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        排風(fēng)流能量品位提升循環(huán)與熱回收系統(tǒng)運行優(yōu)化

        2023-03-04 09:56:24鐘發(fā)清張藝才陳世強蔣加川
        煤礦安全 2023年1期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        鐘發(fā)清,張藝才,陳世強,蔣加川,吳 朋

        (1.廣西人防工程設(shè)計咨詢有限公司,廣西 南寧 530000;2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411100;3.中建三局集團有限公司 一公司,湖北 武漢 430000;4.桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院,廣西 桂林 541004)

        為保障采礦生產(chǎn)的安全進行,礦井通風(fēng)是必要的技術(shù)措施[1-2]。在井工開采中,通過進風(fēng)井,將地面空氣輸送至井下,稀釋瓦斯和煤塵、帶走余熱與余濕而轉(zhuǎn)變?yōu)槲埏L(fēng),污風(fēng)流經(jīng)回風(fēng)井排出至地面,排風(fēng)流通??蛇_200~400 m3/s。由于在井下吸收了熱能等,排風(fēng)流溫度常年保持在20 ℃左右,相對濕度90%左右[3-5]。為了提取熱濕能量,提出了噴淋式礦井排風(fēng)熱回收系統(tǒng)(簡稱“熱回收系統(tǒng)”),通過噴淋霧化水而提取排風(fēng)流的低品位能量,進而利用熱泵循環(huán)而提升提取后的熱濕能量品位,用于建筑供暖和井筒防凍等[6-11]。借助空氣熱泵作為提取后礦井排風(fēng)流熱濕能量的品位提升裝置,具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。Bi 等[13-15]基于有限時間熱力學(xué),建立了不可逆布雷頓循環(huán)模型,導(dǎo)出了供熱率、供熱系數(shù)、效率與循環(huán)內(nèi)各種不可逆參數(shù)間的函數(shù)解析式,并將不同目標的優(yōu)化結(jié)果進行綜合比較,得到了不同優(yōu)化目標下的性能系數(shù);張翼等[16-18]以利潤率作為目標函數(shù),導(dǎo)出了利潤率的函數(shù)解析式,優(yōu)化了壓比、導(dǎo)熱率、熱容率的關(guān)系,并量化了其他重要參數(shù)對經(jīng)濟的影響。上述研究能指導(dǎo)空氣熱泵循環(huán)內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化,但是,尚未界定出循環(huán)外因素對空氣熱泵循環(huán)的影響。實際上,由于不同緯度、不同氣候地區(qū)的環(huán)境溫度差異,如何量化環(huán)境溫度對排風(fēng)流熱濕能量提取與利用中空氣熱泵循環(huán)的影響,屬于亟待解決的前沿問題。

        為此,基于有限時間熱力學(xué),圍繞噴淋式礦井排風(fēng)流熱濕能量品位提升中所涉及的空氣熱泵熱力循環(huán)及其優(yōu)化問題,以利潤率為目標函數(shù),推導(dǎo)環(huán)境溫度為自變量的函數(shù)解析式;利用該式,導(dǎo)入國內(nèi)各氣候帶典型城市氣象數(shù)據(jù),數(shù)值計算,對比典型城市的逐時、逐日和總利潤率,為熱回收系統(tǒng)安設(shè)預(yù)評價提供新的經(jīng)濟技術(shù)方法。

        1 不可逆變溫?zé)嵩囱h(huán)與無量綱利潤率

        1.1 不可逆變溫?zé)嵩纯諝鉄岜醚h(huán)

        在提升排風(fēng)流能量品位的布雷頓熱力學(xué)循環(huán)中(簡稱空氣熱泵循環(huán),循環(huán)工質(zhì)為無毒環(huán)保的空氣),對于噴淋循環(huán)端而言,吸收了排風(fēng)熱濕能量的噴淋循環(huán)水,從集水池進入蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中,將能量傳遞給循環(huán)工質(zhì),放熱后的噴淋循環(huán)水,從蒸發(fā)器流出而泵入噴嘴管組,最終,流經(jīng)噴嘴而再次噴淋霧化,實現(xiàn)了噴淋水循環(huán);在用戶端,用戶端循環(huán)水進入冷凝器,從循環(huán)工質(zhì)吸取熱量,升溫后的用戶端循環(huán)水經(jīng)二次處理而輸配至礦區(qū)各處,用于井筒防凍、洗浴熱水和礦區(qū)供熱等。借助空氣熱泵循環(huán),提取溫度較低的噴淋循環(huán)水熱量,提高用戶端循環(huán)水溫度,提升了熱回收系統(tǒng)的能量品位。

        實際上,上述空氣熱泵循環(huán),尚有以下非理想約束條件:

        1)熱源溫度非恒定。噴淋循環(huán)水作為低溫?zé)嵩捶艧峤o工質(zhì)后,溫度從Tc,0降低至Tc,1;高溫?zé)嵩吹挠脩舳搜h(huán)水,從工質(zhì)中吸熱后,溫度從Tu,0提升至Tu,1。表明循環(huán)過程中熱源溫度發(fā)生改變,屬于變溫?zé)嵩囱h(huán)[19]。

        2)循環(huán)過程不可逆。用于熱回收系統(tǒng)能量品位提升的空氣熱泵循環(huán),存在不可逆損失,主要有壓縮機和膨脹機的不可逆損失[20]。

        基于上述約束條件,針對不可逆變溫?zé)嵩纯諝鉄岜醚h(huán)構(gòu)建不可逆變溫?zé)嵩纯諝鉄岜醚h(huán)模型。

        1.2 熱泵循環(huán)利潤率

        在周圍環(huán)境下,任一形式的能量中能夠最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠?,稱為。

        式中:Eout為熱泵的輸出率,kW;P 為壓縮機的輸入功率,kW;ψout為熱泵的輸出率價格;ψin為熱泵的輸入功率價格。

        式中:?u為空氣熱泵的供熱流率,kW;?c為空氣熱泵的吸熱流率,kW;T0為環(huán)境溫度,K;Sg為循環(huán)的熵產(chǎn)率,kW/K。

        式中:Wc為噴淋循環(huán)水的熱容率,kW/K;Wu為用戶端循環(huán)水的熱容率,kW/K;Tu,0為用戶端循環(huán)水的進水溫度,K;Tu,1為用戶端循環(huán)水的出水溫度,K;Tc,0為噴淋循環(huán)水的進水溫度,K;Tc,1為噴淋循環(huán)水的出水溫度,K。

        1.3 用于利潤率的熱流率

        根據(jù)工程熱力學(xué)基礎(chǔ)理論,空氣熱泵的吸熱流率和供熱流率計算式為:

        式中:Wf為工質(zhì)的熱容率,kW/K;T4為工質(zhì)在蒸發(fā)器中的進口溫度,K;T1為工質(zhì)在蒸發(fā)器中的出口溫度,K;T2為工質(zhì)在冷凝器中的進口溫度,K;T3為工質(zhì)在冷凝器中的出口溫度,K。

        實踐中,基于換熱器效率與理論最大換熱流率之積而得出熱流率,即:

        式中:ηc為蒸發(fā)換熱器效率;ηu為冷凝換熱器效率;?c,max為理論最大吸熱流率,kW;?u,max為理論最大供熱流率,kW;min{}為最小值函數(shù),指區(qū)間{}內(nèi)的最小值。為簡化計算式,分別將min{Wf,Wc}和min{Wf,Wu}記為Wc,min和Wu,min。

        顯然,換熱器效率的取值與流體熱容率、換熱系數(shù)以及換熱面積有關(guān)[21]。

        1.4 內(nèi)不可逆因子與無量綱利潤率

        考慮到空氣熱泵循環(huán)內(nèi)的不可逆性,用壓縮機效率ζc和膨脹機效率ζe表征,具體為:

        式中:T2s為工質(zhì)在冷凝器中的理論進口溫度,K;T4s為工質(zhì)在蒸發(fā)器中的理論進口溫度,K。

        進一步,根據(jù)空氣壓縮式熱泵循環(huán)的特性,得到壓縮機壓比的計算式:

        式中:x 為壓縮機內(nèi)工質(zhì)的等熵溫比;ε 為壓縮機的壓比;k 為工質(zhì)的絕熱指數(shù),通常取1.4。

        式中:Mdim為無因次利潤率;Y 為熱泵的輸入功率價格ψin和輸出率價格ψout之比,即Y=ψin/ψout;Wc,min為工質(zhì)熱容率Wf和噴淋循環(huán)水熱容率Wc中的較小值,即Wc,min=min{Wf,Wc},kW/K;Wu,min為工質(zhì)熱容率Wf和用戶端循環(huán)水熱容率Wu中的較小值,即Wu,min=min{Wf,Wu},kW/K。

        通過式(13)可知,吸熱流率還與熱泵內(nèi)循環(huán)工況(工質(zhì)熱容率Wf、壓縮機壓比ε、壓縮機效率ζc和膨脹機效率ζe)、空氣-水循環(huán)末端參數(shù)(噴淋循環(huán)水熱容率Wc和進水溫度Tc,0)、用戶端參數(shù)(用戶端循環(huán)水熱容率Wu和進水溫度Tu,0)以及價格比Y 有關(guān)。

        其中,文獻[23]結(jié)合了多個目標函數(shù),得出當內(nèi)循環(huán)參數(shù)Wf=0.9 kW/K,ε=5,ζc=ζe=0.8 時,各目標函數(shù)均能達到較優(yōu)范圍;而文獻[24]在此基礎(chǔ)上,求得了空氣-水循環(huán)末端參數(shù)Wc=9.24 kg/s,Tc,0=296 K 時,綜合性能系數(shù)達到最大值。

        鑒于此,在給定空氣熱泵循環(huán)內(nèi)部、用戶端以及空氣-水循環(huán)末端參數(shù)的基礎(chǔ)上,著重討論環(huán)境溫度對無量綱利潤率的影響。

        2 氣候帶環(huán)境溫度與無量綱利潤率

        2.1 最不利月無量綱利潤率的逐日變化

        為了探究熱回收系統(tǒng)在國內(nèi)各地的運行收益,選取???、畢節(jié)、淮南、大同、烏魯木齊以及雞西作為國內(nèi)各氣候帶的特征城市,各城市月平均溫度見表1。

        表1 各氣候特征城市月平均溫度Table 1 Monthly average temperature of cities with different climatic characteristics

        由表1 可知,各城市平均溫度最低月均為1 月,此時用熱需求為全年最高,故將1 月作為最不利供給月著重分析。依據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)集,將最不利供給月1 月的日均氣溫代入式(13),得到的各城市1月份的無因次利潤率Mdim變化情況如圖1。

        圖1 1 月逐日無因次利潤率與典型城市對比Fig.1 Daily dimensionless exergic profit rates in January

        由圖1 可知:在海口,熱回收系統(tǒng)整月產(chǎn)生的經(jīng)濟收益均為負,由此可見,以海口為代表的低緯度熱帶季風(fēng)氣候帶地區(qū)不適合使用該系統(tǒng);而在雞西、烏魯木齊和大同,整月產(chǎn)生的經(jīng)濟收益均為正。因此,雞西和大同為代表的中高緯度寒溫帶季風(fēng)氣候帶城市,烏魯木齊為代表的溫帶大陸性氣候帶城市,為該系統(tǒng)適用的首選;至于中緯度的亞熱帶季風(fēng)氣候帶,如畢節(jié)和淮南,熱回收系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的收益正負波動。因此,該帶下的城市,應(yīng)該控制啟停時機,避免持續(xù)運行而產(chǎn)生虧損。

        2.2 最不利日無量綱利潤率的逐時變化

        隨著晝夜更替,1 d 內(nèi)的環(huán)境溫度也存在差異,尤其是,以烏魯木齊為代表的溫帶大陸性氣候帶,晝夜溫差可達20 ℃,此時熱回收系統(tǒng)的利潤率也會有較大的波動。

        圖2 逐時無因次利潤率與典型城市對比Fig.2 Dimensionless exergic profit rates of time-by-time

        那么,針對熱回收系統(tǒng),應(yīng)當如何啟停,亟待明確控制方法。

        3 啟??刂茦O化無量綱 利潤率

        3.1 啟??刂屏鞒膛c總利潤率

        圖3 控制子系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of control subsystem

        根據(jù)上述原理,選取中國氣象數(shù)據(jù)集中的氣象參數(shù)作為溫度傳感器所測得的環(huán)境溫度,分別代入式(13),將所得的實時無因次利潤率相加,作為有限時間段內(nèi)的利潤總量方法如下。

        若使用控制子系統(tǒng),則熱回收系統(tǒng)會在Mdim,i>0的情況下繼續(xù)運行,則系統(tǒng)的利潤率總量M2約為大于0 的實時無因次利潤率Mdim,i之和,即:

        利用式(14)~式(16),可以計算出不同氣候帶典型城市的利潤率增量。

        3.2 總利潤率極大化與氣候帶適應(yīng)性

        圍繞3 個氣候帶下5 個典型城市的熱回收系統(tǒng)“常開模式”和“實時模式”,利用式(14)~式(16),不妨選取圖3 中數(shù)據(jù)傳輸間隔為1 h,逐時計算供暖季中(10—12 月、1—3 月)的利潤率總量及其增量,各氣候特征城市年度利潤率總量及其增量如圖4。

        圖4 各氣候特征城市年度利潤率總量及其增量Fig.4 The addition and total profit rates by each city in one year

        由圖4 可以看出,各氣候特征城市“實時模式”下系統(tǒng)產(chǎn)生的利潤率均高于“常開模式”。表明使用控制子系統(tǒng),能顯著提高系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的利潤率;溫帶大陸性氣候地區(qū)系統(tǒng)可啟用“常開模式”。在各氣候帶地區(qū),熱回收系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的利潤率總量,有明顯差異;其中,在溫帶大陸性氣候區(qū)域,系統(tǒng)利潤率總量最高,其次為溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)域,最低的是亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)域,并且,亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)域在“常開模式”下會引起負收益;“實時模式”能夠?qū)崿F(xiàn)亞熱帶季風(fēng)性氣候地區(qū)的利潤率增量極大化。在“實時模式”下,熱回收系統(tǒng)運行產(chǎn)生的利潤率增量,各氣候特征城市數(shù)值有所不同;其中,通過控制子系統(tǒng)的調(diào)節(jié),“常開模式”下利潤率增量越低的城市,實施調(diào)節(jié)后的利潤率增量,反而更高,最顯著的是,運行于亞熱帶季風(fēng)性氣候地區(qū)的啟停控制調(diào)節(jié)下礦井排風(fēng)流熱回收系統(tǒng),例如,安徽淮南從-0.33 提高至0.02,增量達到0.35。

        4 結(jié) 語

        針對礦井排風(fēng)流熱回收系統(tǒng)的熱工收益問題,應(yīng)用不可逆非恒溫?zé)嵩纯諝鉄岜醚h(huán)與有限時間經(jīng)濟方法,推導(dǎo)出系統(tǒng)利潤率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系式,數(shù)值計算而得出,隨著環(huán)境溫度的增大,無因次利潤率減少,環(huán)境溫度與利潤率呈線性關(guān)系;熱回收系統(tǒng)的適用地域,具有氣候分區(qū)特征,特別適宜于溫帶大陸性氣候區(qū);提出一種用于礦井排風(fēng)熱回收系統(tǒng)的啟??刂屏鞒碳捌渌惴?,使該系統(tǒng)能適用于亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)。

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