噴油溫度對余熱回收高溫?zé)岜脵C組性能的影響

噴油溫度對余熱回收高溫?zé)岜脵C組性能的影響

隨著能源和環(huán)境問題日益突出，如何有效利用能源，回收各種能源，減少對環(huán)境的污染是人們關(guān)注的問題。熱熱泵是解決能源和環(huán)境問題的非常有效的技術(shù)。30.50廢水中的殘余通過熱回收循環(huán)從70.90轉(zhuǎn)化為有效熱水。它可直接用于供暖和一般工業(yè)加熱。殘余熱回收終端采用清熱回收法，在原油加熱過程中回收油、廢水，用濃油外包加熱，并起到代替加熱爐的作用。由于今天使用的加熱爐使用的是燃燒重油、渣油或石油天然氣。事實上，這種燃料使用的能源利用不同于最高水平的燃料，具有低等級能量和低可用性。因此，利用熱回收熱量，在原油開采過程中從油中分離出的剩余熱水得到熱回收，并在70.90下生產(chǎn)70.90的熱水。原油加熱爐用于加熱管道，降低原油粘度，提高能源利用率，降低能耗，限制廢水排放，減少熱污染，提高環(huán)境。目前,國內(nèi)外學(xué)者對高溫?zé)岜脵C組的研究主要集中在開發(fā)合適的混合工質(zhì)適應(yīng)已有的熱泵機組,使其達(dá)到高出水溫度的要求.清華大學(xué)的劉南希等開發(fā)了一種綜合性能較好的混合高溫工質(zhì)HTR01,并將其應(yīng)用到熱泵機組中,使得機組最高出水溫度達(dá)到了85℃.天津大學(xué)趙力等開發(fā)了兩種用于高溫?zé)岜玫幕旌瞎べ|(zhì),并且搭建了高溫?zé)岜脵C組實驗臺進(jìn)行性能測試,機組的最高出水溫度為75℃.南非的Meyer利用R22/R142b的混合工質(zhì)對已有的熱泵性能進(jìn)行實驗,機組最高出水溫度為70℃.以上文獻(xiàn)對混合工質(zhì)研究較多,但對高溫?zé)岜脵C組的性能研究較少.本文采用的方法主要在高溫?zé)岜脵C組中增加油冷卻器,以適應(yīng)現(xiàn)在已有的單一工質(zhì)的運行要求,提高熱泵的出水溫度,并重點研究了帶有油冷卻器的高溫?zé)岜脵C組的性能.本文對余熱回收高溫?zé)岜弥械暮诵牟考輻U制冷壓縮機進(jìn)行了介紹,從理論上分析了油冷卻對高溫?zé)岜脵C組性能的影響,并采用在系統(tǒng)中加入油冷卻器的方法有效地降低了壓縮機的排氣溫度,增加了機組的可靠性和能效比.實驗結(jié)果表明:在加入油冷卻器后高溫?zé)岜脵C組可以在出水溫度為85℃的工況下穩(wěn)定運行,能效比較高,同時發(fā)現(xiàn)降低噴油溫度可以提高機組在高溫工況下的制熱能效比.1泵機組性能分析理論分析在高溫?zé)岜脵C組中由于采用單一工質(zhì)R134a,在冷凝溫度75℃以上時,冷凝壓力較高,壓縮機排氣壓力可達(dá)3MPa以上,壓縮機的排氣溫度較高.排氣溫度在120℃以上時會損壞壓縮機,因此如何有效地降低壓縮機的排氣溫度是高溫?zé)岜脵C組運行中的難點.本文采用油冷卻的方法來降低壓縮機的排氣溫度.噴油溫度的高低直接影響壓縮機的性能和熱泵機組的性能.潤滑油經(jīng)過油冷卻器冷卻后噴入壓縮機中,若油溫低則壓縮機的壓縮過程更接近等溫過程.從楔型潤滑模型中阻力的計算式進(jìn)行分析Fx=2μulhmax?hmin(2lnhmaxhmin?3hmax?hminhmax+hmin)(1)Fx=2μulhmax-hmin(2lnhmaxhmin-3hmax-hminhmax+hmin)(1)式中:Fx為阻力;μ為油的黏度;u為油滴的速度;l為油膜的長度;hmax、hmin分別為油膜高度的最大、最小值.從式(1)可以看到,若油溫低,則油的黏度增加,Fx變大,間隙中所形成的潤滑油膜穩(wěn)定,這對減少氣體的泄漏量是有利的,并從微觀上提高了壓縮機的容積效率.但是,油溫低、黏度大又會造成摩擦損耗增加,各種攪拌損失增加,進(jìn)而造成壓縮機的功耗增加,絕熱效率下降.理論分析表明,在相同的噴油量和相同工況下,壓縮機的容積效率隨噴油溫度的降低而增大,壓縮機的功耗減小.不同的是,噴油量不同時,這種增大的幅度不同.總體來說,噴油溫度低對壓縮機容積效率的提高是有利的.因此,利用油冷卻來降低壓縮機的噴油溫度,可以減小熱泵機組的功率、降低壓縮機的排氣溫度和提高機組的性能系數(shù).2高溫工質(zhì)機組圖1為余熱回收高溫?zé)岜脵C組實驗系統(tǒng).本文實驗系統(tǒng)包括高溫?zé)岜脵C組和水路系統(tǒng).本文研究的高溫?zé)岜脵C組所采用的壓縮機為臺灣復(fù)盛的半封閉雙螺桿制冷壓縮機,排氣量為180m3/h.機組名義制熱量為200kW,設(shè)計出水溫度為85℃.根據(jù)文獻(xiàn)中對于高溫工質(zhì)的理論計算與分析,機組采用R134a作為高溫工質(zhì),相比使用混合工質(zhì)可以有效地降低機組成本,提高運行可靠性.壓縮機采用的潤滑油為Solest120型潤滑油.實驗時在高溫?zé)岜脵C組中加入油冷卻器,通過調(diào)節(jié)噴油溫度來降低壓縮機的排氣溫度.測試時在機組的各個測點均安裝有壓力和溫度傳感器,方便數(shù)據(jù)采集,其測量范圍為:壓力0～4MPa,精度±0.5%;溫度0～100℃,精度±0.1℃.測量的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集并存儲到計算機中.3結(jié)果與分析3.1大按工況下,機組的能效比和制熱量在變蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的情況下,測試了機組在出水溫度為70℃以上時的制熱能效比、制熱量Q、壓縮機壓縮比等性能參數(shù),其典型的高溫工況范圍如表1所示,可以看出機組冷凝溫度在85℃時,仍然具有較高的能效比和制熱量.同時,在大壓縮比時,機組仍然具有較高的能效比和制熱量.3.2不同冷凝器溫度下機組能效比的變化為了研究變工況時熱泵機組性能參數(shù)隨著冷凝溫度的變化情況,在蒸發(fā)溫度為25～40℃、冷凝溫度為55～85℃的工況下對熱泵機組的能效比、制熱量以及機組功率進(jìn)行了實驗研究.圖2為冷凝溫度變化時機組制熱能效比的變化情況.由圖2可以看出,機組能效比隨著冷凝溫度的升高而降低,冷凝溫度每升高5℃,機組的能效比約減少11.43%.圖3為冷凝溫度變化時壓縮機輸入功率的變化情況.可以看出,輸入功率隨著冷凝溫度的升高而升高,冷凝溫度每升高5℃,壓縮機輸入功率約增加9.90%.通過對比分析可以看出,在冷凝溫度升高后,機組的制熱量和能效比都有呈線性下降的趨勢,這是因為當(dāng)冷凝溫度很高時,機組中壓縮機的壓縮比和排氣溫度較高,壓縮腔中氣體的泄露量增大,壓縮機的效率降低,功率增大.另一方面,由于壓縮機功率增大,電機的溫度較高,制冷劑氣體進(jìn)入壓縮腔吸氣口時溫度升高,吸氣過熱度增大,造成吸氣比容增大,容積效率下降.3.3高溫?zé)岜脵C組壓縮機排氣溫度變化量的確定從表1可以看到,高溫?zé)岜弥袎嚎s機的排氣溫度隨著冷凝溫度和壓縮比的增大而升高.排氣溫度過高對于壓縮機有不利的影響,因此在高溫?zé)岜弥斜仨氂行У乜刂茐嚎s機的排氣溫度.為此,對高溫?zé)岜弥袎嚎s機的排氣溫度與噴油溫度的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了實驗研究與分析,圖4為實驗測得的噴油溫度與排氣溫度的變化曲線,并且近似擬合出了線性關(guān)系ΔTd=0.112Toil?11.4(2)ΔΤd=0.112Τoil-11.4(2)式中:ΔTd為高溫?zé)岜脵C組中壓縮機排氣溫度的變化量(℃);Toil為噴油的溫度(℃).根據(jù)式(2)可以預(yù)測出所需要的噴油溫度,進(jìn)一步可以算出所需噴油量的大小.噴油冷卻降低了排氣溫度,但由于排氣溫度的降低會造成冷凝焓差減少,兩項綜合,還是降低了熱泵機組的制熱量.隨著冷凝溫度的升高,噴油冷卻對制熱量的影響增大,圖5為油冷卻溫度對機組制熱量的影響(ΔQ/Q為機組制熱量變化的百分比),當(dāng)油冷卻溫度為45℃時,制熱量的最大降幅可達(dá)2.5%.油冷卻也會造成熱泵機組功耗下降,相比較而言,下降幅度不大.圖6為不同冷凝溫度下噴油冷卻對機組功耗的影響(ΔW/W為機組輸入功率變化的百分比).油冷卻對功耗的影響也是隨著冷凝溫度的升高而增大,當(dāng)油冷卻溫度為45℃時,最大降幅近5.5%,但油冷卻對制熱能效比的影響還是比較顯著的,特別是在高冷凝溫度下,制熱能效比最高升幅達(dá)6.3%,能效比的升高幅度同樣隨著冷凝溫度的升高而增大.綜合分析油冷卻的影響可以看出,在高冷凝溫度下,噴油冷卻使壓縮機排氣溫度的降低幅度比較大,同時機組的制熱量與功率減小.由于制熱量減小的幅度較小,功率的減小幅度較大,二者的比值增大,因此機組的能效比提高.4余熱回收高溫?zé)岜脵C組與運行驗證(1)本文依據(jù)楔形潤滑模型,從理論上分析了高溫?zé)岜脵C組中油冷卻器的噴油溫度對壓縮機和熱泵機組性能的影響,并通過實驗驗證了在高溫?zé)岜弥屑尤胗屠鋮s器后可以有效地將壓縮機的排氣溫度控制在110℃以下,使得壓縮機能夠正常運行.(2)本文研制的余熱回收高溫?zé)岜脵C