带排烟热回收发生器的直燃机系统模拟和优化

1、第36卷第6期2008年6月华中科技大学学报(自然科学版J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition Vol.36No.6J un.2008收稿日期:2006212203.作者简介:汪磊磊(19812,男,博士研究生,E 2mail :lleiwang .基金项目:国家自然科学基金资助项目(50376044.带排烟热回收发生器的直燃机系统模拟和优化汪磊磊由世俊孙贺江(天津大学环境科学与工程学院,天津300072摘要:提出了一种带排烟热回收发生器的直燃机系统,并对系统进行了模拟分析.模拟结果表明:新型循环的性能系数随着排烟热回

2、收发生器产生的冷剂蒸汽比例的增大而增大,但热回收发生器所需的传热面积也增大.提出了热回收发生器的优化计算方法,确定了给定参数下热回收发生器产生的最佳冷剂蒸汽比例.新型循环的性能系数提高约2%,排烟温度可降低到130左右,从长远来看具有很好的节能和环保效益.关键词:直燃机;排烟热回收发生器;模拟;优化中图分类号:T K411文献标识码:A 文章编号:167124512(20080620125204Simulation and optimization of direct 2f ired absorption chillersystem with an exhaust heat recovery

3、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 Abstract :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 coe

4、fficient 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 generator.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

5、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 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 est

6、imated in t he long term.K ey w ords :direct 2fired absorption chiller ;exhaust heat recovery generator ;simulation ;optimization耗电少、不含CFC 的溴化锂吸收式制冷机的研制和应用日益被关注1.目前,市场上双效溴化锂制冷机的热力性能系数已开发达到了双效机效率的最大值2.由于三效溴化锂直燃机高压发生器内的发生温度和发生压力较双效机有了很大提高,而高温下金属防腐的问题目前仍难以得到解决,较高的工作压力也为机组结构安全设计提出了新的要求.因此,对于三效机的研究目前仅仅停留

7、在模拟研究阶段,还没有成熟产品形成.如何避开金属在高温下腐蚀的难点,在目前双效直燃机的基础上提高其性能系数成为国内外学者研究的热点.直燃机高压发生器内的发生温度在160左右,实际运行时,烟气排放温度一般在190200以上,不仅浪费能源,还对环境造成了热污染3.如果对排烟余热进行回收用来加热一部分溴化锂稀溶液,产生有效冷剂蒸汽,不仅可以减少排烟对环境的污染,而且还可以提高能源有效利用率,值得深入研究.1循环原理针对高压发生器中排烟温度偏高的特点,提出了一种新型循环,在高压发生器后增加一个排烟热回收发生器,将排烟热回收发生器与常规的溶液循环结合起来,利用高温尾气加热溶液产生冷剂蒸汽,其原理见图1(

8、图中数字为状态点 .图1带排烟热回收发生器的吸收循环原理图以并联溶液循环低温热交换器前分流循环为例,与常规循环不同的是,利用排烟热回收的吸收式制冷系统,整个循环相当于一个双效循环加一个单效循环.排烟热回收发生器相当于一个单效机,冷凝器、吸收蒸发器与双效机主体共用.从吸收器出来的稀溶液经过低温溶液热交换器后分为两路:一路进入低压发生器受热浓缩产生蒸汽;另一路进入排烟热回收发生器被烟气加热浓缩并产生冷剂蒸汽.最后,两路浓缩后的溶液在低温溶液热交换器前汇合后经热交换器进入吸收器开始新一轮循环.在燃料消耗量不变的条件下,新增的排烟热回收发生器产出了一部分冷剂蒸汽,新循环的性能系数得到了提高.2循环模拟

9、2.1控制方程这里仿真模拟的重点在于优化系统设置,即研究当系统达到稳定工况时各部件的相互匹配关系,故选择静态集中参数模型.它将整个系统作为一个黑箱处理,只考虑系统进口与出口参数的变化4.吸收式制冷系统的仿真是一个连续系统的仿真,系统的控制方程包括每个部件的质量方程和能量方程.这种建模方法广泛地应用于吸收式制冷系统仿真,只是根据系统流程的复杂程度所作的假设与建立的方程数有所区别.设由吸收器出来的稀溶液的流量为(a 1+a 2+a 3D ,其中:a 1,a 2和a 3分别为高压发生器、低压发生器和排烟热回收发生器的溶液循环倍率;D 为总的冷剂蒸汽量.溶液流量为a 1D 的一路经高温溶液热交换器进入

10、高压发生器,并被浓缩产生y 1D 的冷剂蒸汽;流量为y 1D 的蒸汽进入低压发生器浓缩其中的溶液,产生y 2D 的冷剂蒸汽;流量为(a 2+a 3D 的稀溶液经过低温溶液热交换器后分为两路:流量为a 2D 的稀溶液进入低压发生器,流量为a 3D 的稀溶液进入排烟热回收发生器,在烟气余热的加热下浓缩,产生(1-y 1-y 2D 的冷剂蒸汽.模拟中,将排烟热回收发生器中产生的冷剂蒸汽比例作为外界控制条件输入,有关系式y 1+y 2+=1,排烟热回收发生器出口浓溶液浓度认为与低压发生器出口溶液浓度相同.由于引入了3个循环倍率a 1,a 2,a 3和高压发生器在双效侧循环中产生的冷剂蒸汽比例y 1,一

11、共有4个待求变量,因此需要建立关于这4个未知变量的方程组.根据高压发生器的溴化锂溶液质量平衡得a 1a =(a 1-y 1r1;(1同理,根据低压发生器的溴化锂溶液质量平衡得a 2a =(a 2-y 2r2;(2根据排烟热回收发生器的溴化锂溶液质量平衡得a 3a =(a 3-1+y 1+y 2r2;(3根据低压发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 分别表示高发、低发和吸收器出口溴化锂溶液质量浓度.式(1(4构成了包含4个变量a 1,a 2,a 3和y 1的非线性方程组.此外,为了保证方程组封闭可解,另需补充溴化锂溶

12、液和制冷剂的物性方程5.2.2求解方法在已知制冷量的条件下,总共产生的冷剂蒸汽量为D ,排烟热回收发生器产生的冷剂蒸汽量为D ,双效侧循环中产生的冷剂蒸气为(1-D.给定高压发生器和低压发生器的放气范围1和2,由可计算出进入排烟发生器的溶液循环量a 3.根据质量平衡方程将1,2表示为y 1的函数,以能量平衡方程为判据对y 1进行循环迭代计算6,直到方程左右两边差值满足精度要求.将求出的y 1代入不同关系式可以分别计算得到a 1,a 2和y 2.4个未知变量求出后就可以计算系统各状态点参数和各部件负荷.在此基础上,依据高发排烟热量,结合烟气焓温表7,计算高发排烟温度,用排烟温度选择合适的值.迭代

13、过程要注意的是:由于该方程组存在多组解的情况,因此迭621华中科技大学学报(自然科学版第36卷代变量y1的初值选取必须恰当,若初始值设定与真解相差太远,则会造成约束方程精度达到要求而解完全失真的情况.循环性能系数C OP=Q0/ Q g1,式中:Q0是制冷量;Q g1是高压发生器负荷. 2.3模拟条件根据以上流程即可进行循环模拟,求得不同数值时循环状态参数及性能系数.为便于各次模拟结果之间的比较,模拟条件取固定标准值2.模拟条件:制冷量1163kW,冷冻水进出口温度12和7,冷却水进出口温度分别为32和37.5,高低压发生器的溶液进出口质量分数分别为8%和3%.热交换部件温差:低压发生器5,吸

14、收器4,蒸发器2,冷凝器3,高温热交换器15,低温热交换器10.各热交换部件的出口温差除溶液热交换器定义为热流体出口温度和冷流体进口温度之差外,其余的均定义为热流体的出口温度和冷流体出口温度之差8.3模拟结果分析及优化3.1模拟结果表1表3给出了当=0%和=2%时的溶液分配循环倍率、冷剂蒸汽产生比例、各主要状态点参数、各部件热负荷及循环性能系数的计算结果.表中:h为焓;为溴化锂溶液质量分数;p为压强;Q a为吸收器负荷;Q g2为低压发生器负荷; Q g3为排烟热回收发生器负荷;Q h1为高温溶液热交换器负荷;Q L2为低温溶液热交换器负荷;Q k为冷凝器负荷.表1溶液分配循环倍率及冷剂蒸汽比

15、例/%a1a2a3y1y204.728.700.570.4324.638.530.410.560.42表2状态点参数模拟结果状态点=0%p/Pa t/%h/(kJkg-1=2%p/Pa t/%h/(kJkg-12847.539.858.0105.7847.539.858.0105.7 37582.640.50.0169.77582.640.50.0169.7 47582.687.061.0209.77582.687.061.0209.7 77582.673.658.0172.57582.675.358.0175.7 87582.649.861.0139.47582.649.861.0139.4

16、 1075673.7122.558.0269.475673.7122.558.0269.5 1275673.7162.366.0366.675673.7162.366.0366.6 1375673.754.866.0180.375673.754.866.0180.3 1475673.7150.90.02780.875673.7150.90.02780.8 157582.683.60.02656.97582.683.60.02656.9 177582.687.061.0209.77582.687.061.0209.7 187582.680.258.0185.5 197582.687.061.02

17、09.7 207582.683.60.02656.9表3机组各部件负荷负荷/%02Q011631163Q a14871487Q g1914869Q g2681667Q g30.031.2Q h1384376Q L2289311Q k590603C COP1.2721.2983.2优化计算从模拟结果可以看出,从烟气中回收的热量越多,机组性能系数越高,但是,需要的传热面积也较大.理论上从烟气中最大可能的回收热量是将烟气冷却至排烟热回收发生器进口的溶液温度,这显然是不可能的.因此,将余热回收有一个最佳值,这与燃料的价格及换热器的造价有关.设换热器的传热面积为A,回收的热量为Q,回收单位热量带来的燃烧

18、节省费用为S Q,设备年运行时间为T,则每年节约燃烧带来的收益为QS Q T.换热器单位传热面积的投资分摊到每年的折旧费为C,由此可得设置余热回收换热器后,每年的纯收益S=QS Q T-CA,(5回收热量Q是传热面积的函数,因此,年纯收益721第6期汪磊磊等:带排烟热回收发生器的直燃机系统模拟和优化为最大时的最佳传热面积是d S/d A=S Q T(d Q/d A-C=0(6时的值,同时烟气侧的传热方程kAT=Q,(7将式(7两边对A求导,得d Q/d A=kt,(8将式(8代入式(6得最佳换热温差t OPT=C/(SQ T k.(9这样S Q,T,k和C都是已知数,就可以求得t OPT,进而

19、求得最佳回收热量Q OPT.对排烟热回收发生器来讲,设计时已将进出其中的溶液状态默认与低压发生器的溶液进出口状态相同,这样,当有了模拟结果时,进入排烟热回收发生器的排烟温度t1,溶液进出口温度t2和t2都是已知的,只需根据平均对数温差,确定t1即可.根据逆流布置换热器的对数平均温度计算公式,平均温差为t=(t1-t2-(t1-t2/ln(t1-t2/(t1-t2.设换热器由n个长为L,外径为51mm,壁厚3.5mm的钢管组成,这种钢材密度=7850kg/ m3,价格为7000元/t,按15a折旧计算,则换热器单位面积投资为C元/(m2a=7000kgm-3(/4(0.0512-0.0442nL

20、/(660nL=13.8,若机组按每天满负荷运行5h,年运行时间为90d,烟管传热系数为24W/(m2,燃气价格按2元/m3,则按式(9及循环计算状态点可求得最佳传热温差为58.1,排烟出口温度为135.1,此时最佳排烟热回收发生器蒸汽比例=1.59%,排烟回收热量为24kW.从以上计算过程也可以看出,最佳参数的求解受到钢材价格、运行时间、燃料价格等具体因素的影响.可根据实际市场价格和使用情况,对以上输入参数做出调整.3.3结果分析根据计算结果,当=2%时,排烟温度从= 0时的193.9降到119.4,C COP提高了约2%.回收排烟热量和C COP提高值均与值成线性关系,随着值的增大,回收排

21、烟热量逐渐增大,C COP也增大.从表3中可以看出,由于回收排烟热量加热溶液产生了蒸汽,因此高压发生器的负荷也有所减小,从而低压发生器的负荷也随之减小,而冷凝器的负荷有所增加.当=2%时,新循环比传统循环回收了31.1kW的热量,从而减少了燃气消耗量.增加了热回收发生器后,由于高压发生器的设计热负荷有所降低,冬季采暖工况下机组的供热负荷会略有下降.在制冷量、蒸发温度、冷凝温度不变的条件下,带排烟热回收发生器的循环较传统吸收制冷循环C COP提高2%以上.在一定范围内,新循环的C COP随着排烟热回收产生蒸汽比例的增大而增大,燃料消耗量随的增大而减小.权衡换热器初投资费用与节省燃料费用的关系,认为当= 1.59%时机组具有最佳的经济性.此时通过排烟热回收,吸收烟气中的余热,使排烟温度从传统循环时的194降低到130左右,减少了