吸附式燃气涡轮机尾气制冷系统的研究

文章编号:　1005—0329(2004)01—0049—03
吸附式燃气涡轮机尾气制冷系统的研究
齐朝晖1,胡德胜1,李定宇2
(11中南大学,湖南长沙　410075;21湖南定宇制冷有限公司,湖南长沙　410007)
摘　要:　开发了以燃气涡轮发电机尾气余热驱动的,用于污水处理的吸附式制冷样机,并对样机进行了实验测试,测试结果表明该样机能满足污水处理的需要。

关键词:　燃气涡轮发电机;吸附制冷;污水处理
中图分类号:　T B61 文献标识码:　A
R esearch on Adsorption R efrigeration System Driven by Exhaust H eat of G as E lectric G enerator
QI Zhao2hui1,H U De2sheng1,LI Ding2yu2
(11Central S outh University,Changsha　410075,China;　21Hunan DY Refrigeration C ompany,Changsha410007,China)
Abstract:　A prototype of ads orption refrigeration machine is developed1It is driven by exhaust heat of gas electric generator and used in waste water cleaning and recovery.The prototype is experimental tested and results show that it is suitable for the need of waste water cleaning and recovery.
K ey w ords:　gas electric generator;ads orption refrigeration;waste water cleaning and recovery
1　引言
冷热电联产(CCHP)系统是由燃气涡轮发电机组、利用燃气涡轮机余热的热能制冷系统、热泵系统和有关的传输、控制系统组成,不仅有较高的能量利用效率,而且在使用上有很大的灵活性,能够因地制宜,对动力和热量有效地综合利用,其能源综合利用效率在80%以上[1]。

CCHP系统产生的冷量一般提供给建筑物内的空气调节系统,故一般采用吸收式制冷机来回收燃气涡轮机尾气余热。

不同功能的建筑物,其对空调制冷的需求量是不同的。

近年来,燃气涡轮发电机呈现越来越小型化的发展趋势,出现了部分应用面积为1000～2000m2的中小型建筑,额定功率仅为30～50kW 的小型燃气涡轮发电机。

这部分建筑对空调制冷和供热的需求量均不大,原有的热泵系统完全满足其对冷、热量的需求,此时将燃气涡轮机尾气余热用于直接供热和空调用制冷均不合适,必须开辟燃气涡轮机尾气余热利用的新途径。

日本明电株式会社提出了小型燃气涡轮机尾气余热利用的新途径,即利用热能制冷技术回收燃气涡轮机尾气余热,而将产生的冷量用于建筑物污水的冷冻处理,将污水变为可供建筑物内盥洗用的“中水”。

实现这一设想的关键是选用经济、合理的热能制冷技术。

以下本文将介绍新开发的用于污水冷冻处理的吸附式燃气涡轮机尾气制冷样机。

2　吸附式制冷系统的设计
吸附式制冷系统由吸附床、蒸发器、冷凝器、阀门和管道组成[2]。

其中,吸附床是系统的“心脏”,其性能是影响系统性能的一个最关键因素[3]。

针对具体的热源条件,必须对床内的传热传质特性进行分析,才能对吸附床结构进行优化设计,提高吸附床性能和系统效率。

收稿日期:　2003—04—04
基金项目:　科技部技术创新基金资助项目(00C26214300860)94
2004年第32卷第1期 流　体　机　械
额定功率为30kW 的燃气涡轮发电机组的尾
气参数为:质量流量860kg/h ,尾气温度280℃(明电社提供)。

本文采用文献[3]建立的数学模型对吸附床传热传质特性进行了数值分析,并对其结构进行了优化设计。

该吸附床采用由若干单元发生管组成的翅片管式结构,这一点与文献[3]一样,所不同的是,构成吸附床的单元发生管数目增加了一倍,而单元发生管的长度则缩短了40%。

数值分析的结果表明,本文采用的吸附床结构,虽然总质量和材料成本比文献[3]的吸附床增加了20%,但针对本文具体的热源条件,其吸附和脱附
制冷剂的能力则提高了12%,即吸附床的性能提
高了12%。

该吸附式制冷系统采用三组吸附床[3],通过阀门切换燃气涡轮发电机尾气依次加热各吸附床实现连续制冷,制冷循环为三床基本循环(三效冷环),采用板式换热器为蒸发器和冷凝器。

因为该吸附式制冷系统的目的是冷冻污水,所以设立了供实验用的冷冻水池,采用乙二醇不冻液作为中间载冷剂,乙二醇不冻液由溶液泵驱动,在冷冻水池和蒸发器之间进行冷量传递,乙二醇不冻液与冷冻水池之间的冷量传递通过螺旋管换热器实现。

图1为该吸附式燃气涡轮机尾气制冷样机原理图。

图1　吸附式燃气涡轮机尾气制冷样机原理图
3　测试结果及分析
为了测试样机性能,对该样机进行了5h 的连续运行和系统测试,并对相关参数进行了实时数
据采集,数据采集的时间间隔为2min 。

图2为样机连续运行时冷凝压力的变化情况,图3为蒸发压力的变化情况,图4为乙二醇不冻液进、出蒸发器的温度差所反映的实时制冷功率。

图2　冷凝压力—
时间关系曲线
图3　蒸发压力—时间关系曲线
由图2可知,冷凝器在长时间系统运行中性
能较稳定,在今后的产品设计中,在保证冷凝换热量的前提下,可以考虑采用空气冷却等更简单的方式冷却冷凝器。

而由图3可看出,蒸发器在长时间运行中性能不够稳定,波动性较大,这主要是由于影响蒸发器性能的因素较多,如吸附剂对吸附质的吸附速度、载冷剂与蒸发器的换热效果,外界环境条件变化带来的干扰等。

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F LUI D M ACHI NERY Vol 132,No 11,2004
图4　冷量输出功率—时间关系曲线
由图4可得出如下结论:
(1)在蒸发器性能不够稳定、蒸发压力波动较大的情况下,冷量输出功率的波动幅度较蒸发压力小,除样机运行的最后一段时间外,整个系统的性能表现出一定的稳定性,这表明整个系统在冷量的输出上表现出一定的“鲁棒”性;
(2)在样机的整个运行阶段,系统冷量的平均输出功率为6kW,而一组吸附床在一个脱附周期(25min)的总脱氨质量为9.43kg,其对应的理想制冷功率为8.36kW,实际冷量输出功率仅为理想制冷功率的72%,系统的冷量损失达到了28%,此时可以采取相关措施来进一步提高冷量的最终输出功率,如:缩短制冷剂、载冷剂传输距离,采用更高效的换热器结构实现冷量在各部件间的传递等;
(3)在样机运行的最后时间段,由于在水池中螺旋管换热器表面形成冰层,冷量从载冷剂向水的传递变得困难,使载冷剂乙二醇本身的温度迅速下降,冷量的输出功率也发生衰减,这对于系统的性能造成了影响,也在一定程度上影响了水冷却的效果,在今后的产品设计中应采取措施加强水池的换热效果,尽量避免在换热器表面形成冰层。

经过5h的运行,水池中共有1100kg水由20℃降至0℃(水池内已开始结冰),达到污水冷冻处理的要求,由此可推算出该样机每天能通过冷冻法处理污水近5.3t,通过有效措施进一步提高吸附床的性能、减少系统的冷量损耗,污水处理量还能有一定的提高。

4　结论
本文研发的吸附式燃气涡轮机尾气制冷样机具有一定的污水处理能力,该样机的成功研发,不仅为吸附式制冷技术开辟了新的应用领域,而且对燃气涡轮发电机能源综合利用效率的提高和利用范围的拓展,都具有积极的指导意义。

参考文献:
[1]　王义芳.冷热电联产系统的技术经济分析[J].中国
能源,1995,13(4):152181
[2]　齐朝晖,等.基于余热回收的三效冷环吸附式制冷
系统的系统分析和实验研究[J]1流体机械,2002,30
(5):452481
[3]　齐朝晖,汤广发,李定宇.化学吸附式制冷系统传热
传质的数值模拟和实验研究[J].制冷学报,2002,23
(3):1261
作者简介:齐朝晖(1968-),男,讲师,博士,主要研究方向为热能制冷技术和制冷过程中的强化传热技术,通讯地址:410075湖南长沙市韶山南路22号中南大学土木建筑学院建筑环境与设备工程系。

(上接第54页)
513　压缩机控制
室外机组设双压缩机,其中1台为变频调节、1台为双位调节,根据回风温度和蒸发温度对压缩机实行台数控制和变频调节,以适应负荷变化。

参考文献:
[1]　陈焰华,等.住宅建筑空调方式的设计选择[J].暖通
空调,2001,(4):29-321
[2]　郎四维,等.《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》
简介[J]1暖通空调,2001,31(4):12-151[3]　殷平.中央空调———现代住宅的最佳选择[J].现代
空调,1999,(2):41-50.
[4]　涂光备,等.邻户传热对分户热计量的影响[J].暖通
空调,2002,(1):32-36.
[5]　电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册
[M].北京:中国建筑工业出版社,19951
[6]　陆耀庆1实用供热空调设计手册[M]1北京:中国建
筑工业出版社,19931
作者简介:刘泽华(1966-),男,工学硕士,教授,院长,通讯地址:421001湖南衡阳市南华大学建筑工程与资源环境学院。

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2004年第32卷第1期 流　体　机　械 。