楊 波 江 億 付 林 張世鋼

(清華大學(xué)建筑學(xué)院， 北京 100084)

工業(yè)煙氣蘊含大量的廢熱，若能有效回收，將有顯著的節(jié)能減排效益，還能減少水資源的浪費.

間壁式的冷凝換熱器是目前常見的余熱回收方法[1-4]，但其回收能力強烈依賴于冷卻介質(zhì)溫度.而且，經(jīng)過冷凝之后，煙氣基本達到飽和，很容易在排出過程中遇冷結(jié)露，再加上煙氣的酸性特點，極易造成換熱器自身及管道、煙囪的腐蝕.除了利用直接可得的冷源外，借助熱泵技術(shù)(包括壓縮式[5]和吸收式[6])制取低溫冷水可以更有效地回收煙氣余熱，但其本質(zhì)上仍是通過冷凝的辦法，最終還是要采用冷凝換熱器.

針對冷凝回收方法的問題，出現(xiàn)了基于直接接觸式傳熱傳質(zhì)的開式吸收式熱泵(open-cycle absorption heat pump, OAHP)技術(shù).由于液體干燥劑良好的吸濕性，開式吸收式熱泵在吸收煙氣顯熱的同時，還能很好地吸收煙氣中的水蒸氣，實現(xiàn)全熱回收.相比于傳統(tǒng)閉式吸收式熱泵，開式吸收式熱泵只有發(fā)生器、吸收器、冷凝器而沒有蒸發(fā)器，且工作在常壓狀態(tài)，沒有真空密閉要求，設(shè)備加工、運行更為簡便，制造成本更低.

開式吸收式熱泵技術(shù)最早的應(yīng)用案例是在瑞典的木材干燥行業(yè).Johansson等[7]利用開式吸收式熱泵對木材干燥過程產(chǎn)生的熱濕空氣進行余熱回收，用于集中供熱，處理后的干空氣再循環(huán)，大大降低了新風(fēng)預(yù)熱所需的熱量.

目前，國內(nèi)也對開式吸收式熱泵技術(shù)開展了相關(guān)研究.馬連強等[8-9]設(shè)計了一種開式吸收式熱泵用于回收氯堿生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的低壓蒸汽.Wei等[10]提出了將開式吸收式熱泵用于天然氣鍋爐的煙氣余熱回收，相比于閉式吸收式熱泵和電動壓縮式熱泵，開式吸收式熱泵具有更好的經(jīng)濟性和更高的等效熱效率.葉碧翠等[11-14]設(shè)計了一種兩級開式吸收式熱泵，系統(tǒng)可根據(jù)熱源溫度在單級和雙級之間切換，COP最高可達1.97.Wang等[15]搭建了一個開式吸收式熱泵實驗臺，測試了不同化石燃料煙氣的余熱和水回收效果.魏璠等[16-17]提出了一種升溫型的開式吸收式熱泵，煙氣在被回收前也是發(fā)生器的驅(qū)動熱源.

以上系統(tǒng)的流程各不相同，但對于溶液再生過程的處理本質(zhì)上都是相同的，還是像傳統(tǒng)閉式的吸收式熱泵那樣，驅(qū)動熱源與發(fā)生器中的溶液不直接接觸，兩者進行的是顯熱換熱.而且，在沒有強制對流的情況下，需要用真空泵將發(fā)生出來的水蒸氣及時抽出，通過外置的間壁式冷凝換熱器將其冷凝以維持發(fā)生器內(nèi)的壓力.因此，以上各系統(tǒng)都是半開式的，只有吸收器采用的是直接接觸式傳熱傳質(zhì)，發(fā)生器和外置的冷凝設(shè)備仍需要大量的傳熱管材.

本文提出一種新的全開式吸收式熱泵(full-open absorption heat pump, FOAHP)，高溫的驅(qū)動煙氣與噴淋的溴化鋰稀溶液直接接觸，驅(qū)動溶液發(fā)生，產(chǎn)生的水蒸氣隨煙氣進入冷凝器被噴淋的冷卻水冷凝，剩余的煙氣與待回收的目標煙氣一起進入吸收器被濃溶液吸收，冷凝器和吸收器回收的熱量用來加熱熱網(wǎng)水.發(fā)生器、吸收器、冷凝器內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程均為直接接觸式，都不需要傳熱管材，可顯著降低初投資.

1 理論模型

全開式吸收式熱泵系統(tǒng)流程如圖1所示，各關(guān)鍵部件涉及的都是連續(xù)相煙氣與離散相液滴直接接觸式的傳熱傳質(zhì).對于連續(xù)相，可按通常的歐拉方法對空間進行網(wǎng)格劃分，建立控制體的守恒方程；而對于離散相，需要按拉格朗日方法對液滴軌跡進行追蹤.煙氣與液滴之間的相對運動會影響對流傳熱傳質(zhì)特性，同時，液滴的運動參數(shù)還會影響傳熱傳質(zhì)面積.

圖1 全開式吸收式熱泵系統(tǒng)流程

1.1 液滴運動方程

液滴的運動由受力情況決定，除重力以外，還有煙氣的拖曳力.拖曳系數(shù)CD與雷諾數(shù)Re有關(guān)[18]，即

(1)

假設(shè)煙氣在噴淋塔內(nèi)均勻豎直向上流動，液滴不受橫向力作用，而保持在豎直方向運動，則液滴在該豎直平面的運動方程為

(2)

(3)

式中，up,z為液滴豎直方向速度，m/s；up,r為液滴水平方向速度，m/s；urel為液滴與煙氣間的相對速度，m/s；τ為時間，s；g為重力加速度，m/s2；ρ為密度，kg/m3，下標1表示煙氣，下標2表示液體；dp為液滴直徑，m；β為相對速度與豎直方向的夾角.

1.2 傳熱傳質(zhì)方程

氣體-液滴體系的對流傳熱傳質(zhì)特性由Ranz-Marshal關(guān)聯(lián)式計算[19]，即

Nu=2+0.6Re0.5Pr0.33

(4)

Sh=2+0.6Re0.5Sc0.33

(5)

式中，Nu為努塞爾數(shù)；Sh為舍伍德數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；Sc為施密特數(shù).

控制體內(nèi)的顯熱傳熱、傳質(zhì)、潛熱傳熱量為

Qs=h(t1-t2)A

(6)

J=k(ρv1-ρv2)A

(7)

Ql=rJ

(8)

式中，Qs為顯熱傳熱量，W；Ql為潛熱傳熱量，W；J為傳質(zhì)量，kg/s；h為對流傳熱系數(shù)，W/(m2K)；k為對流傳質(zhì)系數(shù)，m/s；t為溫度，℃；r為水蒸氣潛熱，J/kg；ρv為水蒸氣密度，kg/m3，本文以水蒸氣密度差作為傳質(zhì)勢差，與水蒸氣分壓力差等效；A為傳熱傳質(zhì)面積，m2，與液體流量、液滴速度、液滴直徑有關(guān).

顯熱傳熱影響液體溫度從而影響其表面水蒸氣分壓力，進而影響傳質(zhì)；傳質(zhì)的同時也是潛熱傳熱，也會影響液體溫度，而影響顯熱傳熱.可見，傳熱和傳質(zhì)是耦合的.

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果與模型驗證

本文設(shè)計并搭建了全開式吸收式熱泵實驗樣機(見圖1)，通過向空氣中添加水蒸氣來模擬目標煙氣(這里不考慮氮氧化物、碳氧化物等氣體成分)，將溫度和濕度控制在工業(yè)煙氣通常的范圍內(nèi).通過調(diào)節(jié)熱網(wǎng)水溫度、目標煙氣溫濕度，共測試了8種工況，實驗結(jié)果如表 1所示.出口煙氣相對濕度都在60%～70%之間，離飽和點較遠.露點溫度最低能達到36.2 ℃，相對溫度為62.4%,在排出過程中不易結(jié)露，有效降低低溫腐蝕危險.COP最高達到1.621，表現(xiàn)出了較好的熱力學(xué)性能，但離預(yù)期的1.7仍略有差距.

表1 實驗結(jié)果

將實驗工況作為輸入量，利用前述的理論模型對系統(tǒng)進行數(shù)值仿真，并與實驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖2所示.由圖可見，COP偏差在±5%以內(nèi)，因此理論與實驗吻合較好，理論模型得到很好的驗證.利用這個已獲驗證的理論模型對系統(tǒng)進行更深入的仿真分析，尤其是分析在實驗條件下難以實現(xiàn)的工況.

圖2 實驗與仿真結(jié)果對比

2.2 燃燒器過量空氣系數(shù)的影響

由于本系統(tǒng)的特殊性，實驗樣機所用的燃燒器為自行開發(fā)，暫無精確的新風(fēng)/燃氣配比控制.因此，在實驗過程中，為保證天然氣充分燃燒，新風(fēng)量設(shè)置得很大，這導(dǎo)致火焰被冷卻，產(chǎn)生的驅(qū)動煙氣達不到預(yù)期的高溫(見圖3)，從而影響發(fā)生過程，即溶液沒有得到很好的濃縮，而導(dǎo)致吸收性能下降，進而使系統(tǒng)性能下降(COP降低，煙氣出口露點升高).

圖3 過量空氣系數(shù)對驅(qū)動煙氣溫度的影響

由圖4可見，在一定的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)(1.0～1.5)，系統(tǒng)性能隨著過量空氣系數(shù)的變化呈現(xiàn)出與以上相反的規(guī)律.這是因為，隨著過量空氣系數(shù)增大，盡管驅(qū)動煙氣的溫度在下降，但煙氣量增加，而且驅(qū)動煙氣中的水蒸氣含量下降，這兩者對發(fā)生過程都是有利的，在1.0～1.5過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，正作用大于驅(qū)動煙氣溫度下降的負作用.當(dāng)過量空氣系數(shù)繼續(xù)增大，驅(qū)動煙氣溫度下降的負作用逐漸占主導(dǎo).

圖4 過量空氣系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

2.3 熱網(wǎng)水溫度的影響

在全開式吸收式熱泵中，進入吸收器的濃溶液和進入冷凝器的冷卻水是回收煙氣余熱的直接介質(zhì)，但最終都是傳熱給熱網(wǎng)水，因此，熱網(wǎng)水溫度對系統(tǒng)性能起到關(guān)鍵作用.隨著熱網(wǎng)水溫度升高，稀溶液和冷卻水溫度都升高，對于吸收器和冷凝器中的顯熱和潛熱傳熱都不利，因此COP下降、煙氣出口露點升高，如圖5所示.從圖中也能看到，即使熱網(wǎng)水溫度達到70 ℃，系統(tǒng)仍能獲得較好的性能.這是因為，在吸收器和冷凝器中，依靠溫差驅(qū)動的顯熱傳熱只占很小一部分，而基于傳質(zhì)勢差而形成的潛熱傳熱占主要部分(見圖6)，相較于顯熱傳熱，傳質(zhì)受溫差影響較小，此即為本系統(tǒng)相對于間壁式冷凝換熱器的最大優(yōu)勢.

圖5 熱網(wǎng)水溫度對系統(tǒng)性能的影響

圖6 各部件顯熱和潛熱分布情況(熱網(wǎng)水溫度50 ℃，燃燒器過量空氣系數(shù)1.1)

3 結(jié)論

1)分析了燃燒器過量空氣系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，以及當(dāng)前實驗樣機的缺陷，這可為以后的系統(tǒng)改進和運行提供指導(dǎo).

2)分析熱網(wǎng)水溫度對系統(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)潛熱傳熱占主導(dǎo)地位，因而本系統(tǒng)在高熱網(wǎng)水溫度下仍能表現(xiàn)出較好的性能，展示了其相對于間壁式冷凝換熱器的優(yōu)勢.

3)采用歐拉-拉格朗日方法建立了細致的液滴動力學(xué)和耦合傳熱傳質(zhì)模型，根據(jù)該模型理論計算，設(shè)計并搭建了實驗樣機，系統(tǒng)COP最高達到1.621，排煙露點最低達到36.2 ℃，相對濕度為62.4%.