基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统的制作方法
本发明涉及环保技术领域，尤其涉及基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统。
背景技术：
余热资源的回收价值同时决定于数量和质量。数量是指可利用余热资源的数量能否满足用能人员的需要，质量是指余热资源的品位能否达到用能要求。在余热回收中，特别是工业炉窑的余热回收利用，还存在一些亟待解决的问题。中国的工业炉窑每年消耗全国总能耗的25％左右，回收和利用工业炉窑余热无疑是节能工作的重要命题。我国工业炉窑余热利用虽取得一定进展，但水平还很低，主要表现在：
1)余热利用率低。我国现在的余热利用水平仅相当于苏联1975年的水平，当时苏联的余热利用率是黑色冶金30.4％，有色冶金28％，石油炼制及石化54％，化工76.8％。
2)综合利用差。大部分余热仅利用一次，没有从高到低分级回收不同品位的余热，分别供给不同用户，真正做到物尽其用。
3)中、低温余热多数未被利用。由于目前大量高温余热尚未被充分利用，因此，中、低温余热的利用没有被足够的重视，而未能进行积极的回收。
4)余热利用设备和系统不够完善，效率低下。有的余热利用设备性能较差，但仍在使用。有些余热利用设备虽本体性能较好，但因整个系统工程水平不高，如保温性能差，缺乏控制调节系统，未考虑综合利用，致使设备性能降低，寿命缩短，回收效率低。
随着余热利用程度的提高，余热利用的难度愈益加大。由于目前利用的余热大多为大型炉窑排放的高温烟气和可燃气体，而今后大约占余热资源50％以上的中低温烟气余热，大量的、分散的小型钢铁厂、化肥厂、煤炉、油田的可燃气体，以及高温产品和炉渣余热的回收将成为余热利用的重点。利用这些余热的技术都较复杂，这就增加了今后余热回收的难度。
鉴于以上原因，今后工业炉余热利用的方向是：
1)余热利用的重点，总的说来，仍应放在烟气、可燃气体、产品及炉渣的热量
回收利用上。这三项余热，尚未被利用的余热量占总量的65％。
2)强化中、低温余热的利用研究。
3)强调余热的优化利用。
4)重视余热回收设备的研制与生产。
综上所述，针对现有技术存在的缺陷，特别需要基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，以解决现有技术的不足。
技术实现要素：
本发明的目的是提供基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，不仅可以提高工业炉的热效率，而且可以提高能量的有效能效率。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，
基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，该系统包括有动力回收单元、直接利用单元和供给热泵使用单元；
动力回收单元将低品味余热能源转换为电能和机械能等高品质能源，再让其做功以实现利用价值，包括以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点溶液为工质的有机工质发电技术等；
直接利用单元主要为热交换技术，这种技术采用换热设备将余热能量直接利用于某些工艺流程中，不改变能源形式，主要方式有间壁式换热、余热锅炉、热管等，供给热泵使用则是将余热资源作为热泵系统低温热源，通过热泵技术实现制冷或制热；
供给热泵使用单元可以提升低温余热资源的品位，使其具备向高温热媒传热的能力，热泵技术常用于回收略高于环境温度的低温废热，常用的形式有压缩式热泵和吸收式热泵；
系统回收余热的年净收益(NPQ)最大为目标函数：
NPQ＝CQQτ-B-I
式中QC为余热价格(元/J)；Q为余热回收量(W)；τ为系统年运行 时间(s)；
B为系统年运行费用(元/年)；I为系统投资的年分摊费用(元/年)；
基于相对费用参数的系统优化方法：
NCQ＝CQQgτ+B+I
其目标函数表示为：
其中gQ为系统烟气物理热；
以单位余热回收量的年净收益η最大为优化目标：
其中eC为(火用)价格，元/J；cΔE为空气吸收热量(火用)，kJ/h；crΔE、yrΔE分别为空气和烟气的流动(火用)损失，kJ/h；
以最少的投资回收年限为目标函数；
其中，I为项目在期初一次性支付的全部投资，元；B为年收入，元/年；C为年运行管理等支出，元/年；
引入价值型技术经济评价指标——净现值(NPV)，并将其作为优化目标对余热回收系统的热力性能和经济性进行全面评价；
式中，(CI-CO)t为第t年的净现金流量，其中CI为现金流入，CO为现金流出；T为系统服务年限；0i为规定基准收益率。
进一步，该系统包含有高温余热的回收模块、中温余热的回收模块、低温余热的回收模块；
高温余热的回收模块在温度在500～1000℃的高温余热可以直接用来加热物料，当设备每小时的排烟量大于5000m3时，可用余热锅炉进行回收用以发电或供热，高温余热液体可采用热交换器用来预热物料，对于颗粒较小的固体余热采用流态化过程，对于大块固体可使用气体热载体进行余热的利用；
由热力学第二定律的学习可知，温度为y1T的烟气，在环境温度为0T 的条件下，由状态1变化到状态2，其放出的热量火用表示为：
由火用的定义可知，这个火用值也就是蒸汽可能做出的最大机械功Wmax，即
而烟气余热理想回收热量为：Q＝Cp(Ty1-T0)
可得余热利用循环效率η为：
中温余热的回收模块的方式基本与高温余热相同，温度较高的中温余热可以直接预热空气，常用的设备有炼焦炉同流系统、蒸汽锅炉空气预热器、高炉同流系统、燃气轮机再热器等，温度较低的中温余热可利用省煤器将其用作预热锅炉给水或锅炉补水的热源；
低温余热的回收单元的回收方法包括有：
蒸汽的凝结热：相同温度下蒸汽和水所蕴含的热量相差很大，在蒸汽的使用过程中一定要将蒸汽充分地凝结，保证热能充分释放，如果产生的凝结水温度在30～100℃之间，还可以利用热泵等措施，提高热水温度，然后供给生产、生活用；
蒸汽设备的余热：造纸、食品等行业中的蒸煮设备所需的蒸汽压力和温度不高，为充分利用热能，首先必须保证进入设备的蒸汽量、温度和压力符合工艺要求，使其充分凝结成水；使用后的废热水可连续蒸煮、连续排放，通过扩容减压使排水汽化成蒸汽，而含有药液的浓缩水再经热交换器给进入系统为冷水预热，然后再将充分放热的废水加以处理或丢弃；
烘干设备的余热：烘干设备的排水含有大量的低温余热，应尽可能将其送回供暖系统循环使用，若水质条件欠佳，可用在不受水质条件影响的 其他工序，如用作蒸煮或漂洗设备的补充水；
烟气余热用于加热空气或燃料这种回收方式，本体设备不变，工质或物料有效吸收热不变，由于回收的热量加热了供助燃用的空气或燃料本身，实际供给的燃料量减少了，由热平衡得；
回收余热前体系热平衡方程：
Qin＝Qyx+Qr
回收余热前体系热效率：
回收余热前后体系有效热不变，回收热量为Qhs，
回收余热后体系热平衡方程：
Qin′＝Qyx+Qr′
回收余热后体系热效率：
式中，Qin为余热回收前外界供给热量，kJ/h；Qin′为余热回收后外界供给热量，kJ/h；Qyx有效吸收热量，kJ/h；Qr余热回收前体系损失热量，kJ/h；rQ′余热回收后体系损失热量，kJ/h；
因此，得余热回收后的节能率为：
利用烟气余热来预热、干燥原材料或工质，将热量带回装置内，也可起到直接节约能源的作用；
回收余热前体系热平衡方程：
Qin＝Qyx+Qr＝Qgo-Qgi+Qr
式中，Qgi为工质或物料代入体系热量，kJ/h；Qgo为工质或物料 带出体系热量，kJ/h；
回收余热前体系热效率：
回收余热后，工质或物料在回收设备中吸收的热量为Qhs，使其进入本体时的热量增加为：Qgi′＝Qgi+Qhs，此时只需向工质或物料提供有效热：Qyx′＝Qyx-Qhs而供给热量由Qin减少到Qin；
由于锅炉本体设备并未改变，故而负荷变动不大，可有以下近似关系：
回收余热前后体系总有效热量不变，则：回收余热后体系热平衡方程：
Qin′+Qhs＝Qyx+Qr′
回收余热后体系热效率：
因此，得余热回收后的节能率为：
该余热回收方式，减少了排烟热损失，外界供给的燃料量相应减少，锅炉加装省煤器及工业窑炉余热物料均属这种情况；
烟气余热回收后供给外界，该余热回收方式，本体设备工作没有变化，供给体系的热量和有效热量均不变，但是排烟损失减小了；
回收余热后的热平衡方程为；
Qin＝Qyx+Qhs+Qr′
回收余热后体系热效率：
因此，得余热回收后的节能率为；
加装余热锅炉回收烟气余热，产生蒸汽或热水属于这种情况。
进一步，余热回收的火用分析包括有：
1、空气得到的热量火用：冷空气通过余热回收系统吸收热量，提高入炉温度，对提高锅炉燃烧效率，节约燃料起到了重要作用，系统预热空气的温度越高，烟气余热的回收率就越高，节约燃料也必然越多，但随着空气预热温度的提高，系统的传热面积增大，投资费用也会相应增加；
单位时间内空气吸收的热量可表示为：
Q＝GcCpc(tc2-tc1)
根据传热基本方程式，系统所需传热面积可表示为：
而mΔt为对数平均温差，对于逆流系统，它可表示为
于是，换热面积可表示为：
不考虑系统的散热损失时，由热平衡方程可知有下列关系：
Q＝GcCpc(tc2-tc1)＝GyCpy(ty1-ty2)
可以推得
可推得换热面积与预热空气温度的依变关系如下式
式中F为传热面积/m2；c pc G C、y py G C分别为空气和烟气的热容量/W·K-1；K为传热系数/W/(m2·K)；c1t、y1t、c2t、y2t分别为空气和烟气的进出口温度/℃，令为空气和烟气的热容量比，引入一个无量纲参数传热单元数NTU,其物理意义表示当系统的平均温差为1℃时所传递的热量，在一定意义上可以看作换热面积的一种度量，且
从上式可以看出，热容量比一定的情况下，预热空气温度随传热单元数NTU的
变化而变化，
空气得到的热量火用可表示为：
ΔEc＝Q-T0ΔS＝GcCpc[(Tc2-Tc1)-T0ln(Tc2/Tc1)]
式中0T为环境温度/K,由此可见空气得到的热量火用也与传热单元数有关；
2、空气流动火用损失：流体流过系统的过程中，存在沿程阻力和局部阻力，流阻的大小与流体的物性，流速及系统流道的形状等几何特征有关，要达到系统工作所要求的流体流量和流速，必须在系统的流体进出口间建立一定的压差，以克服流体流过系统流道各部位时所遇到的流阻；流阻的存在，使流动中不可逆过程产生火用损失，即流体流动火用损失，而 增大进出口间的压差可以提高流体流速，使换热效率提高，但同时也必然造成流阻引起的火用损失的增加；
在余热回收系统中，空气流过系统过程中发生的流动火用损失为：
其中，ck为空气的绝热指数；cΔp为空气经系统的压降/ap；c1p为空气的进口压力/ap；
空气流经系统的沿程阻力可表示为式中f为沿程阻力系数，
也称摩擦因子，可由试验整理获得，cρ为空气密度，kg/m3；cU为空气平均流速，m/s；/iLd为管长与内径比，局部阻力可表示为式中ξ为局部阻力系数，亦可通过试验测定；
此，系统空气侧的总压降可用下式表示：
引入两个无量纲参数欧拉数斯坦顿数并将传热单元数代入可将其进一步整理得：
式中β为管子外、内径比，可见，cF是一个反映空气流动、管径等因素对系统压降影响的系数，式化简为：
此时空气流动火用损失可化简为如下形式：
3.烟气流动火用损失
同空气侧流动火用损失计算方法相同，可得余热回收系统烟气侧流动火用损失为：
其中，yk为烟气的绝热指数；yF为影响系数。
进一步，余热回收率分析从余热资源本身温度降低至周围环境温度所释放的热量，即
dQ＝cpmdT
式中：为液体余热的定压比热容，J/(kg·K)；为液体余热进、出蒸发器的
质量流量，kg/s，对于凝结水、冷却水和城市污水，在与冷剂工质换热的过程中没有发生相变，定压比热容变化不大，可认为水的定压比热容保持为4179J/(kg·K)不变，故某一时间段内，余热量可按下式计算；
其中，该时间段内进、出蒸发器的平均质量流量，kg/s；为液体余热
的温度，K；为环境温度，K，由于换热器换热面积的限制，以及存在液体向周围环境散热、液体与设备摩擦等不可逆因素，余热资源所蕴含的能量并不能完全地被回收并加以利用，换热后的液体余热温度一般仍高于周围的环境温度，所以需确定已回收的余热量，可按下式计算：
式中：为余热进入蒸发器温度，K；为余热离开蒸发器的温度，K，
综上，可计算余热回收率，即已被系统回收利用的余热量占余热总量 的百分
数，假设在相同时间段内质量流量稳定，余热回收率可表示为：
设液体余热进入换热器的温度等于液体余热的温度，则有
由式可知，余热回收率与余热本身温度和环境温度有关，在实际的供暖项目中，一般要求液体余热进、出热泵机组蒸发器的温差保持在一定范围内，若温差过大则会增加水流量以保证机组的运行安全，所以液体余热进、出热泵机组蒸发器的温差的变化幅度一般不大。
进一步，余热回收的技术经济分析余热回收的优化，其很重要的目的之一即使得系统经济效果达到最佳，评价余热回收方案经济效果可用技术经济评价指标来衡量，技术经济评价指标多种多样，它们从不同角度反映工程技术方案的经济效果，如时间型指标——投资回收期，价值型指标——净现值，效率型指标——内部收益率等等，同时按是否考虑资金的时间价值，可将技术经济分析方法分为静态分析法和动态分析法，其中动态分析法充分考虑了资金的时间价值，可以较为全面的反映工程实际问题，本文拟采用动态评价方法——净现值法来评价方案的经济效果，净现值(NPV)表示在规定的折现率情况下，方案在不同时点发生的净现金流量折现到期初时，整个寿命期内所能得到的净收益，它反映了工程项目在建设期和生产服务年限内获利能力的综合性动态评价指标，净现值可以作为方案取舍的依据，如果NPV＝0，表示方案刚好达到了规定的基准收益率水平；如果NPV>0，表示方案除能达到规定的基准收益率之外，还能得到超额收益，此时方案可以接受；如果NPV<0,表示方案到不到规定的基准收益率水平，此时方案应该舍弃，净现值法不仅考虑了资金的时间价值，而且考察了方案在整个计算期内的经济效益；
1.空气回收热量火用的价值
空气每年得到的热量火用的价值可用下式表示：
Ic＝CeτΔEc
其中，eC为火用价格，元/J，它与余热价格存在换算关系[43]：
为余热价格，元/J为系统入口温度因子；τ为系统年运行时间，s；cΔE为空气得到的热量火用，kJ/h；
2.余热回收系统的运行费用
余热回收系统的运行费用为风机功率消耗，即为流动火用损失，由机械功来补偿，考虑到与热量火用之间的不等价性，两者之间存在“机械功”和“热量火用”的折算系数n，研究结果表明，n＝3～5，考虑到ΔEyr<0，ΔEcr<0，故而余热回收系统
的年运行费用可表示为：
Ir＝-nCeτ(ΔEcr+ΔEyr)
3.余热回收系统的初投资
余热回收系统的初投资包括换热元件的材料费，箱体材料费，各种吊挂与支撑，加工费及其他部件费用等等，为简化计算，将初投资费用分为两部分，即与换热面积无关的投资费用I0和与换热面积有关的费用IF，
则余热回收系统的初投资可表示为：
I＝I0+IF·F＝I0+IF·NTU·GcCpc/K
4.余热回收系统的技术经济分析
上一节中计算了空气回收的热量火用价值和运行费用，若不计管理等其他费用，
余热回收系统的年净收益可表示为：
IN＝Ic-Ir＝Ceτ[ΔEc+n(ΔEcr+ΔEyr)]
且投资只发生在第一年，根据技术经济学相关理论，余热回收方案的净现值可由下式表示：
式中，NPV为项目净现值，万元；T为余热回收系统的运行寿命，年；ic为资金基准收益率。
本发明的优点在于，作为工业炉的重要节能设备，它不仅可以提高工业炉的热效率，而且可以提高能量的有效能效率，因此，总希望它能带来最大的经济效益，这样，在设计余热回收系统时，就涉及到系统的优化设计问题。本章将最优化设计方法引入余热回收系统的优化设计中，构建余热回收的优化设计模型，并结合热力学和技术经济学相关理论，详细推导余热回收系统优化设计的数学模型，并对模型的结果进行预测，是一项很好的设计方案，很有市场推广前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：
图1是本发明提出常用的余热利用方式图；
图2是本发明空气预热温度与传热单元数关系曲线图；
图3是本发明流体流动火用损失随传热单元数变化趋势图；
图4是本发明净现值随传热单元数变化规律曲线示意图；
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，该系统包括有动力回收单元、直接利用单元和供给热泵使用单元；
动力回收单元将低品味余热能源转换为电能和机械能等高品质能源，再让其做功以实现利用价值，包括以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点溶液为工质的有机工质发电技术等；
直接利用单元主要为热交换技术，这种技术采用换热设备将余热能量直接利用于某些工艺流程中，不改变能源形式，主要方式有间壁式换热、余热锅炉、热管等，供给热泵使用则是将余热资源作为热泵系统低温热源，通过热泵技术实现制冷或制热；
供给热泵使用单元可以提升低温余热资源的品位，使其具备向高温热媒传热的能力，热泵技术常用于回收略高于环境温度的低温废热，常用的形式有压缩式热泵和吸收式热泵；
余热回收换热设备在余热回收利用中占有重要地位，因此开展余热回收系统的优化设计是提高余热利用率的重要手段。当前国内使用的余热利用换热设备主要有以下几种：
1)系统多用于回收炉窑的烟气余热预热助燃空气或煤气，节约一次能源。近几年一种新型系统—热管系统正在兴起。
2)余热锅炉产品分烟道式和管壳式两类，已生产15个类别近千台，能基本满足行业需要。
3)汽化冷却装置冶金行业使用较多，有些技术问题尚待解决。
4)其它各类热交换器石油化工行业应用较多，发展也较快。
5)热管这是一种性能较佳的热交换元件，技术较成熟，它是利用封闭在管内的工作物质反复进行物理相变或化学反应来传递热量的一种换热装置。其导热特性与一般常规的固体导热有着本质的差别，具有体积小、重量轻、无运动部件的结构特点，又具有温差小，温度均匀，热响应迅速，冷热源可分离的工作特点。是用于导热、散热、控温等的较理想元件。目前热管系统用于回收中温(400℃左右)余热是很有效的。
6)热泵主要回收低温余热，已用于工艺过程的热回收(如蒸馏、浓缩)、供热、空调、干燥等领域，取得了一定成果。现在研制生产的大都是电动式热泵，中型热泵正在开发，大型热泵尚属空白。
对于工程实际问题，最优化应包括两方面的主要内容：一是将工程实际问题抽象成为优化设计的数学模型；二是应用相关数学方法求解这个数学模型。工程优化设计的数学模型，是设计问题的数学表现形式，反映了设计问题中各主要因素间内在的联系。因此，从工程实际问题中抽象出正确的数学模型，是工程优化设计的关键，也是工程设计人员进行优化设计的主要任务。
余热回收系统的最优化方案与经济因素有关，例如能源价格、原材料价格、制造及安装费用、贷款偿还方式及利率等，同时还与许多技术因素有关，例如系统性能，使用寿命等。无论怎样，我们总是期望余热回收能达到最大 的收益，以往有很多学者对余热回收系统的优化问题做了相关研究，也提出了不同的优化目标较有代表性。
系统回收余热的年净收益(NPQ)最大为目标函数：
NPQ＝CQQτ-B-I
式中QC为余热价格(元/J)；Q为余热回收量(W)；τ为系统年运行时间(s)；
B为系统年运行费用(元/年)；I为系统投资的年分摊费用(元/年)；
基于相对费用参数的系统优化方法：
NCQ＝CQQgτ+B+I
其目标函数表示为：
其中gQ为系统烟气物理热；
以单位余热回收量的年净收益η最大为优化目标：
其中eC为(火用)价格，元/J；cΔE为空气吸收热量(火用)，kJ/h；crΔE、yrΔE分别为空气和烟气的流动(火用)损失，kJ/h；
以最少的投资回收年限为目标函数；
其中，I为项目在期初一次性支付的全部投资，元；B为年收入，元/年；C为年运行管理等支出，元/年；
这些目标函数的取法各有优缺点，①②目标函数单从能量的量的角度衡量了余热回收的效果，没有对能量的质予以考虑；③目标函数综合考虑了能量的质和量两个方面，从能量的角度更全面地反映了系统的换热性能，但是对投资的经济效果表现不足；④目标函数虽然从技术经济学角度，考虑了投资的经济效果，但是投资回收期作为时间型评价指标，并不能很好的反映投资的经济性。综上所述，一个优良的优化目标，应该不仅能够全面反映能量的质与量，同时还要兼顾资金的时间价值，充分反映投资的经济效果，因而本文拟结合热力学和技术经济学相关方法，以热力学分析为基础。
引入价值型技术经济评价指标——净现值(NPV)，并将其作为优化目标对余热回收系统的热力性能和经济性进行全面评价；
式中，(CI-CO)t为第t年的净现金流量，其中CI为现金流入，CO为现金流出；T为系统服务年限；0i为规定基准收益率。
设计变量是实际设计中需要优选的参数，同时设计变量也是目标函数中待解的参数，是构成目标函数的基本组成成分，因而设计变量的选取与目标函数有直接关系。根据系统设计的任务，系统设计主要包括热力学设计，结构设计和强度设计三部分。其中热力学设计的主要工作是确定换热面积，设法提高换热效果。以空气预热器为例，为了增大余热回收的效益，提高燃烧效率，节约燃料，我们希望设计出合适的换热面积，提高空气预热温度。而空气预热温度随换热面积的增加或减少也会相应的提高或降低，因而空气预热温度属于相关变量，而换热面积是独立变量。增大换热面积可以提高余热回收量，增大余热回收的经济效益，但是同时也会增大投资与运行费用，从资金的投入与产出的角度考虑，换热面积对投资的经济效果有直接影响，而其他次要变量对目标函数净现值的影响较小或随目标函数变化不明显。因而为了化简优化问题，尽量降低设计变量的维数，选取独立变量换热面积为设计变量，其他次要变量按常数处理，通过数学方法求解目标函数，从而得到设计变量的最佳值。
余热回收系统最优化设计的约束条件即是那些影响系统设计的具体制约因素，这些因素有技术上的，也有经济上的。
1)壁温的限制
余热资源的温度范围很广，高的超过1000℃。但是，在进行余热回收时，由于受到系统传热面所能承受的最高温度的限制，使余热得不到充分回收。系统最高承受温度受以下几方面影响：
①系统材质。不同材质允许的最高使用温度差异较大，如铜的最高使用温度仅为200℃，而陶瓷系统的最高使用温度可以超过1400℃，当然，耐高温材料的选取也将大大提高系统的成本。
②系统流型。采用逆流布置可以获得较大传热温差，从而减少所需换热面积，但壁温较高，采用顺流布置时，壁温可控制在较低水平，所需换热面积当然也会相应增加。
③系统结构。在烟气侧采用翅片管时，翅片的顶部将具有最高温度，所以要注意翅片材质的选择。有时在高温区段不得不采用光管，以免翅片的温度过高而材质无法承受。在回收烟气余热时，受烟气露点的影响，回收的最低温度也受到限制，一般安全
排烟温度应高于140～150℃。
2)传热面积的限制
前面对传热面积的讨论可知，换热面积的最终取值应以增大回收收益为前提，这需要经过具体的技术经济比较来确定。同时系统的布置还受到安装，维修等具体条件的制约。
3)流体输送的功率消耗
安设余热回收装置时，必然要额外增加余热源通路的阻力，从而会增加风机的功率消耗。对原先没有引风机的烟道，有时还不得不增设引风机，从而增加额外的设备投资费用。在余热回收侧，空气或水等受热介质在通过系统时，也需克服系统的阻力而增加动力消耗。这些情况均会影响到热回收装置的经济性。增加流体的流速可以提高系统内对流换热的传热系数，从而提高系统的传热系数。对流传热系数大致与流速的0.8次方成正比，而流动阻力将随流速的1.75次方的关系迅速增加，动力消耗所需的运行费用也将按同样的比例关系增加[23]。因此，在采取提高流速的措施增强传热时，需要经过技术经济比较，慎重选取。根据经验，对常用的一些系统，均给出合理的流速范围，供设计时选取。
4)强度设计
系统强度设计的重要性不亚于传热设计。特别是对高温余热的回收显得更为重要。在设计时要考虑到如何解决系统各部分不同热膨胀的问题，对产生的热应力采取何种措施。在有的情况下，为了保证强度留有余地，设计时不得不取较小的温度效率。
进一步，该系统包含有高温余热的回收模块、中温余热的回收模块、低 温余热的回收模块；
高温余热的回收模块在温度在500～1000℃的高温余热可以直接用来加热物料，当设备每小时的排烟量大于5000m3时，可用余热锅炉进行回收用以发电或供热，高温余热液体可采用热交换器用来预热物料，对于颗粒较小的固体余热采用流态化过程，对于大块固体可使用气体热载体进行余热的利用；
由热力学第二定律的学习可知，温度为y1T的烟气，在环境温度为0T的条件下，由状态1变化到状态2，其放出的热量火用表示为：
由火用的定义可知，这个火用值也就是蒸汽可能做出的最大机械功Wmax，即
而烟气余热理想回收热量为：Q＝Cp(Ty1-T0)
可得余热利用循环效率η为：
中温余热的回收模块的方式基本与高温余热相同，温度较高的中温余热可以直接预热空气，常用的设备有炼焦炉同流系统、蒸汽锅炉空气预热器、高炉同流系统、燃气轮机再热器等，温度较低的中温余热可利用省煤器将其用作预热锅炉给水或锅炉补水的热源；
低温余热的回收单元的回收方法包括有：
蒸汽的凝结热：相同温度下蒸汽和水所蕴含的热量相差很大，在蒸汽的使用过程中一定要将蒸汽充分地凝结，保证热能充分释放，如果产生的凝结水温度在30～100℃之间，还可以利用热泵等措施，提高热水温度，然后供给生产、生活用；
蒸汽设备的余热：造纸、食品等行业中的蒸煮设备所需的蒸汽压力和 温度不高，为充分利用热能，首先必须保证进入设备的蒸汽量、温度和压力符合工艺要求，使其充分凝结成水；使用后的废热水可连续蒸煮、连续排放，通过扩容减压使排水汽化成蒸汽，而含有药液的浓缩水再经热交换器给进入系统为冷水预热，然后再将充分放热的废水加以处理或丢弃；
烘干设备的余热：烘干设备的排水含有大量的低温余热，应尽可能将其送回供暖系统循环使用，若水质条件欠佳，可用在不受水质条件影响的其他工序，如用作蒸煮或漂洗设备的补充水；
烟气余热用于加热空气或燃料这种回收方式，本体设备不变，工质或物料有效吸收热不变，由于回收的热量加热了供助燃用的空气或燃料本身，实际供给的燃料量减少了，由热平衡得；
回收余热前体系热平衡方程：
Qin＝Qyx+Qr
回收余热前体系热效率：
回收余热前后体系有效热不变，回收热量为Qhs，
回收余热后体系热平衡方程：
Qin′＝Qyx+Qr′
回收余热后体系热效率：
式中，Qin为余热回收前外界供给热量，kJ/h；Qin′为余热回收后外界供给热量，kJ/h；Qyx有效吸收热量，kJ/h；Qr余热回收前体系损失热量，kJ/h；rQ′余热回收后体系损失热量，kJ/h；
因此，得余热回收后的节能率为：
利用烟气余热来预热、干燥原材料或工质，将热量带回装置内，也可起到直接节约能源的作用；
回收余热前体系热平衡方程：
Qin＝Qyx+Qr＝Qgo-Qgi+Qr
式中，Qgi为工质或物料代入体系热量，kJ/h；Qgo为工质或物料带出体系热量，kJ/h；
回收余热前体系热效率：
回收余热后，工质或物料在回收设备中吸收的热量为Qhs，使其进入本体时的热量增加为：Qgi′＝Qgi+Qhs，此时只需向工质或物料提供有效热：Qyx′＝Qyx-Qhs而供给热量由Qin减少到Qin；
由于锅炉本体设备并未改变，故而负荷变动不大，可有以下近似关系：
回收余热前后体系总有效热量不变，则：回收余热后体系热平衡方程：
Qin′+Qhs＝Qyx+Qr′
回收余热后体系热效率：
因此，得余热回收后的节能率为：
该余热回收方式，减少了排烟热损失，外界供给的燃料量相应减少，锅炉加装省煤器及工业窑炉余热物料均属这种情况；
烟气余热回收后供给外界，该余热回收方式，本体设备工作没有变化， 供给体系的热量和有效热量均不变，但是排烟损失减小了；
回收余热后的热平衡方程为；
Qin＝Qyx+Qhs+Qr′
回收余热后体系热效率：
因此，得余热回收后的节能率为；
加装余热锅炉回收烟气余热，产生蒸汽或热水属于这种情况。
进一步，余热回收的火用分析包括有：
对余热回收进行火用分析，从能量的质的角度衡量余热回收的效果，是对余热回收系统换热性能优化分析的前提[40,41]。假设烟气和空气均为理想气体，且物性为常数，同时考虑空气侧和烟气侧的流动阻力损失，并不考虑散热损失。
1、空气得到的热量火用：冷空气通过余热回收系统吸收热量，提高入炉温度，对提高锅炉燃烧效率，节约燃料起到了重要作用，系统预热空气的温度越高，烟气余热的回收率就越高，节约燃料也必然越多，但随着空气预热温度的提高，系统的传热面积增大，投资费用也会相应增加；
单位时间内空气吸收的热量可表示为：
Q＝GcCpc(tc2-tc1)
根据传热基本方程式，系统所需传热面积可表示为：
而mΔt为对数平均温差，对于逆流系统，它可表示为
于是，换热面积可表示为：
不考虑系统的散热损失时，由热平衡方程可知有下列关系：
Q＝GcCpc(tc2-tc1)＝GyCpy(ty1-ty2)
可以推得
可推得换热面积与预热空气温度的依变关系如下式
式中F为传热面积/m2；c pc G C、y py G C分别为空气和烟气的热容量/W·K-1；K为传热系数/W/(m2·K)；c1t、y1t、c2t、y2t分别为空气和烟气的进出口温度/℃，令为空气和烟气的热容量比，引入一个无量纲参数传热单元数NTU,其物理意义表示当系统的平均温差为1℃时所传递的热量，在一定意义上可以看作换热面积的一种度量，且
从上式可以看出，热容量比一定的情况下，预热空气温度随传热单元数NTU的
变化而变化，
空气得到的热量火用可表示为：
ΔEc＝Q-T0ΔS＝GcCpc[(Tc2-Tc1)-T0ln(Tc2/Tc1)]
式中0T为环境温度/K,由此可见空气得到的热量火用也与传热单元数有关；
2、空气流动火用损失：流体流过系统的过程中，存在沿程阻力和局部阻力，流阻的大小与流体的物性，流速及系统流道的形状等几何特征有关，要达到系统工作所要求的流体流量和流速，必须在系统的流体进出口间建立一定的压差，以克服流体流过系统流道各部位时所遇到的流阻；流阻的存在，使流动中不可逆过程产生火用损失，即流体流动火用损失，而增大进出口间的压差可以提高流体流速，使换热效率提高，但同时也必然造成流阻引起的火用损失的增加；
在余热回收系统中，空气流过系统过程中发生的流动火用损失为：
其中，ck为空气的绝热指数；cΔp为空气经系统的压降/ap；c1p为空气的进口压力/ap；
空气流经系统的沿程阻力可表示为式中f为沿程阻力系数，
也称摩擦因子，可由试验整理获得，cρ为空气密度，kg/m3；cU为空气平均流速，m/s；/iLd为管长与内径比，局部阻力可表示为式中ξ为局部阻力系数，亦可通过试验测定；
此，系统空气侧的总压降可用下式表示：
引入两个无量纲参数欧拉数斯坦顿数并将传热单元 数代入可将其进一步整理得：
式中β为管子外、内径比，可见，cF是一个反映空气流动、管径等因素对系统压降影响的系数，式化简为：
此时空气流动火用损失可化简为如下形式：
3.烟气流动火用损失
同空气侧流动火用损失计算方法相同，可得余热回收系统烟气侧流动火用损失为：
其中，yk为烟气的绝热指数；yF为影响系数。
进一步，余热回收率分析从余热资源本身温度降低至周围环境温度所释放的热量，即
dQ＝cpmdT
式中：为液体余热的定压比热容，J/(kg·K)；为液体余热进、出蒸发器的
质量流量，kg/s，对于凝结水、冷却水和城市污水，在与冷剂工质换热的过程中没有发生相变，定压比热容变化不大，可认为水的定压比热容保持为4179J/(kg·K)不变，故某一时间段内，余热量可按下式计算；
其中，该时间段内进、出蒸发器的平均质量流量，kg/s；为液体余热
的温度，K；为环境温度，K，由于换热器换热面积的限制，以及存在液体向周围环境散热、液体与设备摩擦等不可逆因素，余热资源所蕴含的能量并不能完全地被回收并加以利用，换热后的液体余热温度一般仍高于周围的环境温度，所以需确定已回收的余热量，可按下式计算：
式中：为余热进入蒸发器温度，K；为余热离开蒸发器的温度，K。
综上，可计算余热回收率，即已被系统回收利用的余热量占余热总量的百分
数，假设在相同时间段内质量流量稳定，余热回收率可表示为：
设液体余热进入换热器的温度等于液体余热的温度，则有
由式可知，余热回收率与余热本身温度和环境温度有关，在实际的供暖项目中，一般要求液体余热进、出热泵机组蒸发器的温差保持在一定范围内，若温差过大则会增加水流量以保证机组的运行安全，所以液体余热进、出热泵机组蒸发器的温差的变化幅度一般不大。假设冬季周围环境温度为-10℃，热泵机组的余热回收率与余热资源温度的关系，对于热泵机组，余热回收率不超过50％，且当设置的温差小于2℃，余热回收率始终低于10％。若设置的温差相同，随着余热资源温度的升高，余热回收率降低；在相同的余热温度条件下，温差设置得越大，余热回收率越高。所以，在制定热泵机组的运行策略时，应尽量设置较大的换热器进、出水温差，以提高余热资源的回收利用效率，而且进、出水的温差大还能够减少系统的水流量，从而降低水泵的耗电量。在相同的水源条件下，吸收式热泵由于装机容量较大，为保证机组能够尽量满负荷运行，一般会设置较 大的进、出水温差，故其余热回收率大于压缩式热泵。参考工程案例的实际测量数据，对于压缩式热泵，其常用的液体余热温度范围为10～35℃，为保证余热回收率不会过低，建议温差设置保持在3℃以上。对于吸收式热泵，其常用的液体余热温度范围为40～50℃，为保证余热回收率始终大于0.1，温差设置建议在8℃以上。
进一步，余热回收的技术经济分析余热回收的优化，其很重要的目的之一即使得系统经济效果达到最佳，评价余热回收方案经济效果可用技术经济评价指标来衡量，技术经济评价指标多种多样，它们从不同角度反映工程技术方案的经济效果，如时间型指标——投资回收期，价值型指标——净现值，效率型指标——内部收益率等等，同时按是否考虑资金的时间价值，可将技术经济分析方法分为静态分析法和动态分析法，其中动态分析法充分考虑了资金的时间价值，可以较为全面的反映工程实际问题，本文拟采用动态评价方法——净现值法来评价方案的经济效果，净现值(NPV)表示在规定的折现率情况下，方案在不同时点发生的净现金流量折现到期初时，整个寿命期内所能得到的净收益，它反映了工程项目在建设期和生产服务年限内获利能力的综合性动态评价指标，净现值可以作为方案取舍的依据，如果NPV＝0，表示方案刚好达到了规定的基准收益率水平；如果NPV>0，表示方案除能达到规定的基准收益率之外，还能得到超额收益，此时方案可以接受；如果NPV<0,表示方案到不到规定的基准收益率水平，此时方案应该舍弃，净现值法不仅考虑了资金的时间价值，而且考察了方案在整个计算期内的经济效益；
1.空气回收热量火用的价值
空气每年得到的热量火用的价值可用下式表示：
Ic＝CeτΔEc
其中，eC为火用价格，元/J，它与余热价格存在换算关系[43]：
为余热价格，元/J为系统入口温度因子；τ为系统年运行时间，s；cΔE为空气得到的热量火用，kJ/h；
2.余热回收系统的运行费用
余热回收系统的运行费用为风机功率消耗，即为流动火用损失，由机械功来补偿，考虑到与热量火用之间的不等价性，两者之间存在“机械功”和“热量火用”的折算系数n，研究结果表明，n＝3～5，考虑到ΔEyr<0，ΔEcr<0，故而余热回收系统
的年运行费用可表示为：
Ir＝-nCeτ(ΔEcr+ΔEyr)
3.余热回收系统的初投资
余热回收系统的初投资包括换热元件的材料费，箱体材料费，各种吊挂与支撑，加工费及其他部件费用等等，为简化计算，将初投资费用分为两部分，即与换热面积无关的投资费用I0和与换热面积有关的费用IF，
则余热回收系统的初投资可表示为：
I＝I0+IF·F＝I0+IF·NTU·GcCpc/K
4.余热回收系统的技术经济分析
上一节中计算了空气回收的热量火用价值和运行费用，若不计管理等其他费用，
余热回收系统的年净收益可表示为：
IN＝Ic-Ir＝Ceτ[ΔEc+n(ΔEcr+ΔEyr)]
且投资只发生在第一年，根据技术经济学相关理论，余热回收方案的净现值可由下式表示：
式中，NPV为项目净现值，万元；T为余热回收系统的运行寿命，年；ic为资金基准收益率。
我们知道，在传热系数不变的前提下，如果换热面积设计太小，则热量不能充分回收，造成能量的浪费。而如果换热面积设计太大，虽然回收的热量增加，但设备的成本和运行费用也增加了，因此必然存在着一个经济上 最佳的换热面积。从前面建立的优化设计模型来分析，选取余热回收系统换热面积作为设计变量，而引入的传热单元数(NTU)在一定意义上可以作为换热面积的一种度量，因而在推导中我们都是选取传热单元数作为自变量，各计算目标为因变量来推导函数关系的，而其他变量由于对目标函数影响不大，故而为了简化计算，均视为常数处理。
参见图2、图3、图4可以看出，空气预热温度与传热单元数存在函数关系，在进口烟气和空气温度已知，冷热流体热容量比一定的情况下，空气预热温度随传热单元数变化关系，随着传热单元数的增加，空气预热温度的增长趋缓。可以看出，空气预热温度对回收效益有明显影响，回收火用的价值与空气余热温度近似成线性关系，可以推测当传热单元数增加，空气预热温度提高，回收火用的价值也将呈现增长趋缓的趋势。从流体流动火用损失随传热单元数增加的变化趋势示意图，随着传热单元数的增加，流动火用损失几乎成线性增加，而从前面的分析可以知道，流体流动火用损失直接反映了余热回收系统的运行费用，因此可以推测运行费用随着换热面积的增加必然也将呈现接近线性增加的趋势。余热回收系统的净收益为收入与支出的线性叠加。由前面的分析我们知道，随着传热单元数(NTU)的增加，回收火用的价值增长趋缓，而运行费用却线性增加，因此可以推测余热回收系统的年净收益随传热单元数的增加会呈现出先增加后减少的变化趋势。目标函数净现值(NPV)在一定意义上反映了投资在整个设备运行期内的收益，因此也必然与年收益呈现出相同的变化规律，给出了预测的净现值随传热单元数变化的规律曲线示意图。从预测曲线中我们可以看出，确实存在一个最佳的传热单元数使净现值达到最大，这就为我们对余热回收系统进行优化设计提供了依据。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
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