大学生科研思维的培养——以热管换热器在印染热定型机废气余热回收应用为例

钱 淼 肖建章

（[1]浙江理工大学机械与自动控制学院 浙江·杭州 310018；[2]金华职业技术学院机电工程学院 浙江·金华 321007）

0 引言

科学技术是促进社会进步的支撑，科研是科学技术发展的保障。而要使得科研、创新顺利进行，科研思维十分重要。作为促进科技发展的重要社会力量，培养大学生的科研思维具有重要意义。为此，结合热管换热器在印染热定型机废气余热回收中的应用探讨，介绍科研工作中发现问题、解决问题的一些思路。

1 发现热定型废气余热回收装置存在的科学与技术问题，寻找研究意义

在科研中，首先需要立足与国家和市场需要，找寻研究意义。在印染行业的余热回收领域，通过企业的调研分析发现：纺织行业是我国的民生行业，在我国国民经济中占有较为关键的位置。在纺织品的制造过程中，印染热定形是必不可少的一环，起着稳定织物性能、提高织物档次的作用。热定形包含织物干燥过程，耗能巨大。因此，印染热定型机的节能减排受到了政府和各大印染企业的广泛关注。

众多印染企业实践和研究都表明，热定型能源利用中，2/3能量随着废气被排放掉，导致了大量的能量浪费。如果能对废气中含有的能量进行回收，将有效降低能耗，提高企业利润率。狄育慧等对热定型余热回收换热器的节能效果进行了计算，结果发现，一台含有八个烘房的热定型机若能加装一个可加热新风到120℃的余热回收换热器，一年能节约136.85t标准煤，相当于10.7万人民币。一般印染企业都至少有十几条热定型产线，这样一年就可以节约将近130万左右的生产成本，为企业带来了非常明显的经济效应。为此，很多企事业单位开始研制印染热废气余热回收装置，印染企业也纷纷购置并进行了企业实践。

然而，从企业的实际应用看，理论节能效果好的废气余热回收装置的应用效果并不令人满意，节能作用也不明显。通过分析发现，主要是如下几个原因：

（1）热定型废气温度较高（约150℃），且成分复杂。废气中既有气态的印染助剂、机油等粘附力大的可燃物质，又有固态的织物纤维等易燃物质。在通入换热器后，废气中的油污纤维特别容易粘附在换热器内壁，导致对流换热系数降低，引起换热器换热性能下降。为了保证换热器正常工作，常常要安排维护、修理人员定期检修，劳动强度大，且效率很低。此外，当换热器被油污、纤维堵塞后，换热器压力增大，热定型机又是机械用电设备，当偶然出现火花时，换热器在纤维等易燃物的辅助下极易出现着火等问题，轻者影响生产效率，重者对企业的正常生产产生不良影响。

（2）如果说换热器的能量效率很高，节能效果很明显，那么企业可通过加强换热器管理和维护，来避免换热器着火风险。实际情况是，换热器结构设计仍不够合理、加热后的新风在通入热定型机前段进行利用前保温不够都会导致当前废气余热回收综合能量效率低，节能效果并不理想。

2 提出热定型废气余热回收装置相关技术问题的解决措施

发现问题，提出问题后，通过资料查询、技术分析思考并提出解决的办法。对于热定型余热回收技术，要实现余热回收装置的推广应用，必须考虑解决余热换热器的堵塞、着火等难题。一般可以采用下述几种方法：

（1）换热器入口前安装过滤网等设备。孙全平设计了一款热管换热器。通过利用滤网，可将废气中的纤维等物质挡在换热器入口前，降低了换热器堵塞的概率，大大降低了着火风险。然而，缺点也比较明显，需要不定时地清洗和更换滤网，维护成本和人力劳动强度并没有降低多少。

（2）换热器内壁进行表面处理，降低油污等杂质的粘附力。不过，这种方法制造的换热器往往对加工工艺要求严格，购买、更换、维修成本高。我国的印染企业普通为中小企业，在实际生产过程中由于操作使用不当又特容易破坏换热器涂层，导致换热器失效。为此，该方法在中小印染企业中推广存在一定的限制问题。

（3）控制接触换热器管壁或者内壁的废气温度在粘附物沸点以上，减少油污等杂质的冷凝沉降，提高换热器使用效率。采用这种方法会导致废气出口温度仍然很高，降低了热能的回收效率，理论上就降低了节能效果。

（4）倾斜安装换热器，使得油污等杂质在气流和重力作用下排出换热器。这种方式实现较为容易，但这种被动的防污防堵塞方法无法有效解决换热器堵塞燃烧的问题。

图1：换热器结构示意图

（5）在换热器废气一侧增加自清洁系统。通过控制方法，实现油污等废气杂质的自动清洗。这是一种主动处理方法。由于换热器堵塞，会导致换热下降、压力上升。因此可通过对热管换热器进行温度、压力检测来预测换热器杂质沉积情况。研制自动清洁系统，采用嵌入式系统等开发自动清洁系统相关的控制软件。当换热器需要清洗时，即换热器出口温度下降或者入口压力上升至阈值，自动清洁系统启动工作，打开换热器废气通道侧的门板，驱动自动清洁管伸入热管换热器内部进行清洗作业。该方法优点是无需人工作业，可自动监控并完成换热器清洗。缺点是需设计一套可行的自动清洗系统，成本和使用可靠性要满足企业需要。

3 讨论热管换热器应用前景

目前，应用于印染热定型废气余热回收的换热器主要可分为三类：管式、板式和热管式，如图1所示。管式换热器设计简单，制造较为容易，但传热效率比较低。从图中可以看到，带油污等杂质的热定型废气在管外流动时，较容易将油污沉积到换热管表面，导致换热器堵塞，影响装备性能。板式换热器换热效率高、结构紧凑、安装清洗方便，但由于板式换热器内通道较小，容易被热定型废气中的油雾、纤维所堵塞，从而降低换热器的传热特性。热管换热器由于采用传热效率很高的热管作为换热元件（热导率可高至金属的104倍），相对于其它两种具有更好的传热效率，能具有更好地热回收节能效果，符合企业需要。从结构上看，热管换热器的清洗相对也比较方便，开一个清洗口或拆开底板就可以通入清洗液进行清洗。如果设计自动清洁系统，就可以实现无人化清洗，更加方便。此外，热管换热器在避免换热器堵塞方面也具有一定优势。通过热管结构设计，可以有效改善传热通道的堵塞情况。Tian设计了一款新型热管换热器。热定型废气沿着水平管道的内表面流过换热器，水平管道外为蒸发腔。由于废气速度足够大，管内表面又较为光滑，废气中的油污等杂质就不易附着在换热器内，有效降低了换热器的堵塞概率。综上分析，相对于管式和板式，热管换热器在热定型余热回收领域较大可能将有更大的应用前景，经济和社会价值值得期待。

4 结语

为了给大学生科研思维培养提供一些思路，以分析热管换热器在印染热定型机废气余热回收应用为例，介绍了发现问题，提出问题及解决问题的科研方法。本文首先说明热定形过程能量浪费大，市场对热定型余热回收技术有着极大的兴趣；接着分析了目前热定型余热回收装置存在的问题，阐述了解决问题的技术方法；最后，分析了换热器在热定型余热回收中的应用情况，对热管换热器的应用前景进行了讨论。