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制冷原理与设备课程论文
昆明理工大学
制冷原理与设备课程期末论文
论文题目:
低品位热能驱动吸收式制冷技术探讨
姓名:
血未冷
学号:
0000000000
专业班级:
XXXXXX班
系(院):
XXX工程学院
指导老师:
XX
设计时间:
2013-2014学年第1学期
低品位热能驱动吸收式制冷技术探讨
摘要:
低品位余热回收应用于制冷可实现节能减排、提高能源利用率,保护环境,是一种实现可持续发展的有效方法之一。
本文介绍了几种可利用的低品位热能驱动制冷的方式,并重点探讨了冲渣水余热回收应用于夏季制冷,冬季供暖的综合应用技术以及太阳能吸收制冷技术。
最后讨论了吸收式制冷所存在的问题及其发展方向。
关键字:
余热回收;吸收式制冷;溴化锂;节能减排;太阳能
引言
随着经济的持续高速发展,能耗的增加,能源和环境问题已经成为全球所面临的问题,2012年我国能源消费总量为36.2亿吨标煤,位居世界第二。
但能源利用效率却非常之低,因此提高能源的利用率,已迫在眉睫,特别是在工业领域的能耗大户,余热的有效利用将大幅度提高我国的能源利用效率。
余热回收是节能减排、能源循环利用的重要方法之一。
经过多年努力,高品位余热回收利用已经取得了长足的发展,但是对于低品位余热(本文讨论的低品位的热能主要是指温度低于200℃的废气和低于60℃废水含有的热能)的利用却还是很少,例如:
钢铁厂中各个环节都需要大量的冷却水,与此同时还产生大量余热;大型炼油厂余热;化工厂余热;大型舰船余热,汽车发动机,柴油机余热等等。
而吸收式制冷可利用低温热源这一良好特性则可以很好地将这些余热利用起来,可以起到其他制冷装置无法替代的作用,不仅节约了电能保护了环境,而且实现了能源的综合利用,具有很大的社会效益、经济效益和环境效益。
1.吸收式制冷简介
吸收式制冷是以热能为动力、利用溶液吸收和发生制冷剂蒸汽的特性来完成循环的。
如果将它与压缩式制冷系统相比较,其系统中的冷凝器、节流阀、蒸发器的作用与压缩式制冷系统中的相应部件一一对应。
而压缩机则由吸收器、发生器、溶液泵、节流阀及溶液回路所取代。
虽然吸收式制冷系统设备庞大、制冷效率较低,但是吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂,对环境和大气臭氧层无害;以热能为驱动能源,除了利用锅炉蒸汽、燃料产生的热能外,还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能,在同一机组中还可以实现制冷和制热(采暖)的双重目的。
整套装置除了泵和阀件外,绝大部分是换热器,运转安静、振动小;同时,结构简单、安全可靠、安装方便。
在当前能源和环境问题日益严峻的形势下,吸收式制冷技术以其特有的优势已经受到广泛的关注,特别适用于有大量余热的工业领域。
目前,对于利用余热驱动的吸收式制冷的研究已经越来越多,正在探索和试验阶段的工质对也有很多,但真正产业化、商业化应用的,目前还是以溴化锂溶液和氨水溶液为主。
溴化锂水溶液的制冷剂是水,可用一般的低压蒸汽或60℃以上的热水作为热源,能制取5℃以上的冷水。
想要制取0℃以下的低温、制冰,常用的还是氨吸收式制冷。
溴化锂吸收式制冷工作原理
溴化锂稀溶液在发生器中被加热,产生冷剂(沸点较低)水蒸汽,冷剂水蒸汽在冷凝器中被冷却,并凝结成液态水。
液态水经节流机构减压后进入蒸发器并在其中汽化吸热,产生7℃冷冻水送入用户进行降温除湿,汽化后的水蒸汽被吸收器吸收;发生器中溴化锂溶液被加热发生水蒸汽后变为浓溶液(沸点较高),进入吸收器被冷却水冷却后吸收来自蒸发器的水蒸汽变为稀溶液。
再由溶液泵送入发生器,完成吸收制冷循环。
由于溴化锂吸收式制冷机对热源参数要求低、适应性强,热源的驱动作用是在发生器,将溴化锂溶液中的冷剂水蒸发出来。
2.吸收式制冷在不同领域的应用
2.1石化行业
大型炼油厂是我国生产加工能源的骨干企业,也是石化行业的耗能大户。
炼油装置中存在着丰富的低温余热资源,节能潜力很大。
有些余热已逐步回收用于装置内部加热、生活区的冬季采暖和常年热水供应。
若进一步回收余热用于夏季溴化锂吸收式制冷集中空调,不仅可以明显地提高企业的能源利用率,节约大量能源,而且可以改善居民的生活条件和厂区的环境热污染状况,将是一项具有多重效益的改造项目。
2.2汽车发动机余热
汽车发动机实用效率一般为35%~40%,约占燃料发热量的25%左右被冷却水带走,35%~45%被汽车尾气带走,回收和利用这部分余热来驱动制冷系统用于汽车空调,将是一种很好的节能方案。
现在的汽车空调系统大致可分两种情况①轿车和中小型客车,其压缩机由主发动机驱动,一般要消耗8%~12%的汽车发动机动力,其中压缩机占80%~85%,风机占15%~20%,增加了油耗和废气排放,降低了汽车的运输能力,并可能引起水箱过热,影响汽车动力性能;②大客车,制冷压缩机配备专门的附发动机,空调性能不受汽车行驶工况影响,但结构负责,增加了整车重量和布置难度,汽车油耗和排放增加,环境污染严重。
因此我们可以基于溴化锂吸收式制冷机的结构和工作原理,结合汽车发动机的冷却系统和排气系统,对汽车发动机散热水箱以及排气系统进行改造,简单来说就是增加一套换热设备,从而同时利用发动机冷却水余热和排气余热作为热源,来驱动溴化锂吸收式制冷机,这样既节省了油耗,又减少了汽车温室气体及氮化物的排放,同时又使汽车结构不致于复杂。
通过相关研究者的定量计算表明,同时利用汽车冷却水和排气余热的双溴化锂吸收式制冷用于汽车空调夏季制冷以及冬季的供热是可行的,且计算结果表明,该系统结构简单,制造方便,并完全满足汽车空调负荷要求。
而且负荷调节范围大,可以在30%~100%的范围内任意调节,且没有运动部件,无需发动机作为制冷动力,也不消耗发动机的有效功率,完美实现节能减排,此外设备运转平衡,振动噪声很小。
2.3钢铁厂余热
钢铁厂高品位的余热己得到有效的利用,但是低品位的热能还没有得到广泛的关注和有效的利用,利用热泵以及吸收式制冷技术等新技术,可有效的将钢铁厂大量的低品位余热用于建筑采暖和空调制冷,降低钢铁厂的能耗。
2009年,全国粗钢产量突破5.6亿吨,占全球钢铁产量的46%,钢铁企业能源消耗占全国总能耗的16.1%,占工业总能耗的23%,钢铁企业是名副其实的耗能大户,节能减排的压力巨大。
我国钢铁产业的技术水平和物耗与国际先进水平相比还有差距,如何降低吨钢能耗,做好钢铁厂余热余压等能量的回收,是降低能耗的有效途径。
现在各大钢铁企业都已经开始回收利用高品位的热能资源,比如余热锅炉、高炉TRT等,但是对钢铁厂内低品位的热能利用还很少,从焦炉、高炉、转炉到连铸、轧钢,钢铁生产的每个环节都需要大量的冷却水,另外还产生大量带余热的废气等,吸收式制冷技术就可以有效地利用这部分低品位的热能资源从而降低钢铁厂能耗。
例如:
在高炉炼铁工艺中,高炉渣作为主要的副产品,其自身排渣温度可达1350℃~1450℃左右,含有大量的高温显热,每吨渣约含有(1.26~1.88)X10^6kJ的显热,相当于45~60kg标准煤,而目前采用的水冲渣工艺将这部分热量白白浪费,并造成水源的消耗和空气的污染.如何高效回收高炉渣余热,是我国钢铁企业高度关注的课题,也是一个世界性的前沿课题和技术难题。
我国的钢铁产量居世界第一位,同时我国高炉生产排出的含丰富热能的高炉渣数量也是巨大的,从节能与环保以及提高钢铁厂的经济效益的角度来看,对高炉渣的热量进行回收是十分有必要的。
以我国目前钢产量5亿吨计算,可产生2亿吨以上的高炉渣和转炉渣,这部分余热如得到利用,每年可节约1000万吨标准煤和1.6亿吨淡水,减少C02排放量3000余万吨,同时减少大量的大气污染物排放。
高炉水冲渣水的温度一般为60~90℃,溴化锂吸收式制冷机对热源参数要求低,适应性强,正好可以利用这部分余热制冷。
溴化锂吸收式制冷机除拖动溶液泵需要耗费少量电能外,其它设备均不消耗电能。
拖动溶液泵所消耗的电能远远小于拖动压缩机的耗电量,统计结果表明,吸收式制冷技术较压缩式制冷技术节电90%以上。
冲渣水除了夏季用于驱动吸收式制冷机制冷以外还可以在冬季用于建筑供暖,以1200m^3/h的冲渣水为例。
冲渣水在滤池中的温度为70℃计算。
住宅采暖热指标推荐值为58—64W/m^2,按60W/m^2取。
采暖供水温度取70℃,回水温度55℃,可得出1200m^3/h讥的冲渣水所能提供的热量Q=GxCx(ts-td)/3.6=1200x4.181×(70—55)/3.6=20905kW,供暖面积=Q/60=348km^2。
从而实现这部分余热的完美回收!
2.4其他热源
除了余热回收利用之外,吸收式制冷在太阳能以及地热能方面也可以实现有效利用。
虽然太阳能吸收式制冷具有许多优点,但在太阳辐射不连续性、不稳定性的制约下,制冷系统难以实现连续稳定地制冷,这成为阻碍其发展的主要原因。
国际上已有较为成熟的吸收式制冷技术。
但是,目前利用太阳能制冷技术的净COD值通常小于0.5,总的来说仍然很低。
因此对于太阳能吸收式制冷系统,必须对太阳辐射进行能量补偿。
在诸多能量补偿方式中,太阳能吸收式制冷系统与蒸气压缩式制冷系统的组合(以下简称联合制冷系统)最值得瞩目,这种组合方式以功量形式对太阳辐射进行补偿。
太阳能吸收式制冷系统的功量补偿形式,提出联合制冷系统(采用氨一水工质对),其流程见图1。
根据太阳辐射情况将联合制冷循环分为3种模式。
1模式1。
太阳辐射较强时,联合制冷系统可单纯依靠太阳能正常工作。
此时吸收器压力小于蒸发压力,在压力差作用下,单向阀1开启,单向阀2关闭,溶液泵3、4启动,压缩机不工作。
制冷剂蒸气由蒸发器经单向阀1进入吸收器,然后完成吸收式制冷循环的其他环节。
2模式2。
太阳辐射严重不足或无太阳辐射时,压缩机启动,吸收器压力略高于冷凝压力,在压力差作用下,单向阀1关闭,单向阀2开启,溶液泵3、4关闭。
制冷剂蒸气由蒸发器排出后,进入压缩机,通过单向阀2进入冷凝器冷却。
3模式3。
太阳辐射较弱,但有利用价值时,压缩机启动,吸收器压力介于冷凝压力和蒸发压力之间,单向阀1、2关闭,溶液泵3、4启动。
制冷剂蒸气由蒸发器排出后,先进入压缩机,再进入吸收器。
吸收器内的稀溶液吸收制冷剂蒸气后,质量分数升高,由溶液泵3抽走。
浓溶液与经发生器流来的稀溶液在换热器中换热,然后进入发生器。
在发生器内,浓溶液吸收热量挥发出制冷剂蒸气后,质量分数降低。
挥发出来的制冷剂蒸气进入冷凝器冷却。
解析后的稀溶液则流回吸收器重新吸收制冷剂蒸气。
在冷凝器中,制冷剂蒸气冷却成液体,之后由节流阀节流,再进入蒸发器内。
除此之外将太阳能吸收式制冷系统与地源热泵构建在一起,设计出的一套复合式供热制冷系统,则能够弥补常规太阳能或地源热制冷系统的缺陷。
3.吸收式制冷系统利用低品位热能的存在问题
1.低品位热能的选择
低品位热能的选择是吸收式制冷机能否正常运行的关键。
首先从技术可行性角度讲,低品位热能为吸收式制冷机提供热量,使其达到发生温度,从而驱动整个系统工作。
如果热源所提供的热量没有达到系统的最低发生温度,系统将无法工作。
而对于不同形式的吸收式制冷机,要求的最低发生温度也不同。
低品位热能的选择需要综合考虑各方面的因素,单考虑热源温度是远远不够的,还要对低品位热能的经济性、环保性加以分析。
2.吸收式制冷循环系统的优化
由于吸收式制冷系统的性能系数较低,可利用的热源温度高低不同,所以如何设计一套高性能、可利用温差大的制冷循环系统是吸收式制冷系统的研究热点之一。
最早出现的吸收式制冷机是单效式吸收式制冷机,由于发生温度是吸收式制冷系统能否正常运行的关键因素,所以之后的研究出现了两个方向:
当热源温度较高时,单效吸收式制冷机的热源温度受到了浓溶液结晶的限制,为了充分利用高温热源,双效、三效及多效的吸收式制冷机应运而生;当热源温度较低时,单效式制冷机的COP值会急剧下降,到了50℃时,单效式制冷机的COP值降为0,为了利用这部分热源,产生了两级、1.X级、单效/双级等吸收式制冷机。
吸收式制冷循环的系统分析,要充分掌握系统各部件的浓度、温度和压力间的变化情况,分析各部件的传热传质过程,利用系统的主要影响参数,改善系统的循环过程,使余热可以被充分利用,进而提高系统的性能系数,对吸收式制冷系统的设计制造有很好的指导作用。
3.吸收器的优化
在吸收式制冷系统中,吸收器是造成COP值较低的关键部件,其传热传质特性对整个机组的特性影响重大。
所以,吸收器性能的优化是提高循环性能的重要途径。
4.低品位热能驱动吸收式制冷系统的发展趋势
1.优化低品位热能集热装置
来源不同的低品位热能,其热源品位的高低也有所不同,这就需要对不同的热源,根据各自的特点,分别加以分析利用。
对于热源温度较高的工业余热,其发展趋势将是改善换热设备,充分利用能源热量,进一步提高余热的利用率;对于热源温度较低的太阳能、地热能等,其发展趋势是改进收集热能的装置,比如太阳能集热器的改进,或者采用复合循环方式,将两种热源结合利用,以填补单一装置供热温度不足的缺点。
2.优化制冷循环过程
对吸收式制冷系统的优化主要包含以下方面:
(1)从系统的自身性能考虑。
吸收式制冷系统自身的热利用率不高,制冷系数低,可以通过分析系统的静态和动态循环过程,将热损耗大的部分或装置改进,从而改善整个循环,研究出更加适应于低品位热能利用的制冷机组。
(2)从低品位热能的稳定性考虑。
通常,吸收式制冷系统所采用的低品位热能都具有不稳定性,如太阳能的昼夜变化、工厂的作息变化等.这就需要对制冷装置增加合理蓄冷蓄热设备,以满足热源不足时的需求。
3.优化吸收器
对吸收器的优化主要包含两个方面:
一方面是改进吸收器的性能。
吸收器的传热传质过程是共同进行的,吸收器工作时,热量和冷剂蒸汽在气液两相之间传递,这种气液相间的传输动力产生于局部温度和浓度梯度等,这就需要建立最趋近吸收器实际传热传质过程的计算模型,最后达到改进吸收器性能的目的。
另一方面是减小吸收器的体积。
目前市场上使用最多的吸收器是采用水平管外式降膜吸收,存在体积过大的问题,体积增大,就面临着初投资增大的问题,不利于整个系统的经济性。
所以,需要寻找一种新的布管方式,既可以提高吸收器的换热能力,又减小了其体积,实现机组的小型化。
5.总结
在能源紧缺的当下,低品位热能驱动吸收式制冷技术必将在余热回收,节能减排,环境保护等领域发挥巨大作用,但限于种种技术及经济效益等原因,此技术并未迅速推广开来,也为我们留下了巨大的发展空间。
限于本人当前水平以及条件限制只能通过相关资料对这一技术进行一个定性分析,无法通过数据进行定量分析。
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