低溫?zé)崮芨咝Ю猛緩窖芯?/h1>
2015-12-13 10:39:18李景
中國(guó)科技縱橫 2015年10期
李景
(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410011)
低溫?zé)崮芨咝Ю猛緩窖芯?/p>
李景
(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410011)
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于節(jié)能減排工作一直十分重視,這關(guān)系到國(guó)家持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的方針戰(zhàn)略。有助于能源的循環(huán)利用。低溫?zé)崮芾脤?duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施有很大的幫助作用,對(duì)其定義與發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的論述,為提高效率,根據(jù)熱力循環(huán)過(guò)程,對(duì)低溫?zé)崮馨l(fā)電和熱泵技術(shù)在幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化,希望能有益于熱力行業(yè)的工作者。
低溫?zé)崮?高效 優(yōu)化
1 低溫?zé)崮芨咝Ю?/h2>
低溫?zé)崮芾靡龅健皩⒑线m的能源用在合適的地方”，進(jìn)行供需匹配，提升整體效益，例如：根據(jù)工業(yè)廢熱的溫度選擇用戶熱源或供暖方式，上游裝置直供下游避免浪費(fèi)，等等?，F(xiàn)將低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)和熱泵技術(shù)的高效利用作為此次分析的重點(diǎn)探討。
1.1 低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)
在熱力學(xué)上，卡諾循環(huán)是理想過(guò)程，汽化和凝結(jié)是等溫過(guò)程，膨脹和壓縮為等熵過(guò)程，系統(tǒng)效率只與循環(huán)工質(zhì)的吸熱溫度和放熱溫度有關(guān)，吸熱溫度越高、放熱溫度越低，其效率就越高。然而由于低溫?zé)崮艿臒嵩礈囟炔桓?，其系統(tǒng)效率不會(huì)很高，所以，提高系統(tǒng)效率是低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的重要問(wèn)題。為提高系統(tǒng)效率，可改進(jìn)工質(zhì)、設(shè)備和循環(huán)三方面。
圖1 低溫?zé)崮馨l(fā)電T-s圖
圖2 壓縮式熱泵系統(tǒng)組成及工作流程
(1)優(yōu)化工質(zhì)；工質(zhì)的熱物性包括飽和溫度、飽和壓力、臨界參數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度等，它將影響循環(huán)系統(tǒng)的效率、傳熱效率和流動(dòng)效率，另一方面，由于現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，需要選擇環(huán)境友好型的工質(zhì)。又因工質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性好、安全無(wú)害以及價(jià)廉易得等其它方面的要求，需要選擇合理的工質(zhì)，如在制冷循環(huán)中可以選擇用共沸和非共沸制冷劑來(lái)代替氟利昂。(2)優(yōu)化設(shè)備；換熱器的效率是影響系統(tǒng)效率的重要因素，優(yōu)化換熱器也是一種提高系統(tǒng)效率的有效途徑，其核心就是增強(qiáng)傳熱，可以選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料生產(chǎn)換熱器，增大換熱面積，改變換熱器結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)換熱等等。工質(zhì)在循環(huán)工程中的流動(dòng)情況和換熱情況，對(duì)低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)有很大影響，掌握了這些情況，對(duì)設(shè)計(jì)換熱器也有極大幫助。此外，對(duì)于其他設(shè)備的優(yōu)化，如朗肯循環(huán)中的汽輪機(jī)，通過(guò)研究新型工質(zhì)的物性參數(shù)及流動(dòng)特性，進(jìn)而改進(jìn)透平，可以提高系統(tǒng)效率。(3)優(yōu)化循環(huán)系統(tǒng)；低溫?zé)崮馨l(fā)電系統(tǒng)中通常是變溫?zé)嵩?，?duì)應(yīng)洛倫茲循環(huán)，為理想循環(huán)，吸熱過(guò)程和熱源溫度變化配合緊密，如圖1(a)所示。而實(shí)際上，純工質(zhì)的熱力過(guò)程為朗肯循環(huán)，等溫蒸發(fā)吸熱過(guò)程中和熱源不是緊密配合，這就造成了換熱溫差大，增加了不可逆損失，使得效率降低，如圖1(b)所示。為降低不可逆損失，對(duì)系統(tǒng)循環(huán)有所優(yōu)化，選用混合有機(jī)物循環(huán)或Kalina循環(huán)等。
非共沸工質(zhì)由不同的工質(zhì)混合組成，沒(méi)有共沸點(diǎn)，相變不是確定的溫度，而是一個(gè)溫度區(qū)間，在蒸發(fā)過(guò)程中，工質(zhì)的溫度不斷變化，這樣就能很好地配合熱源溫度，減小了不可逆損失，達(dá)到優(yōu)化的效果，如圖1(c)所示。Kalina循環(huán)選用氨水混合劑作為循環(huán)工質(zhì)，蒸發(fā)過(guò)程中溫度不斷變化，在冷凝過(guò)程中，氨的含量低，溫度變化不大，不可逆損失小，提高了效率，且在較低的壓力下也可以實(shí)現(xiàn)冷凝，為系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)了有力的條件。
除此之外，熱源溫度相對(duì)較高時(shí)，可以選用回?zé)嵫h(huán)，其效率比無(wú)回?zé)釙r(shí)可以提高60%。在Kalina循環(huán)的基礎(chǔ)上，使用吸收式制冷，既有制冷又可輸出電力，提高效率。
1.2 熱泵技術(shù)
熱泵系統(tǒng)是將低溫?zé)嵩吹臒崃刻嵘礁邷責(zé)嵩吹臒崃ρh(huán)系統(tǒng)，分為壓縮式、吸收式和吸附式三類，其中空調(diào)行業(yè)運(yùn)用最為廣泛的是壓縮式熱泵系統(tǒng)。壓縮式熱泵系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流裝置組成，所獲為冷凝器的高溫?zé)崃?，如圖2所示。系統(tǒng)中，最大的不可逆損失由壓縮機(jī)和換熱器產(chǎn)生，因此提高效率的途徑從壓縮機(jī)和換熱器出發(fā)。
(1)提高壓縮機(jī)效率；壓縮機(jī)是將低溫低壓的工質(zhì)提升為高溫高壓的裝置，為提高其效率，首先，從設(shè)計(jì)和加工出發(fā)，如增加潤(rùn)滑減少摩擦損失，這樣就減少了壓縮機(jī)的機(jī)械損失；其次，工質(zhì)運(yùn)行工況對(duì)效率影響較大，所以要選用與工質(zhì)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)運(yùn)行，盡量選擇在壓縮機(jī)效率為60%～70%時(shí)選擇運(yùn)行工況和運(yùn)行工質(zhì)。(2)降低換熱溫差；換熱器兩側(cè)的溫差導(dǎo)致工質(zhì)在循環(huán)中偏離理想逆卡諾循環(huán)，不可逆損失隨溫差的增大而增大，降低換熱溫差是提高效率的重要途徑，相應(yīng)措施有：改變換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)換熱，換熱器表面材料經(jīng)過(guò)處理增大傳熱系數(shù)，增大換熱器的換熱面積等等。(3)回收膨脹功；熱泵循環(huán)系統(tǒng)中，節(jié)流過(guò)程不可逆，熵值是增大的，不可逆損失造成了系統(tǒng)效率的降低，可使用膨脹機(jī)來(lái)代替節(jié)流閥，CO2循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)做了如此進(jìn)展，部分膨脹功得以回收，提高了效率。低溫?zé)崮艿睦眠€可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬循環(huán)過(guò)程來(lái)選取最優(yōu)，以達(dá)到高效的目的。
2 結(jié)語(yǔ)
低溫?zé)崮芾脤?duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施有很大的幫助作用，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了很多研究與應(yīng)用，但還有改進(jìn)空間，要根據(jù)熱力學(xué)定律，對(duì)循環(huán)過(guò)程以及設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以達(dá)到提高效率和環(huán)保的目標(biāo)。
[1]顧偉,等.低溫?zé)崮馨l(fā)電的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].熱能動(dòng)力工程, 2007(2):115-119.
[2]于鳳菊.低溫地?zé)崮艿睦醚芯縖D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2003:83-87.
李景(1982—),男,湖南長(zhǎng)沙人,本科,工程師,研究方向:中小型熱電站、熱電冷三聯(lián)供、分布式能源等新能源工程方面。
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李景
(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410011)
低溫?zé)崮芨咝Ю猛緩窖芯?/p>
李景
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目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于節(jié)能減排工作一直十分重視,這關(guān)系到國(guó)家持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的方針戰(zhàn)略。有助于能源的循環(huán)利用。低溫?zé)崮芾脤?duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施有很大的幫助作用,對(duì)其定義與發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的論述,為提高效率,根據(jù)熱力循環(huán)過(guò)程,對(duì)低溫?zé)崮馨l(fā)電和熱泵技術(shù)在幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化,希望能有益于熱力行業(yè)的工作者。
低溫?zé)崮?高效 優(yōu)化
1 低溫?zé)崮芨咝Ю?/h2>
低溫?zé)崮芾靡龅健皩⒑线m的能源用在合適的地方”，進(jìn)行供需匹配，提升整體效益，例如：根據(jù)工業(yè)廢熱的溫度選擇用戶熱源或供暖方式，上游裝置直供下游避免浪費(fèi)，等等?，F(xiàn)將低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)和熱泵技術(shù)的高效利用作為此次分析的重點(diǎn)探討。
1.1 低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)
在熱力學(xué)上，卡諾循環(huán)是理想過(guò)程，汽化和凝結(jié)是等溫過(guò)程，膨脹和壓縮為等熵過(guò)程，系統(tǒng)效率只與循環(huán)工質(zhì)的吸熱溫度和放熱溫度有關(guān)，吸熱溫度越高、放熱溫度越低，其效率就越高。然而由于低溫?zé)崮艿臒嵩礈囟炔桓?，其系統(tǒng)效率不會(huì)很高，所以，提高系統(tǒng)效率是低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的重要問(wèn)題。為提高系統(tǒng)效率，可改進(jìn)工質(zhì)、設(shè)備和循環(huán)三方面。
圖1 低溫?zé)崮馨l(fā)電T-s圖
圖2 壓縮式熱泵系統(tǒng)組成及工作流程
(1)優(yōu)化工質(zhì)；工質(zhì)的熱物性包括飽和溫度、飽和壓力、臨界參數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度等，它將影響循環(huán)系統(tǒng)的效率、傳熱效率和流動(dòng)效率，另一方面，由于現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，需要選擇環(huán)境友好型的工質(zhì)。又因工質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性好、安全無(wú)害以及價(jià)廉易得等其它方面的要求，需要選擇合理的工質(zhì)，如在制冷循環(huán)中可以選擇用共沸和非共沸制冷劑來(lái)代替氟利昂。(2)優(yōu)化設(shè)備；換熱器的效率是影響系統(tǒng)效率的重要因素，優(yōu)化換熱器也是一種提高系統(tǒng)效率的有效途徑，其核心就是增強(qiáng)傳熱，可以選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料生產(chǎn)換熱器，增大換熱面積，改變換熱器結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)換熱等等。工質(zhì)在循環(huán)工程中的流動(dòng)情況和換熱情況，對(duì)低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)有很大影響，掌握了這些情況，對(duì)設(shè)計(jì)換熱器也有極大幫助。此外，對(duì)于其他設(shè)備的優(yōu)化，如朗肯循環(huán)中的汽輪機(jī)，通過(guò)研究新型工質(zhì)的物性參數(shù)及流動(dòng)特性，進(jìn)而改進(jìn)透平，可以提高系統(tǒng)效率。(3)優(yōu)化循環(huán)系統(tǒng)；低溫?zé)崮馨l(fā)電系統(tǒng)中通常是變溫?zé)嵩?，?duì)應(yīng)洛倫茲循環(huán)，為理想循環(huán)，吸熱過(guò)程和熱源溫度變化配合緊密，如圖1(a)所示。而實(shí)際上，純工質(zhì)的熱力過(guò)程為朗肯循環(huán)，等溫蒸發(fā)吸熱過(guò)程中和熱源不是緊密配合，這就造成了換熱溫差大，增加了不可逆損失，使得效率降低，如圖1(b)所示。為降低不可逆損失，對(duì)系統(tǒng)循環(huán)有所優(yōu)化，選用混合有機(jī)物循環(huán)或Kalina循環(huán)等。
非共沸工質(zhì)由不同的工質(zhì)混合組成，沒(méi)有共沸點(diǎn)，相變不是確定的溫度，而是一個(gè)溫度區(qū)間，在蒸發(fā)過(guò)程中，工質(zhì)的溫度不斷變化，這樣就能很好地配合熱源溫度，減小了不可逆損失，達(dá)到優(yōu)化的效果，如圖1(c)所示。Kalina循環(huán)選用氨水混合劑作為循環(huán)工質(zhì)，蒸發(fā)過(guò)程中溫度不斷變化，在冷凝過(guò)程中，氨的含量低，溫度變化不大，不可逆損失小，提高了效率，且在較低的壓力下也可以實(shí)現(xiàn)冷凝，為系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)了有力的條件。
除此之外，熱源溫度相對(duì)較高時(shí)，可以選用回?zé)嵫h(huán)，其效率比無(wú)回?zé)釙r(shí)可以提高60%。在Kalina循環(huán)的基礎(chǔ)上，使用吸收式制冷，既有制冷又可輸出電力，提高效率。
1.2 熱泵技術(shù)
熱泵系統(tǒng)是將低溫?zé)嵩吹臒崃刻嵘礁邷責(zé)嵩吹臒崃ρh(huán)系統(tǒng)，分為壓縮式、吸收式和吸附式三類，其中空調(diào)行業(yè)運(yùn)用最為廣泛的是壓縮式熱泵系統(tǒng)。壓縮式熱泵系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流裝置組成，所獲為冷凝器的高溫?zé)崃?，如圖2所示。系統(tǒng)中，最大的不可逆損失由壓縮機(jī)和換熱器產(chǎn)生，因此提高效率的途徑從壓縮機(jī)和換熱器出發(fā)。
(1)提高壓縮機(jī)效率；壓縮機(jī)是將低溫低壓的工質(zhì)提升為高溫高壓的裝置，為提高其效率，首先，從設(shè)計(jì)和加工出發(fā)，如增加潤(rùn)滑減少摩擦損失，這樣就減少了壓縮機(jī)的機(jī)械損失；其次，工質(zhì)運(yùn)行工況對(duì)效率影響較大，所以要選用與工質(zhì)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)運(yùn)行，盡量選擇在壓縮機(jī)效率為60%～70%時(shí)選擇運(yùn)行工況和運(yùn)行工質(zhì)。(2)降低換熱溫差；換熱器兩側(cè)的溫差導(dǎo)致工質(zhì)在循環(huán)中偏離理想逆卡諾循環(huán)，不可逆損失隨溫差的增大而增大，降低換熱溫差是提高效率的重要途徑，相應(yīng)措施有：改變換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)換熱，換熱器表面材料經(jīng)過(guò)處理增大傳熱系數(shù)，增大換熱器的換熱面積等等。(3)回收膨脹功；熱泵循環(huán)系統(tǒng)中，節(jié)流過(guò)程不可逆，熵值是增大的，不可逆損失造成了系統(tǒng)效率的降低，可使用膨脹機(jī)來(lái)代替節(jié)流閥，CO2循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)做了如此進(jìn)展，部分膨脹功得以回收，提高了效率。低溫?zé)崮艿睦眠€可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬循環(huán)過(guò)程來(lái)選取最優(yōu)，以達(dá)到高效的目的。
2 結(jié)語(yǔ)
低溫?zé)崮芾脤?duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施有很大的幫助作用，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了很多研究與應(yīng)用，但還有改進(jìn)空間，要根據(jù)熱力學(xué)定律，對(duì)循環(huán)過(guò)程以及設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以達(dá)到提高效率和環(huán)保的目標(biāo)。
[1]顧偉,等.低溫?zé)崮馨l(fā)電的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].熱能動(dòng)力工程, 2007(2):115-119.
[2]于鳳菊.低溫地?zé)崮艿睦醚芯縖D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2003:83-87.
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