chǎn)生油蒸汽冷凝現(xiàn)象并適當(dāng)控制循環(huán)水流速。 余熱回收裝置后循環(huán)水溫度采集點(diǎn)監(jiān)控加熱后的水溫， 用于判斷循環(huán)水是否超溫并執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。 在冬季時(shí)節(jié)，為避免循環(huán)水結(jié)冰凍壞管路，為水泵設(shè)置冬季模式，在冬季模式下，余熱回用系統(tǒng)順序停機(jī)時(shí)不執(zhí)行水泵停機(jī)。

2）壓力保護(hù)。壓力保護(hù)分為水壓保護(hù)和風(fēng)壓保護(hù)。監(jiān)控水壓可以判斷水泵是否運(yùn)行正常以及管路是否出現(xiàn)堵塞。 通過風(fēng)壓可以判斷風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥以及風(fēng)管內(nèi)的異常情況。

3）位置保護(hù)。 位置保護(hù)是針對(duì)電磁閥的位置進(jìn)行邏輯判斷，從而發(fā)現(xiàn)閥門位置是否存在異常。 閥的機(jī)械卡死和壓縮空氣泄露都會(huì)表現(xiàn)出風(fēng)閥位置異常。

4）時(shí)間保護(hù)。 時(shí)間保護(hù)體現(xiàn)在程序中使用定時(shí)器濾除系統(tǒng)中的波動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 水溫和煙氣溫度波動(dòng)時(shí)通過延時(shí)進(jìn)行過濾后再判斷是否有必要執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。 在程序中給電磁閥執(zhí)行器規(guī)定動(dòng)作時(shí)間用于判斷電磁閥是否動(dòng)作異常。

3 節(jié)能效果

本項(xiàng)目設(shè)備改造于2022 年9 月完成，經(jīng)過一系列調(diào)試完善后，運(yùn)行效果良好。

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)計(jì)算， 節(jié)約能耗約為595 219.986 kJ/h，天然氣熱值按照35 579.3 kJ/m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）計(jì)算，則可得到每小時(shí)節(jié)約天然氣為16.73 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。

按年節(jié)約成本計(jì)算：根據(jù)涂裝線設(shè)計(jì)時(shí)的規(guī)劃產(chǎn)能，單班生產(chǎn)制，每班8 h，年生產(chǎn)日251 d。 按照當(dāng)?shù)靥烊粴馄骄鶅r(jià)格3.3 元/m3，每年可節(jié)省天然氣費(fèi)用110 852.98 元。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合來看，本次研究基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)之初的預(yù)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(diǎn)，以降低其他供熱的能源輸出與消耗，同時(shí)保證余熱回收系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

項(xiàng)目采用超導(dǎo)熱管換熱技術(shù)， 對(duì)粉末涂裝線中的高溫?zé)煔馀欧诺挠酂徇M(jìn)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(jié)能降耗綠色環(huán)保，值得在后續(xù)項(xiàng)目中進(jìn)一步推廣。