低品质余热蒸发雾滴冷却空气压缩方法

2021-07-16贾冠伟许未晴郑海务蔡茂林

液压与气动 2021年7期

贾冠伟，许未晴，郑海务，石岩，蔡茂林

(1.河南大学物理与电子学院，河南开封 475004； 2.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191；3.气动热力储能与供能北京市重点实验室，北京 100191)

引言

全球电能的62.8%来自于化石燃料(煤炭、石油和天然气)的燃烧，产生的二氧化碳逐年增加，2019年高达341.7亿吨[1]，导致全球气候变暖。我国单位GDP的碳排放量是发达国家的3.6倍。我国若通过节能达到发达国家水平，可减少碳排放71.2亿吨[2]。

因此，通过节能来减小碳排放的潜力巨大。

工业余热主要集中于能源密集型行业，如火电、冶炼、水泥行业等，量大且利用率低或直接排放；尤其是230 ℃的以下低品质余热[3]占比大，约占余热总量的66%，且回收利用难度大[4]。工业余热回收具有巨大潜力。FANG等[5]利用两种或多种低品级热源为远离热源地区供暖系统，工厂热效率提高到50%，其仅提供了供暖热水，未对整个工厂的生产过程产生节能效果。压缩空气广泛且大量应用于能源密集型行业[6]，全国空压机用电量占全国总用电的9%，实际生产中，空压机能耗占工厂总能耗的5%～50%[7]，但约50%的电能转变为压缩热而散失。因此，提高空压机的压缩效率成为空气压缩领域的当务之急。

由于无压缩热的产生，等温压缩是最节能的气体压缩方式[8]。由于有较大的比热容和比表面积特性，水雾冷却近等温压缩是空气压缩节能的一种有效途径[9]。许未晴等[10]通过使用10～100 μm直径的雾滴冷却压缩空气进行实验研究，压缩效率上升至88.7%。然而，雾滴冷却等温压缩的关键技术之一是微米级雾滴的发生技术，其缺点是要增加一套雾滴发生装置，不仅增加了投资成本，而且也要消耗能量。蒸发冷凝产生雾滴广泛应用于各种工程领域中，形成的雾滴粒径达毫米级不利于热传递[11]。超疏水表面微纳米结构不仅增强了蒸气冷凝的传热[12]，还促使蒸气冷凝形成微米级雾滴[13]。TANG等[14]通过排列紧密的ZnO纳米针状结构阵列产生超疏水表面，其特征间距60 nm、顶径20 nm、端径98 nm、高度2.85 μm，雾滴合并时的能量能驱动雾滴跳动而离开壁面，产生雾滴有80%的雾滴直径小于10 μm。通过超疏水表面微纳米结构的设计、强化和调控蒸气冷凝的传热分析以及调整蒸气压力，为微米级雾滴的产生提供了一种有效节能的实现方式。

综上，如图1所示，结合工业低温余热量大且回收利用率低以及压缩空气能耗高的缺点，以工业低品质热源产生雾滴为出发点，在压缩时向压缩腔喷入微米级雾滴，雾滴与空气充分混合，吸收压缩空气产生的压缩热，实现近等温压缩。通过余热回收能够提高能源效率，可以降低企业生产压缩空气成本，减少二氧化碳排放。

本研究利用低品质余热加热水而产生定压饱和水蒸气，建立水蒸气冷却凝结模型、雾滴冷却压缩模型，分析了风扇功率、高压产生雾滴功率以及不同压缩体积比下的压缩总功率及压缩节能效率。对比高压产生雾滴和蒸气产生雾滴的功率，达到降低压缩能耗和提高压缩效率目的。

图1 低品质余热与压缩空气能耗

1 工作原理

低品质余热蒸发雾滴冷却空气压缩方法，采用低品质余热对具有液气相变的传热介质进行加热，蒸发冷凝成雾滴并与空气混合，在空压机中进行压缩，如图2所示。定压饱和水蒸气在绝热层保护下在输送管道中进行输送，进入进气口前在冷却凝结装置中冷却凝结成雾滴，雾滴温度降低并接近室温；具有大比热容和大比表面特点的雾滴与压缩空气接触，进行充分的热交换，在空气压缩时进行吸热，减缓压缩空气温升；压缩空气与雾滴经气液分离装置后，液体介质循环利用，压缩空气进入储气罐，以此达到降低压缩空气能耗和提高压缩效率的目的。

图2 低品质余热蒸发雾滴冷却空气压缩方法

系统工作的流程如下：

(1) 蒸发过程，利用低品质余热加热水持续产生定压饱和水蒸气；

(2) 水蒸气凝结雾滴过程，风扇将标况温度的空气吹向冷却凝结装置进行强迫冷却，带走水蒸气释放出的潜热与显热，凝结成雾滴；

(3) 雾滴冷却压缩过程，标况温度雾滴与空气进入空压机进行压缩，压缩过程中，空压机对空气做功，空气热力学能增加，温度升高，雾滴吸收热量，空气压缩过程向等温压缩逼近，压缩功耗减少；

(4) 气雾分离过程，达到压缩要求的空气和雾滴混合物，经气液分离器，压缩空气进入储气罐；雾滴进入储液罐中进行吸热蒸发循环使用。

2 数学模型

2.1 蒸气冷却凝结模型

利用低品质热源加热水持续产生定压饱和水蒸气，经传输运送至冷却凝结装置，其与水蒸气接触表面采用超疏水纳米结构使凝结的雾滴自动下落[14]。因此，水蒸气凝结的表面传热系数：

(1)

式中，g—— 标准重力加速度

ρ—— 水的密度

λ—— 导热系数

r—— 水蒸气的气化潜热

μ—— 水的动力黏度

ts—— 饱和蒸气温度

tw—— 壁温

l—— 冷却壁面长度

雷诺数：

(2)

式中，hs为水蒸气凝结的表面传热系数，W·m-2·K-1。

根据牛顿冷却公式，蒸气凝结释放的热量的功率为：

ωv=hsA(ts-tw)

(3)

式中，A为散热面积。

蒸气凝结质量流量：

(4)

式中，Qv为蒸气凝结质量流量。

2.2 风扇功率和高压产生雾滴功率

水蒸气冷凝成雾滴并且温度降至标况温度，因此，热量通过壁面传递出来，大气经风扇垂直吹过冷却凝结装置进行强制散热，其风扇出口温度：

(5)

式中，Ti—— 标况大气温度

qfan—— 标况风扇流量

Cpa—— 标况下大气的定压比热容

Afan—— 风扇面积

冷却凝结装置作为微米级雾滴产生装置，其作用是进行充分的热交换，热量传递的过程从水蒸气、壁面至大气。由于水蒸气与大气通过风扇不混合交叉换热，冷却凝结装置的换热能效ε介于0%～100%之间[15]。为利于计算分析，本研究的能效ε取60%与100%，因此，产生雾滴的能量为风扇的功率：

(6)

式中，pfan—— 风压

ε—— 换热能效

水经过高压水泵射出的水柱与空气碰撞摩擦破碎成水雾，因此，产生高压水雾功率：

wspray=psprayqsprayAspray

(7)

式中，pspray—— 水雾喷射压力

qspray—— 水雾流量

Aspray—— 喷嘴出口面积

2.3 水雾冷却压缩空气模型[16]

空气压缩过程中，压力的变化满足：

(8)

式中，p—— 压缩空气压力

V—— 压缩空气体积

Tca—— 压缩空气温度

由于外力通过活塞对空气和雾滴混合物做功，压缩过程中的空气温度变化满足：

(9)

其中，Td—— 雾滴温度

hcv—— 雾滴与压缩空气换热系数

Sd—— 雾滴的换热面积

ma—— 压缩空气质量

压缩空气传递给雾滴的热量，导致雾滴的温度升高：

(10)

式中，md—— 雾滴质量

Cpd—— 雾滴定压比热容

2.4 压缩总功率及压缩节能效率

空气在压缩过程中，外力通过活塞对压缩腔内空气做功，不考虑雾滴的体积影响，其压缩功率为：

(11)

式中，n—— 多变指数

p0—— 标况下空气的初始压力

对于等温压缩，压缩空气温度与初始温度不变，其等温压缩功率：

(12)

式中，V0为标况下空气的初始体积。

对于绝热压缩，压缩空气温度急剧上升，其绝热压缩功率：

(13)

式中，κ为绝热指数。

压缩节能效率：

(14)

式中，wadia—— 绝热压缩功率

wt—— 实际压缩功率

wx——wiso，wspray，wv中的一种

wiso—— 等温压缩功率

wspray—— 高压雾滴压缩功率

wv—— 蒸气冷凝雾滴压缩功率

3 结果分析

低品质热源持续供应的饱和水蒸气为100 ℃，其饱和压力1.014 MPa。标准工况下(0.1 MPa，293.15 K)，空气的体积流量为1 m3/min，以压缩空气出口温度为323.15 K (50 ℃)，具体仿真参数如表1所示。

3.1 压力

如图3所示，在压缩体积比Π为2～6的条件下，蒸气凝结雾滴压缩空气压力介于等温压缩空气压力和绝热空气压力之间，并接近于等温压缩空气的压力。在压缩体积比为6的条件下，蒸气凝结雾滴压缩空气的压力为0.671 MPa，介于0.608 MPa (等温)和1.245 MPa之间 (绝热)，与等温压缩压力相差0.063 MPa。

表1 仿真参数

图3 压力对比

3.2 温度

如图4所示，设定压缩空气出口温度为323.15 K(50 ℃)，在压缩体积比2～6的条件下，蒸气凝结雾滴压缩空气的温度为323.15 K (50 ℃)，介于等温293.15 K (20 ℃)和绝热之间。相对于绝热压缩，不同压缩体积比下，蒸气凝结雾滴空气压缩方式能够根据需求设定压缩空气出口的温度，并降低压缩空气的温度。

图4 压缩空气温度对比

由于低品质余热持续供应的饱和水蒸气为373.15 K (100 ℃)，冷却凝结后形成雾滴的温度为293.15 K (20 ℃)，其冷却凝结释放的热量通过壁面传递出来，大气经风扇垂直吹过冷却凝结装置进行强制散热，其风扇进口温度为293.15 K (20 ℃)，出口温度353.15 K (80 ℃)。

3.3 水蒸气传热功率、凝结流量

水蒸气在与标况温度壁面凝结的过程中，需要将水蒸气的潜热和凝结后水雾的显热释放出来，以产生达到标况温度的雾滴。如图5所示，随着压缩体积比的增加，其对应的传热量也在逐渐增加。在压缩体积比为6时，其释放的传热功率为41932.84 W，产生了直径10 μm的雾滴。

图5 水蒸气传热功率对比

在压缩体积比为2～6的条件下，为维持压缩空气出口温度在323.15 ℃ (50 ℃)，所需水蒸气的凝结流量是逐渐增加的。压缩体积比从2增加到6时，水蒸气的凝结流量从4.40 g·s-1增加到18.58 g·s-1，如图6所示。

图6 水蒸气凝结流量对比

3.4 功率

水蒸气释放潜热和显热凝结成雾滴需要消耗一定的能量。风扇需要能量将环境中的大气平行的吹过冷却凝结装置散热面，将水蒸气释放的热量散去。作为散热器的冷却凝结装置，其换热能效ε介于0%～100%之间。为利于计算分析，本研究的冷却凝结装置能效ε取60%与100%。同时，高压水泵需要能量将水加压喷射产生微米级雾滴。在压缩空气出口温度323.15 K的条件下，判断蒸气凝结产生雾滴与高压产生雾滴是否节省功率的依据是冷却凝结装置的换热效能ε。如图7所示，产生高压雾滴功率介于冷却凝结装置能效ε为60%与100%之间产生的水蒸气凝结雾滴功率。冷却凝结装置能效ε为60%，产生的水蒸气凝结雾滴功率高于产生高压雾滴功率，不能达到节能的效果；冷却凝结装置能效ε为100%，产生的水蒸气凝结雾滴功率低于产生高压雾滴功率，能达到节能的效果。如，在压缩体积比为6时，产生高压水雾的功率186.13 W，介于水蒸气凝结雾滴的功率138.12 W(ε=100%)和230.19 W(ε= 60%)。

图7 产生雾滴功率对比

根据式(12)、式(13)计算出压缩体积比为2～6的绝热压缩总功率和等温压缩总功率，压缩总功率随着压缩体积比的增加而增加。水蒸气凝结雾滴混合空气进行的压缩功率介于两者之间，并接近于等温压缩总功率，如图8所示。如在压缩体积比为6时，其水蒸气凝结雾滴混合空气的压缩功率3354.50 W介于绝热压缩功率6192.40 W和等温压缩功率3025.83 W之间，与等温压缩功率相差328.67 W。

图8 压缩总功率对比

在整个空气压缩系统中，压缩系统功率的减少有两个来源：一种来源是产生雾滴的功率，另一种来源是压缩空气过程中压缩总功，压缩空气温度变化引起压缩功率的变化。产生高压水雾的功率和水蒸气凝结雾滴的功率占压缩总功率的比重i，如图9所示。产生高压雾滴功率占压缩总功率的比重介于冷却凝结装置能效ε为60%与100%之间产生水蒸气凝结雾滴占压缩总功率的比重。如，在压缩体积比为6时，产生高压水雾的功率占压缩总功率的5.55%，介于水蒸气凝结雾滴的功率4.12%(ε=100%)和6.86%(ε=60%)。

图9 占压缩功率的比例对比

3.5 压缩节能效率

根据式(15)计算出压缩体积比为2～6的不同方式下产生雾滴的节能效率，如图10所示。高压水雾冷却压缩节能效率和水蒸气凝结雾滴压缩节能效率均低于等温压缩节能效率；水蒸气凝结雾滴的压缩节能效率(ε=100%)更接近于等温压缩节能效率；水蒸气凝结雾滴的压缩节能效率(ε=60%)低于高压雾滴冷却的节能效率。在压缩体积比为6时，高压水雾的压缩节能效率42.82%，介于水蒸气凝结雾滴的压缩节能效率42.11%(ε=60%)和43.60%(ε=100%)，但低于等温节能效率51.14%，原因是设定了压缩空气的出口温度323.15 K。