明 勇,蘇 文,周乃君

(1.常德學(xué)院 智能制造學(xué)院,湖南 常德 415000;2中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

電解鋁行業(yè)作為耗電大戶,年耗電量約占我國(guó)年發(fā)電量的8%。鋁電解槽的熱效率通常低于50%,有超過(guò)一半的能量以熱能的形式散失,回收利用這部分能量是電解鋁行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的一個(gè)重要舉措。有機(jī)朗肯循環(huán)是低品位余熱利用的首選技術(shù),針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究,對(duì)電解鋁行業(yè)的節(jié)能降耗有重要現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)ORC系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在熱源、工質(zhì)、系統(tǒng)組件等方面展開(kāi)。

Lombardo等[1]提出了以太陽(yáng)能為熱源的冷-熱-電聯(lián)產(chǎn)的ORC系統(tǒng)并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:由于此系統(tǒng)受太陽(yáng)輻射和天氣的影響較大,年平均運(yùn)行時(shí)間約為2 400小時(shí),系統(tǒng)效率為32%～42%,平均成本回收周期約為6年。Sorgulu等[2]以發(fā)酵的雞糞為熱源搭建了一個(gè)集燃燒和干燥一體的ORC實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:4百萬(wàn)只雞每天400噸雞糞燃燒提供的熱量可以產(chǎn)生2.3 MW的電量,系統(tǒng)的熱效率和效率分別為29.45%和28.05%。Cairano等[3]以乘用車(chē)輛的余熱回收為研究對(duì)象對(duì)不同氣候區(qū)域車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性開(kāi)展ORC實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在溫帶和寒冷地區(qū)的燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最大。在冷啟動(dòng)的條件下巴黎的燃油經(jīng)濟(jì)性為1.2%,在熱啟動(dòng)的條件下莫斯科的燃油經(jīng)濟(jì)性為2.2%。Araya等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式綜合比較了R245fa和其替代物R1233zd(E)的性質(zhì)。結(jié)果表明:由于R1233zd(E)較低的飽和壓力影響了系統(tǒng)的運(yùn)行,使其工質(zhì)流量下降了3%～21%,減少了蒸發(fā)器和冷凝器的換熱量。但是,系統(tǒng)熱效率的極值R1233zd(E)高0.4%。Wang等[5]研究了R245fa、R141b及其混合物對(duì)系統(tǒng)傳熱效率的影響。結(jié)果表明:當(dāng)混和工質(zhì)的組成為R245fa/R141b(0.5/0.5),油濃度為4%時(shí),相比于無(wú)油狀態(tài)系統(tǒng)換熱效率下降了20%。Gao等[6]設(shè)計(jì)了以液氮為冷源、循環(huán)水為低溫?zé)嵩吹幕責(zé)岷突綩RC系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn):系統(tǒng)最大輸出功為673.59 kW,相應(yīng)的熱效率和冷能利用率分別為6.78%和12.32%。Wang等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了混合工質(zhì)和純工質(zhì)的性能。結(jié)果表明:相比于純工質(zhì)(R245fa),混合工質(zhì)R245fa/R141b(0.5/0.5)的輸出功和熱效率分別提高了9.9%和13%。Zakeralhoseini等[8]設(shè)計(jì)了一種用于回收卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的小型渦輪泵,并對(duì)其開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:隨著單級(jí)渦輪泵的葉尖間隙從100微米增加到400微米,ORC系統(tǒng)的熱效率略微下降,而系統(tǒng)輸出功將增加1%。Couvreur等[9]研究了膨脹機(jī)的膨脹比對(duì)系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):在不同邊界條件下,系統(tǒng)的熱效率、輸出功以及膨脹機(jī)的等熵效率均反生一定范圍的變化(3.1%～6.7%、4.0～8.1 kW、40%～58%)。Naseri等[10]對(duì)改進(jìn)的渦旋式膨脹機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)的壓力、溫度和膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的上限分別為13 bar、63℃和1 850 rpm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí),膨脹機(jī)的等熵效率和輸出軸功的極值分別是42.5%和134 W。Kaczmarczyk等[11]討論了在1 kWORC系統(tǒng)中微型透平發(fā)電機(jī)組在額定工況下的運(yùn)行情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中工質(zhì)流量的變化范圍為30～60 g/s,透平機(jī)械的轉(zhuǎn)速變化區(qū)間10 000～75 000 rpm,熱源的功率范圍12～20 kW。實(shí)驗(yàn)確定了在不同負(fù)載情況下透平發(fā)電機(jī)組的欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償區(qū)域,以及負(fù)載電流的最佳值。

基于鋁電解槽側(cè)壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文首先提出了熱媒式有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),并對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。分階段搭建了側(cè)壁余熱發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)側(cè)壁換熱性能和系統(tǒng)發(fā)電性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 系統(tǒng)的組成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由熱源部分、工質(zhì)循環(huán)回路、冷源部分以及潤(rùn)滑油循環(huán)回路等四個(gè)部分組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成原理如圖1所示。圖2和圖3分別給出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的三維布局和現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片。

1.1 熱源部分

系統(tǒng)利用鋁電解槽側(cè)壁散熱作為熱源,用來(lái)加熱導(dǎo)熱油(T55)。通過(guò)控制導(dǎo)熱油流量的大小,導(dǎo)熱油出口溫度在120～160℃之間調(diào)節(jié)。導(dǎo)熱油經(jīng)有機(jī)工質(zhì)降溫后,重新進(jìn)入電解槽側(cè)壁換熱單元完成循環(huán)。

圖1 電解槽側(cè)壁余熱發(fā)電系統(tǒng)組成原理圖

1.2 循環(huán)回路

循環(huán)回路包括導(dǎo)熱油循環(huán)回路和工質(zhì)循環(huán)回路。工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)與導(dǎo)熱油換熱,吸熱后成為高溫高壓蒸氣,隨后進(jìn)入渦旋膨脹機(jī)做功,降溫減壓后的乏氣進(jìn)入冷凝器,冷凝后的低沸點(diǎn)工質(zhì),通過(guò)干燥過(guò)濾器和濾網(wǎng)以便吸收工質(zhì)中的水分和雜質(zhì),再由工質(zhì)泵加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器開(kāi)始下一輪循環(huán),整個(gè)循環(huán)中工質(zhì)損失由儲(chǔ)液罐自動(dòng)補(bǔ)充。為了能夠直觀地觀察到工質(zhì)的狀態(tài),在膨脹機(jī)和蒸發(fā)器之間安裝了視鏡。

1.3 冷源部分

冷凝器采用水冷的方式。冷卻水由兩部分組成,一部分來(lái)自于鋁電解廠的風(fēng)機(jī)冷卻水,這部分冷卻水的溫度較高(30℃)。為了保證冷凝效果,另外鋪設(shè)了一路溫度較低的凈化水作為冷源。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備匯總

組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備主要包括:側(cè)壁換熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹機(jī)、工質(zhì)泵等,設(shè)備的參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的參數(shù)主要包括鋁電解槽側(cè)壁溫度,導(dǎo)熱油壓力、流量以及溫度,有機(jī)工質(zhì)壓力、流量以及溫度,循環(huán)水溫度和流量,具體測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1,測(cè)試儀表的基本特性見(jiàn)表2。

2 余熱發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的可靠性,實(shí)驗(yàn)分兩步進(jìn)行,第一步以導(dǎo)熱油為工質(zhì)來(lái)確定側(cè)壁余熱的獲取量。第二步根據(jù)第一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)蒸發(fā)器和冷凝器,選擇合適的工質(zhì)進(jìn)行ORC余熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

表1 鋁電解槽側(cè)壁余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備匯總

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要用到的測(cè)量?jī)x器

2.1 側(cè)壁換熱量實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)第一步是以導(dǎo)熱油T55為工質(zhì)來(lái)確定側(cè)壁換熱量,第二步以R123為工質(zhì)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。下面首先對(duì)第一步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。以下數(shù)據(jù)的分析都是基于單槽側(cè)壁換熱單元安裝16組。

2.1.1 導(dǎo)熱油流量對(duì)油溫的影響

導(dǎo)熱油流量變化時(shí),出口油溫的變化情況如圖4和圖5所示(取兩組代表性數(shù)據(jù))。

圖4 流量500L/h時(shí)油溫隨時(shí)間的變化

從圖4和5可以看出,導(dǎo)熱油泵打開(kāi)后油溫較高,這是因?yàn)殚_(kāi)泵前,換熱單元內(nèi)導(dǎo)熱油蓄存了熱量;循環(huán)開(kāi)始后導(dǎo)熱油蓄存的熱值被板式換熱單元逐漸冷卻,故油溫逐漸下降,最后趨于穩(wěn)定;導(dǎo)熱油流量小時(shí),油溫較低,而流量大時(shí),油溫較高。這與預(yù)期結(jié)果不一致。其原因可能有二:一是系統(tǒng)散熱較大,流量小時(shí)散熱量相對(duì)較大,而流量大時(shí)散熱量相對(duì)較小;二是流量大時(shí),換熱單元對(duì)壁面的冷卻能力加大,可以攜帶出更多熱量;對(duì)壁面換熱元件實(shí)施保溫后,同樣流量下油溫升高,且換熱量也隨之增大。在大流量下,油溫可穩(wěn)定達(dá)到120℃以上,溫升達(dá)到90℃,在實(shí)際16組換熱單元正常工作時(shí),換熱量可達(dá)到22 kW以上。

壁面換熱元件保溫前后測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比如表3所示。從表中可以看出,同樣流量下,保溫后導(dǎo)熱油溫差和換熱量都有明顯增大。另外,在保溫前后,供回油溫差和換熱量都隨流量的增大而增大。

圖5 流量300L/h時(shí)油溫隨時(shí)間的變化

表3 主管路和壁面換熱元件保溫前后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

續(xù)表3

2.1.2 導(dǎo)熱油流量對(duì)換熱量及溫差的影響

加保溫后,導(dǎo)熱油流量對(duì)供回油溫差及換熱量的影響如圖6和圖7。

圖6 導(dǎo)熱油流量對(duì)供回油溫差的影響

圖7 導(dǎo)熱油流量對(duì)換熱量的影響

從圖6可知,隨著導(dǎo)熱油流量的增加,供回油溫差整體呈下降趨勢(shì),受現(xiàn)場(chǎng)條件的影響,變化波動(dòng)較大;最大溫差為94℃,對(duì)應(yīng)的流量為150 L/h,最小的溫差為66℃,對(duì)應(yīng)的流量為540 L/h。在換熱量相同的情況下,根據(jù)所選工質(zhì)的物性,選擇合適的進(jìn)出口溫差。

圖7表明,隨著流量的增加,導(dǎo)熱油換熱量也隨之增加,最大換熱量為22 kW,對(duì)應(yīng)流量為543 L/h,最小換熱量為2 kW,對(duì)應(yīng)流量為150 L/h。相比于理論計(jì)算結(jié)果,實(shí)驗(yàn)所得換熱量比計(jì)算值減少近60%(計(jì)算值是16組換熱單元56 kW)。主要原因包括:一是實(shí)際加工的換熱單元面積減少了65.7%,理論計(jì)算的換熱量為36.8 kW;二是側(cè)壁換熱單元在電解槽停槽時(shí)安裝,電解生產(chǎn)過(guò)程中側(cè)壁升溫、變形,使得換熱單元和側(cè)壁之間的局部縫隙增大,傳熱受到較大影響。

2.2 循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)第一步現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到了側(cè)壁換熱量,并以此為依據(jù)完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計(jì)及選型,并搭建完成完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展聯(lián)合實(shí)驗(yàn)。

本文以膨脹機(jī)輸出功、熱效率、效率以及熱回收率作為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。熱源溫度、蒸發(fā)壓力和工質(zhì)的過(guò)熱度作為考慮的主要參數(shù),參數(shù)間的計(jì)算關(guān)系見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱效率及效率分析時(shí),直接采用無(wú)紙記錄儀采集的電功率進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算系統(tǒng)的熱回收率時(shí),假定導(dǎo)熱油的最低溫度為蒸發(fā)器進(jìn)口處的工質(zhì)溫度,即認(rèn)定的蒸發(fā)器內(nèi)的最小傳熱溫差為零。

2.2.1 蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)熱效率的變化情況如圖8所示。當(dāng)導(dǎo)熱油溫度在160～165℃之間時(shí),蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)其他性能參數(shù)的影響如圖9和圖10所示。

圖8給出了系統(tǒng)電功輸出隨蒸發(fā)壓力的變化情況。從圖可知,系統(tǒng)的電功輸出功率隨著蒸發(fā)壓力的升高逐漸增加,但在蒸發(fā)壓力高于1.0 MPa后,呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。從前面的分析可知,隨著蒸發(fā)壓力的升高,蒸發(fā)器的吸熱量降低,但是熱效率增加,且蒸發(fā)器吸熱量的降低比例小于熱效率的增加比例。圖中可知,在本次實(shí)驗(yàn)條件下,系統(tǒng)的最大輸出功率為2 200 W。發(fā)電量小于理論計(jì)算值,主要原因是側(cè)壁換熱單元的實(shí)際換熱較設(shè)計(jì)值有顯著減小。如何解決因受熱變形導(dǎo)致?lián)Q熱量降低的問(wèn)題,是本課題組今后的研究課題。

圖8 蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)輸出電功率的影響

圖9 蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響

圖9給出了系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)壓力的變化情況。從圖中可以得到,系統(tǒng)的熱效率隨著蒸發(fā)壓力的升高而升高,符合理論分析的趨勢(shì)。在本次實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)蒸發(fā)壓力為1.3 MPa時(shí),循環(huán)熱效率達(dá)到極大值11.2%。相比于同工況下的理論計(jì)算結(jié)果,該效率偏低,其主要原因是:理論計(jì)算中未考慮管路系統(tǒng)、蒸發(fā)器、冷凝器的散熱損失,這在大型發(fā)電裝置上是可行的,但在本文的小型實(shí)驗(yàn)裝置上,則可能帶來(lái)較大影響。

系統(tǒng)效率與蒸發(fā)壓力之間的關(guān)系如圖10所示。圖中可見(jiàn),隨著蒸發(fā)壓力的升高,系統(tǒng)的效率逐漸增大。由效率的定義可知,在一個(gè)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中如果熱源的值變化比較小時(shí),膨脹機(jī)輸出功率將是影響效率的決定因素。效率表示系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)化的品質(zhì)。在本次實(shí)驗(yàn)條件下,系統(tǒng)的最大效率為32.6%,效率比理論計(jì)算值低,其主要原因是:選用的膨脹機(jī)和泵的功率都偏大,造成了“大馬拉小車(chē)”的情況,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還有進(jìn)一步改進(jìn)的潛力。

圖10 蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)效率的影響

2.2.2 工質(zhì)過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

系統(tǒng)性能與工質(zhì)過(guò)熱度之間的關(guān)系如圖11～圖13所示。工質(zhì)流量不影響系統(tǒng)性能,但是導(dǎo)熱油流量的變化對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。以下討論中,取導(dǎo)熱油循環(huán)回路中最穩(wěn)定的溫度區(qū)間為160～165℃(導(dǎo)熱油出口溫度)。為了充分展現(xiàn)工質(zhì)過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)性能的影響,工質(zhì)側(cè)的蒸發(fā)壓力取在1.1～1.2 MPa之間。圖12和圖13則給出了過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

圖中可見(jiàn),隨著工質(zhì)過(guò)熱度的增大,系統(tǒng)輸出功率和效率均減小。但從數(shù)值上來(lái)看,減小的幅度均不大。其主要原因是:工質(zhì)過(guò)熱度增大時(shí),壓力不變則工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)的溫度升高,而膨脹機(jī)的輸出主要受進(jìn)出口壓力的影響較大,對(duì)進(jìn)出口溫度的變化不是太敏感,進(jìn)口溫度升高,則出口溫度也相應(yīng)提高,冷凝器的熱負(fù)荷相應(yīng)增大?？傮w來(lái)看,工質(zhì)的過(guò)熱度的增加,會(huì)對(duì)系統(tǒng)的綜合性能產(chǎn)生不利的影響,應(yīng)當(dāng)盡量避免。

圖11 過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)輸出功率的影響

圖12 過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響

圖13 過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)效率的影響

3 結(jié) 論

本文首先對(duì)鋁電解槽側(cè)壁余熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明,其次對(duì)熱媒式有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的主要設(shè)備及輔助設(shè)備進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì),并為系統(tǒng)相關(guān)的輔助設(shè)備進(jìn)行了選型,確定了實(shí)驗(yàn)中需要用到的相關(guān)儀器儀表及關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量。第三,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,搭建了鋁電解槽側(cè)壁余熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段。第一階段以導(dǎo)熱油為工質(zhì)來(lái)獲取電解槽側(cè)壁的換熱量及影響規(guī)律。第二階段對(duì)整個(gè)熱媒式有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性展開(kāi)研究。可得以下結(jié)論:

(1) 隨著導(dǎo)熱油流量的增加,出口油溫下降、系統(tǒng)換熱量增加。實(shí)驗(yàn)中16組換熱單元,在導(dǎo)熱油流量543 L/h時(shí),換熱量達(dá)到最大值22 kW,對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱油溫升39.2℃。

(2) 蒸發(fā)壓力是影響系統(tǒng)性能的主要參數(shù)。當(dāng)導(dǎo)熱油溫度一定時(shí),隨著蒸發(fā)壓力的增大,循環(huán)熱效率、系統(tǒng)電功輸出和效率均增大。

(3) 工質(zhì)過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)性能有負(fù)面影響。系統(tǒng)的電功輸出、效率隨著過(guò)熱度的增大而略有減小。

(4) 在本次實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)熱源溫度為165℃、蒸發(fā)壓力在1.3 MPa時(shí),循環(huán)的熱效率最高、輸出功率最大。最高熱效率和輸出功率分別為11.2%和200 W。