低溫熱能高效利用途徑研究

【摘 要】目前，國內外對于節能減排工作一直十分重視，這關系到國家持續穩定發展的方針戰略。有助于能源的循環利用。低溫熱能利用對環境保護和可持續發展戰略的實施有很大的幫助作用，對其定義與發展進行了簡單的論述，為提高效率，根據熱力循環過程，對低溫熱能發電和熱泵技術在幾個方面進行了優化，希望能有益于熱力行業的工作者。

【關鍵詞】低溫熱能 高效 優化

1 低溫熱能高效利用

低溫熱能利用要做到“將合適的能源用在合適的地方”，進行供需匹配，提升整體效益，例如：根據工業廢熱的溫度選擇用戶熱源或供暖方式，上游裝置直供下游避免浪費，等等?，F將低溫熱能發電技術和熱泵技術的高效利用作為此次分析的重點探討。

1.1 低溫熱能發電技術

在熱力學上，卡諾循環是理想過程，汽化和凝結是等溫過程，膨脹和壓縮為等熵過程，系統效率只與循環工質的吸熱溫度和放熱溫度有關，吸熱溫度越高、放熱溫度越低，其效率就越高。然而由于低溫熱能的熱源溫度不高，其系統效率不會很高，所以，提高系統效率是低溫熱能發電技術的重要問題。為提高系統效率，可改進工質、設備和循環三方面。

（1）優化工質；工質的熱物性包括飽和溫度、飽和壓力、臨界參數、導熱系數和粘度等，它將影響循環系統的效率、傳熱效率和流動效率，另一方面，由于現代社會環境破壞嚴重，需要選擇環境友好型的工質。又因工質的化學穩定性好、安全無害以及價廉易得等其它方面的要求，需要選擇合理的工質，如在制冷循環中可以選擇用共沸和非共沸制冷劑來代替氟利昂。（2）優化設備；換熱器的效率是影響系統效率的重要因素，優化換熱器也是一種提高系統效率的有效途徑，其核心就是增強傳熱，可以選用導熱系數高的材料生產換熱器，增大換熱面積，改變換熱器結構來增強換熱等等。工質在循環工程中的流動情況和換熱情況，對低溫熱能發電技術有很大影響，掌握了這些情況，對設計換熱器也有極大幫助。此外，對于其他設備的優化，如朗肯循環中的汽輪機，通過研究新型工質的物性參數及流動特性，進而改進透平，可以提高系統效率。（3）優化循環系統；低溫熱能發電系統中通常是變溫熱源，對應洛倫茲循環，為理想循環，吸熱過程和熱源溫度變化配合緊密，如圖1（a）所示。而實際上，純工質的熱力過程為朗肯循環，等溫蒸發吸熱過程中和熱源不是緊密配合，這就造成了換熱溫差大，增加了不可逆損失，使得效率降低，如圖1（b）所示。為降低不可逆損失，對系統循環有所優化，選用混合有機物循環或Kalina循環等。

非共沸工質由不同的工質混合組成，沒有共沸點，相變不是確定的溫度，而是一個溫度區間，在蒸發過程中，工質的溫度不斷變化，這樣就能很好地配合熱源溫度，減小了不可逆損失，達到優化的效果，如圖1（c）所示。Kalina循環選用氨水混合劑作為循環工質，蒸發過程中溫度不斷變化，在冷凝過程中，氨的含量低，溫度變化不大，不可逆損失小，提高了效率，且在較低的壓力下也可以實現冷凝，為系統運行帶來了有力的條件。

圖1 低溫熱能發電T-s圖

除此之外，熱源溫度相對較高時，可以選用回熱循環，其效率比無回熱時可以提高60%。在Kalina循環的基礎上，使用吸收式制冷，既有制冷又可輸出電力，提高效率。

1.2 熱泵技術

熱泵系統是將低溫熱源的熱量提升到高溫熱源的熱力循環系統，分為壓縮式、吸收式和吸附式三類，其中空調行業運用最為廣泛的是壓縮式熱泵系統。壓縮式熱泵系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流裝置組成，所獲為冷凝器的高溫熱量，如圖2所示。系統中，最大的不可逆損失由壓縮機和換熱器產生，因此提高效率的途徑從壓縮機和換熱器出發。

圖2 壓縮式熱泵系統組成及工作流程

（1）提高壓縮機效率；壓縮機是將低溫低壓的工質提升為高溫高壓的裝置，為提高其效率，首先，從設計和加工出發，如增加潤滑減少摩擦損失，這樣就減少了壓縮機的機械損失；其次，工質運行工況對效率影響較大，所以要選用與工質參數相對應的壓縮機運行，盡量選擇在壓縮機效率為60%～70%時選擇運行工況和運行工質。（2）降低換熱溫差；換熱器兩側的溫差導致工質在循環中偏離理想逆卡諾循環，不可逆損失隨溫差的增大而增大，降低換熱溫差是提高效率的重要途徑，相應措施有：改變換熱器內部結構以增強換熱，換熱器表面材料經過處理增大傳熱系數，增大換熱器的換熱面積等等。（3）回收膨脹功；熱泵循環系統中，節流過程不可逆，熵值是增大的，不可逆損失造成了系統效率的降低，可使用膨脹機來代替節流閥，CO2循環系統已經做了如此進展，部分膨脹功得以回收，提高了效率。低溫熱能的利用還可以通過計算機模擬循環過程來選取最優，以達到高效的目的。

2 結語

低溫熱能利用對環境保護和可持續發展戰略的實施有很大的幫助作用，國內外已經有了很多研究與應用，但還有改進空間，要根據熱力學定律，對循環過程以及設備進行改進與優化，以達到提高效率和環保的目標。

參考文獻：

[1] 顧偉，等.低溫熱能發電的研究現狀和發展趨勢[J].熱能動力工程，2007（2）：115-119.

[2] 于鳳菊.低溫地熱能的利用研究[D].北京：北京工業大學，2003：83-87.

作者簡介：李景（1982—），男，湖南長沙人，本科，工程師，研究方向：中小型熱電站、熱電冷三聯供、分布式能源等新能源工程方面。