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低品位热能利用与减缓气候变暖

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2021-02-05
简介
SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.012021ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYSHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.082018低品位热能利用与减缓气候变暖墙新奇新疆八一钢铁股份有限公司摘要:低品位热能利用受冷源的制约,其可利用能的温度范围较窄,大部分热能作为废热被排放。本文通过新的制冷循环的建立,探索提高低品位热能制冷效率的方法。新的制冷循环以空气或空气中的主要成分为循环工质,由相互连接、相互影响的气动压缩循环子系统、冷量增益循环子系统和低压补冷循环子系统三部分组成。新的制冷循环以低品位热能作为主要能源,电能作为辅助能源,以期达到更高的能效比,从而使制造冷源成为可能。提高低品位热能的利用率,对减缓气候变暖发挥重要作用。关键词:低品位热能;气候变暖;能效比;冷源;温室气体排放;海洋温差发电DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2021.01.019UtilizeLowTemperatureThermalEnergyandMitigateClimateWarmingQIANGXinqiXinjiangBaiyiIron&SteelCo.,Ltd.Abstract:Restrictedbythecoolingsource,low-gradethermalenergyutilizationhasanarrowtemperaturerangeofavailableenergyandisdischargedinlargequantitiesaswasteheat.Throughtheest

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SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.012021ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYSHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.082018低品位热能利用与减缓气候变暖墙新奇新疆八一钢铁股份有限公司摘要:低品位热能利用受冷源的制约,其可利用能的温度范围较窄,大部分热能作为废热被排放。本文通过新的制冷循环的建立,探索提高低品位热能制冷效率的方法。新的制冷循环以空气或空气中的主要成分为循环工质,由相互连接、相互影响的气动压缩循环子系统、冷量增益循环子系统和低压补冷循环子系统三部分组成。新的制冷循环以低品位热能作为主要能源,电能作为辅助能源,以期达到更高的能效比,从而使制造冷源成为可能。提高低品位热能的利用率,对减缓气候变暖发挥重要作用。关键词:低品位热能;气候变暖;能效比;冷源;温室气体排放;海洋温差发电DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2021.01.019UtilizeLowTemperatureThermalEnergyandMitigateClimateWarmingQIANGXinqiXinjiangBaiyiIron&SteelCo.,Ltd.Abstract:Restrictedbythecoolingsource,low-gradethermalenergyutilizationhasanarrowtemperaturerangeofavailableenergyandisdischargedinlargequantitiesaswasteheat.Throughtheestablishmentofanewrefrigerationcycle,thispaperexploreswaystoimprovetheefficiencyoflow-gradethermalener-gyrefrigeration.Thenewrefrigerationcycletakesairorthemaincomponentsintheairastheworkingme-dium.Itconsistsofthreesub-cyclesystems,namely,thepneumaticcompressioncyclesubsystem,thecoolinggaincyclesubsystemandthelow-pressurecoolingcyclesubsystem.Theyareinterconnectedandinfluenceeachother.Thenewrefrigerationcycletakeslow-gradethermalenergyasthemainenergysourceandelectricenergyastheauxiliaryenergy,inordertoachieveahigherenergyefficiencyratio,soastomakeitpossibletomanufacturecoldsource,improvetheutilizationrateoflow-gradethermalenergyandplayaroleinmitigatingclimatewarming.Keywords:LowTemperatureThermalEnergy;ClimateChanges;EnergyEfficiencyRatio;CoolingSource;GreenhouseGasEmissions;OceanTemperatureDifferencePowerGeneration收稿日期:2020-11-04作者简介:墙新奇(1967-),男,高级工程师,主要从事仪表和自动化技术工作104SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.012021SHANGHAIENERGYCONSERVATION2021年第01期ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYSHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能SHANGHAIENERGYCONSERVATION2018年第08期ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGY节能技术0引言全球气候变化的主要特征为气候变暖,气候变暖主要是因为CO2等温室气体浓度增加所致[1],而“人类使用化石燃料和土地利用变化是温室气体浓度增加的主要原因”[2]。提高能源利用效率,减少温室气体排放就成为实现减缓气候变化的重要选择。低品位热能或低品位废热、低温热能总量巨大且可再生,人类利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放[3],气候变化的能量90%以低品位热能的形式被海洋储存使得海洋升温[4]。研制开发新技术以利用部分这些热能,可减缓气候变暖的进程。海洋温差发电技术就是低品位热能的典型代表,它是利用海水浅层和深层的温差,以及温、冷两种热源,通过热交换使循环工质相变、温升,循环工质膨胀做功发电[5]。但海洋温差发电技术受限诸多,可利用温差较小,能源转换效率也很低,规模化应用的前景并不明朗。低品位热能利用吸引了越来越多的关注,一些技术和方法日益成熟,新的材料也在不断出现,使其在节能减排、减缓气候变暖方面的作用和意义也在逐步增加。1冷源的制约低品位热能利用技术的冷源与通常的蒸汽动力循环冷源是相同的,即依赖于自然界的空气或水,温度等同于周围环境,采用自然冷却或强制冷却的方法冷凝循环工质,从而使工作循环能够在低能耗的情况下建立。低品位热能利用受冷源的制约,其可利用能的温度范围较窄,无论是低品位热能发电,热泵、制冷等技术均是如此,海洋温差发电技术的可利用能的温度范围一般在25℃左右。为了提高装置的能源转换能力,常常采用提高循环初参数的方法增大可利用能的温度范围,如太阳能增热、高品位蒸汽喷射等技术。人为直接制造低于环境温度的冷源的方法普遍被认为是不可取的,因为其消耗的高等级能量往往大于对应的低品位热能利用的收益。间接利用地下、深海等降低冷源温度的做法在一些场合被采用,但能降低的温度有限。2低品位热能制冷通常的低品位热能制冷技术,其制冷性能系数一般低于1.5,如吸附式制冷和吸收式制冷等,用这类制冷技术来制造冷源,经济性太差。若是有办法使被利用的低品位热能的温度接近甚至低于环境温度,如海洋温差发电技术、可利用低品位热能的热声制冷技术等,这时,如只考虑高等级能耗的投入而不再考虑低品位热能本身的热利用效率会给冷源制造带来新的思路和解决办法。环境温度到绝对零度之间的温度范围很大,若将该温度范围的热能也视为可以利用的低品位热能,将其利用和转换为更低温度的冷源,这样冷源制造也就有更多选择空间。为达到该目的,有几个问题必须解决:一是选择合适的工作介质,二是建立新的制冷循环方式,三是降低高等级的能量消耗。3新的制冷循环工质选择[6]新的制冷循环工质要满足以下几个方面的要求:①在很低的温度下保持良好的流动性,即沸点低,且凝固点与沸点温度有较大温差;②工质物性要求无毒、无腐蚀、不易燃易爆、化学性能稳定;③对环境影响小,即ODP值和GWP值较低;④工质的获取相对容易、价格不高。综合上述几个方面可得出,空气或空气中的主要组成成分可以成为满足要求的自然工质,且空分装置多,分布广泛,液空、液氮、液氧等液体工质较易获得,温度也足够低,用它们做工质,到环境温度,约有200℃的温度范围可以利用。低品位热能利用与减缓气候变暖105
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