移动式余热利用系统蓄热器实验和模拟研究及经济性分析

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工业部门每年产生大量余热、废热,不仅降低了生产过程中的能源利用效率,也加重了我国的能源负担。针对这一问题,近些年来各工业企业纷纷开展了余热资源回收利用技术的研究与应用。然而,通过对余热回收利用现状的调研不难发现,目前余热资源的利用温度主要集中在230°C以上,230°C以下的低温余热资源仍未得到充分利用。另一方面,随着人们生活水平的提高,供暖需求量也越来越大。受到集中供暖管网的限制,部分无集中供暖的用户在冬季常常选择使用小型燃煤、燃油或燃气供暖系统。这类小型系统不仅能效低、污染大,而且成本高、经济性差。因此从以上问题出发,本文研究了用于分散用户供暖的可移动式的余热利用系统,开展了以下几个方面的研究工作:针对230°C以下的低温余热资源,根据材料相变温度、相变潜热、安全性、环保性、经济性等因素筛选了蓄热材料赤藻糖醇。在此基础上,对实验选用批次的蓄热材料进行了差式扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)测试分析,获得了材料较为准确的蓄热性能参数。此外,本文还针对选用的材料进行了过冷度测试分析,为系统实验中的过冷现象分析提供了参考依据。应用筛选出的蓄热材料,根据移动式余热利用系统原理在实验室搭建了小型实验系统,进行了间接式蓄热器的充放热实验研究,分析了蓄热材料在充放热过程中的温度变化情况和熔化凝固规律,并通过热效率和放热强度两个指标进行了间接式蓄热器的性能分析。由于实验中布置的测点数量有限,为了详细掌握间接式蓄热器内材料熔化和凝固情况,本文进行了间接式蓄热器充放热过程的数值模拟研究。通过对条件的合理简化和假设,建立了相应的物理和数学模型,并将计算结果与实验数据进行了对比分析,验证了模型的合理性。在此基础上,进行了提高蓄热材料导热系数、调整蓄热器换热管管径和布置方式以及添加直肋片等蓄热器充放热性能的优化研究。结果表明,对于现有间接式蓄热器,最佳导热系数为3.7W/m·K,内部结构为DN22换热管及其布置方式,翅片面积为0.468m2。优化后蓄热器的蓄热量为以前的90%,充热时间缩短了74%,放热时间缩短了67%。此外,为了进一步强化蓄热器内的换热过程,本文还设计了导热油与蓄热材料直接接触换热的直接式蓄热器,并进行了相应的充放热实验研究。为了了解系统运行参数是否会对直接式蓄热器充放热过程造成影响,从而为实际系统运行调节提供一些参考依据,本文对不同导热油流量条件下直接式蓄热器内材料的熔化凝固速率进行了研究。针对材料凝固后造成导热油在充热过程初期流动较弱的情况,研究了应用电热棒形成快速流道的方法。另外,本文还通过热效率和放热强度这两个指标进行了直接式蓄热器的性能评价。最后,在参考移动式余热利用实验系统基础上,本文对实际应用规模的移动式余热利用系统进行了成本和收益估算。通过三个经济性指标(净现值、投资回收期和内部收益率)对移动式余热利用系统的经济性进行了研究,并结合影响系统经济性的几个不确定性因素如蓄热器充热时间、热源距离、余热价格等进行了敏感性分析。结果表明,三种不确定性因素对项目经济性的影响程度从大到小依次为:蓄热器充热时间、热源距离和余热价格。
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