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新型等溫壓縮/膨脹與熱力循環技術探析<三>

  【壓縮機網】摘要:本文簡要介紹了一種全新的氣體壓縮機工作方法原理,可實現最接近理論等溫過程的壓縮與膨脹,已獲得國家方法發明專利(授權公告號:CN  110848151 B)。通過其基本的工作原理、

  理論模型、數據、基礎計算方法,論證了等溫壓縮的能效,以及該技術路線實現對機械方面的要求。最后探討了氣態工質(近)等溫壓縮得以實現,對于熱力循環帶來的影響,提出了基于工質等溫壓縮/膨脹時,在各種工況下最理想熱力循環的基本理論模型,以及對熱機熱、能源環境變革性的影響。

  文/張桂偉

  接上期——>

  外燃機

  外燃機和外熱機主要區別是,外燃機由燃料燃燒提供熱量來源,為了盡可能提高燃燒溫度,同樣需要提高燃燒前空氣和燃料的溫度,需要尾氣來預熱。因此這部分熱不能從燃燒產物傳遞給工質,只能由絕熱壓縮機,把工質壓縮到對應溫度。典型的例子就是燃煤燃氣發電熱力機組。

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  外燃熱機的循環(等溫壓縮-絕熱壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹),(紅色部分)如果鍋爐燃燒側不進行回熱,例如核反應堆就不需要回熱,則循環過程按照外熱循環熱機進行(等溫壓縮—等壓吸熱—絕熱膨脹)。

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  與現在主流的朗肯循環(主要的火電廠在用)對比,工質的吸熱溫度不再是定溫吸熱,避免了目前朗肯循環中,工質在鍋爐內等溫吸熱造成的不可逆損失。1000多度對374度的臨界溫度傳熱,從理論上可節約10%到40%的煤炭(估計)。理論上優于任何正在發展的新技術,例如超超臨界鍋爐?;責嵫h、燃氣布雷頓聯合循環等,這些循環都在盡量接近等溫熱力循環。

  如果熱源溫度過高,導致系統壓力過大,材料不能承受壓力,可選用絕熱指數高的工質,或者等溫壓縮機因為材料原因不能提高相應的高壓力,可以采用等溫壓縮-等容加熱-絕熱膨脹的循環過程,降低對等溫壓縮段的技術要求,相應的對于絕熱膨脹側的耐用要求會提高。也可以多級熱機串聯,例如核電站熱力機組、高溫氣冷堆或者未來的可控核聚變反應堆,多級串聯還可以降低核泄漏風險,多增加一級熱機,則多增加一個熱交換器,以及一個熱交換溫差損失。

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  研究表明,內燃機的最高溫度不宜超過2000K,因為高溫下會生成氮氧化物,造成污染,以及燃燒生成物的吸熱分解反應,降低內燃機效率。那么降低內燃機的排熱溫度,間接提高效率就是一條可行的技術路線。對于火電廠來說,朗肯循環的放熱溫度是定溫且較低的,但是工質在吸熱時,有一個定溫吸熱過程。本發明的等溫壓縮機,從理論上解決的等溫壓縮問題,使該技術路線具備了一定的可行性。

  相比較來說,等溫循環在中低溫熱源的利用上,例如工業余熱、太陽能、地熱以及壓縮空氣儲能、顯熱儲能等方面的優勢更明顯一些。和目前的技術方案對比,其理論上的提高可以完全轉化為實際上效率的提高,因此目前的技術方案實際效率都是要扣除機械方面的損失的。兩者機械損失一致或者相差不大的前提下,理論提高的部分都可以轉化為實際效率。當然也會有一些局限性,例如作為壓縮空氣儲能時,因為要與大氣中的空氣接觸,其中的灰塵可能會積聚在壓縮液中,因此壓縮機只能選用水。這類便宜易補充的物質,又帶來了水在低溫下容易凍結的問題,這些問題都需要解決。

  制熱循環

  制熱循環是熱機循環的逆循環,制熱熱消耗凈功,驅動工質循環,把熱量從溫度為T2的低溫熱源,搬運給初始溫度同樣為T2的制熱目標,一般是水或者空氣,使目標溫度升高到T1。

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  目前制熱制冷技術原理都一樣,大多采用壓縮蒸汽循環,只是利用的冷熱端不一樣。壓縮蒸汽循環,可以進行等溫放熱,但是我們要清楚,目標溫度的上升是一個累積的過程,溫度還處于T2時,直接傳遞給它略高的溫度,而不是直接T1這樣就產生了不必要的不可逆損失。理論損失都在冷凝器端,等溫循環比壓縮蒸汽循環節能約40%左右,但是有工質流量遠大于壓縮蒸汽循環大、流動損失會高的缺點。不過氣體制冷制熱有一個優點,不需要會破壞臭氧層的制冷劑,壓縮過的二氧化碳應該是比較好的工質。

  在用于室內空調制熱時,室內起始溫度高于室外,需要對循環進行修正,需要增加一個絕熱膨脹過程,此時比壓縮蒸汽循環節能幅度有所減少,但大概也能節能10%到30%。如果是類似以熱泵加熱水,以獲得常壓蒸汽這樣的工況,則本循環理論上基本沒節能效果。

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  下邊是簡單計算,前面證明熱機時已經計算過制熱的理論功耗了,把一噸水從溫度0度,環境溫度0度的情況下,制熱到100度,理論最低功耗18度電。等溫膨脹環節和逆向換熱環節,溫差都是10度時,功耗24度?,F在來算下,逆卡諾循環的理論最低功耗,420000000/(1-273/373)至少需要31.27千瓦時的功,如果也加上兩個10度溫差的換熱溫差,則需要36.5度電。本循環的功耗是現在熱泵技術的58%到66%,如果用電熱絲加熱,則功耗達到116度電。

  制冷循環與以熱制冷循環

  制冷循環消耗凈功,把熱量從目標中轉移到大氣環境中去,制冷目標的溫度同樣會是逐次下降,溫度從T1降低到T2。

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  現有應用最多的也是壓縮蒸汽制冷循環,同樣是等溫吸熱,所以也有不可逆損失,損失在蒸發器端。理論上,等溫熱力循環中的制冷循環相比可以節約40%左右的功耗,但是有工質流量大、流動損失會高一點的缺點。

  和制熱問題同樣的是,如果是空調制冷,室內外溫差同樣會抵消部分節能優勢,此時需要增加過程,修正影響,節能幅度會降低,只能比目前的壓縮蒸汽循環節能20%左右。

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  還可以做成開放式,以室內空氣作為工質,直接壓縮,通過絕熱壓縮-等溫壓縮-絕熱膨脹以后,直接排放回室內。優點有減少一個熱交換器,節約成本并減少一個換熱溫差損失,更加節能,避免空氣中濕度過度凝結??諝庵械乃魵鈺ε蛎涍^程造成一定影響,減少一些膨脹功,但不影響制冷量。出口空氣濕度飽和,比現在傳統空調接觸更低溫度的蒸發器,凝結水量減少。傳統空調過多的冷凝水過多冷凝了室內空氣所含水蒸氣,使室內空氣過于干燥,容易得空調病。開放循環則避免了這一點,缺點是壓縮機流量更大,和室內循環風量相同,雖然取消了室內循環風機以及所耗電能,但對壓縮機的壓縮液可能積累灰塵,只能用比較容易補充的水,并且安裝不便(需要打大通氣孔)。

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  制冷循環不適合冰箱、冷庫等工況,冰箱內和冰箱外,溫度相對恒定,需要的相對制冷量低的工況,對比目前的壓縮蒸汽循環幾乎沒理論上的優勢,還有氣體熱容小、流動大的缺點。

  以熱制冷混合循環,因為熱機和制冷都包含等溫壓縮過程,所以兩者可以聯合循環,以熱為動力直接獲得低溫,達到少耗能,不耗能,甚至還有盈余的目的。例如室外環境空氣溫度30度,有60度的熱水可用,理論上可以獲得等量的0度的水(約值)。如果加上10度的換熱溫差,想要不耗功制冷,至少需要熱源到90度以上,或者1.3倍量的熱源。

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  或者等溫壓縮完成以后分流,一部分完成熱機循環,一部分完成制冷循環。

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  這個循環適合做太陽能空調,效率遠高于溴化鋰吸收制冷,成本也很低,夏天基本不用電。如果還有多余的熱量,可以通過水這種容量大、便宜的工質顯熱儲能。晚上使用,一噸水100度溫差的儲熱,通過高效的熱機循環,可儲能10千瓦時左右。春秋季不需要空調的季節,熱機端,還可以作為太陽能分布式電站發電上網。

  制冷與制熱循環,從理論來說大多數工況下,功耗低于目前主流的壓縮蒸汽循環,但優勢并不是那么明顯。在冰箱、冷庫這類工況下,并無優勢。最大的問題就是氣體膨脹的單位制冷量,遠低于氣液相變的吸放熱量,帶來的問題就是循環工質的流量遠遠大于壓縮蒸汽技術方案。由此帶來的機械方面的損失不容忽視,因此是不是可以替代壓縮蒸汽技術方案,需要進一步研究論證。

  冷機循環

  冷機循環是指以大氣環境為高溫熱源,低于大氣環境溫度的熱源為低溫熱源,進行的正循環,例如低溫的深層海水,工質在等溫膨脹過程中從大氣環境中吸收熱量,然后通過逆向換熱器,定壓向低溫熱源放熱,然后通過絕熱壓縮完成循環。

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  目前對低溫熱源的利用,以低溫海水發電為最常見形式。一般采用有機朗肯循環(因為細節不易表現,圖40以卡諾循環替代),工質的吸熱溫度略低于大氣環境溫度,放熱溫度略高于低海水溫度。因為工質是等溫放熱,所以抽取的海水高于放熱溫度的部分,不能被利用,只能排放掉。等量條件下,可利用的熱量有限,提高工質的放熱溫度,降低了熱效率,凈功反而會增加。由于可用的熱量增加了,這和內燃機熱效率超過一定數值后,凈功反而下降,熱效率最高時,凈功接近0一樣。所以在抽取的海水定量的前提下,冷機循環的凈功明顯高于有機朗肯循環。在輸出功一樣的前提下,冷機循環需要的海水量,低于有機朗肯循環。

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  冷機循環應該與熱機循環進行區分,因為熱環境完全不一樣。冷機循環一般可應用于低溫海水發電,如果以定量冷源為標準衡量,其循環銷量同樣高于有機朗肯循環,也可用于以低溫儲能的儲能系統。

  總結

  本發明提出的壓縮方法,使氣體等溫壓縮/膨脹進一步實現實用化,為優化熱力循環提高熱機熱泵效率明確了新的方向,定義了新的理論極限,在能源問題日益緊張,環保問題日益突出的今天,具有戰略意義。但這項技術和理論才剛剛起步,應用于以上所述熱力學設備中,也存在一些局限性。更新大多數熱力學設備的技術路線,是個龐大的系統工程,需要更多的論證、實驗、測試、改進、優化,總體來看本壓縮技術的原理簡單,加工制造容易,理論上節能增效效果明顯,只是需要更多的金屬資源,但還是有研究發展的價值。

  性價比最高的應該是太陽能空調,可以基本做到不耗電,春秋季有電費收入,還不需要會破壞臭氧層的冷媒;其次是太陽能儲熱發電或者電解氫氣,大中小型機組均適合,因為成本低,轉化效率高,對儲熱要求低,用普通水或者油以顯熱儲能即可。因為轉化的效率高,因此顯熱儲能的可利用非常高,一噸普通水100度溫差儲能即可達到10千瓦時的電能,完全可供千瓦級機組晝夜調控。如果遇見連續陰雨天,則通過大數據與冗余裝機量,和特高壓電網調控,燃煤和燃氣電站做備份,配合以等溫壓縮/膨脹的壓縮空氣儲能,讓新能源發電擺脫垃圾電的尷尬境地,且長期成本并不比火電高。中國中西部地區太陽能豐富,完全可以成為電網主力。這個經濟性可能不高,但是對國家能源戰略安全很重要。周圍的日韓經濟體、東南亞經濟體,都沒有大規模太陽能發電的條件,煤炭、石油、天然氣應作為化工原料,只有離網的飛機和遠洋貨輪需要內燃機,其他設備都應該電氣化。這種以中低溫熱為來源的熱機,還能為工廠企業直接提供動力,利用太陽能、地熱、企業自身產生的余熱等,直接驅動部分動力設備工作,或者制冷。節約的是工業電,比上網電價高很多; 再就是中大型熱力機組,用于取代朗肯循環和燃氣輪機做為火電廠、核電廠發電設備的熱功轉化設備、船舶、核潛艇,AIP潛艇的直接動力,可節約10%到40%的各種燃料。小型熱機的試裝性可能不好,如果用來驅動內燃機乘用汽車,需要帶上一個體積比較大的等溫壓縮機,明顯不適合各種噴氣類渦軸類發動機。雖然理論上沒問題,但噴氣類發動機體積功率比的要求遠高于節能??照{制冷、空氣能熱水器,因為工況影響,節能效果大約只有10%到30%,不適合冰箱這種小制冷量,或者冷庫這種相對小制冷量,維持溫差的工況。




  〈注:本文連載完!〉


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來源:本站原創

標簽: 熱力循環技術  

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