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(yàn)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(yàn).天然氣工業(yè),2006,26(5):133-136摘要燃?xì)鈾C(jī)熱泵利用清潔的天然氣作為輸入能源帶動(dòng)壓縮機(jī)完成熱泵循環(huán),由于它可以回收燃?xì)鈾C(jī)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?xì)鈾C(jī)末端,其結(jié)構(gòu)對(duì)余熱回收和燃?xì)鈾C(jī)的排氣壓損、空氣動(dòng)力性噪聲都有很大的影響。為此,對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵排煙換熱器的換熱和壓損實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,以校驗(yàn)排煙換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)換熱效果及排氣壓力的影響;還測(cè)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(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)厚主題詞天然氣燃?xì)鈾C(jī)熱泵排煙換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)壓力損失噪音平衡換熱燃?xì)鈾C(jī)熱泵是一個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng),它由天然氣煙換熱器的換熱特性進(jìn)行分析,并在實(shí)驗(yàn)中對(duì)排煙發(fā)動(dòng)機(jī)正循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)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?xì)鈾C(jī)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(xiàn)冬季供力性噪聲進(jìn)行測(cè)量,在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)熱、夏季供冷。燃?xì)鉄岜檬歉咝Ю锰烊粴獾牟膳咸岢隽巳細(xì)鈾C(jī)熱泵排煙換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則?？照{(diào)系統(tǒng),其能量利用率、溫室氣體和污染物排放量遠(yuǎn)低于其它各種供熱空調(diào)方式,具有環(huán)保、節(jié)能、運(yùn)、排煙換熱器的理論分析行費(fèi)用低口、可調(diào)節(jié)電力和燃?xì)獾募竟?jié)負(fù)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(jié)能環(huán)保的形勢(shì)下,燃?xì)鈾C(jī)熱天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程為天然氣在燃?xì)鈾C(jī)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(nèi)體燃?xì)鈾C(jī)熱泵最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可回收發(fā)動(dòng)機(jī)余積的變化,推動(dòng)活塞運(yùn)行輸出功。對(duì)該過(guò)程進(jìn)行能熱。在供熱模式下運(yùn)行時(shí),可使供熱溫度進(jìn)一步提量平衡分析2,假設(shè)燃料的輸入能量為100%除約高,當(dāng)要求的供熱溫度一定時(shí),客觀上可以降低熱泵3%轉(zhuǎn)化為機(jī)械功外,燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(diào)裝置增濕或供廚房洗滌使對(duì)于燃?xì)鈾C(jī),由于天然氣中大多數(shù)不含硫或只用的蒸氣等?？梢?jiàn)余熱回收系統(tǒng)是燃?xì)鈾C(jī)熱泵最主含少數(shù)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?xì)鈾C(jī)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(jī)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?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)中起著回收余發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙具有不連續(xù)性,排煙換熱器內(nèi)的熱消聲等多方面的作用,它的設(shè)計(jì)同時(shí)影響著燃?xì)鉄煔饬鲃?dòng)為非定常流動(dòng)在換熱器內(nèi)壓力波動(dòng)較大,機(jī)的排煙壓力損失。筆者在此首先對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵排影響中國(guó)煤化熱過(guò)程隨之產(chǎn)生本成果受到國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(編號(hào):50376048)、“211”二CNMHG項(xiàng)目(編號(hào):X03140)教育部博土點(diǎn)基金(編號(hào):20030056027)的聯(lián)合資助,并被列為天津市科技發(fā)展項(xiàng)目(編號(hào):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: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(jī)氣缸內(nèi)的熱力過(guò)程1.排煙換熱器換熱效果分析據(jù)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(jī)轉(zhuǎn)速和余熱回收的熱量關(guān)導(dǎo)出以下描寫管內(nèi)一維非定常流動(dòng)的方程式系,圖2表示了發(fā)動(dòng)機(jī)功率和回收熱量的關(guān)系連續(xù)方程:32+。+n2(1)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)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(biāo);圖1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)徑,d表示為管外徑;A表示摩擦阻力系數(shù);a,表示管內(nèi)煙從圖1可見(jiàn),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,排煙換熱氣側(cè)傳熱系數(shù);a。表示管外水側(cè)傳熱系數(shù),T表示煙器回收的熱量和發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)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(cè)平均溫度;E表示煙發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于240r/min時(shí),要明顯高于排煙換熱器回收的熱量;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于2400r/min以氣儲(chǔ)存能(E=x,T+pm2,.表示煙氣比熱容后,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排煙溫度的升高,排煙換熱器回收的3.排煙換熱器的設(shè)計(jì)原則熱量開(kāi)始明顯增多,而冷卻水換熱器的發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)由在排煙換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)的正常運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速的變化改變不大件,甚至為了節(jié)約空間,犧牲換熱,造成能源上的浪圖2表示在同一轉(zhuǎn)速下隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的升費(fèi);②排煙壓力損失過(guò)大,因?yàn)榕艧焿航祵?duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)高,回收的熱量也相應(yīng)增大,但是增加速度緩慢,這機(jī)排氣背壓的影響很大排氣系統(tǒng)壓力損失越大燃是由發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性決定的,原因是同一轉(zhuǎn)速下氣機(jī)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?xì)鈾C(jī)性能;③噪聲控制效果不好,無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的降噪標(biāo)準(zhǔn),造成對(duì)工作人員聽(tīng)覺(jué)的損傷和對(duì)環(huán)境的污染。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套冷卻水換熱器當(dāng)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(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(jī)功率(kW了排氣噪聲?，F(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)消聲換熱器也大多采用管殼式結(jié)構(gòu),排氣阻力較大,熱應(yīng)力較大易導(dǎo)致煙氣圖2發(fā)動(dòng)機(jī)功率和回收熱量的關(guān)系圖(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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?xì)鈾C(jī)熱泵排姻換熱器設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則。為Y中國(guó)爆化工做對(duì)度團(tuán)算CNMH、實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yàn)臺(tái)中排煙換熱器采用臥體管殼式氣一水熱回收率可達(dá)0.53,可見(jiàn)余熱回收系統(tǒng)對(duì)整機(jī)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?shù)據(jù)第26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(yàn)中測(cè)量排氣回收發(fā)動(dòng)機(jī)排煙廢熱的換熱器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)排壓力的表壓值始終在2000Pa以內(nèi),可見(jiàn)排煙換熱氣管路中,會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓的改變,從而影響器內(nèi)的壓力損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常排氣沒(méi)有造成明顯發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。而且為了使尾氣排放達(dá)到國(guó)家標(biāo)影響。另外,如若從節(jié)省材料、減小機(jī)組體積的角度準(zhǔn),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(yàn)臺(tái)中的排煙換熱器單位功率傳熱面積動(dòng)機(jī)排氣的背壓損失。因此在設(shè)計(jì)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(tǒng)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(duì)于非增壓發(fā)動(dòng)機(jī),該壓力損失值本次噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)不應(yīng)超過(guò)8000Pa;對(duì)于廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī),則該排氣噪聲,即設(shè)定噪聲源為發(fā)動(dòng)機(jī)出口空氣動(dòng)力性值不應(yīng)超過(guò)3000Pa。噪聲。測(cè)量?jī)x器為AWA6270型噪聲頻譜分析儀,文獻(xiàn)[6]中作者提到在排煙換熱器中,假定傳熱依國(guó)標(biāo)GB/T47591995測(cè)量條件如下:①在實(shí)驗(yàn)管的結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變傳熱管數(shù)量,計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)室中測(cè)量,內(nèi)燃機(jī)符合國(guó)標(biāo)GB1105.1規(guī)定的標(biāo)定額定工況(節(jié)氣門全開(kāi),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5600r/min)運(yùn)工況,其排氣系統(tǒng)接近實(shí)際使用情況;②對(duì)背景噪音行時(shí)不同傳熱管數(shù)下?lián)Q熱器煙氣側(cè)的阻力損失、出進(jìn)行測(cè)量,與測(cè)量聲壓之差大于10dB,無(wú)需對(duì)結(jié)果口煙氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)性能,發(fā)現(xiàn)當(dāng)單位功率傳熱面進(jìn)行修正;③測(cè)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(zhǔn)的總傳熱面積與發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)罩;④測(cè)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(duì)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(duì)排煙溫度和射面的距離大于兩倍測(cè)距。測(cè)量時(shí),測(cè)點(diǎn)和排氣口發(fā)動(dòng)機(jī)性能有較大影響,如圖3所示。相對(duì)位置保持不變。進(jìn)行了多次測(cè)量,選取兩次測(cè)量繪圖如下(圖5、發(fā)動(dòng)機(jī)功率6)---發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著排氣壓力的升高,發(fā)動(dòng)機(jī)性能明顯惡化。如圖4所示,排氣壓力損失的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響很大。參考文獻(xiàn)[6]的定義計(jì)算,在沒(méi)有添加尾氣排放凈化裝置情況下,本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的單位多蘭冊(cè)司爾6睡密麵褸聞2M凵中國(guó)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(jí)較高,它們是總聲煙換熱器壓力損失( miLO壓級(jí)高低與否的決定因素,其他頻帶上聲壓級(jí)較低圖4壓力損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響圖并不需要大的消聲量。這樣,根據(jù)噪聲標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(jí)高的頻帶上保證足夠大的消聲量考文對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的噪音具有寬頻帶特征,低頻聲壓級(jí)低,中頻高,高頻較高,從250~[1]楊昭張世鋼,劉斌等燃?xì)鈾C(jī)熱泵及其它供熱空調(diào)系統(tǒng)500Hz的聲級(jí)普便偏高,峰值點(diǎn)出現(xiàn)在315Hz、的能源利用分析評(píng)價(jià)[J.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2001,22(2):171400Hz、2500Hz這3個(gè)點(diǎn),均超過(guò)國(guó)標(biāo)工業(yè)地區(qū)允175許噪聲級(jí)的最大值因此集中對(duì)這些頻率消聲將是[21赫貝特,尤特曼熱泵(第三卷)燃?xì)鈾C(jī)和柴油機(jī)熱泵在以后消聲換熱器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。此外,在聲壓級(jí)低的建筑物中的應(yīng)用[M].耿惠彬,譯.北京:機(jī)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(jié)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(jī)驅(qū)動(dòng)的水—水熱(1)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收是燃?xì)鈾C(jī)熱泵的突出優(yōu)點(diǎn)泵的試驗(yàn)研究[.制冷學(xué)報(bào),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(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理[M]北京:中國(guó)建筑強(qiáng)余熱的回收力度,增強(qiáng)傳熱,盡可能回收這部分廢工業(yè)出版社,1986[6】張世鋼燃?xì)鈾C(jī)熱泵仿真與優(yōu)化匹配研究[D]天津:天(2)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中排煙換熱器選型使總的平均廢津大學(xué),2004熱回收率達(dá)到0.53,對(duì)整機(jī)性能的提高非常明顯;而[7中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T47591995.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995且排氣壓力表壓值始終在2000Pa以內(nèi),其內(nèi)部的[8]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3100-3102[S].北京:中國(guó)壓力損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常排氣未造成明顯影響。標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994-11-01(3)以消聲頻率為基礎(chǔ),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(shè)計(jì)要滿足換熱效果好、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(dāng)?shù)厥吞烊粴馍a(chǎn)商 Lakesoil公司( LKO ASX,下稱“LKO”)發(fā)布消息稱,與中石化集團(tuán)的一家下屬子公司簽訂諒解備忘錄,就合作開(kāi)發(fā)當(dāng)?shù)氐囊惶幨吞烊粴忭?xiàng)目進(jìn)行探討。據(jù)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(zhǎng)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(kuò)張戰(zhàn)略正在實(shí)施。2005年,其承擔(dān)了加蓬G4-188區(qū)塊項(xiàng)目管理工作、哈薩克斯坦FIOC區(qū)塊及印尼Bini區(qū)塊的勘探評(píng)價(jià)研究等。LKO公司為澳大利亞當(dāng)?shù)氐囊患倚屡d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(xiàn)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(qū)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(qiáng)進(jìn)一步合作而制定。雙方也將在高層互訪后,就天然氣的商品化問(wèn)題進(jìn)行商討。中國(guó)煤化工摘自第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)CNMHG荔數(shù)據(jù)