天然氣熱泵排煙換熱器優(yōu)化及實(shí)驗

第26卷第5期天然氣工業(yè)加工利用與安全環(huán)促天然氣熱泵排煙換熱器優(yōu)化及實(shí)驗楊昭程珩張金亮(天津大學(xué)熱能研究所)楊昭等.天然氣熱泵排煙換熱器優(yōu)化及實(shí)驗.天然氣工業(yè),2006,26(5):133-136摘要燃氣機熱泵利用清潔的天然氣作為輸入能源帶動(dòng)壓縮機完成熱泵循環(huán),由于它可以回收燃氣機余熱,其一次能源利用率較高?；厥沼酂嵫b置主要包括缸套換熱器和排煙換熱器,其中排煙換熱器位于燃氣機末端,其結構對余熱回收和燃氣機的排氣壓損、空氣動(dòng)力性噪聲都有很大的影響。為此,對燃氣機熱泵排煙換熱器的換熱和壓損實(shí)驗結果進(jìn)行了分析,以校驗排煙換熱器的結構設計對換熱效果及排氣壓力的影響;還測量了排煙換熱器排氣的空氣動(dòng)力性噪聲,確定了消聲頻率;進(jìn)而提出了以平衡換熱、壓降及降噪三者關(guān)系為基礎的優(yōu)化設計厚主題詞天然氣燃氣機熱泵排煙換熱器優(yōu)化設計壓力損失噪音平衡換熱燃氣機熱泵是一個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統,它由天然氣煙換熱器的換熱特性進(jìn)行分析,并在實(shí)驗中對排煙發(fā)動(dòng)機正循環(huán)驅動(dòng)壓縮機進(jìn)行蒸氣壓縮式逆循環(huán),換熱器造成的排煙壓力損失和燃氣機排氣的空氣動(dòng)通過(guò)該循環(huán)把低溫位熱能輸送到高溫位實(shí)現冬季供力性噪聲進(jìn)行測量,在對實(shí)驗結果進(jìn)行分析的基礎熱、夏季供冷。燃氣熱泵是高效利用天然氣的采暖上提出了燃氣機熱泵排煙換熱器的優(yōu)化設計原則?？照{系統,其能量利用率、溫室氣體和污染物排放量遠低于其它各種供熱空調方式,具有環(huán)保、節能、運、排煙換熱器的理論分析行費用低口、可調節電力和燃氣的季節負荷不平衡1.排煙換熱器的余熱回收等優(yōu)點(diǎn),在目前全球性節能環(huán)保的形勢下,燃氣機熱天然氣發(fā)動(dòng)機的運行過(guò)程為天然氣在燃氣機氣泵有很大的市場(chǎng)潛力缸中的燃燒過(guò)程,釋放燃料的化學(xué)能造成氣缸內體燃氣機熱泵最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可回收發(fā)動(dòng)機余積的變化,推動(dòng)活塞運行輸出功。對該過(guò)程進(jìn)行能熱。在供熱模式下運行時(shí),可使供熱溫度進(jìn)一步提量平衡分析2,假設燃料的輸入能量為100%除約高,當要求的供熱溫度一定時(shí),客觀(guān)上可以降低熱泵3%轉化為機械功外,燃氣發(fā)動(dòng)機冷卻水和廢氣所冷凝溫度,使熱泵的制熱性能得到提高?；厥盏陌l(fā)帶熱量之和平均為50%左右,其余為輻射等無(wú)法利動(dòng)機余熱溫度比冷凝器出口溫度高得多,具有較高用的廢熱。若在排煙換熱器中廢氣出口溫度從200的利用價(jià)值,可以滿(mǎn)足一些特殊場(chǎng)合的需要,如供給℃再冷卻到60℃,廢氣熱將再回收6%。日用熱水、產(chǎn)生用于空調裝置增濕或供廚房洗滌使對于燃氣機,由于天然氣中大多數不含硫或只用的蒸氣等?？梢?jiàn)余熱回收系統是燃氣機熱泵最主含少數硫。因此它的燃燒廢氣溫度可以降到100~要的特點(diǎn),余熱回收裝置是燃氣機熱泵的必備部分,120℃,回收水蒸氣的冷凝熱可更大限度的提高廢主要包括發(fā)動(dòng)機氣缸套冷卻水余熱+回收和排煙余熱的利用率。熱回收兩部分。2.排煙換熱器的換熱模型排煙換熱器在燃氣機熱泵系統中起著(zhù)回收余發(fā)動(dòng)機的排煙具有不連續性,排煙換熱器內的熱消聲等多方面的作用,它的設計同時(shí)影響著(zhù)燃氣煙氣流動(dòng)為非定常流動(dòng)在換熱器內壓力波動(dòng)較大,機的排煙壓力損失。筆者在此首先對燃氣機熱泵排影響中國煤化熱過(guò)程隨之產(chǎn)生本成果受到國家自然基金資助項目(編號:50376048)、“211”二CNMHG項目(編號:X03140)教育部博土點(diǎn)基金(編號:20030056027)的聯(lián)合資助,并被列為天津市科技發(fā)展項目(編號:043112411)作者簡(jiǎn)介:楊昭,女,1960年生,教授。地址:(300072)天津市天津大學(xué)。電話(huà):1303222301, E-mail: zhaoyang@tu加工利月與安全環(huán)保天然氣工業(yè)2006年5月的背壓波動(dòng)還會(huì )影響到發(fā)動(dòng)機氣缸內的熱力過(guò)程1.排煙換熱器換熱效果分析據質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒定律,可以推如圖1表示了發(fā)動(dòng)機轉速和余熱回收的熱量關(guān)導出以下描寫(xiě)管內一維非定常流動(dòng)的方程式系,圖2表示了發(fā)動(dòng)機功率和回收熱量的關(guān)系連續方程:32+。+n2(1)發(fā)動(dòng)機氣缸套冷卻水換熱器動(dòng)量方程:a+(2)能量方程:E+[a(E蘭(T:-T)(3)排煙換熱器管壁的熱平衡方程Ac1(d02-d2)aTat ad (T-T)-aodoCT-Tw發(fā)動(dòng)機轉速(rmin)(4)式中;P表示煙氣密度t表示時(shí)間;x表示軸向坐標;圖1發(fā)動(dòng)機轉速和回收熱量的關(guān)系圖a表示煙氣流度;p表示煙氣壓力;d1表示管內徑,d表示為管外徑;A表示摩擦阻力系數;a,表示管內煙從圖1可見(jiàn),隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機轉速的提高,排煙換熱氣側傳熱系數;a。表示管外水側傳熱系數,T表示煙器回收的熱量和發(fā)動(dòng)機氣缸套冷卻水換熱器回收的氣溫度;T表示管壁溫度1和c分別表示傳熱管熱量都相應增加,其中冷卻水換熱器回收的熱量在的密度和比熱容;T表示水側平均溫度;E表示煙發(fā)動(dòng)機轉速小于240r/min時(shí),要明顯高于排煙換熱器回收的熱量;當發(fā)動(dòng)機轉速大于2400r/min以氣儲存能(E=x,T+pm2,.表示煙氣比熱容后,隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機排煙溫度的升高,排煙換熱器回收的3.排煙換熱器的設計原則熱量開(kāi)始明顯增多,而冷卻水換熱器的發(fā)動(dòng)機側由在排煙換熱器的優(yōu)化設計上,問(wèn)題主要集中在3于需要保持一定的回水溫度以保證發(fā)動(dòng)機的正常運個(gè)方面:①換熱效果不好,不能采用高效的換熱元行,回收的熱量隨發(fā)動(dòng)機轉速的變化改變不大件,甚至為了節約空間,犧牲換熱,造成能源上的浪圖2表示在同一轉速下隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機功率的升費;②排煙壓力損失過(guò)大,因為排煙壓降對燃氣發(fā)動(dòng)高,回收的熱量也相應增大,但是增加速度緩慢,這機排氣背壓的影響很大排氣系統壓力損失越大燃是由發(fā)動(dòng)機的負荷特性決定的,原因是同一轉速下氣機功率也消耗越大,同時(shí)也將造成排氣溫度的升功率變化時(shí)排煙溫度變化輻度不大。高及不完全燃燒的加劇,影響燃氣機性能;③噪聲控制效果不好,無(wú)法達到相應的降噪標準,造成對工作人員聽(tīng)覺(jué)的損傷和對環(huán)境的污染。發(fā)動(dòng)機氣缸套冷卻水換熱器當前排煙換熱器多是在排氣管上串接換熱器回收排氣余熱。其中,有的換熱器熱效率較低,傳熱性多蘭蘭回能較差,有的換熱器和消聲器串聯(lián)使用,增加了排氣排燜換熱器阻力,影響發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性;也有的用換熱器取代消聲器,盡管排氣阻力有所降低,但大大增大發(fā)動(dòng)機功率(kW了排氣噪聲?，F有的發(fā)動(dòng)機消聲換熱器也大多采用管殼式結構,排氣阻力較大,熱應力較大易導致煙氣圖2發(fā)動(dòng)機功率和回收熱量的關(guān)系圖(發(fā)動(dòng)機轉速n=1144r/min泄漏,降噪效果也不太明顯()可見(jiàn),如何平衡換熱、壓降、降噪三者的關(guān)系,是燃氣機熱泵排姻換熱器設計的一個(gè)基本原則。為Y中國爆化工做對度團算CNMH、實(shí)驗結果及分析出氣以熱回收率為0.33,排煙換熱器的平均廢熱回收率為0.20,總的平均廢本實(shí)驗臺中排煙換熱器采用臥體管殼式氣一水熱回收率可達0.53,可見(jiàn)余熱回收系統對整機性能換熱器,水在管程流動(dòng),煙氣在殼程流動(dòng)的提高非常明顯,換熱器的選型也比較合理?！つ搜輸祿?6卷第5期天然氣工業(yè)加工利用與安全環(huán)保2.排煙換熱器的壓損分析功率傳熱面積為0.06m2/kW,而且實(shí)驗中測量排氣回收發(fā)動(dòng)機排煙廢熱的換熱器安裝于發(fā)動(dòng)機排壓力的表壓值始終在2000Pa以?xún)?可見(jiàn)排煙換熱氣管路中,會(huì )引起發(fā)動(dòng)機排氣背壓的改變,從而影響器內的壓力損失對發(fā)動(dòng)機的正常排氣沒(méi)有造成明顯發(fā)動(dòng)機的性能。而且為了使尾氣排放達到國家標影響。另外,如若從節省材料、減小機組體積的角度準,需要在最后添加尾氣凈化處理裝置,也會(huì )造成發(fā)考慮,本實(shí)驗臺中的排煙換熱器單位功率傳熱面積動(dòng)機排氣的背壓損失。因此在設計排煙余熱回收系還可以減小,在0.02m2/kW左右時(shí)比較合適統時(shí)除了考慮其換熱性能外,壓力損失的控制亦是3.排煙換熱器噪聲分析一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。對于非增壓發(fā)動(dòng)機,該壓力損失值本次噪聲測量實(shí)驗主要針對該實(shí)驗臺的發(fā)動(dòng)機不應超過(guò)8000Pa;對于廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機,則該排氣噪聲,即設定噪聲源為發(fā)動(dòng)機出口空氣動(dòng)力性值不應超過(guò)3000Pa。噪聲。測量?jì)x器為AWA6270型噪聲頻譜分析儀,文獻[6]中作者提到在排煙換熱器中,假定傳熱依國標GB/T47591995測量條件如下:①在實(shí)驗管的結構參數不變,僅改變傳熱管數量,計算發(fā)動(dòng)機室中測量,內燃機符合國標GB1105.1規定的標定額定工況(節氣門(mén)全開(kāi),發(fā)動(dòng)機轉速5600r/min)運工況,其排氣系統接近實(shí)際使用情況;②對背景噪音行時(shí)不同傳熱管數下?lián)Q熱器煙氣側的阻力損失、出進(jìn)行測量,與測量聲壓之差大于10dB,無(wú)需對結果口煙氣溫度和發(fā)動(dòng)機性能,發(fā)現當單位功率傳熱面進(jìn)行修正;③測點(diǎn)風(fēng)速超過(guò)2m/s使用儀器自配防積(定義為以外表面為基準的總傳熱面積與發(fā)動(dòng)機風(fēng)罩;④測點(diǎn)位置要求在與排氣口軸向成45°方向額定功率之比)低于0.03m2/kW時(shí)才對阻力損失上,距離500mm處,距地面高度大于1m,距其他反有較大影響,低于0.015m2/kW時(shí)才對排煙溫度和射面的距離大于兩倍測距。測量時(shí),測點(diǎn)和排氣口發(fā)動(dòng)機性能有較大影響,如圖3所示。相對位置保持不變。進(jìn)行了多次測量,選取兩次測量繪圖如下(圖5、發(fā)動(dòng)機功率6)---發(fā)動(dòng)機效率…-阻力損失排煙溫度850(0000200300400500,0.07單位功率傳熱面積(mkW)圖3傳熱面積的影響圖頻率(H)圖5噪聲頻譜圖1實(shí)驗中發(fā)現隨著(zhù)排氣壓力的升高,發(fā)動(dòng)機性能明顯惡化。如圖4所示,排氣壓力損失的變化對發(fā)動(dòng)機性能影響很大。參考文獻[6]的定義計算,在沒(méi)有添加尾氣排放凈化裝置情況下,本實(shí)驗臺的單位多蘭冊司爾6睡密麵褸聞2M凵中國煤化工CNMHG排氣噪聲的頻譜特性中,只在某幾個(gè)頻帶處的聲壓級較高,它們是總聲煙換熱器壓力損失( miLO壓級高低與否的決定因素,其他頻帶上聲壓級較低圖4壓力損失對發(fā)動(dòng)機性能的影響圖并不需要大的消聲量。這樣,根據噪聲標準和實(shí)際135·加工利用與安全環(huán)保天然氣工業(yè)2006年5月需要可得到各個(gè)頻帶上所需的消聲量,讓消聲器的小及降噪性能好的要求,在滿(mǎn)足各自的條件下以平實(shí)際消聲量在各個(gè)頻帶逼近目標消聲量,便可在聲衡換熱、壓降及降噪三者的關(guān)系為基本原則壓級高的頻帶上保證足夠大的消聲量考文對實(shí)驗結果分析發(fā)現本實(shí)驗臺的噪音具有寬頻帶特征,低頻聲壓級低,中頻高,高頻較高,從250~[1]楊昭張世鋼,劉斌等燃氣機熱泵及其它供熱空調系統500Hz的聲級普便偏高,峰值點(diǎn)出現在315Hz、的能源利用分析評價(jià)[J.太陽(yáng)能學(xué)報,2001,22(2):171400Hz、2500Hz這3個(gè)點(diǎn),均超過(guò)國標工業(yè)地區允175許噪聲級的最大值因此集中對這些頻率消聲將是[21赫貝特,尤特曼熱泵(第三卷)燃氣機和柴油機熱泵在以后消聲換熱器設計的重點(diǎn)。此外,在聲壓級低的建筑物中的應用[M].耿惠彬,譯.北京:機械工業(yè)出版社,1989頻帶處減小消聲量,可使壓力損失減小,在最優(yōu)化三[3] W J D ANNAD, T H MA Instantaneous heat transfer者關(guān)系時(shí)需要考慮把這點(diǎn)考慮進(jìn)去。rates to the cylinder heat surfaces of a small compression三、結論ignition Engine[j]. PIME, 1971, 185: 976.[4]楊昭,張世鋼,程珩,等.天然氣發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的水—水熱(1)發(fā)動(dòng)機余熱回收是燃氣機熱泵的突出優(yōu)點(diǎn)泵的試驗研究[.制冷學(xué)報,200324(1):9-12.能回收一次能源釋放的50%左右的能量。因此要加[5]陸耀祖,田維鐸內燃機構造與原理[M]北京:中國建筑強余熱的回收力度,增強傳熱,盡可能回收這部分廢工業(yè)出版社,1986[6】張世鋼燃氣機熱泵仿真與優(yōu)化匹配研究[D]天津:天(2)本實(shí)驗臺中排煙換熱器選型使總的平均廢津大學(xué),2004熱回收率達到0.53,對整機性能的提高非常明顯;而[7中華人民共和國國家標準GB/T47591995.北京:中國標準出版社,1995且排氣壓力表壓值始終在2000Pa以?xún)?其內部的[8]中華人民共和國國家標準GB3100-3102[S].北京:中國壓力損失對發(fā)動(dòng)機的正常排氣未造成明顯影響。標準出版社,1994-11-01(3)以消聲頻率為基礎,采用消聲換熱器來(lái)替代余余熱回收換熱器可有效消除噪聲源(修改回稿日期200603-29編輯居維清)(4)排煙換熱器的設計要滿(mǎn)足換熱效果好、壓降中石化在澳大利亞開(kāi)采陸上油氣2006年5月,澳大利亞當地石油天然氣生產(chǎn)商 Lakesoil公司( LKO ASX,下稱(chēng)“LKO”)發(fā)布消息稱(chēng),與中石化集團的一家下屬子公司簽訂諒解備忘錄,就合作開(kāi)發(fā)當地的一處石油天然氣項目進(jìn)行探討。據了解此次簽約的中方代表是中石化股份華東分公司,該公司長(cháng)期從事油氣勘探開(kāi)發(fā)包括蘇北盆地油流井、真武油田以及劉莊氣田等。近年來(lái),其海外擴張戰略正在實(shí)施。2005年,其承擔了加蓬G4-188區塊項目管理工作、哈薩克斯坦FIOC區塊及印尼Bini區塊的勘探評價(jià)研究等。LKO公司為澳大利亞當地的一家新興油氣勘探開(kāi)發(fā)商。其在2006年1月于澳大利亞維多利亞省的 Loy Yang A電站附近發(fā)現了天然氣井。雙方的諒解備忘錄中提到在一系列技術(shù)問(wèn)題解決后雙方就該地區的陸上天然氣合作展開(kāi)商務(wù)談判,同時(shí),LKO公司與中石化股份華東分公司所簽訂的協(xié)議無(wú)任何束縛力,只是為加強進(jìn)一步合作而制定。雙方也將在高層互訪(fǎng)后,就天然氣的商品化問(wèn)題進(jìn)行商討。中國煤化工摘自第一財經(jīng)日報CNMHG荔數據