低品位烟气余热回收换热器热力学研究

低品位烟气余热回收换热器热力学研究

韩广怡

惠生工程（中国）有限公司北京分公司 北京市 100032

摘要：余热回收过程中所出现的冷凝现象会影响处理效果，并且冷凝期间的局部热流率以及熵产率显著增加，在本次研究中，在总结其中的理论基础之后，结合研究结果对低品位烟气余热回收换热器的热力学特性展开分析，总体而言，本文所研究的结果对于低品位热回收换热器的优化具有指导作用，值得关注。

前言：烟气；热回收换热器；热力学特征

前言：现阶段锅炉烟气会释放大量余热，不仅造成了环境污染，也引发了严重能源浪费，而烟气余热回收技术能够实现能源的回收利用，对碳减排有较大意义。从现有技术发展情况来看，低品位的热回收效率较低，但是依然具有广阔应用前景，可以为烟气余热回收热交换器的功能完成提供支持，值得关注。

1.低品位烟气余热回收的理论基础

低品位热量是指品味低、浓度小不被人们重视的热量，余热回收装置可以显著提高此类能源利用率，具有深远影响。在换热器中，烟气在内管中向下流动，而冷却水会在外管向上流动，在这个力学过程中，可将整个结构划分为多个长度单元^[1]。在本次研究中，做如下假设:1.壁面向环境无热量传递，2.烟气温度低于露点时会出现冷凝现象，3.在不考虑壁面阻力因素，则质量平衡与热量之间的关系可以按照公式①进行描述。

公式①

在公式①中，U为烟气传热系数；T为温度；b为体积系数；g为烟气； 为传质系数； 为潜热； 为摩尔系数；v为蒸汽； 为界面参数。

在热回收效率计算中，可以根据模拟烟气在出口的温度数据展开验算，根据烟气损失的热量来识别其中的热量损失情况。所以在低品位烟气热力学特征识别中，可以针对其中的损失的热量展开验算，则有公式②。

公式②

在公式②中， 为进气口的温度，单位为“℃”； 为出气口的温度，单位为“℃”； 代表气体比热容，单位为“kJ/（kg·℃）”；t代表循环一次需要花费的时间，单位为“min”；v为蒸汽； 为气体密度，单位为“kg/m³”。

为保证数据验算的有效性，本文根据热力学第二定律的相关内容，将熵产作为评估烟气余热回收水平的重要指标，并且针对从进气口到出气口的换热单元局部熵产做积分计算，则可以获得冷却水的熵率，在换热过程中，干烟气的熵产率会发生明显变化，而当烟气的温度低于露点时将会出现冷凝情况，并且这个过程往往会伴有不可逆转的损失情况。根据文献^[2]的研究经验，无量纲熵的产数受冷却水入口温度的影响，当冷却水温度变化的情况下，熵产数会产生与熵产率相同的变化。这是因为传热熵产要明显高于换热器流体阻力所造成的熵产情况，而总熵产则与传热熵产之间存在相关性，所以为简化验算过程，本次研究中不考虑因为流动阻力所引发的熵产情况。

2.结果与讨论

现代研究发现，当烟气温度低于露点温度时，潮湿的烟气可能会产生大量冷凝水，在这个过程中会释放大量潜热，与显热相比，潜热回收难度更低，所以余热回收系统中会吸收大量显热，但是潜热中往往会储存大量能量，为达到提高能源利用率的目的，应考虑充分回利用潜热。

根据换热器的设计参数，换热器传热速率与温度会随着水蒸气质量分数的变化而出现变化，其中的数据结构如图1所示。

图1 换热器内温度与传热速率的分布情况

根据图1所介绍的资料可以发现，烟气温度几乎以相同的趋势下降，此时证明换热器无冷凝情况。而当 =0.125以及 =0.15的情况下，烟气温度变化更加平稳，证明其下降趋势逐渐趋于稳定，则显示冷凝已经出现，并且冷凝时烟气温度会出现明显的转折点，根据其中的数据可以发现，随着水蒸气的质量分数的上升，则凝结现象的出现越早。

同时对不同水蒸气分数时热器管内的局部熵产率分布情况进行统计之后，得到如图2所示统计结果。

图2 不同水蒸气分数下熵产率分布情况

根据图2的数据可以发现，在本文设定的 =0.1、 =0.125、 =0.15的三种条件下，熵产率在任何条件下都有衰减的趋势，但是在 =0.125以及 =0.15条件下，后期熵产有进一步提升。并且在冷凝开始之后，其熵产率的升高，表明在传热区域下，潜热的释放会产生更大的熵产率。从数据分布情况来看，随着水蒸气质量分数增加，所对应的熵产率也会有显著提升。熵产率的分布与传热速率的分布特征基本相同，并且考虑到传热本身属于不可逆的过程，随着传热速率的增加，换热过程中会出现更严重的损失。所以根据这一结果，可以认为熵值对换热的影响不明显，故而本次研究中需要对数据做无量纲化。

热回收效率与水蒸气含量、熵产数之间存在关系，本文研究发现，热回收效率与熵产数变化趋势接近，随着水蒸气质量分数提升，热回收效率明显下降，两者之间可以发现明显的函数关系。当水蒸气质量分数进一步增加，会改变总热负荷，且烟气中所包含的潜热数量也会有显著提升，在这种情况下，烟气的潜热增加会影响热回收整体水平。

图 3 不同冷却水质量下熵产数和热回收效率的变化

如图3所示，冷却水质量流量发生变化的情况下，温度与传热速率的沿程也可能会出现数据变化，在不同的流量条件下都会有冷凝发生，且冷却水的质量越大，则冷凝现象的发生的越早。根据低品位烟气余热回收换热器的不同工况来看，在冷凝开始之后会出现更大的差异，并且这个差异与冷凝过程相比则有更加明显的差异。在这个过程中，冷却水质量与流量的增加势必会改变总热负荷，在冷凝开始之后，局部传热率水平也会出现变化，根据其中的数据变化幅度来看，传热速率与熵产率之间的变化趋势是相同的。

根据熵产数与热回收率、冷却水质量流量之间的关系分析结果可以发现，在烟气入口条件无变化的情况下，热回收效率会随着冷却水质量的提升而出现上升，相关数据呈现出单调递增变化趋势，但是这个过程中熵产数会出现先降低后提升的变化，在这个数据变化环节，虽然冷却水流量的变化会改变传热速率与熵产率水平，但是这个变化过程并非一成不变的，一般熵产值会在0.06 时取值最小。

最后根据烟气入口温度的变化，换热器内熵产率会随着温度的变化而变化，两者之间呈成正比例关系，即入口温度越高，则熵产率越大。而在冷凝发生之后熵产率也会受到该现象的影响而出现突增现象。除此之外，热回收效率与熵产数之间呈现出正比例关系，其中烟气的入口温度越低，则熵产数越低，其中在T=120℃、T=100℃的两个环境下出现的差值要明显高于T=100℃与T=80℃的差值，而在本次研究中，因为T=80℃下出现冷凝，此时烟气热回收效率会有明显提升。而在T=100℃的环境下热回收效率对应的换热性越满意。在这种数据变化情况下，考虑到评价指标的相同变化趋势，根据热力学的第一定律与第二定律所对应的数据结果可能会出现差异，所以在数据处理中，考虑到热力学的第一定律与第二定律成为影响最终评估结果的重要因素。

结束语：本文在对烟气低品位余热回收传热传质期间的冷凝现象，在冷凝发生后会导致局部传热速率的明显上升，在相同条件下随着水蒸气质量的增加，则冷凝现象出现的更快，冷凝期间会引发更剧烈的熵产率变化，尤其是的熵产数为0.06 时达到最小值，值得关注。

参考文献：

[1]王军御,刘汉涛,梁骁聪.基于离子液体的烟气余热回收存储系统研究[J].机械设计与制造工程,2021,50(04):97-100.

[2]李成宇,高振强,高明云,等.中高温烟气余热动力回收的复叠跨临界CO_2动力循环热力学分析[J].洁净煤技术,2020,26(05):70-76.