換熱裝置對(duì)一二級(jí)側(cè)流量不匹配適應(yīng)性分析

馮關(guān)儒，張宏凱，郭慶濤

(1.太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030027; 2.同方節(jié)能工程技術(shù)有限公司，北京 100083)

1 概述

截至2019年底，北方地區(qū)清潔供暖取得明顯進(jìn)展，改善了城鄉(xiāng)居民用能條件和居住環(huán)境。北方地區(qū)清潔供暖面積達(dá)116×108m2，比2016年增加51×108m2。

為解決集中供熱系統(tǒng)存在的供熱面積增加、管網(wǎng)輸送能力不足等關(guān)鍵性問(wèn)題，太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司在熱力站內(nèi)將傳統(tǒng)板式換熱器升級(jí)為溴化鋰吸收式換熱機(jī)組(簡(jiǎn)稱吸收式換熱機(jī)組)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

過(guò)增元等人[1]從導(dǎo)熱過(guò)程與導(dǎo)電過(guò)程的比擬出發(fā)，引入了新的物理量——火積。不同溫度熱量的品位不同，因此溫度是熱量的勢(shì)。物體溫度提高表示向物體加入熱量，也同時(shí)向物體加入了“熱量的勢(shì)能”，也稱為“熱勢(shì)能”，即火積。在傳遞過(guò)程中，熱量守恒，但部分火積將被耗散，因此火積并不守恒，傳遞過(guò)程的火積損失稱為火積耗散[1]。

本文在相同供熱能力條件下，計(jì)算板式換熱器、吸收式換熱機(jī)組的火積耗散，定量評(píng)價(jià)兩種換熱裝置對(duì)熱力站一二級(jí)側(cè)流量不匹配工況的適應(yīng)性。本文按1 h計(jì)算換熱量，一級(jí)水指一級(jí)管網(wǎng)循環(huán)水，二級(jí)水指二級(jí)管網(wǎng)循環(huán)水。

2 工程概況

太原煤炭中心醫(yī)院熱力站承擔(dān)醫(yī)院家屬院西區(qū)、東區(qū)以及周邊小區(qū)供熱，總供熱面積約4×104m2。用戶室內(nèi)散熱裝置均為散熱器，供暖熱指標(biāo)為50 W/m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為2 MW。二級(jí)管網(wǎng)供、回水溫度為50、40 ℃。熱力站采用板式換熱器，2018年改造為吸收式換熱機(jī)組。

3 板式換熱器

① 運(yùn)行工況

一二級(jí)水采用逆流換熱。一級(jí)管網(wǎng)供、回水溫度為90.0、43.8 ℃，二級(jí)管網(wǎng)供、回水溫度50.0、40.0 ℃。一級(jí)水質(zhì)量流量為37.22 t/h，二級(jí)水質(zhì)量流量為171.96 t/h。

② 火積耗散

運(yùn)行工況下，板式換熱器的溫度-換熱量圖見(jiàn)圖1。圖1中量符號(hào)說(shuō)明如下：

θ1，i、θ1，o——板式換熱器一級(jí)側(cè)進(jìn)、出水溫度，℃

θ2，i、θ2，o——板式換熱器二級(jí)側(cè)進(jìn)、出水溫度，℃

據(jù)有關(guān)技術(shù)資料，板式換熱器火積耗散ΔE的計(jì)算式為：

(1)

Δθmin=θ1，o-θ2，i

圖1 板式換熱器溫度-換熱量圖

Q=tqm，1cp(θ1，i-θ1，o)

式中 ΔE——板式換熱器火積耗散，J·K

Δθmin——最小傳熱端溫差，℃

Q——板式換熱器換熱量，J

φ——兩種流體的不匹配系數(shù)

n——流量比

t——換熱時(shí)間，s，本文取3 600 s

qm，1——一級(jí)水質(zhì)量流量，kg/s

cp——水比定壓熱容，J/(kg·K)，取4 200 J/(kg·K)

Δθf(wàn)，min——板式換熱器小流量側(cè)溫差，℃

qm，2——二級(jí)水質(zhì)量流量，kg/s

將已知條件代入式(1)，可計(jì)算得到板式換熱器火積耗散為158 165.5 MJ·K。

經(jīng)過(guò)整理，式(1)可寫(xiě)成：

ΔE=0.5Q[(θ1，o-θ2，i)+(θ1，i-θ2，o)]

(2)

式(2)不僅適用于板式換熱器，還適用于其他形式的兩種介質(zhì)換熱器火積耗散的計(jì)算。

4 吸收式換熱機(jī)組

4.1 工藝流程

吸收式換熱機(jī)組工藝流程見(jiàn)圖2。由圖2可知，一級(jí)水經(jīng)低壓發(fā)生器、高壓發(fā)生器放熱后在水-水換熱器(板式換熱器)加熱二級(jí)水。然后在高壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器再次降溫后回到一級(jí)管網(wǎng)。一部分二級(jí)水經(jīng)低壓吸收器、高壓吸收器、低壓冷凝器、高壓冷凝器升溫，另一部分經(jīng)水-水換熱器升溫。吸收式換熱機(jī)組的火積耗散包括上述所有裝置的火積耗散。由于溶液換熱器未涉及一二級(jí)水換熱，因此不在火積耗散計(jì)算范疇。

圖2 吸收式換熱機(jī)組工藝流程

4.2 運(yùn)行工況

一級(jí)管網(wǎng)供、回水溫度為90.0、25.0 ℃，二級(jí)管網(wǎng)供、回水溫度50.0、40.0 ℃。一級(jí)水質(zhì)量流量為26.46 t/h，二級(jí)水質(zhì)量流量為171.96 t/h。各裝置運(yùn)行參數(shù)分別見(jiàn)表1～5。

表1 發(fā)生器運(yùn)行參數(shù)

表2 水-水換熱器運(yùn)行參數(shù)

表3 蒸發(fā)器運(yùn)行參數(shù)

表4 吸收器運(yùn)行參數(shù)

續(xù)表4

表5 冷凝器運(yùn)行參數(shù)

4.3 火積耗散

對(duì)于有溴化鋰溶液、制冷劑參與傳熱的裝置，根據(jù)一二級(jí)水的進(jìn)出口溫差、質(zhì)量流量計(jì)算換熱量。按式(2)可計(jì)算得到吸收式換熱機(jī)組各裝置的火積耗散(見(jiàn)表6)。由表6，可計(jì)算得到吸收式換熱機(jī)組的火積耗散為78 679.2 MJ·K。

表6 吸收式換熱機(jī)組各裝置的火積耗散 MJ·K

5 比較分析

由以上分析可知，在熱力站一二級(jí)側(cè)流量不匹配的前提下，相同供熱能力時(shí)，吸收式換熱機(jī)組的火積耗散為板式換熱機(jī)組的49.7%。說(shuō)明吸收式換熱機(jī)組更適用于熱力站一二級(jí)側(cè)流量不匹配的工況。

6 結(jié)語(yǔ)

為提高經(jīng)濟(jì)性，長(zhǎng)輸熱網(wǎng)應(yīng)采用大溫差、小流量的運(yùn)行方式，但也出現(xiàn)熱力站一二級(jí)側(cè)流量不匹配的情況。吸收式換熱機(jī)組可比較好地解決這一問(wèn)題，為長(zhǎng)輸熱網(wǎng)大溫差、小流量運(yùn)行創(chuàng)造了條件。