低品質(zhì)余熱蒸發(fā)霧滴冷卻空氣壓縮方法

賈冠偉，許未晴，鄭海務(wù)，石 巖，蔡茂林

(1.河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南開(kāi)封 475004； 2.北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；3.氣動(dòng)熱力儲(chǔ)能與供能北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

引言

全球電能的62.8%來(lái)自于化石燃料(煤炭、石油和天然氣)的燃燒，產(chǎn)生的二氧化碳逐年增加，2019年高達(dá)341.7億噸[1]，導(dǎo)致全球氣候變暖。我國(guó)單位GDP的碳排放量是發(fā)達(dá)國(guó)家的3.6倍。我國(guó)若通過(guò)節(jié)能達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平，可減少碳排放71.2億噸[2]。

因此，通過(guò)節(jié)能來(lái)減小碳排放的潛力巨大。

工業(yè)余熱主要集中于能源密集型行業(yè)，如火電、冶煉、水泥行業(yè)等，量大且利用率低或直接排放；尤其是230 ℃的以下低品質(zhì)余熱[3]占比大，約占余熱總量的66%，且回收利用難度大[4]。工業(yè)余熱回收具有巨大潛力。FANG等[5]利用兩種或多種低品級(jí)熱源為遠(yuǎn)離熱源地區(qū)供暖系統(tǒng)，工廠熱效率提高到50%，其僅提供了供暖熱水，未對(duì)整個(gè)工廠的生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生節(jié)能效果。壓縮空氣廣泛且大量應(yīng)用于能源密集型行業(yè)[6]，全國(guó)空壓機(jī)用電量占全國(guó)總用電的9%，實(shí)際生產(chǎn)中，空壓機(jī)能耗占工廠總能耗的5%～50%[7]，但約50%的電能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s熱而散失。因此，提高空壓機(jī)的壓縮效率成為空氣壓縮領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。

由于無(wú)壓縮熱的產(chǎn)生，等溫壓縮是最節(jié)能的氣體壓縮方式[8]。由于有較大的比熱容和比表面積特性，水霧冷卻近等溫壓縮是空氣壓縮節(jié)能的一種有效途徑[9]。許未晴等[10]通過(guò)使用10～100 μm直徑的霧滴冷卻壓縮空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，壓縮效率上升至88.7%。然而，霧滴冷卻等溫壓縮的關(guān)鍵技術(shù)之一是微米級(jí)霧滴的發(fā)生技術(shù)，其缺點(diǎn)是要增加一套霧滴發(fā)生裝置，不僅增加了投資成本，而且也要消耗能量。蒸發(fā)冷凝產(chǎn)生霧滴廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域中，形成的霧滴粒徑達(dá)毫米級(jí)不利于熱傳遞[11]。超疏水表面微納米結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了蒸氣冷凝的傳熱[12]，還促使蒸氣冷凝形成微米級(jí)霧滴[13]。TANG等[14]通過(guò)排列緊密的ZnO納米針狀結(jié)構(gòu)陣列產(chǎn)生超疏水表面，其特征間距60 nm、頂徑20 nm、端徑98 nm、高度2.85 μm，霧滴合并時(shí)的能量能驅(qū)動(dòng)霧滴跳動(dòng)而離開(kāi)壁面，產(chǎn)生霧滴有80%的霧滴直徑小于10 μm。通過(guò)超疏水表面微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)化和調(diào)控蒸氣冷凝的傳熱分析以及調(diào)整蒸氣壓力，為微米級(jí)霧滴的產(chǎn)生提供了一種有效節(jié)能的實(shí)現(xiàn)方式。

綜上，如圖1所示，結(jié)合工業(yè)低溫余熱量大且回收利用率低以及壓縮空氣能耗高的缺點(diǎn)，以工業(yè)低品質(zhì)熱源產(chǎn)生霧滴為出發(fā)點(diǎn)，在壓縮時(shí)向壓縮腔噴入微米級(jí)霧滴，霧滴與空氣充分混合，吸收壓縮空氣產(chǎn)生的壓縮熱，實(shí)現(xiàn)近等溫壓縮。通過(guò)余熱回收能夠提高能源效率，可以降低企業(yè)生產(chǎn)壓縮空氣成本，減少二氧化碳排放。

本研究利用低品質(zhì)余熱加熱水而產(chǎn)生定壓飽和水蒸氣，建立水蒸氣冷卻凝結(jié)模型、霧滴冷卻壓縮模型，分析了風(fēng)扇功率、高壓產(chǎn)生霧滴功率以及不同壓縮體積比下的壓縮總功率及壓縮節(jié)能效率。對(duì)比高壓產(chǎn)生霧滴和蒸氣產(chǎn)生霧滴的功率，達(dá)到降低壓縮能耗和提高壓縮效率目的。

圖1 低品質(zhì)余熱與壓縮空氣能耗

1 工作原理

低品質(zhì)余熱蒸發(fā)霧滴冷卻空氣壓縮方法，采用低品質(zhì)余熱對(duì)具有液氣相變的傳熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，蒸發(fā)冷凝成霧滴并與空氣混合，在空壓機(jī)中進(jìn)行壓縮，如圖2所示。定壓飽和水蒸氣在絕熱層保護(hù)下在輸送管道中進(jìn)行輸送，進(jìn)入進(jìn)氣口前在冷卻凝結(jié)裝置中冷卻凝結(jié)成霧滴，霧滴溫度降低并接近室溫；具有大比熱容和大比表面特點(diǎn)的霧滴與壓縮空氣接觸，進(jìn)行充分的熱交換，在空氣壓縮時(shí)進(jìn)行吸熱，減緩壓縮空氣溫升；壓縮空氣與霧滴經(jīng)氣液分離裝置后，液體介質(zhì)循環(huán)利用，壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，以此達(dá)到降低壓縮空氣能耗和提高壓縮效率的目的。

圖2 低品質(zhì)余熱蒸發(fā)霧滴冷卻空氣壓縮方法

系統(tǒng)工作的流程如下：

(1) 蒸發(fā)過(guò)程，利用低品質(zhì)余熱加熱水持續(xù)產(chǎn)生定壓飽和水蒸氣；

(2) 水蒸氣凝結(jié)霧滴過(guò)程，風(fēng)扇將標(biāo)況溫度的空氣吹向冷卻凝結(jié)裝置進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，帶走水蒸氣釋放出的潛熱與顯熱，凝結(jié)成霧滴；

(3) 霧滴冷卻壓縮過(guò)程，標(biāo)況溫度霧滴與空氣進(jìn)入空壓機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮過(guò)程中，空壓機(jī)對(duì)空氣做功，空氣熱力學(xué)能增加，溫度升高，霧滴吸收熱量，空氣壓縮過(guò)程向等溫壓縮逼近，壓縮功耗減少；

(4) 氣霧分離過(guò)程，達(dá)到壓縮要求的空氣和霧滴混合物，經(jīng)氣液分離器，壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐；霧滴進(jìn)入儲(chǔ)液罐中進(jìn)行吸熱蒸發(fā)循環(huán)使用。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 蒸氣冷卻凝結(jié)模型

利用低品質(zhì)熱源加熱水持續(xù)產(chǎn)生定壓飽和水蒸氣，經(jīng)傳輸運(yùn)送至冷卻凝結(jié)裝置，其與水蒸氣接觸表面采用超疏水納米結(jié)構(gòu)使凝結(jié)的霧滴自動(dòng)下落[14]。因此，水蒸氣凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

(1)

式中，g—— 標(biāo)準(zhǔn)重力加速度

ρ—— 水的密度

λ—— 導(dǎo)熱系數(shù)

r—— 水蒸氣的氣化潛熱

μ—— 水的動(dòng)力黏度

ts—— 飽和蒸氣溫度

tw—— 壁溫

l—— 冷卻壁面長(zhǎng)度

雷諾數(shù)：

(2)

式中，hs為水蒸氣凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2·K-1。

根據(jù)牛頓冷卻公式，蒸氣凝結(jié)釋放的熱量的功率為：

ωv=hsA(ts-tw)

(3)

式中，A為散熱面積。

蒸氣凝結(jié)質(zhì)量流量：

(4)

式中，Qv為蒸氣凝結(jié)質(zhì)量流量。

2.2 風(fēng)扇功率和高壓產(chǎn)生霧滴功率

水蒸氣冷凝成霧滴并且溫度降至標(biāo)況溫度，因此，熱量通過(guò)壁面?zhèn)鬟f出來(lái)，大氣經(jīng)風(fēng)扇垂直吹過(guò)冷卻凝結(jié)裝置進(jìn)行強(qiáng)制散熱，其風(fēng)扇出口溫度：

(5)

式中，Ti—— 標(biāo)況大氣溫度

qfan—— 標(biāo)況風(fēng)扇流量

Cpa—— 標(biāo)況下大氣的定壓比熱容

Afan—— 風(fēng)扇面積

冷卻凝結(jié)裝置作為微米級(jí)霧滴產(chǎn)生裝置，其作用是進(jìn)行充分的熱交換，熱量傳遞的過(guò)程從水蒸氣、壁面至大氣。由于水蒸氣與大氣通過(guò)風(fēng)扇不混合交叉換熱，冷卻凝結(jié)裝置的換熱能效ε介于0%～100%之間[15]。為利于計(jì)算分析，本研究的能效ε取60%與100%，因此，產(chǎn)生霧滴的能量為風(fēng)扇的功率：

(6)

式中，pfan—— 風(fēng)壓

ε—— 換熱能效

水經(jīng)過(guò)高壓水泵射出的水柱與空氣碰撞摩擦破碎成水霧，因此，產(chǎn)生高壓水霧功率：

wspray=psprayqsprayAspray

(7)

式中，pspray—— 水霧噴射壓力

qspray—— 水霧流量

Aspray—— 噴嘴出口面積

2.3 水霧冷卻壓縮空氣模型[16]

空氣壓縮過(guò)程中，壓力的變化滿足：

(8)

式中，p—— 壓縮空氣壓力

V—— 壓縮空氣體積

Tca—— 壓縮空氣溫度

由于外力通過(guò)活塞對(duì)空氣和霧滴混合物做功，壓縮過(guò)程中的空氣溫度變化滿足：

(9)

其中，Td—— 霧滴溫度

hcv—— 霧滴與壓縮空氣換熱系數(shù)

Sd—— 霧滴的換熱面積

ma—— 壓縮空氣質(zhì)量

壓縮空氣傳遞給霧滴的熱量，導(dǎo)致霧滴的溫度升高：

(10)

式中，md—— 霧滴質(zhì)量

Cpd—— 霧滴定壓比熱容

2.4 壓縮總功率及壓縮節(jié)能效率

空氣在壓縮過(guò)程中，外力通過(guò)活塞對(duì)壓縮腔內(nèi)空氣做功，不考慮霧滴的體積影響，其壓縮功率為：

(11)

式中，n—— 多變指數(shù)

p0—— 標(biāo)況下空氣的初始?jí)毫?/p>

對(duì)于等溫壓縮，壓縮空氣溫度與初始溫度不變，其等溫壓縮功率：

(12)

式中，V0為標(biāo)況下空氣的初始體積。

對(duì)于絕熱壓縮，壓縮空氣溫度急劇上升，其絕熱壓縮功率：

(13)

式中，κ為絕熱指數(shù)。

壓縮節(jié)能效率：

(14)

式中，wadia—— 絕熱壓縮功率

wt—— 實(shí)際壓縮功率

wx——wiso，wspray，wv中的一種

wiso—— 等溫壓縮功率

wspray—— 高壓霧滴壓縮功率

wv—— 蒸氣冷凝霧滴壓縮功率

3 結(jié)果分析

低品質(zhì)熱源持續(xù)供應(yīng)的飽和水蒸氣為100 ℃，其飽和壓力1.014 MPa。標(biāo)準(zhǔn)工況下(0.1 MPa，293.15 K)，空氣的體積流量為1 m3/min，以壓縮空氣出口溫度為323.15 K (50 ℃)，具體仿真參數(shù)如表1所示。

3.1 壓力

如圖3所示，在壓縮體積比Π為2～6的條件下，蒸氣凝結(jié)霧滴壓縮空氣壓力介于等溫壓縮空氣壓力和絕熱空氣壓力之間，并接近于等溫壓縮空氣的壓力。在壓縮體積比為6的條件下，蒸氣凝結(jié)霧滴壓縮空氣的壓力為0.671 MPa，介于0.608 MPa (等溫)和1.245 MPa之間 (絕熱)，與等溫壓縮壓力相差0.063 MPa。

表1 仿真參數(shù)

圖3 壓力對(duì)比

3.2 溫度

如圖4所示，設(shè)定壓縮空氣出口溫度為323.15 K(50 ℃)，在壓縮體積比2～6的條件下，蒸氣凝結(jié)霧滴壓縮空氣的溫度為323.15 K (50 ℃)，介于等溫293.15 K (20 ℃)和絕熱之間。相對(duì)于絕熱壓縮，不同壓縮體積比下，蒸氣凝結(jié)霧滴空氣壓縮方式能夠根據(jù)需求設(shè)定壓縮空氣出口的溫度，并降低壓縮空氣的溫度。

圖4 壓縮空氣溫度對(duì)比

由于低品質(zhì)余熱持續(xù)供應(yīng)的飽和水蒸氣為373.15 K (100 ℃)，冷卻凝結(jié)后形成霧滴的溫度為293.15 K (20 ℃)，其冷卻凝結(jié)釋放的熱量通過(guò)壁面?zhèn)鬟f出來(lái)，大氣經(jīng)風(fēng)扇垂直吹過(guò)冷卻凝結(jié)裝置進(jìn)行強(qiáng)制散熱，其風(fēng)扇進(jìn)口溫度為293.15 K (20 ℃)，出口溫度353.15 K (80 ℃)。

3.3 水蒸氣傳熱功率、凝結(jié)流量

水蒸氣在與標(biāo)況溫度壁面凝結(jié)的過(guò)程中，需要將水蒸氣的潛熱和凝結(jié)后水霧的顯熱釋放出來(lái)，以產(chǎn)生達(dá)到標(biāo)況溫度的霧滴。如圖5所示，隨著壓縮體積比的增加，其對(duì)應(yīng)的傳熱量也在逐漸增加。在壓縮體積比為6時(shí)，其釋放的傳熱功率為41932.84 W，產(chǎn)生了直徑10 μm的霧滴。

圖5 水蒸氣傳熱功率對(duì)比

在壓縮體積比為2～6的條件下，為維持壓縮空氣出口溫度在323.15 ℃ (50 ℃)，所需水蒸氣的凝結(jié)流量是逐漸增加的。壓縮體積比從2增加到6時(shí)，水蒸氣的凝結(jié)流量從4.40 g·s-1增加到18.58 g·s-1，如圖6所示。

圖6 水蒸氣凝結(jié)流量對(duì)比

3.4 功率

水蒸氣釋放潛熱和顯熱凝結(jié)成霧滴需要消耗一定的能量。風(fēng)扇需要能量將環(huán)境中的大氣平行的吹過(guò)冷卻凝結(jié)裝置散熱面，將水蒸氣釋放的熱量散去。作為散熱器的冷卻凝結(jié)裝置，其換熱能效ε介于0%～100%之間。為利于計(jì)算分析，本研究的冷卻凝結(jié)裝置能效ε取60%與100%。同時(shí)，高壓水泵需要能量將水加壓噴射產(chǎn)生微米級(jí)霧滴。在壓縮空氣出口溫度323.15 K的條件下，判斷蒸氣凝結(jié)產(chǎn)生霧滴與高壓產(chǎn)生霧滴是否節(jié)省功率的依據(jù)是冷卻凝結(jié)裝置的換熱效能ε。如圖7所示，產(chǎn)生高壓霧滴功率介于冷卻凝結(jié)裝置能效ε為60%與100%之間產(chǎn)生的水蒸氣凝結(jié)霧滴功率。冷卻凝結(jié)裝置能效ε為60%，產(chǎn)生的水蒸氣凝結(jié)霧滴功率高于產(chǎn)生高壓霧滴功率，不能達(dá)到節(jié)能的效果；冷卻凝結(jié)裝置能效ε為100%，產(chǎn)生的水蒸氣凝結(jié)霧滴功率低于產(chǎn)生高壓霧滴功率，能達(dá)到節(jié)能的效果。如，在壓縮體積比為6時(shí)，產(chǎn)生高壓水霧的功率186.13 W，介于水蒸氣凝結(jié)霧滴的功率138.12 W(ε=100%)和230.19 W(ε= 60%)。

圖7 產(chǎn)生霧滴功率對(duì)比

根據(jù)式(12)、式(13)計(jì)算出壓縮體積比為2～6的絕熱壓縮總功率和等溫壓縮總功率，壓縮總功率隨著壓縮體積比的增加而增加。水蒸氣凝結(jié)霧滴混合空氣進(jìn)行的壓縮功率介于兩者之間，并接近于等溫壓縮總功率，如圖8所示。如在壓縮體積比為6時(shí)，其水蒸氣凝結(jié)霧滴混合空氣的壓縮功率3354.50 W介于絕熱壓縮功率6192.40 W和等溫壓縮功率3025.83 W之間，與等溫壓縮功率相差328.67 W。

圖8 壓縮總功率對(duì)比

在整個(gè)空氣壓縮系統(tǒng)中，壓縮系統(tǒng)功率的減少有兩個(gè)來(lái)源：一種來(lái)源是產(chǎn)生霧滴的功率，另一種來(lái)源是壓縮空氣過(guò)程中壓縮總功，壓縮空氣溫度變化引起壓縮功率的變化。產(chǎn)生高壓水霧的功率和水蒸氣凝結(jié)霧滴的功率占?jí)嚎s總功率的比重i，如圖9所示。產(chǎn)生高壓霧滴功率占?jí)嚎s總功率的比重介于冷卻凝結(jié)裝置能效ε為60%與100%之間產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)霧滴占?jí)嚎s總功率的比重。如，在壓縮體積比為6時(shí)，產(chǎn)生高壓水霧的功率占?jí)嚎s總功率的5.55%，介于水蒸氣凝結(jié)霧滴的功率4.12%(ε=100%)和6.86%(ε=60%)。

圖9 占?jí)嚎s功率的比例對(duì)比

3.5 壓縮節(jié)能效率

根據(jù)式(15)計(jì)算出壓縮體積比為2～6的不同方式下產(chǎn)生霧滴的節(jié)能效率，如圖10所示。高壓水霧冷卻壓縮節(jié)能效率和水蒸氣凝結(jié)霧滴壓縮節(jié)能效率均低于等溫壓縮節(jié)能效率；水蒸氣凝結(jié)霧滴的壓縮節(jié)能效率(ε=100%)更接近于等溫壓縮節(jié)能效率；水蒸氣凝結(jié)霧滴的壓縮節(jié)能效率(ε=60%)低于高壓霧滴冷卻的節(jié)能效率。在壓縮體積比為6時(shí)，高壓水霧的壓縮節(jié)能效率42.82%，介于水蒸氣凝結(jié)霧滴的壓縮節(jié)能效率42.11%(ε=60%)和43.60%(ε=100%)，但低于等溫節(jié)能效率51.14%，原因是設(shè)定了壓縮空氣的出口溫度323.15 K。

圖10 壓縮節(jié)能效率對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)低品質(zhì)余熱量大且利用率低、直接排放以及空壓機(jī)能耗高的問(wèn)題，利用低品質(zhì)余熱量熱源產(chǎn)生定壓飽和水蒸氣，經(jīng)冷卻凝結(jié)裝置的超疏水表面微納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生微米級(jí)霧滴，壓縮空氣與微米級(jí)霧滴混合，吸收壓縮熱，減小壓縮空氣溫升，實(shí)現(xiàn)近等溫壓縮。得到如下結(jié)論：

(1) 利用低品質(zhì)余熱熱源產(chǎn)生水蒸氣進(jìn)而凝結(jié)產(chǎn)生微米級(jí)霧滴，建立水蒸氣冷卻凝結(jié)模型、霧滴冷卻壓縮模型，分析了風(fēng)扇功率和高壓霧滴功率以及不同壓縮體積比下的壓縮總功率，使壓縮空氣的狀態(tài)參數(shù)(壓力、溫度、壓縮總功率)都接近等溫壓縮；

(2) 對(duì)比高壓產(chǎn)生霧滴的功率，水蒸氣凝結(jié)產(chǎn)生霧滴的功率大小取決于冷卻凝結(jié)裝置的能效，產(chǎn)生高壓霧滴功率占?jí)嚎s總功率的比重，介于冷卻凝結(jié)裝置能效ε為60%與100%之間產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)霧滴占?jí)嚎s總功的比重；

(3) 高壓霧滴冷卻壓縮節(jié)能效率和水蒸氣凝結(jié)霧滴壓縮節(jié)能效率均低于等溫壓縮節(jié)能效率，水蒸氣凝結(jié)霧滴的壓縮節(jié)能效率(ε=100%)更接近與等溫壓縮節(jié)能效率；

(4) 對(duì)比高壓霧滴產(chǎn)生方式的功率，蒸發(fā)冷卻凝結(jié)霧滴為低品質(zhì)余熱的利用提供了依據(jù)和一種有效途徑。