換熱器及吸收式熱泵應(yīng)用于低品位余熱回收過程的比較分析

(1.武漢鋼鐵有限公司熱軋廠，武漢 430080；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201999;3.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

鋼鐵行業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的低品位余熱資源，低品位余熱資源的回收方式多種多樣[1-3]。很多學(xué)者從科學(xué)原理出發(fā)，闡述熱力系統(tǒng)中能的梯級利用與品位的概念，倡導(dǎo)總能系統(tǒng)，提出了能源利用必須“分配得當(dāng)、各得其所、溫度對口”才能達(dá)到最有效利用的目的[4-8]。在鋼鐵企業(yè)各種低品位余熱資源回收方法中，換熱器和吸收式熱泵是兩種主要的余熱回收設(shè)備，兩種回收設(shè)備均可以達(dá)到余熱回收的目的，但其在回收效率及熱經(jīng)濟(jì)成本等方面是不同的[9-10]。

本文針對換熱器及吸收式熱泵在低品位余熱回收過程中的熱力學(xué)特性及熱經(jīng)濟(jì)學(xué)特性開展研究工作，對兩種余熱回收裝置的效果等進(jìn)行了比較分析，為低品位余熱回收工作的高效低成本運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 換熱器研究分析

1.1 換熱器原理

換熱器是余熱資源“回用”的常用裝置，而目前針對低品位余熱資源通常選用熱管換熱器。熱管換熱器的原理主要是熱管內(nèi)部蒸發(fā)段的液態(tài)工質(zhì)吸收熱管外部煙氣的熱量，相變成氣態(tài)，并流向冷凝段；熱工質(zhì)在冷凝段與外部冷卻工質(zhì)進(jìn)行換熱，相變成液態(tài)，再流回蒸發(fā)段，繼續(xù)循環(huán)吸熱。

圖1 熱管換熱器能量流動(dòng)圖

Qhi-Qho=ε(Qco-Qci)

(1)

式中，ε為熱損失率。

從圖1中可以看出，熱管換熱器的能量平衡方程為：

Qhi+Qci=Qho+Qco+Ql

(2)

Ehi+Eci=Eho+Eco+El(3)

(4)

(5)

1.2 熱力學(xué)分析

本文根據(jù)國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀況，選用熱流體為低溫?zé)煔?，冷流體為高爐煤氣來進(jìn)行分析。冷熱流體參數(shù)為：煙氣入口溫度150 ℃，煙氣出口溫度100 ℃，煙氣流量3 600 Nm3/h，高爐煤氣進(jìn)口溫度40 ℃，高爐煤氣出口溫度86.5 ℃，高爐煤氣流量3 600 Nm3/h。

表1 熱管換熱器熱平衡表

表2 熱管換熱平衡表

圖2 熱管換熱器熱效率、效率隨煙氣入口溫度變化曲線圖

2 吸收式熱泵研究分析

2.1 吸收式熱泵原理與數(shù)學(xué)模型

低品位余熱回收熱泵系統(tǒng)流程圖如圖3所示。本文利用Aspen Plus軟件對氨吸收式熱泵進(jìn)行模擬。圖4為氨吸收式熱泵原理圖。

圖3 低溫?zé)嵩从酂峄厥諢岜孟到y(tǒng)流程圖

工質(zhì)對在發(fā)生器中從高溫?zé)嵩传@得能量，在蒸發(fā)器中從低溫?zé)嵩传@得能量，在吸收器和冷凝器中向外界釋放能量。忽略其他熱損失，可以得到熱平衡關(guān)系式：

Qo+Qg+Wp=Qa+Qk

(6)

式中，Qo為蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，kJ/h；Qg為發(fā)生器的熱負(fù)荷，kJ/h；Qa為吸收器的熱負(fù)荷，kJ/h；Qk為冷凝器的熱負(fù)荷，kJ/h；Wp為溶液泵做功，kJ/h。

B1-發(fā)生器；B2-冷凝器；B3,B9-節(jié)流器；B4-蒸發(fā)器；B5，B6-吸收器；B8-熱交換器；B7-泵圖4 吸收式熱泵原理圖

圖5 吸收式熱泵系統(tǒng)能量流動(dòng)圖

(7)

(8)

2.2 熱力學(xué)分析

表3 吸收式熱泵熱平衡表

表4 吸收式熱泵平衡表

表4 吸收式熱泵平衡表

收入項(xiàng)支出項(xiàng)項(xiàng)目數(shù)值/kJ·h-1百分比項(xiàng)目數(shù)值/kJ·h-1百分比煙氣帶入123863.0099.28%煙氣帶出40290.2332.29%冷水帶入143.280.12%熱水帶出16226.6413.01%泵功率750.120.60%損失68239.5354.70%合計(jì)124756.40100.00%合計(jì)124756.40100.00%

圖6 吸收式熱泵系統(tǒng)熱效率隨溫度變化曲線

3 低品位余熱利用方法分析比較

從圖7中可以看出，兩種利用方式的熱效率均隨熱源溫度的升高而升高。不過，換熱器和吸收式熱泵的熱效率相對較高，如僅以熱效率作為評價(jià)指標(biāo)，應(yīng)先選用換熱器作為余熱回收利用方式。

圖7 四種利用方式熱效率隨熱源溫度變化曲線圖

圖8 四種利用方式效率隨熱源溫度變化曲線圖

4 結(jié)束語