天然气热泵排烟换热器优化及实验

第26卷第5期天然气工业加工利用与安全环促天然气热泵排烟换热器优化及实验杨昭程珩张金亮(天津大学热能研究所)杨昭等.天然气热泵排烟换热器优化及实验.天然气工业,2006,26(5):133-136摘要燃气机热泵利用清洁的天然气作为输入能源带动压缩机完成热泵循环,由于它可以回收燃气机余热,其一次能源利用率较高。回收余热装置主要包括缸套换热器和排烟换热器,其中排烟换热器位于燃气机末端,其结构对余热回收和燃气机的排气压損、空气动力性噪声都有很大的影响。为此,对燃气机热泵排烟换热器的换热和压损实验结果进行了分析,以校验排烟换热器的结构设计对换热效果及排气压力的影响;还测量了排烟换热器排气的空气动力性噪声,确定了消声频率;进而提出了以平衡换热、压降及降噪三者关系为基础的优化设计厚主題词天然气燃气机热泵排烟换热器优化设计压力损失噪音平衡换热燃气机热泵是一个联合循环系统,它由天然气烟换热器的换热特性进行分析,并在实验中对排烟发动机正循环驱动压缩机进行蒸气压缩式逆循环,换热器造成的排烟压力损失和燃气机排气的空气动通过该循环把低温位热能输送到高温位实现冬季供力性噪声进行测量,在对实验结果进行分析的基础热、夏季供冷。燃气热泵是高效利用天然气的采暖上提出了燃气机热泵排烟换热器的优化设计原则。空调系统,其能量利用率、温室气体和污染物排放量远低于其它各种供热空调方式,具有环保、节能、运、排烟换热器的理论分析行费用低口、可调节电力和燃气的季节负荷不平衡1.排烟换热器的余热回收等优点,在目前全球性节能环保的形势下,燃气机热天然气发动机的运行过程为天然气在燃气机气泵有很大的市场潜力缸中的燃烧过程,释放燃料的化学能造成气缸内体燃气机热泵最突出的优点就是可回收发动机余积的变化,推动活塞运行输出功。对该过程进行能热。在供热模式下运行时,可使供热温度进一步提量平衡分析2,假设燃料的输入能量为100%除约高,当要求的供热温度一定时,客观上可以降低热泵3%转化为机械功外,燃气发动机冷却水和废气所冷凝温度,使热泵的制热性能得到提高。回收的发带热量之和平均为50%左右,其余为辐射等无法利动机余热温度比冷凝器出口温度高得多,具有较高用的废热。若在排烟换热器中废气出口温度从200的利用价值,可以满足一些特殊场合的需要,如供给℃再冷却到60℃,废气热将再回收6%。日用热水、产生用于空调装置增湿或供厨房洗涤使对于燃气机,由于天然气中大多数不含硫或只用的蒸气等。可见余热回收系统是燃气机热泵最主含少数硫。因此它的燃烧废气温度可以降到100~要的特点,余热回收装置是燃气机热泵的必备部分,120℃,回收水蒸气的冷凝热可更大限度的提高废主要包括发动机气缸套冷却水余热+回收和排烟余热的利用率。热回收两部分。2.排烟换热器的换热模型排烟换热器在燃气机热泵系统中起着回收余发动机的排烟具有不连续性,排烟换热器内的热消声等多方面的作用,它的设计同时影响着燃气烟气流动为非定常流动在换热器内压力波动较大,机的排烟压力损失。笔者在此首先对燃气机热泵排影响中国煤化热过程随之产生本成果受到国家自然基金资助项目(编号:50376048)、“211”二CNMHG项目(编号:X03140)教育部博土点基金(编号:20030056027)的联合资助,并被列为天津市科技发展项目(编号:043112411)作者简介:杨昭,女,1960年生,教授。地址:(300072)天津市天津大学。电话:1303222301, E-mail: zhaoyang@tu加工利月与安全环保天然气工业2006年5月的背压波动还会影响到发动机气缸内的热力过程1.排烟换热器换热效果分析据质量守恒、能量守恒和动量守恒定律,可以推如图1表示了发动机转速和余热回收的热量关导出以下描写管内一维非定常流动的方程式系,图2表示了发动机功率和回收热量的关系连续方程:32+。+n2(1)发动机气缸套冷却水换热器动量方程:a+(2)能量方程:E+[a(E兰(T:-T)(3)排烟换热器管壁的热平衡方程Ac1(d02-d2)aTat ad (T-T)-aodoCT-Tw发动机转速(rmin)(4)式中;P表示烟气密度t表示时间;x表示轴向坐标;图1发动机转速和回收热量的关系图a表示烟气流度;p表示烟气压力;d1表示管内径,d表示为管外径;A表示摩擦阻力系数;a,表示管内烟从图1可见,随着发动机转速的提高,排烟换热气侧传热系数;a。表示管外水侧传热系数,T表示烟器回收的热量和发动机气缸套冷却水换热器回收的气温度;T表示管壁温度1和c分别表示传热管热量都相应增加,其中冷却水换热器回收的热量在的密度和比热容;T表示水侧平均温度;E表示烟发动机转速小于240r/min时,要明显高于排烟换热器回收的热量;当发动机转速大于2400r/min以气储存能(E=x,T+pm2,.表示烟气比热容后,随着发动机排烟温度的升高,排烟换热器回收的3.排烟换热器的设计原则热量开始明显增多,而冷却水换热器的发动机侧由在排烟换热器的优化设计上,问题主要集中在3于需要保持一定的回水温度以保证发动机的正常运个方面:①换热效果不好,不能采用高效的换热元行,回收的热量随发动机转速的变化改变不大件,甚至为了节约空间,牺牲换热,造成能源上的浪图2表示在同一转速下随着发动机功率的升费;②排烟压力损失过大,因为排烟压降对燃气发动高,回收的热量也相应增大,但是增加速度缓慢,这机排气背压的影响很大排气系统压力损失越大燃是由发动机的负荷特性决定的,原因是同一转速下气机功率也消耗越大,同时也将造成排气温度的升功率变化时排烟温度变化輻度不大。高及不完全燃烧的加剧,影响燃气机性能;③噪声控制效果不好,无法达到相应的降噪标准,造成对工作人员听觉的损伤和对环境的污染。发动机气缸套冷却水换热器当前排烟换热器多是在排气管上串接换热器回收排气余热。其中,有的换热器热效率较低,传热性多兰兰回能较差,有的换热器和消声器串联使用,增加了排气排燜换热器阻力,影响发动机的动力性和经济性;也有的用换热器取代消声器,尽管排气阻力有所降低,但大大增大发动机功率(kW了排气噪声。现有的发动机消声换热器也大多采用管壳式结构,排气阻力较大,热应力较大易导致烟气图2发动机功率和回收热量的关系图(发动机转速n=1144r/min泄漏,降噪效果也不太明显()可见,如何平衡换热、压降、降噪三者的关系,是燃气机热泵排姻换热器设计的一个基本原则。为Y中国爆化工做对度团算CNMH、实验结果及分析出气以热回收率为0.33,排烟换热器的平均废热回收率为0.20,总的平均废本实验台中排烟换热器采用卧体管壳式气一水热回收率可达0.53,可见余热回收系统对整机性能换热器,水在管程流动,烟气在壳程流动的提高非常明显,换热器的选型也比较合理。·乃演数据第26卷第5期天然气工业加工利用与安全环保2.排烟换热器的压损分析功率传热面积为0.06m2/kW,而且实验中测量排气回收发动机排烟废热的换热器安装于发动机排压力的表压值始终在2000Pa以内,可见排烟换热气管路中,会引起发动机排气背压的改变,从而影响器内的压力损失对发动机的正常排气没有造成明显发动机的性能。而且为了使尾气排放达到国家标影响。另外,如若从节省材料、减小机组体积的角度准,需要在最后添加尾气净化处理装置,也会造成发考虑,本实验台中的排烟换热器单位功率传热面积动机排气的背压损失。因此在设计排烟余热回收系还可以减小,在0.02m2/kW左右时比较合适统时除了考虑其换热性能外,压力损失的控制亦是3.排烟换热器噪声分析一个关键问题。对于非增压发动机,该压力损失值本次噪声测量实验主要针对该实验台的发动机不应超过8000Pa;对于废气涡轮增压发动机,则该排气噪声,即设定噪声源为发动机出口空气动力性值不应超过3000Pa。噪声。测量仪器为AWA6270型噪声频谱分析仪,文献[6]中作者提到在排烟换热器中,假定传热依国标GB/T47591995测量条件如下:①在实验管的结构参数不变,仅改变传热管数量,计算发动机室中测量,内燃机符合国标GB1105.1规定的标定额定工况(节气门全开,发动机转速5600r/min)运工况,其排气系统接近实际使用情况;②对背景噪音行时不同传热管数下换热器烟气侧的阻力损失、出进行测量,与测量声压之差大于10dB,无需对结果口烟气温度和发动机性能,发现当单位功率传热面进行修正;③测点风速超过2m/s使用仪器自配防积(定义为以外表面为基准的总传热面积与发动机风罩;④测点位置要求在与排气口轴向成45°方向额定功率之比)低于0.03m2/kW时才对阻力损失上,距离500mm处,距地面高度大于1m,距其他反有较大影响,低于0.015m2/kW时才对排烟温度和射面的距离大于两倍测距。测量时,测点和排气口发动机性能有较大影响,如图3所示。相对位置保持不变。进行了多次测量,选取两次测量绘图如下(图5、发动机功率6)---发动机效率…-阻力损失排烟温度850(0000200300400500,0.07单位功率传热面积(mkW)图3传热面积的影响图频率(H)图5噪声频谱图1实验中发现随着排气压力的升高,发动机性能明显恶化。如图4所示,排气压力损失的变化对发动机性能影响很大。参考文献[6]的定义计算,在没有添加尾气排放净化装置情况下,本实验台的单位多兰册司爾6睡密麵褸闻2M凵中国煤化工CNMHG排气噪声的频谱特性中,只在某几个频带处的声压级较高,它们是总声烟换热器压力损失( miLO压级高低与否的决定因素,其他频带上声压级较低图4压力损失对发动机性能的影响图并不需要大的消声量。这样,根据噪声标准和实际135·加工利用与安全环保天然气工业2006年5月需要可得到各个频带上所需的消声量,让消声器的小及降噪性能好的要求,在满足各自的条件下以平实际消声量在各个频带逼近目标消声量,便可在声衡换热、压降及降噪三者的关系为基本原则压级高的频带上保证足够大的消声量考文对实验结果分析发现本实验台的噪音具有宽频带特征,低频声压级低,中频高,高频较高,从250~[1]杨昭张世钢,刘斌等燃气机热泵及其它供热空调系统500Hz的声级普便偏高,峰值点出现在315Hz、的能源利用分析评价[J.太阳能学报,2001,22(2):171400Hz、2500Hz这3个点,均超过国标工业地区允175许噪声级的最大值因此集中对这些频率消声将是[21赫贝特,尤特曼热泵(第三卷)燃气机和柴油机热泵在以后消声换热器设计的重点。此外,在声压级低的建筑物中的应用[M].耿惠彬,译.北京:机械工业出版社,1989频带处减小消声量,可使压力损失减小,在最优化三[3] W J D ANNAD, T H MA Instantaneous heat transfer者关系时需要考虑把这点考虑进去。rates to the cylinder heat surfaces of a small compression三、结论ignition Engine[j]. PIME, 1971, 185: 976.[4]杨昭,张世钢,程珩,等.天然气发动机驱动的水—水热(1)发动机余热回收是燃气机热泵的突出优点泵的试验研究[.制冷学报,200324(1):9-12.能回收一次能源释放的50%左右的能量。因此要加[5]陆耀祖,田维铎内燃机构造与原理[M]北京:中国建筑强余热的回收力度,增强传热,尽可能回收这部分废工业出版社,1986[6】张世钢燃气机热泵仿真与优化匹配研究[D]天津:天(2)本实验台中排烟换热器选型使总的平均废津大学,2004热回收率达到0.53,对整机性能的提高非常明显;而[7中华人民共和国国家标准GB/T47591995.北京:中国标准出版社,1995且排气压力表压值始终在2000Pa以内,其内部的[8]中华人民共和国国家标准GB3100-3102[S].北京:中国压力损失对发动机的正常排气未造成明显影响。标准出版社,1994-11-01(3)以消声频率为基础,采用消声换热器来替代余余热回收换热器可有效消除噪声源(修改回稿日期200603-29编辑居维清)(4)排烟换热器的设计要满足换热效果好、压降中石化在澳大利亚开采陆上油气2006年5月,澳大利亚当地石油天然气生产商 Lakesoil公司( LKO ASX,下称“LKO”)发布消息称,与中石化集团的一家下属子公司签订谅解备忘录,就合作开发当地的一处石油天然气项目进行探讨。据了解此次签约的中方代表是中石化股份华东分公司,该公司长期从事油气勘探开发包括苏北盆地油流井、真武油田以及刘庄气田等。近年来,其海外扩张战略正在实施。2005年,其承担了加蓬G4-188区块项目管理工作、哈萨克斯坦FIOC区块及印尼Bini区块的勘探评价研究等。LKO公司为澳大利亚当地的一家新兴油气勘探开发商。其在2006年1月于澳大利亚维多利亚省的 Loy Yang A电站附近发现了天然气井。双方的谅解备忘录中提到在一系列技术问题解决后双方就该地区的陆上天然气合作展开商务谈判,同时,LKO公司与中石化股份华东分公司所签订的协议无任何束缚力,只是为加强进一步合作而制定。双方也将在高层互访后,就天然气的商品化问题进行商讨。中国煤化工摘自第一财经日报CNMHG荔数据