排煙熱回收型直燃機循環(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取代中央空調的電動制冷機是 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)進行了模擬 計算 。計算結果表明，在一定范圍內，新循環(huán)的性能系數COP隨著排煙熱回收產生蒸汽比例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，有利于保護環(huán)境；而且它的推廣能夠實現燃氣的冬夏負荷平衡，逐步形成合理的能源結構，實現資源的可持續(xù) 發(fā)展 。 關鍵詞：排煙熱回收 COP 節(jié)能 直燃機 1 前言我國溴化鋰吸收式制冷機的發(fā)展自20世紀60年代研制成功以來，已經得到了快速發(fā)展。直燃型吸收式制冷以其工質對臭氧層無破壞，節(jié)電，利于平衡冬夏燃氣峰谷等特點得到日益推廣。特別是隨著近來“西氣東輸”工程的進展，以及近些年來“拉閘限電” 問題 日益嚴重，在解決能源需求、環(huán)境保護、負荷平衡這些矛盾上，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取代中央空調的電動制冷機是目前普遍使用的一種方式。直燃型溴化鋰吸收式制冷機的 研究 熱點集中在直燃機的新型循環(huán)研究，如三效機、四效機循環(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化傳熱傳質研究、緩蝕劑研究[4]；燃燒效率研究等。目前，各廠家生產的主流直燃機均是雙效溶液循環(huán)形式，按溶液流程分為串聯和并聯，其中串聯分正串聯和反串聯兩種，并聯分低溫熱交換器前分流和低溫熱交換器后分流兩種。直燃機高壓發(fā)生器內的發(fā)生溫度，達到160℃左右。實際運行時，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)結合起來并將其用于直燃型吸收式制冷機。新型循環(huán)的研究對提高直燃機的性能系數、降低運行費用、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（以低溫溶液熱交換器后分流為例），如圖1所示，在傳統的雙效吸收循環(huán)的基礎上加了一個排煙熱回收發(fā)生器，整個循環(huán)相當于一個雙效循環(huán)加一個單效循環(huán)，其基本原理為：從吸收器②出來的稀溶液經過低溫溶液熱交換器⑦后分為三路，一路經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)生器內受熱濃縮，高壓發(fā)生器⑤產生的蒸汽進入低壓發(fā)生器④作為低溫熱源，加熱其中的溶液后進入冷凝器③冷凝，低壓發(fā)生器④產生的蒸汽直接進入冷凝器③冷凝，第三路溶液進入排煙熱回收發(fā)生器⑧進一步回收煙氣中的熱量，產生的蒸汽也進入冷凝器③。最后，三路濃縮后的溶液在低溫溶液熱交換器⑦前匯合后經熱交換器進入吸收器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)模擬根據質量平衡和能量平衡原理[4]及溴化鋰溶液的物性方程，可進行熱力計算，對循環(huán)的運行狀態(tài)進行計算機模擬 分析 。模擬條件見表1。表1　設計工況 冷卻水進出口（℃）冷凍水進出口（℃）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行，設總共產生冷劑蒸汽為D，排煙熱回收發(fā)生器產生的冷劑蒸汽量為αD，雙效側循環(huán)中產生的冷劑蒸氣為（1-α）D，系數α定義為由于熱回收產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)生器在雙效側循環(huán)中產生的冷劑蒸汽比例y，以質量平衡和能量平衡為判據進行循環(huán)計算，直到滿足精度要求。在此基礎上，以排煙熱為輸入熱量進行單效側的模擬，用排煙溫度最后決定α的大小。循環(huán)性能系數由下式確定：（1）其中Q0是循環(huán)制冷量，Qg是高壓發(fā)生器負荷。根據以上步驟即可進行循環(huán)的模擬，求得不同α值時循環(huán)狀態(tài)參數及性能系數。4  計算 結果 分析 表2給出了當α=0和α=1.5％時各部件熱負荷及循環(huán)性能系數的計算結果。當α＝0時，所得各參數即為 目前 市場上主流直燃機產品循環(huán)狀態(tài)的參數。根據計算結果，當α＝1.5％時，排煙溫度從α＝0時的187.2℃降到122.1℃，性能系數提高了0.05。表3　機組各部件負荷 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)器負荷；Qa：吸收器負荷；Qg1：高壓發(fā)生器負荷；Qg2：低壓發(fā)生器負荷；Qg3：排煙熱回收發(fā)生器負荷；Qh1：高溫溶液熱交換器負荷；Qh2：低溫溶液熱交換器負荷；Qk：冷凝器負荷。當α＝1.5％時，新循環(huán)比傳統循環(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氣消耗量減小，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％，體現了這一循環(huán)的特點。5 結語從以上的分析和模擬結果可以看出，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)較傳統吸收制冷循環(huán)有較高的效率。在一定范圍內，新循環(huán)的性能系數COP隨著排煙熱回收產生蒸汽比例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，同時由于燃氣消耗量的減少，溫室氣體排放量也隨之減少，從長遠來講，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”工程的進展，天然氣的使用量正迅速增長，使用面也在擴大。 工業(yè) 和民用直燃機(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 經濟 上也是可行的。 研究 開發(fā)新型、高效環(huán)保的直燃機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，有利于保護環(huán)境；而且能夠實現燃氣的冬夏負荷平衡，逐步形成合理的能源結構，實現資源的可持續(xù) 發(fā)展 。參考  文獻 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.北京：機械工業(yè)出版社，1987.