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工业生产过程中有大量的80-200美高梅开户℃的低温显热余热,开展了高湿烟气水平管外降膜吸收过程的传热传质耦合机理研究

4 7月 , 2019  

燃气锅炉和空气湿化燃气轮机循环排烟中的蒸汽体积含量可达20%,汽化潜热相当于天然气低位发热量的10%左右,直接排放会造成能源和水的浪费。为提高能源利用率,回收水资源,中国科学院工程热物理研究所能源与动力研究中心首次提出了利用开式循环吸收式热泵回收高湿烟气中的水及潜热的技术路线。该系统将液体除湿和余热回收利用结合起来,提高了烟气露点,可实现潜热和水的同时高效回收,具有较好的经济效益和推广价值。

工业生产过程中有大量的80-200℃的低温显热余热,多以废热的形式直接排放,只有很少部分通过换热或热泵的形式利用起来。主要原因在于这部分余热通过换热过程,仅能生产低温热水,而工业生产过程大量需求低压蒸汽用于工艺过程,对热水的需求量很少。

吸收器作为开式循环吸收式热泵的关键单元部件,其吸收特性对热泵性能、设备尺寸及投资造价有重要影响。水平管外降膜吸收器具有传热传质效率高、动力消耗低、处理量大等诸多优点,是吸收器的发展方向之一。水平管吸收器内,管外降膜区吸收剂的流动形态、液膜厚度分布及管间区吸收剂的流型变化对气液传热传质效率有重要影响,需要深入研究。

为了提高工业生产过程的能量效率,中国科学院工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室课题组提出了利用高温热泵,回收低温余热,提升这部分余热的品位,并回用到工业生产中的技术方案。在国家重点研发专项子课题的资助下,该课题组设计了一套基于氨水工质的新型压缩-吸收复合热泵系统,主要由压缩机、回热器、液氨冷凝器、液氨泵、蒸发器、烟气回热器、精馏塔、溶液泵、溶液热交换器、节流阀和吸收器等部件组成;创新性地提出了气-液联合压缩方法,回收低温显热余热生产低压工艺蒸汽。烟气余热分别用于精馏过程和液氨蒸发过程,通过吸收过程制取高温热量,突破了传统压缩式热泵制热温度受到压缩机出口温度的制约,吸热温度大幅提高;与常规溴化锂吸收式热泵真空运行相比,新型热泵系统全正压运行,技术难度小,不需使用贵重金属,设备投资有望大幅降低。

为此,能源与动力研究中心的研究人员建立了适于逆向气流下的水平管外降膜流动三维瞬态数值模型。该模型可准确预测多排水平管间液体流型转变特性及其影响因素,分析不同流型下水平管外液膜厚度沿管周向和轴向不同的分布规律,并通过自建的水平管外降膜流动特性研究实验台对模型精度进行验证。在此基础上,开展了高湿烟气水平管外降膜吸收过程的传热传质耦合机理研究;首次构建了具有预报能力的适于湿烟气吸收的水平管外降膜吸收机理模型;利用研制的具有液相内部温度场测量手段的高湿烟气水平管外降膜吸收实验台进行模型验证和修正,获得了高湿烟气下水平管外降膜吸收过程中气液两相局部瞬态的流动、传热和传质耦合规律;提出了适于湿烟气水平管外降膜吸收器设计参数和操作条件的匹配选择方法以及优化方案。

该研究已经完成了余热热泵系统的模拟和优化工作,获得了热泵系统最优化参数,相关工作发表学术论文5篇,获得一项国家发明专利授权。设计了复合热泵实验方案,搭建了制热量为70kW的压缩-吸收式热泵系统实验台。目前在热泵实验台上开展实验验证工作,已经完成调试;利用150℃烟气,能够生产出130℃以上的饱和蒸汽,并能够稳定运行。

上述工作得到了国家自然科学基金和政府间国际科技创新合作重点专项的支持,相关研究成果发表在美高梅开户,Desalination、《化工学报》、《太阳能学报》上。

该技术有望在工业生产中进行应用示范,为工业过程节能减排提供技术支撑。

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图1滴状流型下,管轴向坐标为0.015m-0.065m,对应周向角为45°,90°,135°,四个时间点为0.675s,0.702s,0.720s,0.741s时液膜厚度的分布。

工程热物理所先进余热热泵研究获进展

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图2
柱状流型下,管轴向坐标为0.015m-0.065m,对应周向角为45°,90°,135°,四个时间点为0.822s,0.846s,0.885s,0.930s时液膜厚度的分布特点。

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图3片状流型下,管轴向坐标为0
m-0.1m,对应周向角为45°,90°,135°,四个时间点为0.813s,0.867s,0.885s,0.930s时液膜厚度的分布。

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