排煙熱回收型直燃機(jī)循環(huán)研究

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孫賀江 由世俊 涂光備摘要：在天然氣氣源充足的地區(qū)，直接使用天然氣為動力的直燃式吸收式制冷機(jī)取代中央空調(diào)的電動制冷機(jī)是 目前 普遍使用的一種方式。本文介紹了帶排煙熱回收發(fā)生器的吸收式制冷循環(huán)的原理，并對這一新型循環(huán)進(jìn)行了模擬 計算 。計算結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，新循環(huán)的性能系數(shù)COP隨著排煙熱回收產(chǎn)生蒸汽比例α的增大而增大，燃料消耗量隨α的增大而減小。新型循環(huán)排煙溫度可降低到120℃左右，有利于保護(hù)環(huán)境；而且它的推廣能夠?qū)崿F(xiàn)燃?xì)獾亩呢?fù)荷平衡，逐步形成合理的能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù) 發(fā)展 。 關(guān)鍵詞：排煙熱回收 COP 節(jié)能 直燃機(jī) 1 前言我國溴化鋰吸收式制冷機(jī)的發(fā)展自20世紀(jì)60年代研制成功以來，已經(jīng)得到了快速發(fā)展。直燃型吸收式制冷以其工質(zhì)對臭氧層無破壞，節(jié)電，利于平衡冬夏燃?xì)夥骞鹊忍攸c(diǎn)得到日益推廣。特別是隨著近來“西氣東輸”工程的進(jìn)展，以及近些年來“拉閘限電” 問題 日益嚴(yán)重，在解決能源需求、環(huán)境保護(hù)、負(fù)荷平衡這些矛盾上，在天然氣氣源充足的地區(qū)，直接使用天然氣為動力的直燃式吸收式制冷機(jī)取代中央空調(diào)的電動制冷機(jī)是目前普遍使用的一種方式。直燃型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的 研究 熱點(diǎn)集中在直燃機(jī)的新型循環(huán)研究，如三效機(jī)、四效機(jī)循環(huán)的研究[1]，吸收式熱泵研究[2,3]；吸收器和發(fā)生器中的表面活性劑強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)研究、緩蝕劑研究[4]；燃燒效率研究等。目前，各廠家生產(chǎn)的主流直燃機(jī)均是雙效溶液循環(huán)形式，按溶液流程分為串聯(lián)和并聯(lián)，其中串聯(lián)分正串聯(lián)和反串聯(lián)兩種，并聯(lián)分低溫?zé)峤粨Q器前分流和低溫?zé)峤粨Q器后分流兩種。直燃機(jī)高壓發(fā)生器內(nèi)的發(fā)生溫度，達(dá)到160℃左右。實(shí)際運(yùn)行時，煙氣排放溫度一般在190～200℃以上，這么高的排煙溫度不僅浪費(fèi)能源，對環(huán)境也造成熱污染。如何充分利用潔凈能源，提高能源有效利用率，減少對環(huán)境的污染值得深入研究。在此背景下，本文提出了一種新型循環(huán)，將排煙熱回收發(fā)生器與吸收循環(huán)結(jié)合起來并將其用于直燃型吸收式制冷機(jī)。新型循環(huán)的研究對提高直燃機(jī)的性能系數(shù)、降低運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)能環(huán)保都有重要意義。2 帶排煙熱回收發(fā)生器的吸收循環(huán)原理利用排煙熱回收的吸收式制冷系統(tǒng)（以低溫溶液熱交換器后分流為例），如圖1所示，在傳統(tǒng)的雙效吸收循環(huán)的基礎(chǔ)上加了一個排煙熱回收發(fā)生器，整個循環(huán)相當(dāng)于一個雙效循環(huán)加一個單效循環(huán)，其基本原理為：從吸收器②出來的稀溶液經(jīng)過低溫溶液熱交換器⑦后分為三路，一路經(jīng)過高溫溶液熱交換器⑥去向高壓發(fā)生器⑤、另兩路分別進(jìn)入低壓發(fā)生器④和排煙熱回收發(fā)生器⑧。溶液在發(fā)生器內(nèi)受熱濃縮，高壓發(fā)生器⑤產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入低壓發(fā)生器④作為低溫?zé)嵩?，加熱其中的溶液后進(jìn)入冷凝器③冷凝，低壓發(fā)生器④產(chǎn)生的蒸汽直接進(jìn)入冷凝器③冷凝，第三路溶液進(jìn)入排煙熱回收發(fā)生器⑧進(jìn)一步回收煙氣中的熱量，產(chǎn)生的蒸汽也進(jìn)入冷凝器③。最后，三路濃縮后的溶液在低溫溶液熱交換器⑦前匯合后經(jīng)熱交換器進(jìn)入吸收器②吸收來自蒸發(fā)器①冷劑蒸汽被稀釋后開始新一輪的循環(huán)。

  圖1 帶排煙熱回收發(fā)生器的吸收循環(huán)原理圖 3 循環(huán)模擬根據(jù)質(zhì)量平衡和能量平衡原理[4]及溴化鋰溶液的物性方程，可進(jìn)行熱力計算，對循環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計算機(jī)模擬 分析 。模擬條件見表1。表1　設(shè)計工況 冷卻水進(jìn)出口（℃）冷凍水進(jìn)出口（℃）蒸發(fā)溫度（℃）冷凝溫度（℃）32/37.512/7540.3整個循環(huán)的模擬分兩個階段進(jìn)行，設(shè)總共產(chǎn)生冷劑蒸汽為D，排煙熱回收發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽量為αD，雙效側(cè)循環(huán)中產(chǎn)生的冷劑蒸氣為（1-α）D，系數(shù)α定義為由于熱回收產(chǎn)生的蒸汽占整個循環(huán)冷劑蒸汽量的比例。在已知制冷量的條件下，先假定高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器的放氣范圍Δξ1，Δξ2，再假定高壓發(fā)生器在雙效側(cè)循環(huán)中產(chǎn)生的冷劑蒸汽比例y，以質(zhì)量平衡和能量平衡為判據(jù)進(jìn)行循環(huán)計算，直到滿足精度要求。在此基礎(chǔ)上，以排煙熱為輸入熱量進(jìn)行單效側(cè)的模擬，用排煙溫度最后決定α的大小。循環(huán)性能系數(shù)由下式確定：（1）其中Q0是循環(huán)制冷量，Qg是高壓發(fā)生器負(fù)荷。根據(jù)以上步驟即可進(jìn)行循環(huán)的模擬，求得不同α值時循環(huán)狀態(tài)參數(shù)及性能系數(shù)。4  計算 結(jié)果 分析 表2給出了當(dāng)α=0和α=1.5％時各部件熱負(fù)荷及循環(huán)性能系數(shù)的計算結(jié)果。當(dāng)α＝0時，所得各參數(shù)即為 目前 市場上主流直燃機(jī)產(chǎn)品循環(huán)狀態(tài)的參數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)α＝1.5％時，排煙溫度從α＝0時的187.2℃降到122.1℃，性能系數(shù)提高了0.05。表3　機(jī)組各部件負(fù)荷 αQ0（kW）Qa（kW）Qg1（kW）Qg2（kW）Qg3（kW）Qh1（kW）Qh2（kW）Qk（kW）COP0.01163146689667503076205931.2971.5%1163142886365422.51834006021.346其中：Q0:蒸發(fā)器負(fù)荷；Qa：吸收器負(fù)荷；Qg1：高壓發(fā)生器負(fù)荷；Qg2：低壓發(fā)生器負(fù)荷；Qg3：排煙熱回收發(fā)生器負(fù)荷；Qh1：高溫溶液熱交換器負(fù)荷；Qh2：低溫溶液熱交換器負(fù)荷；Qk：冷凝器負(fù)荷。當(dāng)α＝1.5％時，新循環(huán)比傳統(tǒng)循環(huán)回收了22.5kW的熱量，從而減少了排煙對環(huán)境的熱污染，同時由于回收熱量使燃?xì)庀牧繙p小，溫室氣體排放量變隨之減少。定義一次能源效率PER(Primary Engegy Rate)為收益與一次能源投入之比，即（2）式中，Q0為制冷量(kW)，G為燃料消耗量(m3/s)，HL為燃料低位發(fā)熱量(kJ/m3)。對α＝0和α＝1.5％，燃料消耗量分別為83.5m3/h和78.5m3/h，本模擬所用燃料低位發(fā)熱量43299kJ/m3，制冷量為1163kW，由式（2）對應(yīng)的PER分別為1.158和1.232，帶排煙熱回收發(fā)生器的循環(huán)由于排煙回收熱量，減少了排煙損失，PER效率比原有循環(huán)PER效率提高了約6.4％，體現(xiàn)了這一循環(huán)的特點(diǎn)。5 結(jié)語從以上的分析和模擬結(jié)果可以看出，在制冷量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度不變的條件下，帶排煙熱回收發(fā)生器的循環(huán)較傳統(tǒng)吸收制冷循環(huán)有較高的效率。在一定范圍內(nèi)，新循環(huán)的性能系數(shù)COP隨著排煙熱回收產(chǎn)生蒸汽比例α的增大而增大，燃料消耗量隨α的增大而減小。通過排煙熱回收，吸收了煙氣中的余熱，使排煙溫度從傳統(tǒng)循環(huán)時的187℃降低到120℃左右，減少了排煙對環(huán)境的熱污染，同時由于燃?xì)庀牧康臏p少，溫室氣體排放量也隨之減少，從長遠(yuǎn)來講，有很好的節(jié)能和環(huán)保效益。目前，隨著天然氣資源的大力開發(fā)和“西氣東輸”工程的進(jìn)展，天然氣的使用量正迅速增長，使用面也在擴(kuò)大。 工業(yè) 和民用直燃機(jī)(鍋爐)使用天然氣，不僅能很好地解決排煙污染環(huán)境 問題 ，而且在 經(jīng)濟(jì) 上也是可行的。 研究 開發(fā)新型、高效環(huán)保的直燃機(jī)不僅可以解決目前由于使用壓縮式制冷引起的電力緊張的矛盾，減少火力發(fā)電容量，減少煙塵和溫室氣體的排放，有利于保護(hù)環(huán)境；而且能夠?qū)崿F(xiàn)燃?xì)獾亩呢?fù)荷平衡，逐步形成合理的能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù) 發(fā)展 。參考  文獻(xiàn) 1 Shengwei Wang, Dongsheng Zhu. A novel type of coupling cycle for adsorption heat pumps. Applied  The rmal Engineering ，2002，22 ：1083–1088.2 陳光明，夏中明. 一個新型的吸收制冷循環(huán)研究，制冷學(xué)報，1996（3）：26-36.3 Grosman G, Wilk M,etc, Simulation and performance analysis of triple-effect absorption cycles. ASHRAE Trans.1994(Part I)：452-462.4 高田秋一著. 吸收式制冷機(jī).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.