基于超导材料的余热回收系统研究

朱明，王哲，陈飞

（中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601）

1 超导换热技术的优点

相比于常规热管，超导热管有其天然的优势[1]。

1）导热系数。 超导热管的导热能力远超常规热管，在所有固体中，金属银是最好的热导体，常规热管的导热系数是银的200～3 000 倍，而超导热管可达到银的32 000 倍。

2）等温特性。 常规热管和超导热管都具有等温特性，但即使加热端与远端温度大致相同， 常规热管远端比加热端要低3～5 ℃，而超导热管远端温度反而高出加热端3～5 ℃。

3）使用寿命。 常规热管因为传热介质与管材不能长期相容，一般使用寿命为1～2 年，个别使用温度不高时也有用6～7年的。 超导热管的使用寿命可长达10 年以上。

4）使用条件。常规热管使用时要垂直或适当倾斜安装。而超导热管不受此限制，可以水平安装，管可以向下弯曲。 常规热管的导热方向从上向下，而超导热管的导热方向不受限制。

2 方案设计

2.1 设计输入

根据生产线各个设备的技术性能表， 可以得到基本的设计输入数据：3 台粉末固化室排风量均为2 000 m3/h，排放温度最高240 ℃；3 台联合清洗室在脱脂和硅烷工艺段需要热水加热。 因为联合清洗室的水系统需要自成循环，所以槽液加热需要借助液-液板式换热器来给槽液水加热，而提供热水的方式为常压热水锅炉1 台，锅炉供水温度为80 ℃。 根据以上数据可以得到本次研究的基础数据，如表1 所示。

表1 基础数据表

2.2 理论计算

本次研究的理论计算主要分为两部分， 一部分是高温烟气回收热量计算，另一部分是联合清洗设备耗热的计算。 通过比对两部分热量，设计一套合理、高效的余热回收系统。

2.2.1 回收热量计算

高温烟气标准流量6 000 m3/h； 烟气温度由240 ℃降至100 ℃。

空气的密度与比热容在不同温度下有所变化， 为方便计算，本次研究取空气温度变化区间中，密度与比热容变化的平均值。 查询空气性能表，空气温度由240 ℃至100 ℃，取此区间密度平均值为0.761 5 kg/m3；同理，空气在此区间比热容平均值为1.034 kJ/（kg·℃）。

超导热管换热器的热利用率90%。 计算后得到高温烟气换热后可回收的热量为595 219.986 kJ/h。

2.2.2 需求热量计算

槽液工艺温度50 ℃；槽体回水温度45 ℃；水的比热容4.185 9 kJ/（kg·℃），水的密度1 000 kg/m3；臂架联合清洗室单个槽体体积16.8 m3；标准节联合清洗室单个槽体10 m3；升降机联合清洗室单个槽体体积7.5 m3。

联合清洗室共有2 处工艺需要加热——脱脂工序与硅烷工序，所以每台设备有2 个槽体内液体需要加热。 计算后可得所有联合清洗室所需热量为1 435 763.7 kJ/h。

通过上述计算可以得到基本结论， 即粉末固化室高温烟气回收的热量可以供给联合清洗室设备的热量， 但是由于回收热量有限，不足以替代热水锅炉。

2.3 系统整体方案

由上述理论计算数据同时结合规划方案， 初步设计整体余热回收系统。

整体系统包括废气排风机（原有）、超导热管余热回收装置、送排风管路、废气处理设备（原有）、送回水管路。 先由原有的废气排风机从粉末固化室中抽风， 再由送风管路送至超导热管余热回收装置，通过余热回收装置进行换热后，废气由排风管排至废气处理设备，处理VOCs 之后高空排放。

热水方面经由热水锅炉回水管初段接旁通， 将热水引至余热回收装置进水口处，经过换热之后，再由回水管路接至锅炉回水管入口处，将热水送至热水锅炉。

此系统设计中有两个特点。

其一是考虑安全情况， 由废气风机接至余热回收装置处设置旁通管路，旁通管路不走余热回收装置，直接接至排风风管，旁通管与接入管处均设置风阀。 此种设计的目的是考虑余热回收装置出现故障，导致排气不顺，此时可以打开旁通管路让废气直接排放，避免废气在余热回收装置处聚集，导致设备损坏或者高温漏气。

其二是回水管路中， 与风路情况相同， 同样设置旁通管路，可以使得热水不进余热回收装置直接回至热水锅炉。

在初步系统设计完毕之后， 通过现场实际生产情况了解到，由于业主方生产成本需要，联合清洗设备并不是按产线规划使用，经常出现联合清洗室不开启的情况。 联合清洗室不开启则会导致粉末固化室的高温废气无法利用， 使得整个系统无法正常运行，能源浪费。

所以为了使得余热回收系统更加贴近实际，对现场生产实际情况进行了进一步调研。 调研发现，现场生产需求热水的地方，除联合清洗室设备之外，还有涂装车间淋浴间。 淋浴间用途是为涂装车间工人淋浴所用， 其使用时间通常为工人下班时间，淋浴所需热水温度为60 ℃左右，与联合清洗室需求温度相当，故项目组对初步系统进行了改进，具体改进情况如下。

在热水回水管处再做一道旁通支路，接至热水收集箱，热水收集箱放置于辅房内部，由PP 材质制作，外敷保温层，热水收集箱内水温最高60 ℃。 将各个旁通管路的控制阀组改为电磁阀，通过电控系统自动控制热风及热水走向，基本控制逻辑如下：联合清洗室正常使用时，余热回收系统优先将热水供给至热水锅炉，当热水锅炉中热水温度超过85 ℃，或者联合清洗室停机时，关闭通往热水锅炉的旁通管路，开启通往热水收集箱的旁通管路，当热水收集箱温度高于60 ℃时，关闭通往热水收集箱的旁通管路电磁阀。 若热水锅炉与热水收集箱中的热水温度均超过设定值， 关闭通往余热回收装置的送风管路电磁阀，打开接至排风风管的电磁阀，高温烟气直排。 详见图1。

图1 余热回收系统控制逻辑

需要注意的是，整体的控制逻辑优先级为：联合清洗室热水供热＞热水收集箱热水供热＞高温烟气直排。

2.4 电控系统设计

电控系统设计是将整体余热回收系统作为一套单独的控制，配置一套电控系统。 主要需求控制的设备为水泵、风机、风阀、水阀等。 以PLC 作为控制核心，现场传感器通过4～20 mA信号将采集的温度和压力传送给PLC， 风阀执行器将风阀位置状态以开关量信号反馈给PLC。 PLC 在进行计算和逻辑判断后控制风机和水泵以及风阀执行器动作。 通过硬线和烘干系统进行安全连锁。上位机通过车间网络监控系统的状态。硬件拓扑结构如图2 所示。

图2 硬件拓扑结构

风机用于将粉末固化室内的高温废气抽走， 给余热回收装置供热。 接管处设置三通，判定高温废气是通向余热回收装置还是直排大气， 高温废气通入余热回用装置时必然会受到管路和换热器的阻碍，烘炉废气会在车间内溢出，所以高温废气换热后经引风机排向大气。 风机转速过高又会造成烘炉内负压影响工艺。 保证废气风管内气压恒定是余热系统运行的基本要求。 水泵要求与风机同理。

在换热器前设置压力传感器， 压力测量值以4～20 mA 信号送入PLC， 将风压数据作为PID 指令的PV 输入，PID 指令CV 输出4～20 mA 信号用于控制风机变频器频率输出， 以保证烘炉排烟的恒压控制。

2.5 保护控制

余热回用系统中的保护措施按类别可分为温度保护、压力保护、位置保护以及时间保护。 以严重程度可分为警告和故障，分别执行报警提示和保护动作。

1）温度保护。 余热回用系统中采集的温度分为烟气温度和循环水温度， 烟囱排烟温度用于判断高温废气是否满足回收条件。 余热回收装置前的温度采集点监控换热器经受的气体温度，用于判断是否超温时并执行保护动作。 余热回收装置后的温度采集点监控换热后排向大气的气体温度， 用于判断是否会产生油蒸汽冷凝现象并适当控制循环水流速。 余热回收装置后循环水温度采集点监控加热后的水温， 用于判断循环水是否超温并执行保护动作。 在冬季时节，为避免循环水结冰冻坏管路，为水泵设置冬季模式，在冬季模式下，余热回用系统顺序停机时不执行水泵停机。

2）压力保护。压力保护分为水压保护和风压保护。监控水压可以判断水泵是否运行正常以及管路是否出现堵塞。 通过风压可以判断风机和风阀以及风管内的异常情况。

3）位置保护。 位置保护是针对电磁阀的位置进行逻辑判断，从而发现阀门位置是否存在异常。 阀的机械卡死和压缩空气泄露都会表现出风阀位置异常。

4）时间保护。 时间保护体现在程序中使用定时器滤除系统中的波动，提高系统稳定性。 水温和烟气温度波动时通过延时进行过滤后再判断是否有必要执行保护动作。 在程序中给电磁阀执行器规定动作时间用于判断电磁阀是否动作异常。

3 节能效果

本项目设备改造于2022 年9 月完成，经过一系列调试完善后，运行效果良好。

根据设备运行参数计算， 节约能耗约为595 219.986 kJ/h，天然气热值按照35 579.3 kJ/m3（标准大气压）计算，则可得到每小时节约天然气为16.73 m3/h（标准大气压）。

按年节约成本计算：根据涂装线设计时的规划产能，单班生产制，每班8 h，年生产日251 d。 按照当地天然气平均价格3.3 元/m3，每年可节省天然气费用110 852.98 元。

4 结语

综合来看，本次研究基本上达到了设计之初的预期效果，即将粉末固化排放的高温废气利用起来， 供给涂装车间需要的供热点，以降低其他供热的能源输出与消耗，同时保证余热回收系统的安全稳定运行。

项目采用超导热管换热技术， 对粉末涂装线中的高温烟气排放的余热进行了充分的回收利用， 极大地提升了涂装车间的能源利用率，节能降耗绿色环保，值得在后续项目中进一步推广。