大學(xué)生科研思維的培養(yǎng)
——以熱管換熱器在印染熱定型機(jī)廢氣余熱回收應(yīng)用為例

錢 淼 肖建章

（[1]浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 浙江·杭州 310018；[2]金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 浙江·金華 321007）

0 引言

科學(xué)技術(shù)是促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的支撐，科研是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的保障。而要使得科研、創(chuàng)新順利進(jìn)行，科研思維十分重要。作為促進(jìn)科技發(fā)展的重要社會(huì)力量，培養(yǎng)大學(xué)生的科研思維具有重要意義。為此，結(jié)合熱管換熱器在印染熱定型機(jī)廢氣余熱回收中的應(yīng)用探討，介紹科研工作中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的一些思路。

1 發(fā)現(xiàn)熱定型廢氣余熱回收裝置存在的科學(xué)與技術(shù)問題，尋找研究意義

在科研中，首先需要立足與國家和市場需要，找尋研究意義。在印染行業(yè)的余熱回收領(lǐng)域，通過企業(yè)的調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)：紡織行業(yè)是我國的民生行業(yè)，在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有較為關(guān)鍵的位置。在紡織品的制造過程中，印染熱定形是必不可少的一環(huán)，起著穩(wěn)定織物性能、提高織物檔次的作用。熱定形包含織物干燥過程，耗能巨大。因此，印染熱定型機(jī)的節(jié)能減排受到了政府和各大印染企業(yè)的廣泛關(guān)注。

眾多印染企業(yè)實(shí)踐和研究都表明，熱定型能源利用中，2/3能量隨著廢氣被排放掉，導(dǎo)致了大量的能量浪費(fèi)。如果能對廢氣中含有的能量進(jìn)行回收，將有效降低能耗，提高企業(yè)利潤率。狄育慧等對熱定型余熱回收換熱器的節(jié)能效果進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一臺(tái)含有八個(gè)烘房的熱定型機(jī)若能加裝一個(gè)可加熱新風(fēng)到120℃的余熱回收換熱器，一年能節(jié)約136.85t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于10.7萬人民幣。一般印染企業(yè)都至少有十幾條熱定型產(chǎn)線，這樣一年就可以節(jié)約將近130萬左右的生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來了非常明顯的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。為此，很多企事業(yè)單位開始研制印染熱廢氣余熱回收裝置，印染企業(yè)也紛紛購置并進(jìn)行了企業(yè)實(shí)踐。

然而，從企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用看，理論節(jié)能效果好的廢氣余熱回收裝置的應(yīng)用效果并不令人滿意，節(jié)能作用也不明顯。通過分析發(fā)現(xiàn)，主要是如下幾個(gè)原因：

（1）熱定型廢氣溫度較高（約150℃），且成分復(fù)雜。廢氣中既有氣態(tài)的印染助劑、機(jī)油等粘附力大的可燃物質(zhì)，又有固態(tài)的織物纖維等易燃物質(zhì)。在通入換熱器后，廢氣中的油污纖維特別容易粘附在換熱器內(nèi)壁，導(dǎo)致對流換熱系數(shù)降低，引起換熱器換熱性能下降。為了保證換熱器正常工作，常常要安排維護(hù)、修理人員定期檢修，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且效率很低。此外，當(dāng)換熱器被油污、纖維堵塞后，換熱器壓力增大，熱定型機(jī)又是機(jī)械用電設(shè)備，當(dāng)偶然出現(xiàn)火花時(shí)，換熱器在纖維等易燃物的輔助下極易出現(xiàn)著火等問題，輕者影響生產(chǎn)效率，重者對企業(yè)的正常生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響。

（2）如果說換熱器的能量效率很高，節(jié)能效果很明顯，那么企業(yè)可通過加強(qiáng)換熱器管理和維護(hù)，來避免換熱器著火風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際情況是，換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍不夠合理、加熱后的新風(fēng)在通入熱定型機(jī)前段進(jìn)行利用前保溫不夠都會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前廢氣余熱回收綜合能量效率低，節(jié)能效果并不理想。

2 提出熱定型廢氣余熱回收裝置相關(guān)技術(shù)問題的解決措施

發(fā)現(xiàn)問題，提出問題后，通過資料查詢、技術(shù)分析思考并提出解決的辦法。對于熱定型余熱回收技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)余熱回收裝置的推廣應(yīng)用，必須考慮解決余熱換熱器的堵塞、著火等難題。一般可以采用下述幾種方法：

（1）換熱器入口前安裝過濾網(wǎng)等設(shè)備。孫全平設(shè)計(jì)了一款熱管換熱器。通過利用濾網(wǎng)，可將廢氣中的纖維等物質(zhì)擋在換熱器入口前，降低了換熱器堵塞的概率，大大降低了著火風(fēng)險(xiǎn)。然而，缺點(diǎn)也比較明顯，需要不定時(shí)地清洗和更換濾網(wǎng)，維護(hù)成本和人力勞動(dòng)強(qiáng)度并沒有降低多少。

（2）換熱器內(nèi)壁進(jìn)行表面處理，降低油污等雜質(zhì)的粘附力。不過，這種方法制造的換熱器往往對加工工藝要求嚴(yán)格，購買、更換、維修成本高。我國的印染企業(yè)普通為中小企業(yè)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中由于操作使用不當(dāng)又特容易破壞換熱器涂層，導(dǎo)致?lián)Q熱器失效。為此，該方法在中小印染企業(yè)中推廣存在一定的限制問題。

（3）控制接觸換熱器管壁或者內(nèi)壁的廢氣溫度在粘附物沸點(diǎn)以上，減少油污等雜質(zhì)的冷凝沉降，提高換熱器使用效率。采用這種方法會(huì)導(dǎo)致廢氣出口溫度仍然很高，降低了熱能的回收效率，理論上就降低了節(jié)能效果。

（4）傾斜安裝換熱器，使得油污等雜質(zhì)在氣流和重力作用下排出換熱器。這種方式實(shí)現(xiàn)較為容易，但這種被動(dòng)的防污防堵塞方法無法有效解決換熱器堵塞燃燒的問題。

圖1：換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

（5）在換熱器廢氣一側(cè)增加自清潔系統(tǒng)。通過控制方法，實(shí)現(xiàn)油污等廢氣雜質(zhì)的自動(dòng)清洗。這是一種主動(dòng)處理方法。由于換熱器堵塞，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱下降、壓力上升。因此可通過對熱管換熱器進(jìn)行溫度、壓力檢測來預(yù)測換熱器雜質(zhì)沉積情況。研制自動(dòng)清潔系統(tǒng)，采用嵌入式系統(tǒng)等開發(fā)自動(dòng)清潔系統(tǒng)相關(guān)的控制軟件。當(dāng)換熱器需要清洗時(shí)，即換熱器出口溫度下降或者入口壓力上升至閾值，自動(dòng)清潔系統(tǒng)啟動(dòng)工作，打開換熱器廢氣通道側(cè)的門板，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)清潔管伸入熱管換熱器內(nèi)部進(jìn)行清洗作業(yè)。該方法優(yōu)點(diǎn)是無需人工作業(yè)，可自動(dòng)監(jiān)控并完成換熱器清洗。缺點(diǎn)是需設(shè)計(jì)一套可行的自動(dòng)清洗系統(tǒng)，成本和使用可靠性要滿足企業(yè)需要。

3 討論熱管換熱器應(yīng)用前景

目前，應(yīng)用于印染熱定型廢氣余熱回收的換熱器主要可分為三類：管式、板式和熱管式，如圖1所示。管式換熱器設(shè)計(jì)簡單，制造較為容易，但傳熱效率比較低。從圖中可以看到，帶油污等雜質(zhì)的熱定型廢氣在管外流動(dòng)時(shí)，較容易將油污沉積到換熱管表面，導(dǎo)致?lián)Q熱器堵塞，影響裝備性能。板式換熱器換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝清洗方便，但由于板式換熱器內(nèi)通道較小，容易被熱定型廢氣中的油霧、纖維所堵塞，從而降低換熱器的傳熱特性。熱管換熱器由于采用傳熱效率很高的熱管作為換熱元件（熱導(dǎo)率可高至金屬的104倍），相對于其它兩種具有更好的傳熱效率，能具有更好地?zé)峄厥展?jié)能效果，符合企業(yè)需要。從結(jié)構(gòu)上看，熱管換熱器的清洗相對也比較方便，開一個(gè)清洗口或拆開底板就可以通入清洗液進(jìn)行清洗。如果設(shè)計(jì)自動(dòng)清潔系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)無人化清洗，更加方便。此外，熱管換熱器在避免換熱器堵塞方面也具有一定優(yōu)勢。通過熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效改善傳熱通道的堵塞情況。Tian設(shè)計(jì)了一款新型熱管換熱器。熱定型廢氣沿著水平管道的內(nèi)表面流過換熱器，水平管道外為蒸發(fā)腔。由于廢氣速度足夠大，管內(nèi)表面又較為光滑，廢氣中的油污等雜質(zhì)就不易附著在換熱器內(nèi)，有效降低了換熱器的堵塞概率。綜上分析，相對于管式和板式，熱管換熱器在熱定型余熱回收領(lǐng)域較大可能將有更大的應(yīng)用前景，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值值得期待。

4 結(jié)語

為了給大學(xué)生科研思維培養(yǎng)提供一些思路，以分析熱管換熱器在印染熱定型機(jī)廢氣余熱回收應(yīng)用為例，介紹了發(fā)現(xiàn)問題，提出問題及解決問題的科研方法。本文首先說明熱定形過程能量浪費(fèi)大，市場對熱定型余熱回收技術(shù)有著極大的興趣；接著分析了目前熱定型余熱回收裝置存在的問題，闡述了解決問題的技術(shù)方法；最后，分析了換熱器在熱定型余熱回收中的應(yīng)用情況，對熱管換熱器的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。