摘 要

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及目的 1

1.2 国内外研究状态 3

第二章 板式换热器 4

2.1板式换热器的简介 4

2.1.1 板式换热器的基本结 4

2.1.2 板式换热器的特点 4

2.1.3 板式换热器选型时应注意的问题 5

2.1.4 板式换热器的设计特点 6

2.2 板式换热器的使用范围 6

2.3板式换热器的设计 9

2.3.1 板式换热器概述 9

2.3.2 板式换热器初步结构的设计 10

2.3.3 板式换热器的几何参数 10

2.4 板式换热器的故障 15

2.4.1 串液 15

2.4.2 外漏 16

2.4.3压降过大 16

2.4.4出口温度达不到要求 17

第三章 工业污水余热回收利用系统 18

3.1 前言 18

3.2 项目背景介绍 18

3.3 项目方案 18

3.3.1 总体概况 18

3.3.2系统设计原则 19

3.3.3技术运行 19

3.3.4系统控制方式 20

3.3.5 系统其他技术措施 20

3.3.6 本项目工艺流程 20

3.4 项目效益分析 21

3.4.1 进行分析的测算公式与参数 21

3.4.2 项目经济效益分析 23

3.4.3 环境效益分析 23

3.4.4 社会经济效益 23

第四章 总结 25

致谢 26

参考文献 27

摘要

现如今，随着不可再生能源的不断枯竭，人们对节能环保的重视程度不断提高。人们逐渐意识到，使用新型能源和提高能源利用率是当下解决能源问题的两大方法。其中，太阳能作为一种新型的可再生能源，在工业生产和日常生活中的使用越来越广泛。除此之外，余热的回收利用则是用来实现提高能源利用率的方法之一，并且我国拥有极为丰富的余热资源。本文针对在工业余热回收系统中，利用一种换热效率较高的装置——板式换热器来进行热量交换。通过对板式换热器的分析、研究与设计，并将其与余热回收系统、太阳能加热系统相结合进行项目设计与项目效益分析，以此来为今后太阳能系统与余热回收利用系统的结合推广及应用提供新的发展方向。

关键词：可再生能源；太阳能；余热回收系统；板式换热器；效益分析

Abstract:Nowadays, with the continuous depletion of non-renewable energy sources, people's emphasis on energy conservation and environmental protection continues to increase. People are gradually realizing that the use of new energy sources and improved energy efficiency are the two major solutions to the current energy problem. Among them, as a new type of renewable energy, solar energy is used more and more widely in industrial production and daily life. In addition, the recycling of waste heat is one of the methods used to increase energy efficiency, and China has an extremely rich waste heat resource. This paper aims at the heat exchange in the industrial waste heat recovery system using a plate heat exchanger with a high heat exchange efficiency. Through the analysis, research and design of the plate heat exchanger, and combining it with the waste heat recovery system and the solar heating system, the project design and project benefit analysis will be used to integrate and promote the solar energy system and the waste heat recovery and utilization system in the future. Applications provide new directions for development.

Keyword：Renewable Energy；Solar Heat；Recovery System；Plate Heat Exchanger；Benefit Analysis

第一章、绪论

1.1 选题背景及目的

随着科学技术的高速发展和人民生活水平的日益提高，环境和能源问题日益凸现出来，越来越受到人们的重视。人口的日益增长，工业水平的不断提高，使得地球上不可再生能源的消耗量越来越大，大量不可再生能源的使用和消耗，使得环境也开始严重恶化。为了遏制这种趋势，研发出新型高效的可持续能源供应体系越来越受到科学家们的青睐，用清洁的，可再生的能源代替传统的不可再生能源似乎是解决地球能源危机和环境问题的关键所在，所以，这方面也成为了如今科研领域的重中之重。

在原本的工业生产、企业生产或是日常生活中的集中供应热水中，人们通常都是常规的采用锅炉加热的方式进行热水的供应，但是这种方法不仅会消耗大量的不可再生能源，造成环境污染问题，而且通常使用这种方式能源的使用效率也并不是很高，费用也比较高昂。所以根据上述的问题，科学家们提出了采用太阳能等技术设备来代替传统能源技术来对工业或生活用水进行加热，这样就能在一定程度上解决能源问题和环境问题，同样也能提高能源的利用率。

我们都知道，太阳能是近些年来使用越来越广泛的能源，它是一种可再生能源，存在于世界的每一个地方，没有地理位置的限制，无论是在地球的哪个位置，都可以直接进行开发和利用，而且太阳能取之不尽用之不竭，是现如今世界上可开发能源中总量最大的。太阳能同样也是最清洁的能源之一，对环境不会造成任何负面影响。目前，世界各国正在大力提倡环境保护和能源节约，使得太阳能技术逐渐变得完善，将太阳能与生产工业、日常生活相结合，成为了现如今我国乃至全世界各类行业发展的一大趋势。

为了解决我国能源紧缺的问题和推动清洁能源的使用，我国颁布并实施了《可再生能源法》，太阳能等能源作为新兴的可再生能源，在建筑与工业中的应用越来越受到人们的重视，但是现如今太阳能运用的范围很小，仅限于利用太阳能加热来提供生活热水，而在工业生产方面，太阳能工业加热系统运行的实际工程却很少。据数据统计，目前我国在低温阶段使用太阳能年推广总面积达到4000万平方米的太阳能热水器，每年可以节约煤800万吨，减少二氧化碳排放1800万吨。然而，若是太阳能能够在工业领域中广泛应用，效益则能更为重大。据了解，我国总能耗中七成以上为工业能耗，而工业上热力能耗占工业总能耗的一半左右。若是用太阳能来代替工业耗能中的20%，每年可以减少8000万吨标准煤的使用，这对推动我国以节能减排为目的的工业发展、降低工业增加值的能耗比有着重大的意义。

然而，在工业生产和日常生活的大型供热水的系统中，光靠太阳能供热是不够的，必然要考虑到其他的辅助热源。因为在我国冬季寒冷的天气或是夏季阴雨连绵潮湿的天气下，每天太阳能集热器吸收的温度并不能将冷水加热到工业生产所需的温度或是生活中用户所需的温度。在目前的行业中，通常都会使用辅助热源来 进行辅助加热，从经济利益的角度分析，一般是使用煤油锅炉作为辅助热源，但是这种方式会产出大量污染物，造成环境负担；而从保护环境的角度考虑，一般是使用电能加热作为辅助热源，但是这样会消耗大量的电能，而耗费大量成本。

不光如此，我国现阶段工业的能源利用率也存在着：利用效率低、经济效益差，生态环境压力大等问题。降低不可再生能源消耗，减少工业废气排放，提高能源综合利用率是现如今我国能源发展战略规划的重要内容，能从根本上解决我国的能源问题，是我国目前处于优先发展的途径与方法。工业领域是实现节能减排，提高能源利用率的主要目标。我国目前正处在工业化中后期阶段，工业是主要的耗能领域，也是主要的污染物排放源。据了解，我国工业领域能源消耗量占全国能源消耗总量的很大比重，达到70%左右，然而，我国主要工业产品能耗平均比国际先进水平高出30%左右^[1]。 这说明我国在工业生产技术方面和在对能源的利用方面存在很大的问题。我国与工业发达国家的水平差距除了在生产技术、生产工艺相对落后，产业结构不够合理等因素之外，工业余热的回收使用率低，能源（能量）无法得到充分综合利用也是主要原因之一。当前，世界发达国家能源利用率为43%左右，而我国仅为33%，低于发达国家将近10个百分点，其中超过50%的工业耗能以各种形式直接被废弃。^[2]众所周知，在工业的多数耗能设备中，真正得到使用的热能只占总热量很小的一部分，大部分热能通过高温烟气，高温废水等方式排出，这些余热若是能够收集利用，并且作为热源进行供热，这将节约大量能源，提高经济效益，也能减少工业污染的排放。因此从另外一个角度来看，我国拥有丰富的工业余热资源，在工业生产的每个领域都有大量的存在。据了解，我国余热资源占其燃料消耗总量的17%~67%，其中可回收率达60%^[3]，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大。因此，工业余热越来越受到科学家们的重视，它被认为是一种“新能源”，近年来受到了广泛的关注，成为了推动我国节能减排工作的重要内容。

现如今，板式换热器已经广泛应用于各种化学工艺与其他工业生产中。板式换热器是一种能将两种或是两种以上不同温度的流体之间进行热量传递的设备，能将热量由较高的流体传递到热量较低的流体，从而使流体温度达到流程规定的指标，以满足工业工艺生产的需要。同样的，板式换热器还拥有着较高的传热系数，若是能将板式换热器运用到工业余热的回收利用系统之中，运用板式换热器将工业废水中的热量进行吸收与传递，不仅能够充分利用工业污水中的能量，而且能够防止排出的污水温度过高，以此来达到保护地表环境、防止地表原生态被破坏的目的，以此来真正体现节能环保的综合治理效果^[4]。

1.2 国内外研究状态

现在节能环保已经成为了当今世界上最热门的话题之一，尤其在耗能比重较大的工业领域方面。为了解决能源供需矛盾，也为了保持国民经济的可持续性发展，近年来，各国加大力度对能源再利用的方法和装置进行创新和改造。随着研究的深入，人们发现工业余热在节能环保方面存在着巨大的潜力，在节能与经济效益并行考虑的今天，回收工业余热再利用是必不可少的一种方法。

目前，在炼油和化工等运用基础原材料而且又是高耗能的工业生产中，已经逐渐开始通过使用余热回收系统从而提高能源的利用率，减少能源的损失。在美国，能源部出台了“2020年梦想计划”的活动，这项活动是由政府部门、公司、大学和专业组织组成的联合体举行的，旨在通过共同合作，开发出更多新兴技术，以此来将工业问题解决。这项活动使得一些钻研于节能减排项目的团队取得了很大的成果，例如，包括陶氏化学、科克-格律希公司、休斯顿大学和普莱斯特组成的集团研究的成果，已经使现有的填料式蒸馏塔器的能效提高了10%~20%、塔器能力提高了5%~10%和热回收提高10%~20%。^[5]同样，我国现阶段也十分重视余热回收的价值，据了解我国已经有大量工厂开始安装余热回收利用装置，将高温污水、高温废气中的大量热源进行回收利用，这是完全符合我国目前“节能环保综合发展”的生产理念的。下面我将从板式换热器和工业余热回收利用系统两方面的设计与结合来谈一谈我国日后工业发展的前景。

第二章、板式换热器

2.1 板式换热器的简介

板式换热器是一种现如今十分热门的新型换热装置，有着很高的换热效率。它是由若干数量带有一定波纹形状的金属片相叠加而制成的。板片之间构成薄矩形流道，相邻流道之间的液体通过之间的板片进行传热换热。在流动阻力等条件相同的情况下，管壳式换热器的传热效率大大低于板式换热器，因此在现阶段的某些领域方面，普通的管壳式换热器有着逐渐被板式换热器所取代的趋势。^[6]

板式换热器是液体与液体、液体与气体之间用来进行热量交换的设备。它有很多优势，比如：较小的占地面积、紧凑轻巧的结构、较高的换热效率、较长的使用寿命、较为广泛的应用范围、易于安装清洗等。并且在同样的条件下，管式换热器的占地面积是板式换热器的三倍左右，但它的传热系数仅为板式换热器的五分之一到三分之一。现如今，板式换热器在热量传递，余热回收，工业杀菌等方面有着不错的发展，同时在很多其他的工业领域上，如冶金、船舶、石油、化工、制药、造纸、纺织、食品等行业上都有着较为广泛的应用。

从型式的角度来分，板式换热器可以分为框架式（可拆卸式）和钎焊是，而从板片的内纹形式来分则可以分为人字形波纹板、瘤行板片、水平平直波纹板三种。

2.1.1 板式换热器的基本结构

板式换热器主要是由框架和板片两大部分组成，框架是由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构板片成。^[7]则是利用多种种类不同的薄板通过多种不同类型的磨具压制而成的形状各不相同的波纹，并且为了方便介质的流通，在板片的四个角上开有角孔，并在角孔处用橡胶垫片加以密封。在活动压紧板和固定压紧板的中间，将一系列金属板进行叠加安放，最后在两端用螺栓进行加紧固定，这就是板式换热器的外形构造。

2.1.2 板式换热器的特点

（1）传热系数高。板式换热器有着较高的传热系数是由于其内部结构的原因。板式换热器拥有十分复杂的中间流道，流体能在雷诺数Re仅有50-200的情况下依然保持紊流状态，是因为在金属板片的作用下，在流道中一般呈旋转三维的流动方式。

（2）对流平均温差大，末端温差小。当板式换热器工作时，两种流体在换热器内呈并流或是逆流的流动方式，并且流体流动方向多平行于换热面，没有旁流，这使得两种流体能得到充分的接触与换热，从而使换热器末端的温差小，对于水的换热可使温差低于1℃。

（3）容易改变换热面积或流程组合。因为板式换热器的特性，只要在中间层加上或是减少几块薄板，就可以达到改变换热面积的目的；而按要求调整板之间的排列组合，就可以改变换热器的流程组合。

（4）占地面积小。由于板式换热器的结构是由一系列的薄板堆叠而成，因此它能够压缩空间，在单位面积里面拥有更大的接触面积，也就是换热面积。在相同的换热量的情况下，传统的管壳式换热器的占地面积约为板式换热器的5-8倍。

除了以上四点之外，板式换热器还有重量轻，价格低，制作方便，容易清洁，热损失小等优势。^[8]

2.1.3 板式换热器选型时应注意的问题

（1） 板型的选择

板片的类型与波纹形式应根据实际的换热场合所确定。对流阻力小的板型一般对应流量较大而允许压降小的情况，反之流量较小而允许的压降大的情况则用使用对流阻力大的板型。而对于选择拆卸式还是钎焊式的板型，则根据流体所受的压力和当时所处环境的温度的情况所确定。确定板型时应选择单板面积较大的板片，板片数量不宜过多，否则会使板间流速太慢，从而导致传热系数过低。

（2） 流程和流道的选择

流程是指板式换热器内同一种同一流动方向的一组并联流道；流道是指板式换热器内相邻两板片组成的介质流动通道。在板式换热器里面，流道通过串联，流程通过并联相互连接起来，从而使冷、热介质相互间隔的组合起来。为了达到最佳的传热效果，流程组合应根据换热和流体阻力计算所确定，冷热水道应该有相等或是相近的对流换热系数，这样能使传热系数获得较大值。

（3） 压降校核

在板式换热器的设计选型时，对压降都是有一定的要求，所以在设计板式换热器时，应对其压降进行校核。如果校核压降达到允许范围之内，才能进行制造使用，否则需要不断重新校核检验，直到压降系数达到要求。

2.1.4板式换热器的设计特点：

　　1、高效节能：通常，板式换热器的换热系数能一般能达到3000～4500kcal/m2·°C·h，远远高于管壳式换热器，甚至能高于它的3-5倍。

　　2、结构紧凑：板式换热器与其他换热器类型相比，拥有更为紧凑的结构，因此它的占地面积和占用空间较少，在相同换热量的情况下，板式换热器的占地面积仅为管壳式换热器的五分之一。

3、容易清洗拆装方便：板式换热器是用夹紧螺栓将板片夹紧固定的，沉淀结垢之后也比较容易拆卸清洗，所以能够保持流道通畅。

1. 使用寿命长：板式换热器的板片一般是由不锈钢或是钛合金制成，具有很强的耐腐蚀性，而且各个部位易于拆卸更换与检验。
2. 适应性强：板式换热器是独立元件，对于各种不同形式的工艺要求，板式换热器可以根据要求随意进行设计与改造，十分方便并且形式多种多样。

6、不串液，板式换热器在液道旁都设置了卸液通道，这样能够让液体在发生泄漏的时候向外排出，而避免造成造成各种介质的混合。

2.2板式换热器的使用范围

　　 板式换热器现如今已经广泛应用于冶金、化工、矿山、石油、电力、医药、食品、化纤、造纸、供热、轻纺、船舶等部门，可用于加热、蒸发、冷却、冷凝、余热回收、杀菌消毒等各种情况。

　　化学工业：制造氧化钛、酒精发酵、合成氨、树脂合成、制造橡胶、冷却磷酸、冷却甲醛水、碱炭工业、电解制碱。

　　钢铁工业：冷却淬火油，冷却电镀用液、冷却减速器润滑油、冷却轧制机、拉丝机冷却液。

　　冶金行业：铝酸盐母液的加热和冷却，冷却铝酸钠，炼铝轧机润滑油冷却。

　　机械制造业：各种淬火液冷却，冷却压力机、工业母机润滑油，加热发动机用油。

　　食品工业：制盐，乳品，酱油，醋的杀菌、冷却，动植物油加热、冷却，啤酒生产中啤酒、麦芽汁的加热冷却，制糖，明胶浓缩，杀菌、冷却，制造谷氨酸钠。

　　纺织工业：各种废液热回收，沸腾磷化纤维的冷却，冷却粘胶液，醋酸和酸醋酐的冷却，冷却碱水溶液，粘胶丝的加热和冷却。

　　造纸工业：冷却黑水，漂白用盐、碱液的加热、冷却，玻璃纸废液的热回收，加热蒸煮酸，冷却氢氧化钠水溶液，回收漂白张纸的废液，排气的凝缩，预热浓缩纸浆似的废液。