大型高速低溫風洞冷量回收的方法研究

賴歡,陳振華,高榮,陳萬華,劉秀芳,侯予

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.中國空氣動力研究與發展中心設備設計及測試技術研究所,621000,四川綿陽)

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大型高速低溫風洞冷量回收的方法研究

賴歡1,2,陳振華2,高榮2,陳萬華2,劉秀芳1,侯予1

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.中國空氣動力研究與發展中心設備設計及測試技術研究所,621000,四川綿陽)

為提高低溫風洞排氣冷量的綜合利用和節能減排,實現大型低溫風洞科學建設,分析了目前大型低溫設備冷量回收利用的現狀和方法;針對低溫風洞高雷諾數試驗運行中排氣系統的工作流程和特點,對大型高速低溫風洞排氣冷量進行了初步計算,結合當前低溫工質氣化冷量回收技術方案的流程分析和國內外低溫系統冷量回收利用的技術特點,對低溫風洞液氮噴霧制冷后冷量回收與高效利用的方法和可行性進行了初步研究。綜合考慮技術難度和投資經濟性,提出了通過蓄冷設備、空分裝置、固態氮制取進行冷量回收的3種主要技術途徑。分析結果表明:采用蓄冷設備需要周邊用冷設備支持,回收效率低;利用空分裝置無需額外投資,經濟性較好;固態氮制取回收效率高,硬件投資大,經濟性較差。通過合理調整風洞試驗流程,選取合適的技術方案,可以實現大型低溫風洞的冷量回收。

低溫風洞;液氮噴霧;冷量回收

低溫風洞利用降低氣流溫度的方法達到提高風洞雷諾數模擬的目的,是工程上實現高雷諾數模擬的最佳方案。對于大型低溫工程,采用噴入液氮、利用液氮潛熱進行快速降溫是最經濟和實用的途徑[1]。目前,世界上兩座大型的生產型跨聲速低溫風洞——美國國家跨聲速風洞(NTF)和歐洲跨聲速風洞(ETW)均利用液氮噴射制冷實現低溫運行,兩座風洞的最大液氮消耗量分別為420和250 kg·s-1。氣化后的氮氣通過排氣塔排入大氣,排氣溫度最低可達-183 ℃[2]。為了避免低溫氮氣對排氣塔周圍空氣造成冷污染,NTF和ETW風洞均采用燃氣加熱空氣與低溫氮氣混合,將排氣溫度提高至0 ℃以上。在復溫階段,低溫氮氣與高溫空氣混合,被加熱到常溫,直接排入大氣。為了獲得高溫空氣,必須燃燒很多的燃料,對能源造成了巨大的浪費。

當前,可持續經濟建設對傳統能源的使用、綠色能源再生和能源循環利用提出了更高的環保指標。對于大型的熱能設備,如熱電站,要求對排放的蒸汽、冷卻水等必須采取熱能回收措施,減少對環境的熱污染[3]。同樣,對于大型低溫設備,如液化天然氣(LNG)流程、環境模擬設備等,必須保證制冷循環的各個環節不對環境造成冷污染。目前,對于大型低溫工程,如LNG氣化站,液化天然氣氣化復熱至常溫(25 ℃)將釋放大約8×105J·kg-1的冷量。提高大型低溫設備排放的冷量利用率,已經成為國內外研究熱點[4]。大型高速低溫風洞,在設計和建設時應充分考慮運行的合理性、經濟性和安全性,實現高效運行、節能減排。文獻[5]對大型低溫風洞設計建設的關鍵技術進行了分析,認為低溫風洞排氣冷量的處理和回收利用是風洞科學建設、節能運行的關鍵點之一。

由于低溫風洞運行模式的特殊性,其冷量回收存在很大的困難,目前相關方面的研究報道較少[6]。為了實現低溫風洞的科學建設,本文針對低溫風洞排氣系統的工作流程和特點,對大型高速低溫風洞排氣冷量進行計算,對低溫風洞排氣冷量的回收與高效利用可行性進行了初步的研究,提出了可以通過蓄冷設備、空分裝置、固態氮制取進行冷量回收的技術途徑。

1 低溫風洞運行模式介紹

圖1是典型的液氮噴射制冷的低溫風洞原理圖。通過液氮泵將液氮從低溫儲槽中注入風洞回路,對氣流和模型進行降溫,通過風扇驅動獲得試驗需求的風速(馬赫數),通過排氣控制閥門控制氮氣的排放流量,獲得試驗所需的氣流壓力。

圖1 低溫風洞原理圖

對于大型低溫風洞,試驗過程中必須持續不斷地向風洞內注入液氮以平衡風洞驅動氣流做功帶來的熱量;同時,持續氣化的液氮轉變成低溫氮氣時將帶來約800倍的體積膨脹量。為了保持試驗正常的總壓值不變,必須持續不斷地將氣化的低溫氮氣排出洞體。低溫氮氣若直接排入大氣,會在排氣塔周邊造成低溫氮氣的沉積、起霧、濕空氣結冰,進而破壞局部環境和天氣。因此,對低溫風洞排氣冷量進行回收處理是非常必要的。

2 國內外冷量回收的現狀

與低溫風洞類似具有大量冷量釋放的低溫系統集中在天然氣行業。液化天然氣復溫至室溫氣態時,會排出大量的冷能。20世紀90年代以來,LNG工業得到廣泛應用和高速成長,在一次能源結構中已約占24%。天然氣氣化冷量應用于聯合發電系統、熱泵等方面已成為各國競相開發的研究熱點[7]。

2.1 LNG冷量回收利用現狀

20世紀90年代末,國際上開始關注LNG冷量回收利用的可行性研究,日本和韓國是開展液化天然氣冷量回收研究起步較早的國家,已有20多年的歷史[4]。主要分為以下幾類:①供LNG岸基接收站自身使用,利用氣化冷量冷卻熱空氣進行綜合發電;②外部工廠貨物冷卻系統集成使用,對食品冷藏系統進行供冷[8];③作為氣體分離及液化設備換熱器冷量輸入[9];④用于海水淡化[10]和石油化工系統[11-12];⑤為建筑空調設備提供冷源[13]。近年來,國際上對于LNG冷量回收利用的研究主要集中在如何高效利用LNG,優化燃氣發電熱力學循環流程,提高電站發電效率,減少CO2的排放[3]。

進入21世紀以來,關注可持續發展、加強資源節約型循環經濟的開發成為能源開發的導向標。對于LNG冷量綜合回用主要采取閃蒸汽冷凝回收、氣體分離供冷、工業物料低溫破碎、海水淡化、干冰生產等技術方案。上海小洋山陸上液化天然氣基站針對上海周邊LNG冷量綜合使用制定了開發計劃,約70%的冷量將供周邊空氣分離站和聯合燃氣循環發電站使用[14-15]。

2.2 低溫風洞冷量利用現狀

由于低溫風洞運行的特殊性,其冷量的釋放與LNG接收站的冷量排放有所不同:一是隨試驗工況的變化,排氣流量在10～300 kg·s-1浮動,排氣壓力在15～45 kPa波動,表現出較強的冷量參數波動性;二是隨實驗項目的變化,設備運行會出現集中期和空閑期,一年中不同時段的冷量排放量也不相同。冷量值的不穩定性是低溫風洞進行冷量回收的最大難點。作為目前世界上僅有的兩座生產型低溫高雷諾數跨聲速風洞,NTF和ETW都曾經嘗試進行排氣冷量的回收。NTF曾考慮采用帶液膨脹機方案液化風洞排放的低溫氮氣。理論分析表明,該方案回收效率主要取決于帶液膨脹機效率,可以達到12%～18%[16],但在NTF引導風洞進行的縮尺驗證表明,回收率僅約10%。由于回收效率低于期望值,NTF建設時沒有采用該回收方案。ETW的液氮通過商業公司采購,沒有配套的空分設備,周邊也沒有大型冷量利用設施,因此冷量回收利用僅限于部分回收,將風洞預冷階段的排氣冷量引入模型準備間,對模型進行預冷處理,冷量的利用率較低。試驗期間排放的大量冷量,從環保考慮進行了加熱復溫處理,避免環境污染。

3 低溫風洞冷量回收潛在途徑

對于大型低溫風洞,盡管冷量排放存在非持續性、瞬時冷量大、冷量波動等特點,但由于試驗工況和運行時間在較長的一段時間內是穩定的,其運行工況周期性重復。因此,其冷量的排放量是可以預估的。低溫風洞冷量回收利用的關鍵是:①確定冷量輸出量;②尋找穩定的用冷設備;③采用可行的技術途徑;④對經濟性進行評估。

3.1 低溫風洞排放冷量的估算

由于低溫風洞對液氮的需求極大,一般在低溫風洞附近直接建設一套空分設備,專為風洞供給液氮。NTF配套的空分系統液氮產出量為430 t·d-1。工作時液氮最大流量可達450 kg·s-1,在排氣溫度為110 K時,最大排氣流量約為425 kg·s-1。ETW沒有配置專用的空分系統,通過商業氣體公司購買液氮,轉注儲存在3 000 m3的液氮儲罐中,維持試驗的需要,液氮年平均消耗約為30～50 kt。

3.1.1 預冷階段 預冷階段風洞在低馬赫數下運行,液氮小流量注入風洞內,吸收風扇作功產生的熱量,并對風洞內部構件進行降溫,利用氣化的氮氣對洞體內濕氣進行置換。該過程液氮的消耗量較小,其潛熱用于抵消風扇作功轉換的熱能,顯熱用于對洞體內部構件進行降溫。為了避免結構件因溫度快速下降產生過大的熱應力,預冷階段的降溫速率一般控制在1 K·min-1,降溫持續時間約為2～3 h。該階段排氣溫度隨著風洞洞體溫度的下降而線性下降并達到設定值(如110 K),最終排氣溫度、排氣流量恒定。這一階段的排氣冷量具有流量恒定和溫度線性下降的特點,與預冷進程同步一致。在風洞預冷階段,處于試驗準備階段的模型也必須預冷到試驗溫度。因此,該階段的排氣可以引入到模型準備間對模型進行同步預冷,達到冷量部分回收利用的目的。

3.1.2 試驗階段 試驗階段,液氮處于大流量消耗階段。液氮潛熱平衡風扇作功,氣流溫度維持在工作設定溫度,液氮噴射流量約為0.5～280 kg·s-1。氣化后低溫氮氣根據試驗工況的不同將維持在90～200 K,經排氣系統排出風洞,該階段排氣冷量主要為氮氣的顯熱。按ETW風洞設計工況考慮,運行速度為0.9 Ma,排氣溫度為110 K,排氣壓力為4.5×105Pa,排氣質量流量約為271.4 kg·s-1。氮氣比定壓熱容cp=1.165 8×103J/(kg·K)。考慮將氮氣復溫至288.15 K(15 ℃)的常溫,忽略氮氣物性隨溫度的非線性,該工況下排氣冷量約為56 368.41 kJ·s-1(56 368.41 kW)[2]。表1～表3分別給出了排氣溫度在110、150和200 K時,典型運行工況下估算的排氣冷量。

3.1.3 回溫階段 風洞回溫階段將停止噴射液氮,

表1 典型工況排氣溫度110 K時的冷量估算

表2 典型工況排氣溫度150 K時的冷量估算

表3 典型工況排氣溫度200 K時的冷量估算

利用風扇怠速運行發熱對洞體進行緩慢回溫。若風洞回溫階段安排在常溫工況以后,則該階段不存在冷量排氣,可以不考慮冷量回收。若風洞回溫階段安排在低溫(如110 K)運行之后,由于不再噴入液氮,排氣溫度回溫流程線性升溫,同樣可以將該階段的氣體引入模型更換間進行同步回溫。因此,可視為無額外冷量排放,不需要回收冷量。

3.1.4 風洞排氣冷量預估 選取風洞設計工況點,排氣溫度為110 K,運行馬赫數為0.9,排氣總壓為4.5×105Pa,回收溫度為288.15 K,按照風洞每天有效試驗時間2 h估算,風洞排氣冷量約為

Qe=Pet

(1)

式中:Qe為排氣冷量,kJ;Pe為排氣功率,kW;t時間,7 200 s。計算得Qe=405 852.552 MJ。

3.2 周邊冷量利用設備分析

3.2.1 大型建筑空調系統 低溫風洞作為重要的國家級設備,必然依托航空航天部門進行建設。美國NTF風洞就位于蘭利宇航中心,與周邊的其他風洞形成配套的風洞試驗能力。ETW建設地點位于科隆,毗鄰德國宇航中心,與其他大型風洞配套形成完整的飛行器試驗能力。因此,可以考慮將低溫風洞排氣冷量引入周邊建筑空調制冷系統,降低電制冷比例,節約能耗。以一幢12層的都市普通建筑為例,其建筑面積約為15 000 m2,制冷需求約為10 000 m2,圖2給出了空調系統的全年能耗分布。如圖所示,城市空調系統在5月～11月為制冷運行期,8月為高峰期,最高能耗約為3×105kW·h,月平均能耗1.5×105kW·h。單體建筑空調系統的制冷需求約為650 kW[14],按每天空調運行時間12 h估算,完全回收風洞每天的排氣冷量,需要14.5座該級別的單體建筑。

圖2 單體建筑全年空調能耗分布圖

圖3是設想的用于空調系統的多級換熱蓄冷原理圖。通過多級換熱器,利用中間冷媒蓄能,將排氣冷量回收用于空調冷卻水系統,減少空調系統制冷機組的運行,節約電能消耗。在該模式下,風洞試驗的高峰期應與空調系統的使用期同步。可將試驗高峰期安排在每年的7～9月份,使得排氣冷量與空調需求相匹配。

圖3 多級換熱器蓄能系統原理圖

該方案能有效利用周邊用冷設備,僅需增加空調2級蓄冷換熱裝置,經濟性較好,缺點是受制于風洞建設地點氣候條件,且必須提前規劃和核算低溫風洞建設地點周邊建筑用冷量,回收利用率低。

3.2.2 空分設備 作為大型低溫風洞,由于液氮消耗量較大,一般會就近建設全液體空分設備,生產液氮提供風洞試驗所需。目前大多數全液體空分設備采用空氣膨脹制冷流程。圖4是帶增壓透平膨脹機和制冷機組的空分裝置[17],通過主換熱器將原料空氣冷卻至100 K左右送入精餾塔獲取液體產品。主換熱器冷量源自工藝流程中引回的級間氮氣、產品級低溫氮氣、產品級低溫氧氣以及膨脹后的低溫空氣。將低溫排氣冷量作為主換熱器的一種冷量來源,將減少產品氧、氮和返流氣體的使用和膨脹機組的運行氣量,能耗將大大降低。圖5是改進的將風洞排氣系統冷量引入主換熱器的空分流程[18]。

圖4 空氣循環膨脹制冷流程

圖5 利用排氣冷量的空分流程

按ETW風洞液氮需求估算,需配置10 kN·m3/h的全液體空分設備,液氮的產出能耗需求約為400 W/kg。由于空分設備為不間斷工作制,因此可以通過蓄冷的方式將試驗期間的排氣冷量儲存,再通過空分設備進行回收利用。

與采用空調系統回收冷量不同,空分設備回收冷量,需將風洞的運行安排日均到全年,避免風洞最高試驗條件下的集中排冷,緩解蓄冷裝置的壓力。該方案充分利用風洞配套用冷設備實現液氮回收,無需增加額外的硬件設備,經濟性較好,缺點是風洞排氣冷量的不穩定性對空分設備冷媒切換和調峰能力要求較高,技術難度較大。

3.2.3 固態氮冷量回收 低溫風洞工作氣體為氮氣,在冷量回收過程中,若氮氣不被污染,并進入循環利用的工作流程,即可節約氮的用量。若將排氣考慮為熱媒,則可以通過更低溫度的冷媒對排氣進行降溫液化處理,達到回收利用的效果。固態氮蓄冷回收氮氣方案的基本原理是以固態氮為蓄冷工質,利用固態氮與風洞排出冷氣(熱媒)進行充分熱交換,將排出的氮氣冷卻、液化回收,可以部分替代低溫風洞配套的空分設備。圖6是固態氮冷量回收原理圖,由固態氮制備、真空維持、氮氣液化3部分組成。來自風洞排氣系統的低溫氮氣在固態氮儲槽中與固態氮及過冷液氮進行充分換熱,氣氮冷卻獲得液氮,固態氮吸熱融化獲得液氮,通過低溫泵送入液氮儲槽中,達到循環利用的目的。從固態氮頂部抽取的氣氮通過低溫真空泵送回緩沖罐,經過低溫壓縮機壓縮、膨脹機膨脹冷卻、主換熱器冷卻、冷箱液化,最終還原為液氮。

圖6 固態氮冷量回收原理圖

圖7 氮的飽和溫度-壓力曲線

由圖7可知,當儲罐壓力持續下降時,液氮的飽和溫度也持續下降,隨著液氮的蒸發吸熱,儲槽內溫度降低。利用液氮在真空狀態下揮發吸熱,降低剩余液氮溫度,凝固成固態氮。通過低溫真空泵持續抽取,維持固態氮儲槽壓力在負壓狀態。當液氮蒸發吸熱使得剩余的液氮溫度降低至凝固溫度63.15 K以下時,得到固態氮。將儲槽壓力維持在8 kPa下,固態氮吸收來自低溫風洞排氣系統的氮氣熱量,熔化為液氮,再進一步通過液氮與尾氣進行換熱,將尾氣溫度降低至飽和溫度77.66 K,此時儲槽壓力上升至0.105 MPa。整個換熱需維持冷端液氮不氣化。固態氮熔點溫度為61.06 K,熔化熱r為62.773×103J/kg,比定壓熱容為1.052 9×103J/(kg·K),熔化溫差約為2.09 K。液態氮比定壓熱容為2.13×103J/(kg·K),換熱溫差ΔTv約為14.51 K。在該過程中,作為冷媒的固體氮變為過冷液氮,不產生氣化,作為熱媒的風洞尾氣冷卻成過冷氮氣,進入氮氣液化流程。參與換熱的固態氮貢獻的冷量為

Q=m(r+ΔTmcps+ΔTvcpl)

(2)

式中:Q為固態氮提供的冷量,kJ;m為固態氮質量,kg;ΔTm為熔化溫差,2.09 K;cps為固態氮比定壓熱容,1.0529×103J/(kg·K);cpl為液態氮比定壓熱容,2.13×103J/(kg·K)。

由式(2)估算可得單位質量的固態氮提供的冷量為95.88 kJ。同樣以風洞設計點工況進行排氣量估算,排氣溫度為110 K,運行馬赫數為0.9,排氣總壓為4.5×105Pa,排氣流量為271.41 kg·s-1,排氣回收至飽和溫度的溫差為32.34 K,運行時間為2 h,需要的冷量為

(3)

由式(3)計算得所需最大冷量為73 675 383.9 kJ,需要制備的固態氮約為768 412 kg。

采用固態氮回收風洞排氣冷量,不會對原有風洞配套設施造成影響,且液氮回收利用率高。缺點是固態氮的制備和儲存工藝還不成熟,技術難度高,硬件投資額度較大。

4 結束語

低溫風洞排氣冷量的回收利用存在冷量巨大、短時輸出高、運行波動大等難點,其回收技術途徑還處在探索階段。通過對目前LNG冷量回收利用系統和固態氮蓄能技術的分析,低溫風洞冷量回收還應加強以下幾方面的研究:

(1)對低溫風洞運行流程和試驗時間進行詳細核算,確定冷量排放的峰值、日時均值和年排放總量,確定冷量回收的輸入參數;

(2)對風洞周邊潛在的用冷設備,特別是空分系統的用冷核算、固態氮制備和存儲工藝進行深入研究和優化;

(3)對回收方案的經濟性進行評估,特別是蓄能設備的投資規模和回報率。

通過以上分析可知,低溫風洞的冷量回收在技術上是可行的,在當今能源短缺和環境友好性可持續發展的要求下,冷量回收利用也是必要的。通過合理配置冷量回收裝置,充分利用周邊的用冷設備,可以實現低溫風洞排氣冷量的高效回收利用。

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(編輯 杜秀杰)

Cold Energy Recycle from Cryogenic Wind Tunnel Exhaust System

LAI Huan1,2,CHEN Zhenhua2,GAO Rong2,CHEN Wanhua2,LIU Xiufang1,HOU Yu1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang, Sichuan 621000, China)

To promote the usage of potential cold energy from exhaust system of cryogenic wind tunnel, realize scientific construction and energy saving, the status and methods of cold energy recycle are discussed. The operating processes and features of exhaust system in high Reynolds number testing are introduced and the cold energy from cryogenic wind tunnel exhaust system is calculated preliminarily. Based on the process analysis of oversea cold energy recycle schemes from cryogenic fluids gasification and the technical features of domestic cold energy recycle schemes, the recovery and efficient utilization of cold energy from liquid nitrogen spray cooling in cryogenic wind tunnel are studied. Considering the technology feasibility and economical efficiency, three expected cryogenic energy recycle schemes are provided, including a storage of the exhaust energy for civil air-conditioning, re-liquefying the gaseous nitrogen through an air separation process and using solid nitrogen as the cooling source. The advantages and disadvantages of the above-mentioned three approaches are analyzed. The first scheme has a low recycling rate because of the necessary additional cold-consuming equipment; the second scheme has an acceptable recycling rate and a good economical efficiency without additional investment; the third scheme has a good recycling rate but the further higher investment. Thus an appropriate recycle scheme and a reasonable wind tunnel testing process are important for cryogenic wind tunnel exhaust energy recycling.

cryogenic wind tunnel; liquid nitrogen; cold energy recycle

2016-01-24。 作者簡介:賴歡(1981—),男,碩士生;侯予(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51406160);中國博士后科學基金資助項目(2014M560773);中國科學院低溫工程學重點實驗室開放課題資助項目(CRYO201409);中央高校基本科研業務費資助項目(2012JDGZ03)。

時間:2016-03-11

10.7652/xjtuxb201606021

TB69

A

0253-987X(2016)06-0136-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160311.1715.004.html