低温热能高效利用途径研究

2015-12-13李景

中国科技纵横 2015年10期

关键词：热能工质热源

李景

(长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南长沙 410011)

低温热能高效利用途径研究

李景

(长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南长沙 410011)

目前,国内外对于节能减排工作一直十分重视,这关系到国家持续稳定发展的方针战略。有助于能源的循环利用。低温热能利用对环境保护和可持续发展战略的实施有很大的帮助作用,对其定义与发展进行了简单的论述,为提高效率,根据热力循环过程,对低温热能发电和热泵技术在几个方面进行了优化,希望能有益于热力行业的工作者。

低温热能高效优化

1 低温热能高效利用

低温热能利用要做到“将合适的能源用在合适的地方”，进行供需匹配，提升整体效益，例如：根据工业废热的温度选择用户热源或供暖方式，上游装置直供下游避免浪费，等等。现将低温热能发电技术和热泵技术的高效利用作为此次分析的重点探讨。

1.1 低温热能发电技术

在热力学上，卡诺循环是理想过程，汽化和凝结是等温过程，膨胀和压缩为等熵过程，系统效率只与循环工质的吸热温度和放热温度有关，吸热温度越高、放热温度越低，其效率就越高。然而由于低温热能的热源温度不高，其系统效率不会很高，所以，提高系统效率是低温热能发电技术的重要问题。为提高系统效率，可改进工质、设备和循环三方面。

图1 低温热能发电T-s图

图2 压缩式热泵系统组成及工作流程

(1)优化工质；工质的热物性包括饱和温度、饱和压力、临界参数、导热系数和粘度等，它将影响循环系统的效率、传热效率和流动效率，另一方面，由于现代社会环境破坏严重，需要选择环境友好型的工质。又因工质的化学稳定性好、安全无害以及价廉易得等其它方面的要求，需要选择合理的工质，如在制冷循环中可以选择用共沸和非共沸制冷剂来代替氟利昂。(2)优化设备；换热器的效率是影响系统效率的重要因素，优化换热器也是一种提高系统效率的有效途径，其核心就是增强传热，可以选用导热系数高的材料生产换热器，增大换热面积，改变换热器结构来增强换热等等。工质在循环工程中的流动情况和换热情况，对低温热能发电技术有很大影响，掌握了这些情况，对设计换热器也有极大帮助。此外，对于其他设备的优化，如朗肯循环中的汽轮机，通过研究新型工质的物性参数及流动特性，进而改进透平，可以提高系统效率。(3)优化循环系统；低温热能发电系统中通常是变温热源，对应洛伦兹循环，为理想循环，吸热过程和热源温度变化配合紧密，如图1(a)所示。而实际上，纯工质的热力过程为朗肯循环，等温蒸发吸热过程中和热源不是紧密配合，这就造成了换热温差大，增加了不可逆损失，使得效率降低，如图1(b)所示。为降低不可逆损失，对系统循环有所优化，选用混合有机物循环或Kalina循环等。

非共沸工质由不同的工质混合组成，没有共沸点，相变不是确定的温度，而是一个温度区间，在蒸发过程中，工质的温度不断变化，这样就能很好地配合热源温度，减小了不可逆损失，达到优化的效果，如图1(c)所示。Kalina循环选用氨水混合剂作为循环工质，蒸发过程中温度不断变化，在冷凝过程中，氨的含量低，温度变化不大，不可逆损失小，提高了效率，且在较低的压力下也可以实现冷凝，为系统运行带来了有力的条件。

除此之外，热源温度相对较高时，可以选用回热循环，其效率比无回热时可以提高60%。在Kalina循环的基础上，使用吸收式制冷，既有制冷又可输出电力，提高效率。

1.2 热泵技术

热泵系统是将低温热源的热量提升到高温热源的热力循环系统，分为压缩式、吸收式和吸附式三类，其中空调行业运用最为广泛的是压缩式热泵系统。压缩式热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置组成，所获为冷凝器的高温热量，如图2所示。系统中，最大的不可逆损失由压缩机和换热器产生，因此提高效率的途径从压缩机和换热器出发。

(1)提高压缩机效率；压缩机是将低温低压的工质提升为高温高压的装置，为提高其效率，首先，从设计和加工出发，如增加润滑减少摩擦损失，这样就减少了压缩机的机械损失；其次，工质运行工况对效率影响较大，所以要选用与工质参数相对应的压缩机运行，尽量选择在压缩机效率为60%～70%时选择运行工况和运行工质。(2)降低换热温差；换热器两侧的温差导致工质在循环中偏离理想逆卡诺循环，不可逆损失随温差的增大而增大，降低换热温差是提高效率的重要途径，相应措施有：改变换热器内部结构以增强换热，换热器表面材料经过处理增大传热系数，增大换热器的换热面积等等。(3)回收膨胀功；热泵循环系统中，节流过程不可逆，熵值是增大的，不可逆损失造成了系统效率的降低，可使用膨胀机来代替节流阀，CO2循环系统已经做了如此进展，部分膨胀功得以回收，提高了效率。低温热能的利用还可以通过计算机模拟循环过程来选取最优，以达到高效的目的。