吸收式换热理论及其应用

吸收式换热理论及其应用

0供热系统的不匹配供热技术能源损失和浪费的原因有很多，但从本质上讲，这是不可逆转的。不可逆性的定量表示就是熵产,熵产降低了给定环境下能源的可用性,其所降低值称为ue40a耗损。根据热力学第二定律,热量可自发的由高温传向低温,这是一个熵增ue40a减的过程,且换热温差越大,不可逆损失就越大。以常规热电联产集中供热为例,随着供热规模不断加大,系统发展成了如图1所示的模式,在整个能量的转换与输送过程中经历了2个温差较大的换热环节:热网加热首站的汽—水换热和热力站的水—水换热,这2个环节均存在不可逆损失,进而造成了大量可用能的浪费。然而,这些不匹配的换热环节存在着较大的系统优化和改进的潜力,即存在着较大的可用能再利用的空间。文献介绍了利用集中供热系统的一、二次热网间的不匹配换热环节蕴涵的可用势能驱动增热型吸收式热泵,回收热力站周边的低位可再生能源(如地热、土壤源和太阳能等),如图2所示。吸收式热泵的原理见图3,以高位的热量QY作为驱动力,产生制冷效应,吸收低位的热量QD,将热量QY+QD于中间温度放出。近几年,吸收式热泵技术得到广泛的推广应用,可利用蒸汽、热水及燃气等作为驱动能源,其性能受驱动热源、低温热源以及中温热源的品位的制约,通常制热性能COPh在1.6~2.3左右。利用吸收式热泵回收包括可再生能源在内的各种低位余热用于供热,可带来较佳的节能收益。1ue40a效率对能源转换系统的评价,应以热力学第二定律的ue40a分析方法作为评价依据,并制定相关的量化评价指标,从合理利用能源的角度出发,注意能源品位的量度。基于这种思维,将不同能源对蕴涵的可用能(ue40a)Ex与其总能量Q的比值定义为这种能源的能质系数λ:以热水等液态流体为热媒的热力管网,设其供、回水温度分别为Ts和Tr,则其中热量Q中的可用能(ue40a)Ex为:式中,T0为参考温度,K;其余参数含义同前。由式(1)和式(2)可知能质系数λ的大小与热力管网的供、回水温度密切相关,如式(3)所示:热交换过程的ue40a损失与ue40a效率为:式中,Exin、Exout分别为换热环节的输入ue40a和输出ue40a;λin、λout分别为换热器两侧热媒的能级。2新型传热技术仍以图1所示的热电联产集中供热系统为例,在热力站水—水换热环节,一次网(热侧)设计温度为130/70℃,二次网(冷侧)设计温度为65/50℃,换热环节ue40a效率ηex,2仅有65.8%;如果降低热侧供水温度至85℃,去加热等流量的冷侧流体(65/50℃),则换热环节ue40a效率ηex,2′可提高至81.5%(见图4)。显然,这种不可逆损失是由参与换热的冷、热侧流量的不对称性所导致的较大传热温差造成的。由此,本文提出一种新型的换热理念———吸收式换热,如图5所示。系统由吸收式换热1和常规换热2两部分组成。其原理为:以130~95℃热侧高温段A的热量QA(λ(A)=0.315)作为驱动势能,吸收55~25℃热侧低温段C的热量QC(λ(C)=0.157)并抬升其能级,将热量QA+QC以加权能质系数λ(A+C)=0.243放出,加热冷侧流体(λw,2=0.201)。吸收式换热ue40a效率ηex,(A+C)=0.805,95~55℃热侧中温段B与冷侧的常规换热ue40a效率ηex,B=0.954,系统总的ue40a效率ηex,o=0.83,热力学完善度较常规换热方式有较大的提高。从热力学第一定律来看,热侧流体130~25℃降温释放的热量全部换热到冷侧流体当中;从热力学第二定律来看,以热侧流体的高温段A为驱动力,实现了局部(C段)由低温向高温的换热,进而实现了热侧流体的大幅降温。当作为驱动力的热侧高温段A的能级越高,或冷侧流体的加热能级越低,则可从更低能级的热侧低温段C中吸收热量,即可将热侧流体温度降得更低。3吸收式换热器的优点3.1热力管网输送方式为热容、质量标准热能工程的一些领域(如城市集中供热)不同程度地面临着热力管网输送能力不足的问题,将成为制约其发展的瓶颈。以液态流体为热媒的管网流量G的计算见式(6):式中,cp为输送介质的比热容;ts和tr分别为热力管网供、回水温度。由式(6)可知,为提高热力管网的输送能力,一种方式是提高输送介质的比热容cp,如采用含有相变材料的功能热流体作为热量传输介质,这种方法目前处于实验阶段,尚不能应用于实际工程。另一种方式是增大热力管网供回路输送温差(ts-tr),提高ts或降低tr都可增加热力管网的输送能力,提高ts往往受到管网保温材料耐温要求等问题的制约;而通过吸收式换热大幅降低热力管网回路热媒的温度tr,拉大输送温差,可节约管网建设投资,并降低循环泵的输送电耗。3.2低温余热回收技术余热利用是提高热电联产、区域锅炉房等集中热源能源利用效率的有效途径,也是钢铁、化工等高能耗行业节能减排的巨大潜在空间。随着人们对余热利用的重视和相应技术的不断完善,品位较高的余热(如高温烟气)大多得到了有效利用。而对于品位低、数量大的低温余热,如电厂循环冷却水余热、燃气锅炉或燃汽轮机的烟气冷凝热以及一些工业低位余热等,其有效利用技术的研发仍是一个亟待解决的课题。之所以低位余热的回收利用难度高,究其根本原因就是这些余热与供热的品味要求不匹配,而抬升低温余热品味的手段(如热泵技术)往往受到技术、经济等方面因素的制约。通过吸收式换热大幅降低热力管网回路的热媒温度,可实现管网热媒与低温余热的能级匹配,同时拓宽了管网热媒的加热升温幅度,这2点对低温余热的回收与利用至关重要。4吸收式换热器的应用4.1平台-分级加热当前热电联产集中供热系统存在2个关键性的问题:一是管网输送能力不足;二是大容量供热机组的循环冷却水(汽轮机凝汽)余热难以回收,热电联产的供热能力和能源转换效率亟待提高。为充分发挥热电联产集中供热系统的节能潜力,本文构建了基于吸收式换热的热电联产(Co-generationBasedAbsorptionHeat-exchange,简称Co-ah)集中供热系统,如图6所示。在热力站设置吸收式换热机组,将一次网的回水温度降至25℃,输送温差较常规的130/70℃拉大了近一倍,将热网的输送能力提高了近80%,可降低新建管网建设投资30%以上,也可避免既有管网增容扩建的投资与施工的不便。在电厂热网加热首站采用“温度对口”的分阶段梯级加热方式:热网水先由电厂循环水通过水—水换热环节D加热至30℃;继而通过吸收式热泵环节E(COPh=1.67),用汽轮机的供暖蒸汽和循环水余热由30℃加热至90℃;最后通过调峰汽—水换热环节F,用供暖蒸汽由90℃加热至130℃。电厂循环水余热参与供热,可大大拓宽多级加热运用的领域。正是由于吸收式换热创造的低温回水与电厂循环水余热能级趋近,同时拓宽了热网制热的升温幅度,从而可以降低余热回收付出的可用能代价。流程加热环节总能效COPh,total=1.384,即汽轮机抽汽与凝汽的供热量的比例为1∶0.384,这意味着将电厂供热能力增加了近40%,热电联产的能源利用效率也有显著的提高。这是目前常规电厂循环水余热利用技术所不能及的。4.2烟气冷凝热回收技术为改善大气环境质量,我国一些城市(如北京)开始用污染小的高位天然气代替煤炭作为供暖燃料。至2008年,北京市的集中供热以天然气为燃料所占比重超过66%。天然气是一种价格较高的燃料,应用于低位供热的前提是必须将其利用效率最大化。天然气的成分中含氢量很高,燃烧后排出的烟气中含有大量的水蒸气(容积成分接近20%),其汽化潜热占天然气高位发热量的比例达到10%~11%,是烟气热量的主要携带者,因此水蒸汽潜热的有效利用不论在节能方面还是经济方面都有重要意义。目前,相继研发和生产的冷凝锅炉,就是为了利用这部分热量,其效率比常规锅炉可提高5%~10%。但是在区域供热领域中,热网回水温度一般在50~60℃以上,高于烟气冷凝的露点,因此无论是大型燃气锅炉,还是燃气—蒸汽联合循环的热电联产,均无法实现有效的冷凝热回收。利用吸收式换热,将热网回水温度降到25℃左右,可使烟气冷凝热的直接回收成为可能(如图7所示)。设天然气锅炉大火运行的排烟温度一般为140℃,通过烟气冷凝热回收装置,以25℃的热网回水吸收锅炉烟气的显热和冷凝热。按过剩空气系数为1.1,天然气热值为39.8MJ/Nm3来计算,可使锅炉效率提高约15%。烟气最终排放温度降低到40℃以下,一次网回水通过烟气热回收装置升温至41℃作为锅炉给水。烟气冷凝热的回收一方面可增加燃气锅炉的供热能力,降低锅炉增容改造的投资;另一方面可大幅提高燃气锅炉系统能源利用效率,降低运行成本。北京用于供暖的天然气耗量可达30亿Nm3/a,如果50%的燃气锅炉能够回收这些天然气燃烧的烟气冷凝热,可节约天然气用量为2.23亿Nm3/a。5回收利用余热资源的必要性1)能级不匹配的大温差换热过程存在较大的系统优化改进空间,利用这些不匹配换热环节浪费的可用能来驱动吸收