帶排煙熱回收發(fā)生器的直燃機(jī)系統(tǒng)模擬和優(yōu)化

1、第36卷第6期2008年6月華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版收稿日期:2006212203.帶排煙熱回收發(fā)生器的直燃機(jī)系統(tǒng)模擬和優(yōu)化汪磊磊由世俊孫賀江(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津300072摘要:提出了一種帶排煙熱回收發(fā)生器的直燃機(jī)系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析.模擬結(jié)果表明:新型循環(huán)的性能系數(shù)隨著排煙熱回收發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽比例的增大而增大,但熱回收發(fā)生器所需的傳熱面積也增大.提出了熱回收發(fā)生器的優(yōu)化計(jì)算方法,確定了給定參數(shù)下熱回收發(fā)生器產(chǎn)生的最佳冷劑蒸汽比例.新型循環(huán)的性能系數(shù)提高約2%,排煙溫度可降低到130左右,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看具有很好的節(jié)能和環(huán)保效益.關(guān)鍵詞:直燃機(jī);排煙熱回收發(fā)生器;模

2、擬;優(yōu)化中圖分類號(hào):T K411文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167124512(20080620125204Simulation and optimization of direct 2f ired absorption chillersystem with an exhaust heat recovery generatorW ang L eilei You S hi j un S un Hej i ang(School of Environmental Science and Technology ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China Abstr

3、act :A new 2type direct 2f ried absorption chiller wit h an exhaust heat recovery generator was de 2veloped and simulated.The result s show t hat t he coefficient of performance (COP of t he novel cycle is imp roved wit h t he increase of t he vapor generating ratio from t he exhaust heat recovery g

4、enerator.However ,t he heat t ransfer area required for t he heat recovery generator is also larger.The optimal calculation met hod of t he heat recovery component is presented and t he best heat recovery ref rigera 2tion vapor generating ratio under certain conditions is also discussed.The COP of t

5、 his cycle is in 2creased by 2%and t he exhaust temperat ure can drop to about 130,which has energy efficiency and environmental p rotection benefit s estimated in t he long term.K ey w ords :direct 2fired absorption chiller ;exhaust heat recovery generator ;simulation ;optimization耗電少、不含CFC 的溴化鋰吸收式

6、制冷機(jī)的研制和應(yīng)用日益被關(guān)注1.目前,市場(chǎng)上雙效溴化鋰制冷機(jī)的熱力性能系數(shù)已開發(fā)達(dá)到了雙效機(jī)效率的最大值2.由于三效溴化鋰直燃機(jī)高壓發(fā)生器內(nèi)的發(fā)生溫度和發(fā)生壓力較雙效機(jī)有了很大提高,而高溫下金屬防腐的問題目前仍難以得到解決,較高的工作壓力也為機(jī)組結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提出了新的要求.因此,對(duì)于三效機(jī)的研究目前僅僅停留在模擬研究階段,還沒有成熟產(chǎn)品形成.如何避開金屬在高溫下腐蝕的難點(diǎn),在目前雙效直燃機(jī)的基礎(chǔ)上提高其性能系數(shù)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn).直燃機(jī)高壓發(fā)生器內(nèi)的發(fā)生溫度在160左右,實(shí)際運(yùn)行時(shí),煙氣排放溫度一般在190200以上,不僅浪費(fèi)能源,還對(duì)環(huán)境造成了熱污染3.如果對(duì)排煙余熱進(jìn)行回收用來加熱一

7、部分溴化鋰稀溶液,產(chǎn)生有效冷劑蒸汽,不僅可以減少排煙對(duì)環(huán)境的污染,而且還可以提高能源有效利用率,值得深入研究.1循環(huán)原理針對(duì)高壓發(fā)生器中排煙溫度偏高的特點(diǎn),提出了一種新型循環(huán),在高壓發(fā)生器后增加一個(gè)排煙熱回收發(fā)生器,將排煙熱回收發(fā)生器與常規(guī)的溶液循環(huán)結(jié)合起來,利用高溫尾氣加熱溶液產(chǎn)生冷劑蒸汽,其原理見圖1(圖中數(shù)字為狀態(tài)點(diǎn) .圖1帶排煙熱回收發(fā)生器的吸收循環(huán)原理圖以并聯(lián)溶液循環(huán)低溫?zé)峤粨Q器前分流循環(huán)為例,與常規(guī)循環(huán)不同的是,利用排煙熱回收的吸收式制冷系統(tǒng),整個(gè)循環(huán)相當(dāng)于一個(gè)雙效循環(huán)加一個(gè)單效循環(huán).排煙熱回收發(fā)生器相當(dāng)于一個(gè)單效機(jī),冷凝器、吸收蒸發(fā)器與雙效機(jī)主體共用.從吸收器出來的稀溶液經(jīng)過低溫

8、溶液熱交換器后分為兩路:一路進(jìn)入低壓發(fā)生器受熱濃縮產(chǎn)生蒸汽;另一路進(jìn)入排煙熱回收發(fā)生器被煙氣加熱濃縮并產(chǎn)生冷劑蒸汽.最后,兩路濃縮后的溶液在低溫溶液熱交換器前匯合后經(jīng)熱交換器進(jìn)入吸收器開始新一輪循環(huán).在燃料消耗量不變的條件下,新增的排煙熱回收發(fā)生器產(chǎn)出了一部分冷劑蒸汽,新循環(huán)的性能系數(shù)得到了提高.2循環(huán)模擬2.1控制方程這里仿真模擬的重點(diǎn)在于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)置,即研究當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)各部件的相互匹配關(guān)系,故選擇靜態(tài)集中參數(shù)模型.它將整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)黑箱處理,只考慮系統(tǒng)進(jìn)口與出口參數(shù)的變化4.吸收式制冷系統(tǒng)的仿真是一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)的仿真,系統(tǒng)的控制方程包括每個(gè)部件的質(zhì)量方程和能量方程.這種建模方法廣泛

9、地應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)仿真,只是根據(jù)系統(tǒng)流程的復(fù)雜程度所作的假設(shè)與建立的方程數(shù)有所區(qū)別.設(shè)由吸收器出來的稀溶液的流量為(a 1+a 2+a 3D ,其中:a 1,a 2和a 3分別為高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器和排煙熱回收發(fā)生器的溶液循環(huán)倍率;D 為總的冷劑蒸汽量.溶液流量為a 1D 的一路經(jīng)高溫溶液熱交換器進(jìn)入高壓發(fā)生器,并被濃縮產(chǎn)生y 1D 的冷劑蒸汽;流量為y 1D 的蒸汽進(jìn)入低壓發(fā)生器濃縮其中的溶液,產(chǎn)生y 2D 的冷劑蒸汽;流量為(a 2+a 3D 的稀溶液經(jīng)過低溫溶液熱交換器后分為兩路:流量為a 2D 的稀溶液進(jìn)入低壓發(fā)生器,流量為a 3D 的稀溶液進(jìn)入排煙熱回收發(fā)生器,在煙氣余熱的加熱

10、下濃縮,產(chǎn)生(1-y 1-y 2D 的冷劑蒸汽.模擬中,將排煙熱回收發(fā)生器中產(chǎn)生的冷劑蒸汽比例作為外界控制條件輸入,有關(guān)系式y(tǒng) 1+y 2+=1,排煙熱回收發(fā)生器出口濃溶液濃度認(rèn)為與低壓發(fā)生器出口溶液濃度相同.由于引入了3個(gè)循環(huán)倍率a 1,a 2,a 3和高壓發(fā)生器在雙效側(cè)循環(huán)中產(chǎn)生的冷劑蒸汽比例y 1,一共有4個(gè)待求變量,因此需要建立關(guān)于這4個(gè)未知變量的方程組.根據(jù)高壓發(fā)生器的溴化鋰溶液質(zhì)量平衡得a 1a =(a 1-y 1r1;(1同理,根據(jù)低壓發(fā)生器的溴化鋰溶液質(zhì)量平衡得a 2a =(a 2-y 2r2;(2根據(jù)排煙熱回收發(fā)生器的溴化鋰溶液質(zhì)量平衡得a 3a =(a 3-1+y 1+y

11、2r2;(3根據(jù)低壓發(fā)生器的能量平衡方程得y 1(h 14-h 6+2h 7=y 2h 15+(2-y 2h 4,(4式中r1,r2和a 分別表示高發(fā)、低發(fā)和吸收器出口溴化鋰溶液質(zhì)量濃度.式(1(4構(gòu)成了包含4個(gè)變量a 1,a 2,a 3和y 1的非線性方程組.此外,為了保證方程組封閉可解,另需補(bǔ)充溴化鋰溶液和制冷劑的物性方程5.2.2求解方法在已知制冷量的條件下,總共產(chǎn)生的冷劑蒸汽量為D ,排煙熱回收發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽量為D ,雙效側(cè)循環(huán)中產(chǎn)生的冷劑蒸氣為(1-D.給定高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器的放氣范圍1和2,由可計(jì)算出進(jìn)入排煙發(fā)生器的溶液循環(huán)量a 3.根據(jù)質(zhì)量平衡方程將1,2表示為y 1的

12、函數(shù),以能量平衡方程為判據(jù)對(duì)y 1進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算6,直到方程左右兩邊差值滿足精度要求.將求出的y 1代入不同關(guān)系式可以分別計(jì)算得到a 1,a 2和y 2.4個(gè)未知變量求出后就可以計(jì)算系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)和各部件負(fù)荷.在此基礎(chǔ)上,依據(jù)高發(fā)排煙熱量,結(jié)合煙氣焓溫表7,計(jì)算高發(fā)排煙溫度,用排煙溫度選擇合適的值.迭代過程要注意的是:由于該方程組存在多組解的情況,因此迭621華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第36卷代變量y1的初值選取必須恰當(dāng),若初始值設(shè)定與真解相差太遠(yuǎn),則會(huì)造成約束方程精度達(dá)到要求而解完全失真的情況.循環(huán)性能系數(shù)C OP=Q0/ Q g1,式中:Q0是制冷量;Q g1是高壓發(fā)生器負(fù)荷. 2.

13、3模擬條件根據(jù)以上流程即可進(jìn)行循環(huán)模擬,求得不同數(shù)值時(shí)循環(huán)狀態(tài)參數(shù)及性能系數(shù).為便于各次模擬結(jié)果之間的比較,模擬條件取固定標(biāo)準(zhǔn)值2.模擬條件:制冷量1163kW,冷凍水進(jìn)出口溫度12和7,冷卻水進(jìn)出口溫度分別為32和37.5,高低壓發(fā)生器的溶液進(jìn)出口質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%和3%.熱交換部件溫差:低壓發(fā)生器5,吸收器4,蒸發(fā)器2,冷凝器3,高溫?zé)峤粨Q器15,低溫?zé)峤粨Q器10.各熱交換部件的出口溫差除溶液熱交換器定義為熱流體出口溫度和冷流體進(jìn)口溫度之差外,其余的均定義為熱流體的出口溫度和冷流體出口溫度之差8.3模擬結(jié)果分析及優(yōu)化3.1模擬結(jié)果表1表3給出了當(dāng)=0%和=2%時(shí)的溶液分配循環(huán)倍率、冷劑蒸汽

14、產(chǎn)生比例、各主要狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)、各部件熱負(fù)荷及循環(huán)性能系數(shù)的計(jì)算結(jié)果.表中:h為焓;為溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù);p為壓強(qiáng);Q a為吸收器負(fù)荷;Q g2為低壓發(fā)生器負(fù)荷; Q g3為排煙熱回收發(fā)生器負(fù)荷;Q h1為高溫溶液熱交換器負(fù)荷;Q L2為低溫溶液熱交換器負(fù)荷;Q k為冷凝器負(fù)荷.表1溶液分配循環(huán)倍率及冷劑蒸汽比例/%a1a2a3y1y2表2狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)模擬結(jié)果狀態(tài)點(diǎn)=0%p/Pa t/%h/(kJkg-1=2%p/Pa t/%h/(kJkg-1表3機(jī)組各部件負(fù)荷負(fù)荷/%02Q011631163Q a14871487Q g1914869Q g2681667Q h1384376Q L2289311Q k

15、5906033.2優(yōu)化計(jì)算從模擬結(jié)果可以看出,從煙氣中回收的熱量越多,機(jī)組性能系數(shù)越高,但是,需要的傳熱面積也較大.理論上從煙氣中最大可能的回收熱量是將煙氣冷卻至排煙熱回收發(fā)生器進(jìn)口的溶液溫度,這顯然是不可能的.因此,將余熱回收有一個(gè)最佳值,這與燃料的價(jià)格及換熱器的造價(jià)有關(guān).設(shè)換熱器的傳熱面積為A,回收的熱量為Q,回收單位熱量帶來的燃燒節(jié)省費(fèi)用為S Q,設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間為T,則每年節(jié)約燃燒帶來的收益為QS Q T.換熱器單位傳熱面積的投資分?jǐn)偟矫磕甑恼叟f費(fèi)為C,由此可得設(shè)置余熱回收換熱器后,每年的純收益S=QS Q T-CA,(5回收熱量Q是傳熱面積的函數(shù),因此,年純收益721第6期汪磊磊等:帶

16、排煙熱回收發(fā)生器的直燃機(jī)系統(tǒng)模擬和優(yōu)化為最大時(shí)的最佳傳熱面積是d S/d A=S Q T(d Q/d A-C=0(6時(shí)的值,同時(shí)煙氣側(cè)的傳熱方程kAT=Q,(7將式(7兩邊對(duì)A求導(dǎo),得d Q/d A=kt,(8將式(8代入式(6得最佳換熱溫差t OPT=C/(SQ T k.(9這樣S Q,T,k和C都是已知數(shù),就可以求得t OPT,進(jìn)而求得最佳回收熱量Q OPT.對(duì)排煙熱回收發(fā)生器來講,設(shè)計(jì)時(shí)已將進(jìn)出其中的溶液狀態(tài)默認(rèn)與低壓發(fā)生器的溶液進(jìn)出口狀態(tài)相同,這樣,當(dāng)有了模擬結(jié)果時(shí),進(jìn)入排煙熱回收發(fā)生器的排煙溫度t1,溶液進(jìn)出口溫度t2和t2都是已知的,只需根據(jù)平均對(duì)數(shù)溫差,確定t1即可.根據(jù)逆流布置

17、換熱器的對(duì)數(shù)平均溫度計(jì)算公式,平均溫差為t=(t1-t2-(t1-t2/ln(t1-t2/(t1-t2.設(shè)換熱器由n個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng),外徑為51mm,壁厚3.5mm的鋼管組成,這種鋼材密度=7850kg/ m3,價(jià)格為7000元/t,按15a折舊計(jì)算,則換熱器單位面積投資為C元/(m2a=7000kgm-3(/4(0.0512-0.0442nL/(660nL=13.8,若機(jī)組按每天滿負(fù)荷運(yùn)行5h,年運(yùn)行時(shí)間為90d,煙管傳熱系數(shù)為24W/(m2,燃?xì)鈨r(jià)格按2元/m3,則按式(9及循環(huán)計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)可求得最佳傳熱溫差為58.1,排煙出口溫度為135.1,此時(shí)最佳排煙熱回收發(fā)生器蒸汽比例=1.59%,排煙回收

18、熱量為24kW.從以上計(jì)算過程也可以看出,最佳參數(shù)的求解受到鋼材價(jià)格、運(yùn)行時(shí)間、燃料價(jià)格等具體因素的影響.可根據(jù)實(shí)際市場(chǎng)價(jià)格和使用情況,對(duì)以上輸入?yún)?shù)做出調(diào)整.3.3結(jié)果分析根據(jù)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)=2%時(shí),排煙溫度從= 0時(shí)的193.9降到119.4,C COP提高了約2%.回收排煙熱量和C COP提高值均與值成線性關(guān)系,隨著值的增大,回收排煙熱量逐漸增大,C COP也增大.從表3中可以看出,由于回收排煙熱量加熱溶液產(chǎn)生了蒸汽,因此高壓發(fā)生器的負(fù)荷也有所減小,從而低壓發(fā)生器的負(fù)荷也隨之減小,而冷凝器的負(fù)荷有所增加.當(dāng)=2%時(shí),新循環(huán)比傳統(tǒng)循環(huán)回收了31.1kW的熱量,從而減少了燃?xì)庀牧?增加了熱回

19、收發(fā)生器后,由于高壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷有所降低,冬季采暖工況下機(jī)組的供熱負(fù)荷會(huì)略有下降.在制冷量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度不變的條件下,帶排煙熱回收發(fā)生器的循環(huán)較傳統(tǒng)吸收制冷循環(huán)C COP提高2%以上.在一定范圍內(nèi),新循環(huán)的C COP隨著排煙熱回收產(chǎn)生蒸汽比例的增大而增大,燃料消耗量隨的增大而減小.權(quán)衡換熱器初投資費(fèi)用與節(jié)省燃料費(fèi)用的關(guān)系,認(rèn)為當(dāng)= 1.59%時(shí)機(jī)組具有最佳的經(jīng)濟(jì)性.此時(shí)通過排煙熱回收,吸收煙氣中的余熱,使排煙溫度從傳統(tǒng)循環(huán)時(shí)的194降低到130左右,減少了排煙對(duì)環(huán)境的熱污染,同時(shí)由于燃?xì)庀牧康臏p少,溫室氣體排放量也隨之減少,因此具有很好的節(jié)能和環(huán)保效果.參考文獻(xiàn)1楊昭,焦永剛,田玉卓.三效溴化鋰吸