自然分层蓄热技术在工业余热回收中的应用

1 前言

工业生产过程排出的余热一般波动很大，而且与用热负荷的波动并不同步，所以实现工业余热的回收利用时，通过蓄热以平衡波动是经常遇到的工作。在能源应用工作者的努力下已产生了很多蓄热方法；但在选用时由于具体条件的要求和限制，常需进行原型的改善以获得可靠和经济的结构。笔者在完成某工厂的工业余热利用项目中选用了以水作为蓄热工质的自然分导冷热水置换式蓄热器，经过研究改进其构造获得了一些经验。
本蓄热装置的任务是在余热高峰时蓄存来自余热回收系统的95℃热水，在余热产量少于用热需求时将所存热水取出以填补差额。供暖季的用热负荷是房屋供暖，非供暖季是吸收式制冷所需热源。设计的回水温度是85℃。
2 自然分层冷热水置换式蓄热器

自然分层热贮存箱是一个内部没有分隔物的单个箱体。它依靠密度差而不是分隔物来维持贮箱上部热液体与下部冷液体之间的分隔。箱上只有一个入口和一个出口，如图1所示。蓄热时来自余热回收装置的热水由上部进入，箱内原有冷水由下部排出，回到余热回收装置。放热时，来自余热利用装置的冷水由下部进入，箱内原蓄存的热水由上部排出，送至余热利用设备使用。无论箱内液体流动方向是自上而下还是自下而上的，均近似呈活塞状流动。箱内容积交替地全部贮存热水或全部贮存冷水；也可以同时贮存一部分热水和一部分冷水。箱内永远充满水，容积得到充分利用。

这种蓄热器构造简单，制造和运行的技术容易掌握，所以技术可靠性易于保证。不过，它是以液体作显热贮存介质的蓄热器，其蓄热量与其容积和蓄热介质的进出口温度差成正比。在自然分层条件下，冷热水的混掺必然要发生，以致进出口温差减小。这种混掺在冷热水置换时尤其严重，因而就会降低蓄热效率使蓄存一定热量所需容积增大。并且，因取用时的热水温度降低而且不稳定，还需要采取辅助措施以满足用热设备对热水温度的要求。总之，混掺现象的轻重地影响余热利用的投资，并在需要过多增大贮存容积时会因场地限制百不能实施。为了保留自然分层冷热水置换式蓄热器在技术可靠性上易于保证优点，并减少其混掺现象的不利影响，笔者对它的构造细部进行了改进并取得了成功。
3 减小冷热水混掺的设计措施

首先，在箱的顶部和底部设置了扩散器。扩散器的主要作用是减少蓄热介质在进入和排出箱体时引起的混掺。应尽可能使水流在箱体的整个横断面上均匀分布，减小紊流区厚度及主体段水流紊动。本文所述扩散器采用的是多孔板结构，水从众多小孔中喷出，流速分布均匀。
为尽量减小箱体两端紊流容积占总容积的比例，提高容积利用率，增大高径比是有利的。由于场条件限制，实际蓄热器外形尺寸为直径3.5m、高8m。又因余热回收系统特殊要求占用了一部分箱体容积，净蓄水容积不足70m3。高径比大于2。
在相同的供回水温差下，如果蓄热过程中介质流量偏小，在短暂的废热高峰期，来不及进入蓄热器的热量只能被排放掉。即使蓄热器作得再大也无济于事。所以增大介质流量有利于提高废热高峰时的蓄热能力，减少排放掉的热量，从而提高余热回收率。但在蓄热器箱体直径一定的情况下，增大流量势必增加两端扩散器及箱体横断面上的流速，导致紊流区加在和流体混掺加剧降低蓄热效率。本蓄热器介质流量设计为40t/h，箱体横断面平均流速为1.3×10-3m/s。
4 蓄热器的运行曲线与效率

4．1 蓄热曲线 图2为根据1992年10月8日每50秒间隔微机采集记录的数据绘制的蓄热器询问和顶部水温变化曲线。从第0.1至0.8时共1.7个小时是一个蓄热过程，在充入温度为t5热水的整个过程中，底部冷水温度t6升高缓慢，只到蓄热过程即将结束时才明显地突然升高。这清楚地说明本蓄热器蓄热过程中的水流达到了自上而下地挖活塞状流动，混掺程度很小。

4．2 蓄热效率 蓄热效率定义为实际充热量与理论充热量之比[2]。蓄热器的实际充热量按下式计算：
　　　　　　　　　（1）
式中，Cc--蓄热器的充热容量；
Wc--充热时蓄热介质的流量；
Ctf--流体的比热；
Τc--流热时间；
Tin，tout--流体进出口温度，此处分别等于t5和t6。
蓄热器的理论充热量为： （2）
式中 Cc*--蓄热器的理论充热量；
Tin*--进入流体的平均温度；
tout*--蓄热开始前蓄热器内水的平均温度。
蓄热效率ηc为：
　　　　　（3）
根据图2所示运行实测数据，按以上公式计算得到Cc=2984MJ，ηc =88%。
5 投资回收期

按实际工程结算，蓄热装置投资为5万元。若蒸汽价格按30元/t计算，则蓄热总共蓄热2000小时就可收回投资。本余热回收系统全年运行，根据余热量波动情况，如果每天累积蓄热6～7小时，一年便可收回全部投资。
6 结论

笔者研究改进蓄热器，将自然分层热贮存法成功地应用于工业余热回收系统中。实践表明，通过正确和精心的设计，可以实现在没有分隔物的情况下蓄热介质的混掺很小，达到较高的蓄热效率；同时做到构造和运行简单，投资回收期短。此外，因蓄热和减小了冷热水的混掺使热水温度和流量比较稳定，所以后续的热利用装置采用了通用型式吸收式制冷机而不必特殊改造。