吸收式換熱理論及其應(yīng)用

吸收式換熱理論及其應(yīng)用

0供熱系統(tǒng)的不匹配供熱技術(shù)能源損失和浪費(fèi)的原因有很多，但從本質(zhì)上講，這是不可逆轉(zhuǎn)的。不可逆性的定量表示就是熵產(chǎn),熵產(chǎn)降低了給定環(huán)境下能源的可用性,其所降低值稱為ue40a耗損。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱量可自發(fā)的由高溫傳向低溫,這是一個(gè)熵增ue40a減的過程,且換熱溫差越大,不可逆損失就越大。以常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱為例,隨著供熱規(guī)模不斷加大,系統(tǒng)發(fā)展成了如圖1所示的模式,在整個(gè)能量的轉(zhuǎn)換與輸送過程中經(jīng)歷了2個(gè)溫差較大的換熱環(huán)節(jié):熱網(wǎng)加熱首站的汽—水換熱和熱力站的水—水換熱,這2個(gè)環(huán)節(jié)均存在不可逆損失,進(jìn)而造成了大量可用能的浪費(fèi)。然而,這些不匹配的換熱環(huán)節(jié)存在著較大的系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)的潛力,即存在著較大的可用能再利用的空間。文獻(xiàn)介紹了利用集中供熱系統(tǒng)的一、二次熱網(wǎng)間的不匹配換熱環(huán)節(jié)蘊(yùn)涵的可用勢(shì)能驅(qū)動(dòng)增熱型吸收式熱泵,回收熱力站周邊的低位可再生能源(如地?zé)?、土壤源和太陽能?,如圖2所示。吸收式熱泵的原理見圖3,以高位的熱量QY作為驅(qū)動(dòng)力,產(chǎn)生制冷效應(yīng),吸收低位的熱量QD,將熱量QY+QD于中間溫度放出。近幾年,吸收式熱泵技術(shù)得到廣泛的推廣應(yīng)用,可利用蒸汽、熱水及燃?xì)獾茸鳛轵?qū)動(dòng)能源,其性能受驅(qū)動(dòng)熱源、低溫?zé)嵩匆约爸袦責(zé)嵩吹钠肺坏闹萍s,通常制熱性能COPh在1.6~2.3左右。利用吸收式熱泵回收包括可再生能源在內(nèi)的各種低位余熱用于供熱,可帶來較佳的節(jié)能收益。1ue40a效率對(duì)能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的評(píng)價(jià),應(yīng)以熱力學(xué)第二定律的ue40a分析方法作為評(píng)價(jià)依據(jù),并制定相關(guān)的量化評(píng)價(jià)指標(biāo),從合理利用能源的角度出發(fā),注意能源品位的量度。基于這種思維,將不同能源對(duì)蘊(yùn)涵的可用能(ue40a)Ex與其總能量Q的比值定義為這種能源的能質(zhì)系數(shù)λ:以熱水等液態(tài)流體為熱媒的熱力管網(wǎng),設(shè)其供、回水溫度分別為Ts和Tr,則其中熱量Q中的可用能(ue40a)Ex為:式中,T0為參考溫度,K;其余參數(shù)含義同前。由式(1)和式(2)可知能質(zhì)系數(shù)λ的大小與熱力管網(wǎng)的供、回水溫度密切相關(guān),如式(3)所示:熱交換過程的ue40a損失與ue40a效率為:式中,Exin、Exout分別為換熱環(huán)節(jié)的輸入ue40a和輸出ue40a;λin、λout分別為換熱器兩側(cè)熱媒的能級(jí)。2新型傳熱技術(shù)仍以圖1所示的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)為例,在熱力站水—水換熱環(huán)節(jié),一次網(wǎng)(熱側(cè))設(shè)計(jì)溫度為130/70℃,二次網(wǎng)(冷側(cè))設(shè)計(jì)溫度為65/50℃,換熱環(huán)節(jié)ue40a效率ηex,2僅有65.8%;如果降低熱側(cè)供水溫度至85℃,去加熱等流量的冷側(cè)流體(65/50℃),則換熱環(huán)節(jié)ue40a效率ηex,2′可提高至81.5%(見圖4)。顯然,這種不可逆損失是由參與換熱的冷、熱側(cè)流量的不對(duì)稱性所導(dǎo)致的較大傳熱溫差造成的。由此,本文提出一種新型的換熱理念———吸收式換熱,如圖5所示。系統(tǒng)由吸收式換熱1和常規(guī)換熱2兩部分組成。其原理為:以130~95℃熱側(cè)高溫段A的熱量QA(λ(A)=0.315)作為驅(qū)動(dòng)勢(shì)能,吸收55~25℃熱側(cè)低溫段C的熱量QC(λ(C)=0.157)并抬升其能級(jí),將熱量QA+QC以加權(quán)能質(zhì)系數(shù)λ(A+C)=0.243放出,加熱冷側(cè)流體(λw,2=0.201)。吸收式換熱ue40a效率ηex,(A+C)=0.805,95~55℃熱側(cè)中溫段B與冷側(cè)的常規(guī)換熱ue40a效率ηex,B=0.954,系統(tǒng)總的ue40a效率ηex,o=0.83,熱力學(xué)完善度較常規(guī)換熱方式有較大的提高。從熱力學(xué)第一定律來看,熱側(cè)流體130~25℃降溫釋放的熱量全部換熱到冷側(cè)流體當(dāng)中;從熱力學(xué)第二定律來看,以熱側(cè)流體的高溫段A為驅(qū)動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)了局部(C段)由低溫向高溫的換熱,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了熱側(cè)流體的大幅降溫。當(dāng)作為驅(qū)動(dòng)力的熱側(cè)高溫段A的能級(jí)越高,或冷側(cè)流體的加熱能級(jí)越低,則可從更低能級(jí)的熱側(cè)低溫段C中吸收熱量,即可將熱側(cè)流體溫度降得更低。3吸收式換熱器的優(yōu)點(diǎn)3.1熱力管網(wǎng)輸送方式為熱容、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)熱能工程的一些領(lǐng)域(如城市集中供熱)不同程度地面臨著熱力管網(wǎng)輸送能力不足的問題,將成為制約其發(fā)展的瓶頸。以液態(tài)流體為熱媒的管網(wǎng)流量G的計(jì)算見式(6):式中,cp為輸送介質(zhì)的比熱容;ts和tr分別為熱力管網(wǎng)供、回水溫度。由式(6)可知,為提高熱力管網(wǎng)的輸送能力,一種方式是提高輸送介質(zhì)的比熱容cp,如采用含有相變材料的功能熱流體作為熱量傳輸介質(zhì),這種方法目前處于實(shí)驗(yàn)階段,尚不能應(yīng)用于實(shí)際工程。另一種方式是增大熱力管網(wǎng)供回路輸送溫差(ts-tr),提高ts或降低tr都可增加熱力管網(wǎng)的輸送能力,提高ts往往受到管網(wǎng)保溫材料耐溫要求等問題的制約;而通過吸收式換熱大幅降低熱力管網(wǎng)回路熱媒的溫度tr,拉大輸送溫差,可節(jié)約管網(wǎng)建設(shè)投資,并降低循環(huán)泵的輸送電耗。3.2低溫余熱回收技術(shù)余熱利用是提高熱電聯(lián)產(chǎn)、區(qū)域鍋爐房等集中熱源能源利用效率的有效途徑,也是鋼鐵、化工等高能耗行業(yè)節(jié)能減排的巨大潛在空間。隨著人們對(duì)余熱利用的重視和相應(yīng)技術(shù)的不斷完善,品位較高的余熱(如高溫?zé)煔?大多得到了有效利用。而對(duì)于品位低、數(shù)量大的低溫余熱,如電廠循環(huán)冷卻水余熱、燃?xì)忮仩t或燃汽輪機(jī)的煙氣冷凝熱以及一些工業(yè)低位余熱等,其有效利用技術(shù)的研發(fā)仍是一個(gè)亟待解決的課題。之所以低位余熱的回收利用難度高,究其根本原因就是這些余熱與供熱的品味要求不匹配,而抬升低溫余熱品味的手段(如熱泵技術(shù))往往受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面因素的制約。通過吸收式換熱大幅降低熱力管網(wǎng)回路的熱媒溫度,可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)熱媒與低溫余熱的能級(jí)匹配,同時(shí)拓寬了管網(wǎng)熱媒的加熱升溫幅度,這2點(diǎn)對(duì)低溫余熱的回收與利用至關(guān)重要。4吸收式換熱器的應(yīng)用4.1平臺(tái)-分級(jí)加熱當(dāng)前熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)存在2個(gè)關(guān)鍵性的問題:一是管網(wǎng)輸送能力不足;二是大容量供熱機(jī)組的循環(huán)冷卻水(汽輪機(jī)凝汽)余熱難以回收,熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱能力和能源轉(zhuǎn)換效率亟待提高。為充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力,本文構(gòu)建了基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)(Co-generationBasedAbsorptionHeat-exchange,簡(jiǎn)稱Co-ah)集中供熱系統(tǒng),如圖6所示。在熱力站設(shè)置吸收式換熱機(jī)組,將一次網(wǎng)的回水溫度降至25℃,輸送溫差較常規(guī)的130/70℃拉大了近一倍,將熱網(wǎng)的輸送能力提高了近80%,可降低新建管網(wǎng)建設(shè)投資30%以上,也可避免既有管網(wǎng)增容擴(kuò)建的投資與施工的不便。在電廠熱網(wǎng)加熱首站采用“溫度對(duì)口”的分階段梯級(jí)加熱方式:熱網(wǎng)水先由電廠循環(huán)水通過水—水換熱環(huán)節(jié)D加熱至30℃;繼而通過吸收式熱泵環(huán)節(jié)E(COPh=1.67),用汽輪機(jī)的供暖蒸汽和循環(huán)水余熱由30℃加熱至90℃;最后通過調(diào)峰汽—水換熱環(huán)節(jié)F,用供暖蒸汽由90℃加熱至130℃。電廠循環(huán)水余熱參與供熱,可大大拓寬多級(jí)加熱運(yùn)用的領(lǐng)域。正是由于吸收式換熱創(chuàng)造的低溫回水與電廠循環(huán)水余熱能級(jí)趨近,同時(shí)拓寬了熱網(wǎng)制熱的升溫幅度,從而可以降低余熱回收付出的可用能代價(jià)。流程加熱環(huán)節(jié)總能效COPh,total=1.384,即汽輪機(jī)抽汽與凝汽的供熱量的比例為1∶0.384,這意味著將電廠供熱能力增加了近40%,熱電聯(lián)產(chǎn)的能源利用效率也有顯著的提高。這是目前常規(guī)電廠循環(huán)水余熱利用技術(shù)所不能及的。4.2煙氣冷凝熱回收技術(shù)為改善大氣環(huán)境質(zhì)量,我國(guó)一些城市(如北京)開始用污染小的高位天然氣代替煤炭作為供暖燃料。至2008年,北京市的集中供熱以天然氣為燃料所占比重超過66%。天然氣是一種價(jià)格較高的燃料,應(yīng)用于低位供熱的前提是必須將其利用效率最大化。天然氣的成分中含氫量很高,燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣(容積成分接近20%),其汽化潛熱占天然氣高位發(fā)熱量的比例達(dá)到10%~11%,是煙氣熱量的主要攜帶者,因此水蒸汽潛熱的有效利用不論在節(jié)能方面還是經(jīng)濟(jì)方面都有重要意義。目前,相繼研發(fā)和生產(chǎn)的冷凝鍋爐,就是為了利用這部分熱量,其效率比常規(guī)鍋爐可提高5%~10%。但是在區(qū)域供熱領(lǐng)域中,熱網(wǎng)回水溫度一般在50~60℃以上,高于煙氣冷凝的露點(diǎn),因此無論是大型燃?xì)忮仩t,還是燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn),均無法實(shí)現(xiàn)有效的冷凝熱回收。利用吸收式換熱,將熱網(wǎng)回水溫度降到25℃左右,可使煙氣冷凝熱的直接回收成為可能(如圖7所示)。設(shè)天然氣鍋爐大火運(yùn)行的排煙溫度一般為140℃,通過煙氣冷凝熱回收裝置,以25℃的熱網(wǎng)回水吸收鍋爐煙氣的顯熱和冷凝熱。按過?？諝庀禂?shù)為1.1,天然氣熱值為39.8MJ/Nm3來計(jì)算,可使鍋爐效率提高約15%。煙氣最終排放溫度降低到40℃以下,一次網(wǎng)回水通過煙氣熱回收裝置升溫至41℃作為鍋爐給水。煙氣冷凝熱的回收一方面可增加燃?xì)忮仩t的供熱能力,降低鍋爐增容改造的投資;另一方面可大幅提高燃?xì)忮仩t系統(tǒng)能源利用效率,降低運(yùn)行成本。北京用于供暖的天然氣耗量可達(dá)30億Nm3/a,如果50%的燃?xì)忮仩t能夠回收這些天然氣燃燒的煙氣冷凝熱,可節(jié)約天然氣用量為2.23億Nm3/a。5回收利用余熱資源的必要性1)能級(jí)不匹配的大溫差換熱過程存在較大的系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)空間,利用這些不匹配換熱環(huán)節(jié)浪費(fèi)的可用能來驅(qū)動(dòng)吸收