理论教育 余热梯级利用方式及应用场景

余热梯级利用方式及应用场景

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:热能的“品质”概念是由热力学第二定律给出的。显然,与环境温度相同的热能品质最低,其转换为机械能的能力等于零。在余热利用中,首先必须根据用户需要按质提供热能,做到热能供需不仅在数量上相等,而且在质量上相匹配,从而达到“热尽其用”;反之,若把高品质的热能用于仅需低品质热能的地方,必然是“大材小用”,造成不必要的值浪费。

余热梯级利用方式及应用场景

热能的“品质”概念是由热力学第二定律给出的。不同形态的能量,其“品质”不同;不同状态的载能物质,其载能的品质也有高低之分。例如相同数量的热量,若温度不同,则其转换为机械能的多少也将不同,温度高的热能品质高,温度低的热能品质低,相对于同一环境温度,前者转换为机械能的数量大于后者。显然,与环境温度相同的热能品质最低,其转换为机械能的能力等于零。热力学第二定律表明,机械能是一切能量形态中品质最高的一种,而且是人类生产和生活中最常用的能量,所以通常以机械能为标准,用转变为机械能的程度来衡量其他形态的能量,特别是热能品质的高低。

在余热利用中,首先必须根据用户需要按质提供热能,做到热能供需不仅在数量上相等,而且在质量上相匹配,从而达到“热尽其用”;反之,若把高品质的热能用于仅需低品质热能的地方,必然是“大材小用”,造成不必要的㶲值浪费。例如高温排气,首先应当用于发电,而发电的余热,再用于生产工艺用热,生产工艺的余热再用于生活用热。如工艺用热要求的温度较高,则可通过汽轮机的中间抽气来予以满足。对于高温高压废气,应尽可能采用燃气-蒸汽联合循环。

但在实际使用热能的过程中,常有不按质使用热而造成热能浪费的现象。例如:

(1)在工厂中常常可以看到把高参数(品质)的蒸汽经过节流过程降为低参数(品质)的蒸汽来使用,此时热能的数量基本上没有减少,但㶲损失很大。如常用的低压锅炉生产的1.3 MPa饱和蒸汽,其㶲值约为1005 kJ/kg,如将它经过节流过程降压到生产所需的0.3 MPa蒸汽来使用,就会使㶲值损失171 kJ/kg,这是很不合算的。

(2)利用燃料燃烧直接对房屋供暖,也是很不合理的热能利用方式,因为它没有把温度高达1000℃的高温热源的㶲值加以利用,把优质热能用于低质热能完全可以满足要求的采暖上,浪费了优质热能。如果首先将高温热源的㶲通过热机将其转变为机械能,然后再利用此机械能通过热泵系统去提供采暖所需的热量,从理论上讲,1 kJ的燃烧热㶲可以提供12 kJ采暖所需的低温热量,由此可见按质使用热能的重要意义。(www.daowen.com)

(3)利用一个高品质的热源,供给几个要求不同的工艺装置使用,如图3-3(a)所示,这种常见的不被重视的现象会导致大量优质热能当作低级热能使用,造成热能的浪费。如果从热能的综合利用出发,应对用能过程进行全面合理的组合,如先用作动力,再用于生产工艺过程,最后用于生活用热,如图3-3(b)所示,这将大大减少优质热能的浪费,节约大量热能。

图3-3 高品质热能的利用

此外理论和实践都证明,凡是有热现象发生的过程,例如燃料的燃烧、化学反应、有温差下的换热、介质的节流降压、有摩擦的扰流等都是典型的不可逆过程,都要引起㶲值的下降,造成㶲损失。因此,除按质使用热能外,还必须在热能利用过程中尽可能减少由不可逆过程所引起的㶲贬值,如燃烧和化学反应过程应尽可能在高温下进行;加热、冷却等换热过程应使放热和吸热介质的温度接近;力求避免介质节流降压和摩擦扰流等。

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