低温烟气余热两级回收装置设计与研究

摘要

许多燃烧装置在工作过程中会排放一定温度的烟气，例如，在我国北方大中城市大量使用燃气锅炉加热水供暖，燃气锅炉排烟约在100℃左右（称为低温烟气），这部分烟气直接排放会带来较大的热损失，如果能有效地对此部分余热加以回收利用，将有助于提高燃烧装置（如锅炉）的总体能效，具有重要的应用价值。
　　本文首先给出了一个低温烟气余热两级回收方案，该方案利用翅片管换热器和烟气-水热泵串联工作，深度回收低温烟气余热（包括显热和潜热），用于加热供暖回水，其中翅片管换热器为一级回收，热泵为二级回收;完成了排烟温度130℃、额定余热回收量70 kW的余热两级回收装置设计，并对一级翅片管换热器进行了性能试验研究，获得了有益的运行数据。
　　其次，建立了烟气-水热泵装置动态模型，进行了相应的软件仿真，得到了该装置在典型动态条件下（启动工况和扰动工况）的响应特征。仿真结果表明:开机工况是强动态响应，蒸发压力和冷凝压力大概在100s时达到稳定，其中快速响应时间为45s，蒸发温度和冷凝温度变大概480s时达到稳定状态，其中快速响应时间约200s;扰动工况一般是弱动态工况，不存在快速响应时间，提高烟气入口温度和质量流量以及提高冷却水入口温度都可以提高供热水温度，响应时间大约为300s。所开发的动态仿真软件亦可用于变工况分析。
　　最后，为了减小烟气翅片管换热器的烟气侧压降，作者提出采用椭圆管翅片管换热器代替圆管翅片管换热器;对椭圆管翅片管和圆管翅片管的气侧流动和换热特性进行了数值模拟，模拟采用标准k-ε湍流模型，迎面风速范围为1～10m/s，对比分析结果表明:基管面积相同的椭圆管翅片管和圆管翅片管，换热量差异不大（椭圆管翅片管略占优），但椭圆管翅片管的气侧阻力显著低于圆管翅片管，且迎面风速越高，椭圆管翅片管的优势越明显;对翅片间距和管间距对椭圆翅片管流动和换热特性的影响也进行了模拟，得到了有益的基础数据。
　　本文工作为低温烟气余热回收提供了一种有益的选择方案，对工程应用具有参考价值。

目录

声明

摘要

1 引论

1．1 背景

1．2 文献综述

1．2．1 国内外余热回收技术发展综述

1．2．2 椭圆管翅片管换热器研究概述

1．3 本文主要研究内容

2 两级余热回收装置设计与研究

2．1 余热回收装置方案

2．2 一级翅片管换热器设计与试验研究

2．2．1 一级翅片管换热器设计

2．2．3 一级翅片管换热器试验研究

2．3 热泵装置设计

2．3．1 二级翅片管换热器设计

2．3．2 冷凝器设计

2．3．3 蒸发器设计

2．3．4 压缩机选型

2．3．5 水箱设计

2．3．6 热泵装置配件选型

2．4 主要设备设计结果汇总

3 水回路烟气-水热泵装置动态特性

3．1 数学模型

3．1．1 二级翅片管换热器模型

3．1．2 蒸发器模型

3．1．3 压缩机模型

3．1．4 冷凝器模型

3．1．5 膨胀阀模型

3．1．6 制冷剂充注量模型

3．2 数学模型求解

3．3 结果与讨论

3．3．1 扰动工况

3．3．2 开机工况

3．3．3 小结

4 椭圆管翅片管烟气换热器性能研究

4．1 数值模型与求解方法

4．1．1 几何模型

4．1．2 数学模型

4．1．3 物性参数及边界条件

4．1．4 网格划分

4．2 模拟结果与讨论

4．2．1 圆管翅片管与椭圆管翅片管气侧压降和换热比较

4．2．2 椭圆管翅片间距对压降和换热的影响

4．2．3 椭圆管管间距对压降和换热的影响

4．3 小结

5 结论

致谢

参考文献