排烟热回收型直燃机循环研究
作者：磨石学校 | 来源：磨石学校 | 最后更新：2013-12-11 | 点击： 次
- 文章导读：
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在天然气气源充足的地区，直接使用天然气为动力的直燃式吸收式制冷机取代中央空调的电动制冷机是目前普遍使用的一种方式。本文介绍了带排烟热回收发生器的吸收式制冷循环的原理，并对这一新型循环进行了模拟计算。计算...
在天然气气源充足的地区，直接使用天然气为动力的直燃式吸收式制冷机取代中央空调的电动制冷机是目前普遍使用的一种方式。本文介绍了带排烟热回收发生器的吸收式制冷循环的原理，并对这一新型循环进行了模拟计算。计算结果表明，在一定范围内，新循环的性能系数COP随着排烟热回收产生蒸汽比例α的增大而增大，燃料消耗量随α的增大而减小。新型循环排烟温度可降低到120℃左右，有利于保护环境；而且它的推广能够实现燃气的冬夏负荷平衡，逐步形成合理的能源结构，实现资源的可持续发展。
我国溴化锂吸收式制冷机的发展自20世纪60年代研制成功以来，已经得到了快速发展。直燃型吸收式制冷以其工质对臭氧层无破坏，节电，利于平衡冬夏燃气峰谷等特点得到日益推广。特别是随着近来“西气东输”工程的进展，以及近些年来“拉闸限电”问题日益严重，在解决能源需求、环境保护、负荷平衡这些矛盾上，在天然气气源充足的地区，直接使用天然气为动力的直燃式吸收式制冷机取代中央空调的电动制冷机是目前普遍使用的一种方式。直燃型溴化锂吸收式制冷机的研究热点集中在直燃机的新型循环研究，如三效机、四效机循环的研究[1]，吸收式热泵研究[2,3]；吸收器和发生器中的表面活性剂强化传热传质研究、缓蚀剂研究[4]；燃烧效率研究等。
目前，各厂家生产的主流直燃机均是双效溶液循环形式，按溶液流程分为串联和并联，其中串联分正串联和反串联两种，并联分低温热交换器前分流和低温热交换器后分流两种。直燃机高压发生器内的发生温度，达到160℃左右。实际运行时，烟气排放温度一般在190～200℃以上，这么高的排烟温度不仅浪费能源，对环境也造成热污染。如何充分利用洁净能源，提高能源有效利用率，减少对环境的污染值得深入研究。
在此背景下，本文提出了一种新型循环，将排烟热回收发生器与吸收循环结合起来并将其用于直燃型吸收式制冷机。新型循环的研究对提高直燃机的性能系数、降低运行费用、节能环保都有重要意义。
1 带排烟热回收发生器的吸收循环原理
利用排烟热回收的吸收式制冷系统（以低温溶液热交换器后分流为例），如图1所示，在传统的双效吸收循环的基础上加了一个排烟热回收发生器，整个循环相当于一个双效循环加一个单效循环，其基本原理为：从吸收器②出来的稀溶液经过低温溶液热交换器⑦后分为三路，一路经过高温溶液热交换器⑥去向高压发生器⑤、另两路分别进入低压发生器④和排烟热回收发生器⑧。溶液在发生器内受热浓缩，高压发生器⑤产生的蒸汽进入低压发生器④作为低温热源，加热其中的溶液后进入冷凝器③冷凝，低压发生器④产生的蒸汽直接进入冷凝器③冷凝，第三路溶液进入排烟热回收发生器⑧进一步回收烟气中的热量，产生的蒸汽也进入冷凝器③。最后，三路浓缩后的溶液在低温溶液热交换器⑦前汇合后经热交换器进入吸收器②吸收来自蒸发器①冷剂蒸汽被稀释后开始新一轮的循环。
2 循环模拟
根据质量平衡和能量平衡原理[4]及溴化锂溶液的物性方程，可进行热力计算，对循环的运行状态进行计算机模拟分析。模拟条件见表1。
整个循环的模拟分两个阶段进行，设总共产生冷剂蒸汽为D，排烟热回收发生器产生的冷剂蒸汽量为αD，双效侧循环中产生的冷剂蒸气为（1-α）D，系数α定义为由于热回收产生的蒸汽占整个循环冷剂蒸汽量的比例。在已知制冷量的条件下，先假定高压发生器和低压发生器的放气范围Δξ1，Δξ2，再假定高压发生器在双效侧循环中产生的冷剂蒸汽比例y，以质量平衡和能量平衡为判据进行循环计算，直到满足精度要求。在此基础上，以排烟热为输入热量进行单效侧的模拟，用排烟温度最后决定α的大小。
循环性能系数由下式确定：
（1）
其中Q0是循环制冷量，Qg是高压发生器负荷。
根据以上步骤即可进行循环的模拟，求得不同α值时循环状态参数及性能系数。
3 计算结果分析
表2给出了当α=0和α=1.5％时各部件热负荷及循环性能系数的计算结果。当α＝0时，所得各参数即为目前市场上主流直燃机产品循环状态的参数。根据计算结果，当α＝1.5％时，排烟温度从α＝0时的187.2℃降到122.1℃，性能系数提高了0.05。
其中：Q0:蒸发器负荷；Qa：吸收器负荷；Qg1：高压发生器负荷；Qg2：低压发生器负荷；
Qg3：排烟热回收发生器负荷；Qh1：高温溶液热交换器负荷；Qh2：低温溶液热交换器负荷；Qk：冷凝器负荷。
当α＝1.5％时，新循环比传统循环回收了22.5kW的热量，从而减少了排烟对环境的热污染，同时由于回收热量使燃气消耗量减小，温室气体排放量变随之减少。
定义一次能源效率PER(Primary Engegy Rate)为收益与一次能源投入之比，即
（2）
式中，Q0为制冷量(kW)，G为燃料消耗量(m3/s)，HL为燃料低位发热量(kJ/m3)。对α＝0和α＝1.5％，燃料消耗量分别为83.5m3/h和78.5m3/h，本模拟所用燃料低位发热量43299kJ/m3，制冷量为1163kW，由式（2）对应的PER分别为1.158和1.232，带排烟热回收发生器的循环由于排烟回收热量，减少了排烟损失，PER效率比原有循环PER效率提高了约6.4％，体现了这一循环的特点。
从以上的分析和模拟结果可以看出，在制冷量、蒸发温度、冷凝温度不变的条件下，带排烟热回收发生器的循环较传统吸收制冷循环有较高的效率。在一定范围内，新循环的性能系数COP随着排烟热回收产生蒸汽比例α的增大而增大，燃料消耗量随α的增大而减小。通过排烟热回收，吸收了烟气中的余热，使排烟温度从传统循环时的187℃降低到120℃左右，减少了排烟对环境的热污染，同时由于燃气消耗量的减少，温室气体排放量也随之减少，从长远来讲，有很好的节能和环保效益。目前，随着天然气资源的大力开发和“西气东输”工程的进展，天然气的使用量正迅速增长，使用面也在扩大。工业和民用直燃机(锅炉)使用天然气，不仅能很好地解决排烟污染环境问题，而且在经济上也是可行的。研究开发新型、高效环保的直燃机不仅可以解决目前由于使用压缩式制冷引起的电力紧张的矛盾，减少火力发电容量，减少烟尘和温室气体的排放，有利于保护环境；而且能够实现燃气的冬夏负荷平衡，逐步形成合理的能源结构，实现资源的可持续发展。
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