噴油溫度對(duì)余熱回收高溫?zé)岜脵C(jī)組性能的影響

噴油溫度對(duì)余熱回收高溫?zé)岜脵C(jī)組性能的影響

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出，如何有效利用能源，回收各種能源，減少對(duì)環(huán)境的污染是人們關(guān)注的問(wèn)題。熱熱泵是解決能源和環(huán)境問(wèn)題的非常有效的技術(shù)。30.50廢水中的殘余通過(guò)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(guò)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(shí)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(jí)能量和低可用性。因此，利用熱回收熱量，在原油開(kāi)采過(guò)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫?zé)岜脵C(jī)組的研究主要集中在開(kāi)發(fā)合適的混合工質(zhì)適應(yīng)已有的熱泵機(jī)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(kāi)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(jī)組中,使得機(jī)組最高出水溫度達(dá)到了85℃.天津大學(xué)趙力等開(kāi)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(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試,機(jī)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(duì)已有的熱泵性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn),機(jī)組最高出水溫度為70℃.以上文獻(xiàn)對(duì)混合工質(zhì)研究較多,但對(duì)高溫?zé)岜脵C(jī)組的性能研究較少.本文采用的方法主要在高溫?zé)岜脵C(jī)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(yùn)行要求,提高熱泵的出水溫度,并重點(diǎn)研究了帶有油冷卻器的高溫?zé)岜脵C(jī)組的性能.本文對(duì)余熱回收高溫?zé)岜弥械暮诵牟考輻U制冷壓縮機(jī)進(jìn)行了介紹,從理論上分析了油冷卻對(duì)高溫?zé)岜脵C(jī)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(jī)的排氣溫度,增加了機(jī)組的可靠性和能效比.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在加入油冷卻器后高溫?zé)岜脵C(jī)組可以在出水溫度為85℃的工況下穩(wěn)定運(yùn)行,能效比較高,同時(shí)發(fā)現(xiàn)降低噴油溫度可以提高機(jī)組在高溫工況下的制熱能效比.1泵機(jī)組性能分析理論分析在高溫?zé)岜脵C(jī)組中由于采用單一工質(zhì)R134a,在冷凝溫度75℃以上時(shí),冷凝壓力較高,壓縮機(jī)排氣壓力可達(dá)3MPa以上,壓縮機(jī)的排氣溫度較高.排氣溫度在120℃以上時(shí)會(huì)損壞壓縮機(jī),因此如何有效地降低壓縮機(jī)的排氣溫度是高溫?zé)岜脵C(jī)組運(yùn)行中的難點(diǎn).本文采用油冷卻的方法來(lái)降低壓縮機(jī)的排氣溫度.噴油溫度的高低直接影響壓縮機(jī)的性能和熱泵機(jī)組的性能.潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)油冷卻器冷卻后噴入壓縮機(jī)中,若油溫低則壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程更接近等溫過(guò)程.從楔型潤(rùn)滑模型中阻力的計(jì)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(zhǎng)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(rùn)滑油膜穩(wěn)定,這對(duì)減少氣體的泄漏量是有利的,并從微觀上提高了壓縮機(jī)的容積效率.但是,油溫低、黏度大又會(huì)造成摩擦損耗增加,各種攪拌損失增加,進(jìn)而造成壓縮機(jī)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(jī)的容積效率隨噴油溫度的降低而增大,壓縮機(jī)的功耗減小.不同的是,噴油量不同時(shí),這種增大的幅度不同.總體來(lái)說(shuō),噴油溫度低對(duì)壓縮機(jī)容積效率的提高是有利的.因此,利用油冷卻來(lái)降低壓縮機(jī)的噴油溫度,可以減小熱泵機(jī)組的功率、降低壓縮機(jī)的排氣溫度和提高機(jī)組的性能系數(shù).2高溫工質(zhì)機(jī)組圖1為余熱回收高溫?zé)岜脵C(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括高溫?zé)岜脵C(jī)組和水路系統(tǒng).本文研究的高溫?zé)岜脵C(jī)組所采用的壓縮機(jī)為臺(tái)灣復(fù)盛的半封閉雙螺桿制冷壓縮機(jī),排氣量為180m3/h.機(jī)組名義制熱量為200kW,設(shè)計(jì)出水溫度為85℃.根據(jù)文獻(xiàn)中對(duì)于高溫工質(zhì)的理論計(jì)算與分析,機(jī)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(jī)組成本,提高運(yùn)行可靠性.壓縮機(jī)采用的潤(rùn)滑油為Solest120型潤(rùn)滑油.實(shí)驗(yàn)時(shí)在高溫?zé)岜脵C(jī)組中加入油冷卻器,通過(guò)調(diào)節(jié)噴油溫度來(lái)降低壓縮機(jī)的排氣溫度.測(cè)試時(shí)在機(jī)組的各個(gè)測(cè)點(diǎn)均安裝有壓力和溫度傳感器,方便數(shù)據(jù)采集,其測(cè)量范圍為:壓力0～4MPa,精度±0.5%;溫度0～100℃,精度±0.1℃.測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中.3結(jié)果與分析3.1大按工況下,機(jī)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(cè)試了機(jī)組在出水溫度為70℃以上時(shí)的制熱能效比、制熱量Q、壓縮機(jī)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(jī)組冷凝溫度在85℃時(shí),仍然具有較高的能效比和制熱量.同時(shí),在大壓縮比時(shí),機(jī)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(jī)組能效比的變化為了研究變工況時(shí)熱泵機(jī)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(duì)熱泵機(jī)組的能效比、制熱量以及機(jī)組功率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.圖2為冷凝溫度變化時(shí)機(jī)組制熱能效比的變化情況.由圖2可以看出,機(jī)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(jī)組的能效比約減少11.43%.圖3為冷凝溫度變化時(shí)壓縮機(jī)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(jī)輸入功率約增加9.90%.通過(guò)對(duì)比分析可以看出,在冷凝溫度升高后,機(jī)組的制熱量和能效比都有呈線性下降的趨勢(shì),這是因?yàn)楫?dāng)冷凝溫度很高時(shí),機(jī)組中壓縮機(jī)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(jī)的效率降低,功率增大.另一方面,由于壓縮機(jī)功率增大,電機(jī)的溫度較高,制冷劑氣體進(jìn)入壓縮腔吸氣口時(shí)溫度升高,吸氣過(guò)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(jī)組壓縮機(jī)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(jī)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(guò)高對(duì)于壓縮機(jī)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(jī)的排氣溫度.為此,對(duì)高溫?zé)岜弥袎嚎s機(jī)的排氣溫度與噴油溫度的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與分析,圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)組中壓縮機(jī)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(cè)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(huì)造成冷凝焓差減少,兩項(xiàng)綜合,還是降低了熱泵機(jī)組的制熱量.隨著冷凝溫度的升高,噴油冷卻對(duì)制熱量的影響增大,圖5為油冷卻溫度對(duì)機(jī)組制熱量的影響(ΔQ/Q為機(jī)組制熱量變化的百分比),當(dāng)油冷卻溫度為45℃時(shí),制熱量的最大降幅可達(dá)2.5%.油冷卻也會(huì)造成熱泵機(jī)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(duì)機(jī)組功耗的影響(ΔW/W為機(jī)組輸入功率變化的百分比).油冷卻對(duì)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(shí),最大降幅近5.5%,但油冷卻對(duì)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(jī)排氣溫度的降低幅度比較大,同時(shí)機(jī)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(jī)組的能效比提高.4余熱回收高溫?zé)岜脵C(jī)組與運(yùn)行驗(yàn)證(1)本文依據(jù)楔形潤(rùn)滑模型,從理論上分析了高溫?zé)岜脵C(jī)組中油冷卻器的噴油溫度對(duì)壓縮機(jī)和熱泵機(jī)組性能的影響,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)的排氣溫度控制在110℃以下,使得壓縮機(jī)能夠正常運(yùn)行.(2)本文研制的余熱回收高溫?zé)岜脵C(jī)