热平衡系统论文（精选10篇）

热平衡系统论文 第1篇

随着我国的城市化进程和能源紧缺的形势发展,土壤源热泵系统的数量和规模近年来快速增加,与欧美土壤源热泵主要是布置水平埋管式土壤换热器,通过小型热泵机组承担别墅等小型住宅空调的方式不同,我国的土壤源热泵系统主要服务对象是规模较大的多层住宅和办公建筑,土壤换热器一般采用在一定区域内密集布置的垂直单U型甚至双U型土壤换热器群,近年来还出现了利用建筑物地基内的工程桩或灌注桩密集布置土壤换热器群的新方式。这些密集型垂直埋管的方式虽然能较好地适应中国地少人多的国情,但是也带来了技术上的隐患,那就是土壤换热器布置范围内的土壤热平衡问题,它已经引起了各方面对此技术长期运行效果越来越多的担心。

2 土壤热平衡问题的根源与由来

土壤源热泵依靠土壤换热器从地下土壤中提取温差能,虽然热泵机组的热源和热汇都是扩散半径范围内的土壤温差,但由于建筑物冬夏空调负荷以及运行的时间不一致,导致在空调运行期间土壤换热器系统夏季累计向土壤的放热与冬季从土壤的取热量一般并不一致,这样长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力,造成其温度不断偏离其初始温度,并导致土壤换热器系统内循环水的温度随之变化以及系统运行效率逐年下降,这即通常称谓的土壤源热泵热平衡问题。

3 土壤热失衡所导致的结果

土壤源热泵周期运行后土壤温度出现上升和下降是土壤热量收支失衡的两种后果,都对系统持续稳定运行不利。如果土壤源热泵系统承担全部空调负荷,大多数情况下其全年从土壤的取放热量是不平衡的,在我国的长三角地区(夏季累积冷负荷比冬季累积热负荷大的多)表现为散热量多于取热量,这主要是由于供冷季、供暖季持续时间和负荷强度有明显差异,而且夏季土壤还要承担制冷机组和水泵等设备散热造成的;而与之相反,在我国的东北地区(冬季累积热负荷比夏季累积冷负荷大的多)则表现为取热量多于散热量。

长三角地区,建筑物夏季供冷的时间要比冬天供暖的时间长约1个月,供冷负荷的绝对值也要比热负荷的绝对值高出近1倍,越在供冷为主的地区这种差异越大。这样系统运行一年后积累的热量会引起土壤温度逐年上升,严重时可以造成夏季高峰负荷期土壤换热器内循环冷却水温达40℃以上,引起热泵机组的制冷效率严重降低。如上海某办公楼土壤源热泵系统,由于系统投入运行后建筑物实际夏季负荷大于设计状态,造成土壤换热器数量不足,每天系统启动后冷却水温度从37℃的高位持续上升约6℃,热泵机组效率COP从启动工况的3.66下降到最不利时的3.14,降幅达13.9%,很明显,土壤源热泵系统此时不但效率降低,而且持久运行特性也已变差。

4 土壤热平衡问题的影响因素

土壤换热器的实际传热过程是一个复杂的非稳态传热过程,它以土壤导热为主,但还同时包括了土壤多孔介质中的空气、地下水体的自然对流以及地下水的迁移传热,因此土壤的热物性,含水量,土壤初始温度、埋管材料、管径和流体物性、流速等都对单个土壤换热器的传热过程产生影响。对于土壤换热器群中特定位置处的土壤,其温度变化还受临近位置多个土壤换热器温度波在该处的迭加。空调运行期间周期性变化的负荷输入加上过渡季节空调系统的停运,引起了土壤换热器周围的土壤温度场总处在“升温→降温→升温”的循环变化过程中。土壤的散热包括两方面,一方面为地下水迁移带走的,另一方面为土壤的热传导所带走的热量,散热的对象都是大地,由于大地本身具有足够大的容积,所以只要设计能保持每年空调系统从地下取放热差值不超过土壤固有的散热能力,就可以保持全年的热平衡。

而在实际情况下,由于不同的地区项目,土壤特性(热物性、含水量、土壤初始温度等因素)以及建筑功能特点等客观因素已经确定,因此针对不同项目,真正能够影响土壤源热泵系统土壤热平衡问题的主要因素有:

1)准确的建筑动态负荷特性预测;

2)土壤换热器系统的设计;

3)土壤源热泵系统运行策略设计;

4)施工质量;

5)后期运行管理水平。

5 国内土壤热失衡的集中常见情况

国内的土壤源热泵运行时间都不很长,其持久运行情况还有待观察。从目前运行中暴露出来的问题来看,运行中的土壤热失衡主要可以分为以下几种情况:

1)在设计前未进行详细的建筑动态负荷分析计算,只根据经验值估算,导致所设计的空调系统与建筑所需要的冷热量不匹配;

2)由于没有详细的建筑动态负荷分析计算,致使空调系统运行策略设计比较粗糙,未进行优化设计;

3)由于市场中恶性竞争引起的价格战以及为了节省土壤源热泵系统的初投资,土壤换热器数量布置过少,从而引起空调季节持久运行特性变差;

4)只有较少可供土壤换热器使用的布置面积,而减小了土壤换热器间距,使得单个土壤换热器的扩散半径减小,降低了持久运行特性;

5)热泵机组与土壤换热器组群设置不匹配;

6)土壤换热器系统施工质量达不到设计要求;

7)后期系统管理运行不当。

6 解决土壤热平衡问题的常用措施

土壤热平衡问题虽然是土壤源热泵系统的隐患,但重在事前解决,完全可以通过事先系统的合理设计,优良的施工质量以及规范化的运行管理进行规避。为此,首先需要针对实施的项目进行有针对性的建筑空调动态负荷计算,准确的对建筑动态负荷特性进行预测,分析冬夏季节的冷热不平衡率,然后根据现场条件分析合适的技术组合,消除冷热不平衡。

具体的方法可以通过增大土壤换热器布置的间距,减少土壤换热器单位深度承担的设计负荷等措施进行,同时也可以通过设置辅助冷却系统调峰,采用热泵机组热回收技术减少夏季排热等措施实现。相比较而言,减少土壤换热器群的密集度需要增加土壤换热器布置面积,因而实施受实际情况限制,但对于系统持久安全运行更有用。采用辅助冷却系统调峰等措施可以将土壤温升控制在一定范围内并获得较好的经济性,但合理的调峰比例需要根据空调负荷情况做技术经济分析确定。利用带热回收功能的土壤源热泵机组提供生活热水在冬季增加了土壤源热泵系统的取热负荷,在夏季回收了热泵机组向地下的冷凝排热,在过渡季节部分带有全热回收功能的热泵机组还可以作为热水机使用从地下取热,这对缓解土壤热平衡非常有益,同时也可以提供廉价的生活热水,对有生活热水需要的项目也非常适合的一个技术手段。

除以上几点外,条件适合时还可以采用以下技术手段缓解土壤热平衡问题:

1)将土壤换热器与热泵机组对应设置成多个回路轮流使用,在部分负荷时优先使用土壤换热器布置的周边回路,以延长土壤换热器的温度自然恢复时间,避免中心局部过热。

2)在土壤换热器布置场地中心位置布置温度传感器对空调季土壤温度变化进行实时监测,当土壤温升超过规定数值后,启动调峰系统运行。条件适合的土壤源热泵机房还可以设置自动控制和管理系统,以确保土壤源热泵系统处于较好的控制和调节状态运行。

3)土壤源热泵即使不采用复合式系统,也可以预留冷却塔位置和接口,以保证如持续运行出现土壤热温升超出控制范围,启动冷却塔辅助冷却。

4)对冬夏季节土壤热负荷差异较大的项目可以采用夏季冷却塔优先开启运行的复合式系统,或者在空调不运行的夜间将冷却塔和土壤换热器串联使用以冷却地下土壤,可以很好地解决热平衡问题而不影响系统经济性。由于土壤源热泵系统在夏热冬冷地区的主要的节能优势在于冬季,在夏季和常规冷水机组的效率提升并不明显,因此,在夏季灵活使用冷却塔并不降低系统的效率和经济性,但可以很好改善土壤热失衡状况。

另外,还应如上节所述,在优化设计的基础上还应重点确保土壤源热泵系统的施工质量以及对空调系统后期管理人员进行严格的培训,只有从系统优化设计,优良的施工质量以及后期科学运行管理三个大的方面来控制,才能更好地保证土壤源热泵系统长期运行的效果。

7 北外滩酒店项目土壤热平衡措施分析

以我公司北外滩酒店项目为例,对土壤源热泵系统热平衡适用的解决措施进行分析。

建筑特点及负荷特性分析:

本酒店建筑面积约为30 000 m2,地下3层,地上13层,3层以上为酒店标准层,3层以下为酒店的配套设施。总冷负荷约3 290kW,总热负荷为2 115kW;孔为单U形式,考虑4m间距,管径DN32,孔深120m,按夏季工况共需打孔523个。冬季工况共需打孔296个。考虑到热平衡的问题,项目按照冬季工况埋管。采取以下设计措施:

1)夏季排热量不足部分采用冷却塔辅助系统调节

土壤源热泵空调系统辅助冷却塔的容量一般按机组配置设计,根据本项目的规模,考虑到如果埋管区域面积不够,无法满足建筑排热或者吸热的要求,故选择一台冷却塔作为备用,根据招标文件,该冷却塔水量为400m3/h(约为制冷工况系统需水总量的1/2)。冷却塔容量按夏季散热空调系统所需冷却量的1/2配置:按主机配置(一台)将夏季峰值负荷划分为两个区域,即根据本工程夏季最大设计负荷将夏季空调运行日划分为0kW~1 645kW、1645kW~3 290kW,夏季空调运行日负荷在0kW~1645kW时土壤换热系统运行,1 645kW~3 290kW时再开起冷却塔系统运行。即土壤换热器系统承担0kW~1 645kW范围内的冷负荷,而冷却塔系统则只承担1 645kW~3 290kW范围内的冷负荷。采用冷却塔调峰运行,可以将土壤热不平衡率从66%降低到27%。

2)利用生活热水来平衡土壤的热平衡

配置水水模块式水源热泵主机,从土壤中取出的热量为室内提供常年的高温低成本生活热水。经计算各个季节制取生活热水从土壤中取出的热量:

Q夏季=1953840kW<2241000kW(略小部分通过冷却塔排热即可满足热平衡要求)

由以上分析可以看出,在过渡季节和冬季,仅仅用生活热水供应系统就完全可以将土壤的热不平衡量平衡掉。夏季略小部分的不平衡通过冷却塔系统也即可达到热平衡。

3)设置有效的监测系统

在空调系统中设置多重监测系统(地温监测系统、土壤换热器系统能量计量系统、冷却水回水温度监测系统),多方位保障系统稳定高效运行。逐时数据监测通过自控系统实现,负荷需求变换的满足通过自控系统实现,热平衡的运行策略根据监测系统数值统计每年调整一次。

8 综述

综上所述,本文全方位地分析了困扰土壤源热泵系统发展的土壤热平衡问题,综合分析了土壤热平衡问题的根源与由来,土壤热平衡问题所导致的结果,土壤热平衡的影响因素、国内热失衡的集中常见情况以及解决土壤热平衡问题的常见措施,同时,针对该项目所涉及的项目,做出了有针对性的土壤热平衡解决措施综合分析,给出了相应的解决措施方案。土壤热平衡问题并不是一个不能解决的技术性难题,只要进行合理的分析,实行有针对性的控制措施,从系统优化设计、优良的施工质量以及后期的科学运行管理三个大的方面来控制,完全能够保证土壤源热泵系统长年稳定高效的运行,确保“万无一失”。

摘要：全方位地分析了土壤热平衡问题的根源与由来,土壤热平衡问题所导致的结果,土壤热平衡的影响因素,国内热失衡的集中常见情况以及解决土壤热平衡问题的常见措施,同时针对实施的项目为例,进行有针对性的土壤热平衡解决措施综合分析,给出了相应的解决措施方案,对今后的土壤源热泵系统设计给出建设性的意见。

热平衡系统论文 第2篇

1．什么是能源？什么是一次能源与二次能源？

能源从词义来讲就是能量的来源。工程上所讲的能源是指具有各种能量的对象。如太阳能、风水海洋能、地热能、矿物能、核能、生物能等。

一次能源是指以原有形式存在于自然界中的能源，如煤、石油、天然气、水力、风力、草木燃料、地热、核能、直接的太阳辐射等。

二次能源是指由一次能源直接或间接转换为其它种类和形式的人工能源，如电能、热能、各种石油制品、煤气、液化气、沼气、余热、火药、酒精等等。2．什么是燃料？作为燃料的基本条件是什么？

所谓燃料是指在空气中易于燃烧，并能放出大量热量，且在经济上值得利用其热量的物质。这里需要强调的是：不能简单的把可燃物统称为燃料，比如，纸张、棉布、粮食及食用油等都是可燃物，但不能把它们当作燃料。

由于工程上、生活上对燃料的需求量极大，作为燃料的物质应具备下列基本条件：

（1）易于获取；

（2）容易燃烧、发热量高且价格低谦；（3）贮藏、运输、处理比较简便；（4）使用过程中没有大的危险性；

（5）燃烧产物对大气、水质等环境不会造成严重污染。3．燃料分哪几类？

燃料的分类方法很多，类别也就较多。通常以燃料的形态分类，有如下几种：（1）固体燃料包括煤、油页岩、木柴等到。电站电厂锅炉使用的固体燃料主要是煤。

（2）液体燃料包括石油及其制品、酒精等到。电站电厂锅炉点火用油一般为柴油，作为主燃料时为重油或渣油。

（3）气体燃料包括天然气、焦炉煤气、高炉煤气、城市煤气、沼气、液化气等。根据地域不同，电站电厂锅炉可能燃用部分焦炉气或高炉煤气。而其它气体燃料是不提倡作为电厂锅炉燃料的，这些燃料用于其它方面可能更合理。4．电站电厂锅炉燃料为什么要以煤为主？为什么要提倡以煤代油？ 电站电厂锅炉是消耗燃料的大户，每年燃料沙子消耗量约占全国燃料总耗量的20%—25%。电站电厂锅炉要以煤为主、以煤代油的燃料政策，是根据我国客观情况而决定的。我国煤炭资源十分丰富，已探明的储量在6500亿t以上，近年的煤炭产量也在稳步上升，可以保证长期稳定供应。

我国的石油、天然气资源虽然也十分丰富，但远不及煤炭资源可观。更主要的是石油、天然气经过深加工之后，可以得到更多的轻纺、化工等部门所需的原料，能获取更高的经济价值。如果将石油、天然气作为电厂锅炉燃料直接烧掉，那将是很可惜的，同时，还会使发电成本提高。

基于上述原因，电站电厂锅炉燃料要以煤为主，以煤代油。要尽一切可能压缩燃料油的消耗量，原来烧油的电厂锅炉，也要尽可能地进行技术改造，改烧煤炭。

5．什么是煤的元素分析成分与工业分析成分？

通过元素分析方法得出的煤的主要组成成分，称元素分析成分。它包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、灰分（A）、水分（M）。其中碳、氢、硫是可燃成分。硫燃烧后要生成SO2，及少量SO3，故它是有害成分。煤中的水分和灰分也都是有害成分。

通过元素分析成分可以了解煤的特性及实用价值，的关燃烧计算也都使用元素分析数据。但元素分析方法较为复杂。发电厂常用较为简便的工业分析方法得到工业分析成分，用它可以基本了解煤的燃烧特性。

煤的工业分析是把煤加热到不同温度和保持不同的时间而获得水分、挥发分、固定碳、灰分的百分组成。元素分析成分与工业分析成分之间的关系，可参阅图4—1。

6．煤中水分由哪几部分组成？煤中水分有何危害？

通常所说的煤中水分是指全水分Mt,由表面水分Mf和内在水分Minh组成。内在水分也称固有水分Minh，它是生成煤的植物中的水分及煤生成过程中进入的水分，不能用自然风干的方法除去，必须通过加热才能除掉。它的含量对于一定煤种是稳定的。

表面水分是在开采、储运过程中进入的，又称外在水分，通过自然风干即可除去。表面水分的含量，受自然条件影响较大，故其数值变化较大。不同煤种的全水分在不同条件下差别较大，少的只有百分之几，多的可达40%~50%。水分的存在不仅使煤种的可燃成分相对减少，发热量下降，而且影响燃料的着火燃烧。燃用高水分的煤，使燃烧温度偏低，烟气容积增大，使电厂锅炉效率下降，还会加剧电厂锅炉尾部受热面的低温腐蚀和堵灰。煤中水分高，使煤的运输、磨制也会发生困难。

7．煤中灰分由哪几部分组成？煤中灰分有何危害？

煤中的灰分是指燃烧后剩余的不可燃矿物质。它可分为内在灰分（固有灰分）和外来灰分两部分。

内在灰分是生成煤的植物中的不可燃矿物质，以及在煤的生成过程中进入的不可燃矿物质。内在灰分含量较少，在煤中的分布也较均匀，有时呈层状分布。

外来灰分是在煤开采、储运过程中进入的不可燃矿物质。在煤中的分布很不均匀，含量也受自然条件影响。

灰分是煤中的害杂质，含量在5%—40%之间。煤中灰分越高，可燃成分相对降低，发热量减小，且影响煤的着火与燃烧，使燃烧效率下降。燃烧后灰分可在受热泪盈眶面上形成结渣与积灰，影响传热，使电厂锅炉热效率下降。随烟气流动的粉煤灰，磨损受热面，使电厂锅炉受热面使用寿命降低。为了清除灰渣与粉煤灰，使除灰尘设备复杂化。随烟气排入大的粉煤灰，造成对环境的污染。8．煤中的硫以什么形式存在？煤中硫分有何危害？

硫在煤中以三种形式存在，即有机硫、硫铁矿硫（黄铁矿和白铁矿硫等形态存在的硫）和硫酸盐硫。前两种可以燃烧，通常称为可燃硫。最后一种硫酸盐硫不可燃烧，只转化为灰的一部分。

硫在煤中含量变化范围也较大，一般约为0.1%-—5%。硫虽能燃烧放热，但它却是极为有害的成分。硫燃烧后生成二氧化硫（SO2）及少量三氧化硫（SO3），排入大气能污染环境，对人体和动植物以及地面建筑物均有害。同时，SO2、SO3也是导致辞电厂锅炉受热面烟气侧高温腐蚀、低温腐蚀和堵灰的主要因素。9．煤中灰分和煤中不可燃矿物质的含义一样吗？

含义不一样。煤中灰分是指燃烧后剩余的不可燃矿物质，其含量是在实验室用加热方法烧去可燃物而测定的。煤中的不可燃矿物质，虽然不参与燃烧，但在高温下，会经历失去结晶水、碳酸盐和硫酸盐热分解、以及黄铁矿氧化等过程，原来不可燃的矿物质成分会有一定变化，质量也有所减轻。因此，灰分与煤中不可矿物质的含义是不一样的。同时，灰分和实际燃烧后形成的灰渣也有不同。测定灰分时加热温度为800℃，在电厂锅炉内实际燃烧时，温度为1500—1600r℃。在这样高温下，使部分氧化硅、氯化物、碱金属盐类直接升华为气体逸出，以及高温氧化或还原、共晶体形成等过程，使灰渣的成分和测定的灰分的成分组成会有很大的差异，灰的熔融特性也不完全一致。

10．煤中的含碳量、固定碳、焦碳的含义相同吗？

煤的含碳量是碳在煤中的质量百分数，包括煤中全部碳量。煤在加热后，水分首先析出，随着温度的升高，挥发分渐析出，煤中的一部分碳也要挥发成气体，没有挥发的碳称之为固定碳。换句话说，固定碳的含量是指工业分析中四种成分，（水分、挥发分、灰分、固定碳）中的碳的含量。工业分析中，水分、挥发分析出后剩余的部分称为焦炭，焦炭是由固定碳和灰分所组成。

由上述说明可知，煤中的碳、固定碳、焦炭。都是由煤中的碳引发出来的，都与碳的关系，但三者的数量和物理意义又不相同，它们之间的关系，可由图4——1看出。

11．煤的成分分析基准有哪几种？

煤的成分组成是用质量百分数来表示的。即

C+H+O+N+S+A+M=100% 式中，C、H、O、N、S、A、M分别表示煤中碳、氢、氧、氮、硫、灰分、水分的质量百分数。

由于煤中灰分、水分随开采条件、储运条件和气象条件的变化而变化，同一种煤，在不同条件下，其成分的百分组成就不相同，若欲用其成分含量百分数说明煤的物性，必须同时指明煤是在什么状态下分析成分组成，才能正确判断各种成分的影响。较常应用的煤的成分分析基准有如下四种：

（1）收到基以收到状态的煤取样分析其成分组成，用下角标ar表示。即

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100% 收到基是以收到的煤为试样所取得的成分组成，但收到的地点不同，其成分组成就会有差异。对于电厂锅炉用煤来说，收到的煤应是进入原煤仓中的煤，以原煤仓中的煤为试样所取得的成分组成，为收到基成分组成，这也就和过去的应用基成分基本一致。

收到基成分是电厂锅炉有关计算中应用最广的成分基准。（2）空气干燥基（旧称分析基）以自然风干的煤样分析其成分组成，已扣去煤中的外在水分，剩余的只是煤的内在水分，或称分析水分。空气干燥基成分用下角标ad表示。即

Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100% 煤矿提供的煤质数据多为空气干燥基成分。

(3)干燥基以去掉全部水分的煤样分析其成分组成，用下角标d表示。即

Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100% 利用干燥基成分可较真实地反映灰的含量，因为干燥基成分不受水分变化的影响。

（4）干燥无灰基（旧称可燃基）以假想干燥无灰状态煤的成分总量作为计算基数所得的成分组成，用下角标daf表示。即

Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100% 干燥无灰基成分不受水分、灰分变化的影响，能较确切地反映煤中的有用成分的数值及实用价值。

上述四种成分组成是可以互相换算的，有关换算系数可由电厂锅炉参考书及有关手册中查取。

12、什么是燃料的发热量？高位高热量与低位发热量有什么区别？

单位物量（1kg或1m3n）的燃料完全燃烧时，所放出的热量称发热量，也称热值。以符号Q表示，单位是kJ/kg或kJ/m3n。

燃料燃烧时，水分要蒸发为蒸汽，氢燃烧后也要生成蒸汽。在确定发热量时，如果把烟气中水蒸汽的汽化潜热计算在内，称为高位高热量，用符号Qgr,ar表示。如果汽化潜热不计算在内，则称为低位发热量，用符号Qnet,ar表示。烟气离开电厂锅炉时，蒸汽仍以气态排出，汽化潜热没被利用。故我国在电厂锅炉计算中多以低位发热量为基础，欧美等国也有用高位发热量作为电厂锅炉计算基础的。

高位发热量与低位发热量的区别，就在于是否计入烟气中水蒸汽的汽化潜热，它们之间的关系为：

Qgr,ar–Qnet,ar=25.1(9Har+6Mar)kJ/kg 燃料的发热量可用测热计直接测出，也可根据其元素分析成分经验公式计算：

Qnet,ar=339Car+1030Har–109(Oar–Sar)-25MarkJ/kg 式中各成分均以百分数代入。

13、什么是标准煤？规定标准煤有何实用意义？

规定收到基的低位发热量Qnet,ar=29271kJ/kg（即7000kcal/kg）的燃料为标准煤。

标准煤实际是不存在的。只是人为的规定，提出标准煤的主要目的是把不同的燃料划规统一的标准，便于分析比较热力设备的经济性。不同种类的煤具有不同的发热量，有时差别甚大。比如发热量最低的煤只有8000kJ/kg，发热量最高的煤可达30000kJ/kg。相同容量、相同参数的电厂锅炉，在相同工况下运行，燃用不同发热量的煤，燃煤量也就不同，但我们不能仅仅根据燃煤量多少来分析判断电厂锅炉运行的经济性。如果把不同的燃煤量，都折算为统一的标准煤，那就很容易判断哪一台电厂锅炉的标准煤耗量低，哪台电厂锅炉的运行经济性就好。

发电厂的发电煤耗与供电煤耗都是按标准煤计算的。国家有关能源的统计、调拨，能源消耗指标，节约能源指标，也都是以标准煤计算的。

14、常用能源与标准煤的折算系数为多少？

为了便于计算、分析和对比，各种能源都要统一折算成标准煤，它们之间的折算关系，称能源折算系数。

15、什么是煤的折算灰分、折算水分、折算硫分？折算成分有何实际意义？

把煤中的灰分、水分、硫分折算到每4182kJ（或1000kcal）发热量的百分数，分别称为折算灰分、折算水分、折算硫分。

灰分、水分、硫分都是有害杂质，但由于煤的发热量不同，仅从它们的百分含量还很难估计它们给电厂锅炉带来的危害程度。引入折算成分后，就可根据折算成分的大小，知道实际进入电厂锅炉中的有害成分的多少，也就能比较清楚地判断这些有害杂质对电厂锅炉的危害程度。

16、什么是挥发分？它对燃烧和对电厂锅炉工作有何影响？

将煤加热到一定温度时，煤中的部分有机物和矿物质发生分解并逸出，逸出的气体（主要是H2,CmHn,CO,CO2等）产物称为煤的挥发分。

挥发分是煤在高温下受热分解的产物，数量将随加热温度的高低和加热时间的长短而变化。通常所说的挥发分是指煤在特定条件下加热有机物及矿物质的气体产率。即经干燥的煤在隔绝空气下加热至900±10℃，恒温7分钟所析出的气体占干燥无灰基成分的质量百分数，称干燥无灰基挥发分Vdaf。

挥发分是煤中氢、氧、氮、硫和一部分碳的气体产物，大部分是可燃气体。挥分含量高，煤易于着火，燃烧稳定。因此，挥发分是表征燃烧特性的重要指标，从而也对电厂锅炉工作带来多方面的影响，如，需要根据挥发分大小考虑炉膛容积及形状；挥发分含量影响燃烧器的型式及配风方式的选用，影响磨煤机型式及制粉系统型式的选择。同时，挥发分也是煤进行分类的重要指标之一。17．灰的熔融特性用什么指标表示？有何实用意义？

灰的熔融特性采用对灰锥试样加热的方法确定。用模子将灰压成若干个一定形状的三角锥体（底边长7mm、高20mm），在电炉 内加热，根据温升及三角锥体变形情况，记录如下几个温度值：

（1）灰熔融性形温度DT锥尖开始变圆或弯曲时的温度。

（2）灰熔融性软化温度ST锥体弯曲至锥顶触及托盘或锥体变成球形和高度等于底边的半球时的温度。

（3）灰熔性流动温度FT锥体熔化成液体或展开成高度在1.5mm以下薄层时的温度。

灰的熔融特性，对电厂锅炉运行的经济性、安全性均有重大影响。当软化温度ST>1350时，炉内结渣的可能性不大；而ST<1350时就有可能结渣。为了防止炉膛出口的对流受热面结渣，炉膛出口若悬河烟温必须低于软化温度ST若干度。DT、ST、FT的间隔大小对灰的结渣及流渣特性也有影响：（FT—ST）>200称长渣，长渣凝固慢有塑性而不易碎裂，结渣后不易清除。（FT—ST）<200时称短渣，短渣结渣时凝固快，渣的内应力大易碎裂，结渣后易于清除。液态排渣炉希望灰的（FT——ST）值大一些，以防电厂锅炉在负荷变化时，因炉膛温度变化而影响液态渣打的顺利排出。18．影响灰熔点的因素有哪些？

影响灰熔点高低的主要因素有以下几点：

（1）成分因素灰的组成成分及各成分的比例，对灰熔点高低影响很大。大至规律是：熔点高的成分（如SiO，ALO）含量高时，灰熔点也高；熔点低的成分（如CaO，FeO，MgO含量高时，灰熔点就低。…）（2）介质因素灰分处于有还原性气体（CO，H，CH…）的气氛中时，熔点降低。这主要不得是还原性气体能夺取灰中高价氧化物的氧，使其变成低价氧化物而降低熔点。所以，电厂锅炉因缺氧引起不完全燃烧时，结渣的可能性就大。（3）浓度因素灰分含量高，相互接触碰撞机会多，助熔作用加强，使熔点降低。因此，电厂锅炉在燃用多灰分的煤时，引起结渣的可能性就大。19．结渣的基本条件是什么？何谓灰的结渣特性指标？

熔融的灰粘结在受热面上或炉墙上称结渣。形成结渣的基本条件是受热面壁温高、表面粗糙和灰熔点低。灰熔点与灰和成分组成的关，根据组成成分计算出分析叛断灰的结渣倾向的指标，称结渣特性指标Rs.20、一般以什么标准对煤进行分类？动力用煤一般分为哪几类？

根据不同用途和不同的分类方法，可以把煤分成不同的类别。动力用煤一般主要依据挥发分含量将煤分成如下四类：

（1）无烟煤挥发分Vdaf<10%。无烟煤挥发分含量低，析出温度高，着火较困难，燃尽也不易。它含固定碳高，一般发热量Qnet,ar=20000—32500kJ/kg。无烟煤表面呈明亮的黑色光泽，质地坚硬，相对密度也较大。

（2）烟煤挥发分Vdaf=20%—40%。是一个非常广泛的煤种，表面呈灰黑色，有光泽，质地较松软。烟煤含碳量较高，发热量Qnet,ar=14000—29000kJ/kg，它易于着火，火焰较长，各种烟煤的焦结性差别很大。

（3）贫煤挥发分Vdaf=10%—20%。它是介于烟煤与无烟煤之间的煤种。贫煤表面灰黑，无光泽，不易点燃，火苗也较短，发热量常比烟煤低。

（4）褐煤挥发分Vdaf>40%。其碳化程度较浅，挥发分的析出温度低，易于点火，灰分、水分含量较高，发热量低，一般Qnet,ar=8000—17000kJ/kg。褐煤表面呈棕褐色，少数呈黑色，质脆易风化，不易储存，也不宜长途运输。

21、什么是劣质烟煤？为什么不少发电厂燃用劣质烟煤？

劣质烟煤是指烟煤中挥发分中等，但水分、灰分高，而发热量较低的煤。一般Vdaf=20%—30%；Mar>12%；Aar=40%左右；Qnet,ar=11000—12500kJ/kg。

烟煤的用途广泛，其中发热量高、焦结性好的烟煤为优质烟煤，多作为冶金行业的炼焦用煤，而交通运输业用煤、化工业原料用煤也多选用优质烟煤。剩下的劣质烟煤的燃烧特性不好，有害杂质含量高，某些特殊部门不便应用，所以，从能源合理消耗的大局出发，它往往成为电站电厂锅炉用煤的对象。

22、什么是洗中煤？

一般炼焦用煤、化工用煤、出口用煤及某些特殊用煤的原煤，都要预先送选煤厂洗选。在重力选煤过程中的中间产物称洗中煤。经过洗选后的精煤，其灰分、硫分都大大降低。洗中煤是选煤厂选出的灰分高于精煤而低于煤矸石的产品。

我国洗中煤的挥发分Vdaf约在25%—40%范围内，水分Mar根据脱水程度而异，一般在10%—15%，灰分Aar则较高，一般为30%—40%，有的高达50%。由于送选的原煤质量都较好，故洗中煤的发热量多为中等水平，一般Qnet,ar=16000—21000kJ/kg。洗中煤由于灰分高，结渣的倾向较大。

我国洗中煤的产量约为原煤产量的7%—8%，大多数为电站电厂锅炉所燃用。因此，洗中煤在动力燃料中占有相当重要的地位，研究其燃烧特性也是一项重要工作。

23、发电煤粉电厂锅炉用煤是如何分类的？

为了便于发电煤粉电厂锅炉通用化设计和技术改造，便于分析煤的燃用特性，国家标准局于1987年颁发了《发电煤粉电厂锅炉用煤质量标准》（GB7562—87）。这一分类标准选用煤的干燥无灰基挥发分Vdaf、干燥基灰分Ad、外在水分Mf及全水分Mt、干燥基全硫St,d和灰的软化温度ST作为主要分类特征指标，以煤的收到基低位发热量作为辅助分类指标。这一分类指标中，把煤按挥发分分为五级，按灰分分为三级，按消化分为四级，按硫分分为二级，按灰分的熔融特性也分为二级。

24、什么是煤的可磨性与可磨性系数？

原煤被研磨成粉的难易程度称为可磨性，研磨成粉难易程度的指标称为可磨性系数。其物理意义是：一定量风干状态下的标准煤样与待测煤样，从相同原始粒度磨碎到相同细度时所耗能量之比即称可磨性系数Kkm。

一般标准煤样是一种难磨的无烟煤，耗电量较大。越易磨的煤，耗电量越小，其可磨性系数就越大。

按照上述原理测定可磨性系数是很困难、很复杂的。一般都是以上述原理为基础，采用较简单方法测定可磨性系数。过去我国是沿用原苏联全苏热工研究院的测定方法，符号KVTI现在我国已规定使用哈德罗夫法测定可磨性系数，简称哈氏可磨性系数，符号HGI。哈氏可磨性系数测定时，是将规定粒度的50g煤样放在微型中速磨煤机内研磨60±0.25转（约3分钟），取出筛分20分钟，按下式确定哈氏可磨性系数HGI

HGI=6.93G+13 式中G——通过孔径为71µm筛子的煤粉质量，g。

KVTI与HGI之间的关系可用下式表示

“远离平衡态” 与系统转型 第3篇

用复杂适应系统的观点分析这样的案例研究及理论总结，可以看到，一个系统总是需要不断因应外在环境的变化而产生变化，结构与行为会因此而演化出新的形态，可以是远离平衡态的，也可以是非远离平衡态的状态。如果是前者，可能会系统崩解，成为一片混沌，也可能会自组织出新的秩序来，而产生一个崭新的系统。如果是后者，则可能恢复到原来的秩序中，但有一些小的修正。

换言之，当一个系统（一个组织或一个社会）在远离平衡态时，它需要的是转型，而不是“重组”。在“远离平衡态”初显端倪时，要放任由下而上的自组织，让各式各样的“实验”出现，使得各个自组织自我演化、自我适应，找到适应新环境的生存之道。此时系统中枢要重视实用与实证，总结最能适应新环境的“实验成果”，而不是自作聪明地搞“顶层设计”，以重组的手段，靠少数人的过去经验，头脑风暴得出想当然耳的未来之路。中国自古以来有治大国如烹小鲜的智慧，正是领悟了这个道理。到了系统转型的后期，系统中枢要懂得“破坏性创造”，顺势利导、应时而动，在新系统新秩序逐渐成型时，帮一把手，把旧系统破坏掉，好让新的、自然生成的秩序全面生根，发展壮大，自然而然、不折腾地转型成功。传统管理智慧有所谓的四两拨千斤，正是这种顺势利导的道理。

当前社会的稳定性不够理想的原因在于，我们的社会系统早己面对“远离平衡”的状态，我们需要的是转型的思维与作法，但有些人还想把系统“拉”回原来的秩序之中，所以使了全力逆势抗变，结果“拉”的力道越大，反弹的力道也越大。另外有一些人主张“顶层设计”，总以为少数精英头脑风暴设计一个“重组”模型，就能适应外在、内在崭新的环境，或把外国的这个模式、那个经验强加在中国头上，就能安邦定国。硬要把一个高速发展、自我演化、自我适应的过程“塞”进设计好的既定轨道中，其折腾也可想而知。

其实中国自古以来就有“自组织治理”的智慧，懂得管理复杂适应系统的道理，而且就在三十年前，邓小平的改革开放在务虚会议后，就启动了全国“做实验”的大潮，把中国社会从旧的系统中因势利导带动“转型”。所以，我们早就有了宝贵的实践经验。但是错误的“重组”思维却使得今天的社会问题迟迟得不到解决。

幸运地，从去年政府提出社会管理创新以来，民间自组织有了勃勃生机，各地的社会管理创新“实验”也时有所闻，尤其是广东早在几年前就展开了这个实验，如今己有了一定的成果。转型的作法与思维正逐渐取代“重组”的思维，值得期待。

责任编辑：高冬梅 gaodongmei@guanlixuejia.com

热平衡系统论文 第4篇

本文以国产某型号推土机的自动变速箱为研究对象,针对其作业时常用的低速档位在稳定工作时的工况进行热平衡分析,传动简图如图1所示。

1 热网络模型及热平衡方程建立

传动系统的热平衡研究分析,可使用比较成熟的热网络法(热电比拟法),其基本原理是:把研究对象细分成单元节点,节点之间有能量传递,无论以何种方式换热,节点之间都用热阻形式代替,这就形成热网络,然后把各个节点看成具有集总参数的单元,对每个单元节点或者回路利用电工学中的基尔霍夫定律建立热平衡方程。根据传动系统的路线和热量流动规律,可画出热网络图(图2)。

根据图2并结合基尔霍夫定律,可列出对于每个节点和每个回路的热平衡方程组。输入部分和输出部分热平衡的能量方程总表达式为:

式中Tj、Ti节点温度;

Ri,j节点间热阻值。

根据热网络建立的5个不同部分的热平衡方程组也可用一通式来表达:

2 热阻模型的计算

热网络图中的各种热阻大体可以分为以下几类:齿轮、轴承内圈与轴的传导热阻,轴承外圈与箱体壁传导热阻,齿轮、轴承内外圈与润滑油的对流换热热阻,箱体与外界空气的对流换热热阻。

2.1 传导热阻

齿轮与轴、轴承与轴的传导热阻可以用式(3)来表示[2]:

式中R1齿轮节圆半径或轴承内(外)径;

R2轴半径;

K轴承导热系数;

l轴承宽度。

2.2 对流热阻

1)齿轮与润滑油间对流换热热阻齿轮与润滑油间对流换热热阻可由式(4)来表示[2]:

式中A齿轮两侧面积;

αg对流换热系数。

2)轴承与润滑油间对流换热热阻轴承与润滑油间对流换热热阻可由式(5)来表示[2]:

式中D轴承内(外)圈直径;

B轴承宽度;

αb对流换热系数。

3)箱体与外界空气对流换热热阻箱体与外界空气对流换热热阻可由式(6)来表示[2]:

式中di、l箱体的相关尺寸;

αw箱体与空气对流换热系数,αw=0.3KaRe0.57/Li,其中Ka、Re、Li分别为空气导热系数、雷诺数、相关尺寸。

3 功率损失模型的计算

变速箱工作过程中的功率损失几乎全部转化为热量,而功率损失主要有以下几部分组成:齿轮啮合功率损失、轴承摩擦功率损失、离合器摩擦片产生的热量和搅油损失。

3.1 行星排齿轮功率损失

行星排齿轮的啮合功率损失

式中η行星排传递效率;

p行星排输入功率。

3.2 轴承摩擦功率损失

轴承在工作过程中会产生大量的热量,进而影响轴承本身和变速箱内润滑油的温升。它的功率损失计算公式为

M1=f1Fdm,与轴承径向载荷有关;

式中n轴承转速;

v润滑油运动粘度;

dm轴承节圆半径;

fv阻力系数。

M2与转速和润滑性质有关。

3.3 搅油损失

变速箱内部各个作用部件和空转零件,在工作过程中产生搅油损失,当车辆运行速度小于10km/h时,按照上述各部分发热量的10%计算。

3.4 离合器摩擦功率损失

变速箱中的换档元件主要是离合器,结合过程产生大量热量。

式中n发动机额定转速;

β离合器的储备系数

i总一档总传动比;

I主、I从主、从盘的转动惯量。

4 热平衡计算

变速箱的输入功率为133.65k W,输入转速为1 991r/min,工作过程中后面两排闭锁与前行星排的输出行星架结合为一体,传动比为1。每单排行星架行星轮为3个,取环境温度为30℃,各零件的具体结构参数参照图纸可得。每构件的功率损失和具体节点的温度值如表1和表2所示,温度分布图如图3所示。当热阻值、节点发热量和边界温度值确定,每部分方程组[A]和[B]中的所有元素就成为具体数值,调用求解线性方程组的程序即可求出各个节点的温度值。

表2节点温度值分布

节点号T1T2T3T4T5T6T7T8T9温度(℃)83.19 83.64 83.18 81.25 80.68 83.70 82.04 84.12 88.46节点号T10T11T12T13T14T15T16T17T18温度(℃)75.96 73.72 73.87 77.42 82.36 78.73 79.44 79.44 76.56节点号T19T20T21T22T23T24TO

温度(℃)77.02 78.45 78.45 76.03 76.16 60.08 76.5

5 结果分析

1)由温度分布看出齿圈处的节点温度值比较高,由于此处离合器制动齿圈,产生大量热量,加上与行星齿轮的啮合生热,导致齿圈的温度比较高;

2)油脂润滑的轴承内圈或外圈的温度相对太阳轮和行星轮稍高;

3)通过热传导热阻联系在一起的节点之间温差不大,充分反映了金属材料相对于油液的良好的导热性能;

4)自动变速箱内部各部件的温度值以及润滑油温度在其正常工作范围内,温度的分布也基本符合热流流动定律。

以上分析说明利用热网络分析法对传动箱系统的整体装置进行热平衡温度分析能够比较客观的反映系统整体的温度分布,为不同工况条件下复杂传动系统的稳态热平衡分析提供了一种简单可行且具有一定精度的方法。

参考文献

[1]许翔,毕小平,王普凯.履带车辆传动系统的传热仿真[J].农业机械学报,2007,38(4):24-27.

[2]黄智勇.高速列车传动齿轮箱的热平衡计算分析[D].上海:上海交通大学,2007.

[3]毕小平,许翔.车辆传动装置部件温度的热网络计算方法[J].汽车工程,2009,31(11):1025-1028.

热计量系统故障特性分析 第5篇

关键词 数学模型 计量误差 热计量

中图分类号：TU832 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）21-0002-02

一、引言

哥本哈根世界气候大会后，世界各国更加重视节能减排。我国从“十一五”开始将节能减排列入国家发展规划纲要。

集中供暖和分户计量是一种有效能源利用与管理方式，可以促进节能减排。分户热计量需在管道井内分别安装用户热量表，并在对应的采暖进、出水管上安装温度传感器，记录温度、水流量等信息。安装失误，容易出现温度传感器错接，引起用户热计量误差乃至错误，从而导致计费错误。由于管道工程的隐蔽性，这种错误往往难以发现。

本文建立了分户热计量管路系统连接的物理和数学分析模型，分析了热计量故障特性和管路连接错误可能导致的热计量放大程度。分析表明：在管路错接且两户用热不平衡的情况下，被计入的热量与实际水流量等异常，与实际用暖情况也不符，误差很大。论文结合记录数据对简化数学模型和分析结果进行了验证。

二、暖气热计量原理

图1所示热量表由流量计、供出水温度传感器、积算器等主要部件组成。其中，流量计通常测量的是通过热量表的采暖水体积流量qv；进出水温度分别由安装于进水、出水管路的温度传感器测得，并可以计算得到进出水温差△T；积算器则根据流量和温度差计算向用户提供的采暖供热量Q。

在t0到t1计量时段，向用户提供的采暖供热量Q与通过热量表的采暖水质量流量qm、进、出水温度差△T的关系可通过积分获得

Q=C·△T ·qm·dt （1）

式中，C=4.18kJ/kg·OC为水的比热容，即水在等压且只作体积功的条件下温度升高1OC所吸收的热量，qm=qv·p，为水质量流量，p为水密度。

三、供暖特性分析

根据单元楼管路连接情况，建立了双管路供暖分析模型，用以分析管路错接对热计量的影响规律。

现阶段，建筑大多都采取了室内保温措施。按照一般经验，水流量较大的情况下，热水循环快，因而进、出水的温差相应较小。为了便于简化分析，根据热量表记录某建筑面积住宅的实时数据及供暖情况作如下基本假设：

1.管路入水口温度，取整值为55OC，余下简单分析时均取整值温度；

2.正常室内、外温度取整值分别为20OC、5OC；

3.流量为零的情况下，出水温度为无供暖下室温，取整值为15OC；

4.除说明的管路连接错误之外，假设不存在其它错误或误差。

假设在相对短的△T时段内流量、温差均稳定，则积分公式简化为求和公式，热量可采用（2）式计算

Q=C·△t·qm·△T=Const·qm·△T （2）

式中系数Const=C·△t，单位时间下系数Const就是比热容常数Cp，正常采暖温度50OC附近C变化很小。则单位时间热量（热流量或热功率）可以表示为

Q=C·△t·qm （3）

由（3）式可見，热流量一定时，水流量与温差成反比，管路系统相似情况下，水流量越大，温差越小；反之，水流量越小，换热越充分，则温差越大。这是正常的供暖规律和生活常识。

依据这种生活常识和供暖规律，可判断供暖计量系统是否有故障，如果用户组管道接反，则反映的流量与温差会正好相反。因此可根据用暖情况（室温），对照热流量及温差判断是否存在系统故障，并及时进行纠正。

四、热计量故障特性分析

为进一步分析管路错接导致的计量故障情况，本文建立了双管路分析模型。假设甲乙两用户使用如图2所示的正确的独立暖气管路，热计量系统测量甲、乙用户采暖质量流量qm1、qm2，以及供出水温度Ti1及Tb1、 Ti1及Tb1。

根据公式（2）可以获得甲（左）、乙（右）用户各自的采暖热量分别为

Q1=Const·qm1·（Ti1-Tb1） （3）

Q2=Const·qm2·（Ti2-Tb2） （4）

在管路错接情况下，用户的流量计量正常，但温差计量数据恰好互换。由于两户的出水温度数据被相互对换，导致所测得的供出水温度差分别变为△T'1=Ti1-Tb2、△T'2=Ti2-Tb1。则计量表将采暖热量错计算为

Q'1=Const·qm1·（Ti1-Tb2） （5）

Q'2=Const·qm2·（Ti2-Tb1） （6）

显然，只有在甲乙双方使用情况完全相同情况下，温差等数据才一致。假设在甲乙两户面积等条件完全相同的情况下，甲用户正常使用暖气，而乙用户关闭阀门不使用暖气。根据常识，甲用户的进出水温差小，乙用户进出水温差达到最大。此时，乙用户计入的流量和热量都为0。为便于计算，以热量表记录的甲用户实时出水温度数据50℃为参考，温差为5℃。可算出甲用户实际用热为

Q1=Const·qm1·（55-50）=5Const·qm1 （7）

但是由于管路错接，甲用户温差变为40℃，被计入的热量为

Q'1=Const·qm1·（55-15）=40Const·qm1=8Q1 （8）

可见，由于管路错接导致流量与温差失配，甲用户热量计量与实际严重不符，为实际用量的8倍（800%）。如果流量更大，温差差别更大，计量被放大更多。

五、诊断方法的工程验证与应用

依据上述特性，就可对记录的采暖数据进行分析、故障查找。如表1所示，为某组用户的实际采暖记录数据和分析结果。由表1可见，2823相对25记录的总水量少，然而记录总热量却多，与实际使用情况也不符。

表1 热量表实时数据记录及分析

根据实时数据状态1-5，发现采暖温差异常。针对表1所列数据提示的问题，经用户及工程技术人员多次核实发现，两个用户的管路的确是错误地混接在一起了，导致了流量计量错误，因此应予实地检查并纠正。

如果用户热计量表的热流量、水流量和温差计量异常，则应及时检查管道连接与热计量表的运行情况，及时查找问题，提高热计量的准确性，小用户和管理部门的损失与麻烦。

六、主要结论及建议

本文提出了根据供暖热量、温差与水流量的特性分析查找热计量系统问题的方法，并结合采暖记录数据，对所建立的模型进行了验证。分析表明：1.在错接的两户用热不平衡的情况下，同一时段内水流量大的一户，被采集的温差偏大，将被显著地多计热量，甚至达到8倍或更多；2.水流量小的一户，所采集的温差数据偏小，则将被少计热量。

参考文献：

[1]张颖.集中供暖住宅分户热计量的探讨[J].建筑科学，2013，（8）.

[2]张兵，田雨忠，王逸雪，迟媛.关于集中供暖住宅分户热计量的几点思考[J].建筑热能通风空调，2012，（4）.

[3]杨静.居住建筑供暖系统中热计量的应用[J].建筑与预算，2012，（2）.

试析地埋管地源热泵系统的热平衡 第6篇

1.1 地埋管地源热泵体系的概念

地埋管地源热泵体系并非我们所看到的使用地热生存的一个体系, 而是使用地下温度并不高的可以储存热量的物体, 开展热能量变换, 经过稠密的竖直放置的地埋管, 从地下的水源以及土壤内获取热量, 提取再进行转变, 成为新式空调的热量来源。这种能源环保干净, 因此相关措施在新能源范畴内有很高的应用。在国内大多居住场所以及办公大楼使用这种地埋管地源热泵体系, 符合我国实际情况, 不过随着了解和深化, 其中存在的问题也越多的显示出来。

1.2 地埋管地源热泵体系的用途

主要是在有空调的地方会运用到地源热泵体系, 之前我们使用的空调所需的能源是氟利昂, 是一种化学商品, 并且在运用时会有大量的对大气造成危害的气体排出, 具有腐蚀的性质, 对保护大气层的臭氧层有很严重的威胁。最近几年人们对绿色的能源需要越来越显著, 地埋管地源热泵体系措施应运而生, 符合人们对绿色能源的需求, 由于地源热泵是提取土壤以及水分的热量, 因此形成的能源运用在空调上能够在很大程度上降低对空气的损害, 广泛推行运用是必然的。

1.3 地埋管地源热泵体系存在问题

地源热泵的好处, 其对降低大气环境的污染方面确实有很大的贡献, 不过体系自身还存在问题。其吸收的土壤热量以及运用超过标准, 对土壤自身热量均衡带来了很坏的影响, 土壤的存在有自己生存的热量形式, 地源热泵的出现吸取的热量打破了土壤自己的标准, 也会对生态造成损害。地源热泵自身存在的问题, 要相关工作者开展宏观掌控, 对地源热泵体系的运用程度开展设置, 把土壤受到的压力进行降低, 促进地源热泵体系成为真实的清洁、污染低的能源。

2 土壤热平衡

2.1 对土壤热均衡产生作用的要素分析

对土壤热量均衡产生作用最大的要素是地源热泵体系所吸取的热量。土壤热量是地源热泵能量的主要来源, 尤其在炎热季节, 地源热泵所提取的热量最大, 土壤自身的热量是一个固定的数值, 不过在空调运用程序中, 这个平衡的数值被改变, 对土壤的生态体系存在不良作用。不过在春秋季节运行的空调少了, 所吸取的热量也就少了, 土壤自身的热量就会呈现另一种增长方式, 因此我们能够清楚, 土壤热均衡改变过程不是一直不变的, 地源热泵所产生的作用是巨大的。

2.2 土壤热量不均衡的风险分析

土壤热量不均衡对附近的生态都会带来很大的影响, 附近的植被成长会受到影响, 甚至可能会死亡。土壤以及地下水源的热量被吸走, 对生态体系的均衡都会造成影响。地源热泵措施慢慢的进行完善, 不过对土壤还存在很大的威胁, 我们要对此进行整治。土壤热均衡关系到生态体系的平衡, 因此在发展地源热泵体系的同时还要照顾好对土壤的影响。

2.3 地埋管地源热泵系统与土壤热平衡的关系

地埋管地源热泵的“u”型管道埋在地下, 吸取存在于土壤中的热能, 将热能转化为清洁能源, 用于家庭及社会上的空调使用。土壤是热源, 地源热泵的技能就是将热能转化。技术上来说, 地源热泵的作用是无污染的纯绿色的能源产生技术, 为人类可再生能源的发展做出了巨大贡献。从生态环境的角度出发, 地源热泵的使用分配还不够完美, 对冬夏的土壤热能使用与归还没有达成一个有机的完整的循环, 对土壤热平衡的破坏仍然很严重, 所以要做到地源热泵对土壤热源的有机循环还要有很长的路要走。

3 地埋管地源热泵系统的热平衡

3.1 地埋管地源热泵体系对土壤热量均衡存在威胁

地埋管地源热泵体系的关键作用是促进了空调体系的变革, 使用地热来推动空调的发展, 从土壤以及地下水源中吸收能量, 当作空调工作的能量, 对空气带来了改善。因此在炎热季节使用空调时, 对土壤的热量均衡带来了很大影响, 后果就是打破了土地中热量的均衡, 打破周围的生态体系。打破热量均衡, 打破生态植物的成长能量, 对自然本身来讲也是一种伤害, 不过地源热泵体系最开始的宗旨是减少对环境的破坏, 这样一来违反了最开始的宗旨, 也不能称作绿色能源, 因此一定要加以变革。

3.2 热平衡问题的解决方法

地源热泵作为新兴清洁能源的代表, 从节能环保的角度来说, 必须要解决土壤热平衡问题。解决方案分为两种, 一是大量减少地埋管热能转换器的密度, 可以通过减少地埋管在单位面积里的具体数量, 或加大管与管之间的有效距离, 从而能达到有效缓解热平衡问题的目的。第二种方法得要控制冷热交换量的排放来解决土壤热平衡问题, 造成土壤热平衡问题的主要原因就是大幅度将土壤内的热能提取了出来, 不对土壤进行热能补充, 使土壤内部的热流失, 与恒温不相符, 而加大对土壤热能的还温措施能够促进土壤热平衡。减少了热能管的密集度, 那就加大了地源热泵系统的建筑面积, 造成对土地资源的大幅度使用, 面对这个问题, 我们可以将地源热泵的地埋管加入到建设中, 现如今出现了一种新型的地埋管技术, 将地埋管的大小与面积变为更容易存在的, 加入到建造建筑工程中, 与楼的建筑主体紧密相连, 这样既减少了热能管的工作密度, 也有效的加大了与地面与土壤的接触, 更有利于热能的传导与释放。还可以通过总体调度将地埋管的工作强度进行调节, 对于地下土壤河流的热能量, 常年的有着固定的一个标准, 对于这个标准我们要进行的是保持与平衡, 地源热泵的目的是提取绿色的健康的节能型资源, 若是破坏了大自然的标准就背弃了本来的目标, 所以要通过宏观调控来保持地下热能的平衡。通过这样整合可以有效的处理土壤热平衡问题, 地源热泵系统的技术上问题不大, 注重宏观调控与合理设计, 对大自然的平衡做出贡献。

4 结束语

当前国内社会发展的目标是节省资源, 建立良好的保护环境型社会, 运用地埋管地源热泵体系能够在很大程度上降低对能源的需求, 具有环保的作用, 因此最近几年地源热泵得到了普遍的发展。不过想要获取更广泛的推广以及运用就要先解决对土壤热量吸取的问题。所吸取的土壤热量问题没有获得很好的处理, 对自然生态体系的破坏是不可估量的。土壤热量均衡是由很多要素相互影响共同作用的结果, 是保持自然生态体系均衡的关键因素, 中国是农业大国, 在农业中使用地源热泵体系是将来发展的必然, 因此一定要协调好土壤热均衡中存在的问题, 达到最佳理想状态。

摘要：随着国内经济的不断变化发展, 国内资源不足矛盾日益突出, 为了解决这些资源矛盾, 地埋管地源热泵体系顺势而诞生, 并在国内得到推广。地埋管地源热泵体系在使用过程中不断出现新的问题, 其中土地热平衡的紊乱是最关键的重要情况。文章经过讲述地埋管地源热泵体系的功能以及不足, 研究地埋管地源热泵体系的热均衡情况。

关键词：地埋管地源热泵系统,土壤热平衡

参考文献

[1]曾和义, 刁乃仁, 方肇洪.竖直埋管地热换热器的稳态温度场分析[J].山东建筑工程学院学报, 2002, 17 (1) :1-6.

[2]于明志, 方肇洪, 李明钧.土壤冻结对地热换热器传热的影响地埋地质[J].山东建筑工程学院学报, 2001, 16 (1) :42-46

[3]崔俊奎, 赵军, 李新国, 等.跨季节蓄热地源热泵地下蓄热特性的理论研究[J].太阳能学报, 2008, 29 (8) :920-926.

热平衡系统论文 第7篇

关键词：内燃机,柴油机,冷却系统,热节点模型,动态特性,工程机械

0 概述

发动机冷却系统需合理匹配各元件,以满足散热要求。目前针对汽车发动机冷却系统散热器的研究很多,针对管片式散热器的匹配进行了数值模拟[1],研究了汽车管带式散热器的参数与性能的关系[2]。这些设计方法着重于研究汽车散热器的性能,对于匹配方面没有进行较深入的探讨。对于后置发动机客车的冷却系统匹配给出了大致解决方案[3],但方法较简单,并且只针对柴油机固定工况静态匹配散热系统。但工程机械柴油机经常工作于连续高负荷状态,环境也更为恶劣,容易出现水箱温度过高的问题,影响机器的正常作业。因此工程机械必须从动态角度来解决柴油机和冷却系统的合理匹配问题。在汽车的动态热平衡模型的基础上,针对冷却系统的非线性热控制方式作了探讨[4,5],但汽车的动态热平衡描述不能直接用于工程机械,因为工程机械发动机冷却风扇通常为吹风式风扇,吸入气流来自发动机舱,散热器进风温度很高,因此必须考虑发动机舱温度特性来准确描述发动机冷却系统的温度。本文考虑到发动机负载工况变化在柴油机上反映为转速的变化,建立了柴油机、散热器、发动机舱三节点组成的,以柴油机转速动态作为输入的冷却系统动态模型,使其可以描述柴油机转速随时间变化影响下的散热系统温度随时间的动态响应。本文简要介绍了传统的冷却系统匹配方法,在已有的传统匹配方法基础上建立动态热平衡模型,对于转速变化下系统输入量的动态变化提出确定方法,模型对冷却系统温度在柴油机转速变化下的动态响应的描述可与试验数据对比验证。

1 柴油机冷却系统传统匹配方法

柴油机冷却系统如图1所示。

图1中,Qin和Qout分别为冷却水系的输入热功率和输出热功率。

柴油机进入冷却水的热量由式(1)估算[3]:

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式中,a为冷却吸热比例,取0.18～0.25;Hu为燃料热值,柴油取值41 870 kJ/kg;ge为标定工况燃油消耗率;Pe为柴油机标定功率。

该热量也可由标定功率直接确定[3]:

Qin=(0.6～0.75)Pe (2)

散热器部分散热量满足:

Qout=KrArΔTm (3)

式中,Kr为散热器的总导热系数;Ar为总散热面积;ΔTm冷却水温与气温之差。

总导热系数Kr可用式(4)确定:

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式中,hw为水的导热系数;ha为空气的导热系数;δ为散热管壁厚;λT为散热器材料的导热系数。

平衡态的系统吸入热量与系统放出热量相等,此时Qin=Qout,温差ΔTm不能高于环境温度和沸点温度之差。传统设计思路在此基础上进行循环设计匹配,直到其性能满足要求。

然而工程机械柴油机冷却系统在高负荷、高温环境等极端工况下容易出现水箱温度过高的问题。对于传统匹配方法的不足之处分析如下:

(1) 只针对柴油机标定工况静态匹配散热系统,没有从动态的角度出发来解决柴油机和冷却系统的合理匹配问题。

(2) 仅考虑散热器和发动机两节点的冷却系统模型的精度不能满足要求。

(3) 散热器的强制对流换热过程十分复杂,各结构参数对散热性能参数的影响相互耦合,传统模型未加描述。

2 动态工程机械柴油机冷却系统热平衡模型

为研究不同负载工况对系统输入量的动态影响,考虑到发动机负载工况变化在柴油机上反映为转速的变化,建模以柴油机转速n随时间的变化关系作为输入,可写作n(t),系统响应以关键温度节点作为表征量,取柴油机出水口温度Te、散热器出水口温度Tr和风扇进风温度Tb 3个量为各温度节点随时间的变化关系。以下动态化处理的各部分以柴油机转速作为动态化自变量,统一写为函数F(n)的形式。

2.1 系统输入量的动态化处理

柴油机转速对冷却系统的输入量影响主要有4部分:冷却系输入热功率、发动机舱余热输入热功率、水流量及空气流量。以下分别介绍它们的动态确定方法。

2.1.1 冷却系输入热功率Qin(n)动态化

参考式(1)计算动态冷却系统输入:

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式中,g(n)为转速n下的燃油消耗率;a(n)为转速n下冷却系统带走热量比例;P(n)为转速n下的有效功率。

为确定a(n),对某6缸、标定功率160 kW的A型柴油机进行了热平衡研究试验,结果如表1所示。由表1可见,该柴油机冷却系统带走的热量占燃料总能量的比例在不同转速时大致维持在25 %。因此取a(n)为常数0.25。

2.1.2 发动机舱余热输入功率Qx(n)动态化

采用类似Qin(n)的方法,参考式(5)确定Qx(n):

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式中,系数B(n)为不同转速下的余热损失比例,它来源于柴油机内各部件放热的共同作用,因此很难确定。这里假设B(n)为常数,参考热平衡试验标定工况的余热损失比例,取0.03。

2.1.3 冷却水流量qw(n)和空气流量qa(n)动态化

对加装某散热器的A型柴油机冷却液流量与转速进行测试,数据如表2所示。

试验结果表明:在水道特性不变的情况下,水流量与柴油机转速成正比。通过试验[6]证明,在风道特性不变的情况下,风扇空气流量和它的转速成正比。因此可采用以下公式:

qw(n)=Ewn (7)

qa(n)=Ean (8)

式中,系数Ew、Ea由风道、水道及泵和风扇的特性决定,可通过试验测定转速和流量来计算。但这一方法仅适用于固定流道特性的系统。

2.2 散热器放热的动态化处理

2.2.1 散热器放热功率Qout(n)动态化

散热器的放热功率与水-气温差、水流量、气流量及散热器结构参数有关。流体流量的变化引起总导热系数Kr的变化,因此动态化处理Kr(n),公式(3)转化为:

Qout(n)=Kr(n)ArΔTm (9)

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水流量和空气流量的变化在热性能上反映为对流换热系数的变化,因此取对流换热系数作为动态量,分别设为hw(n)和ha(n),设Kr、Ar乘积为Rr(n),壁面导热公式(4)变为:

式中,ATi为管内面总面积;ATo为管壁面总面积;η为肋效率;Af为散热片总面积。

2.2.2 水侧对流换热系数hw(n)动态化

水的对流换热系数采用Dittus-Boelter公式[7],假设水流均匀分布于各管,则单管的水流速vw(n)与水流量关系为:

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式中,N1为管列数;N2为管排数;ATs为单管通水截面积。

Dittus-Boelter公式转化为式(13)来确定hw(n):

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式中,de为扁平管当量直径;vw为液体运动黏度;Prw为液体普朗特数;λw为液体传热系数。

2.2.3 空气侧对流换热系数ha(n)动态化

空气侧对流换热系数Nu:

Nu=C ReN (14)

系数根据JB2291的管片散热器风洞试验数据拟合为C=0.167、N=0.6。

假设空气流均匀分布于各空气道,则空气道最狭窄处流速va(n)与流量的关系为:

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式中,Aa min为空气道最狭窄处截面积。

式(14)转化为式(16)来确定ha(n):

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式中,υa为空气运动黏度;λa为空气传热系数。

2.3 动态热平衡模型的建立

建模描述散热器、柴油机、发动机舱3个部分的动态过程,作为3个模块,并由3个关键节点温度关系联系各个子模块,组成整体动态模型。

2.3.1 冷却系柴油机部分热模块

冷却系柴油机部分和散热器部分的热平衡微分方程参考Pradeep的模型[4]建立。柴油机中水带走的热功率Qwe(n)为:

Qwe(n)=cpwqw(n)(Te-Tj) (17)

式中,cpw为冷却液比热容;Tj为柴油机进水口温度。

冷却系柴油机部分热平衡微分方程如下:

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式中,热容Ce可由柴油机水容量和水比热容确定。

设H作为节温器开启量(0～1),则

Tj=(1-H)Te+HTr (19)

节温器设定参数包括开启温度TH1(通常约77 ℃),全开温度TH2(通常约90 ℃)。开启量H可设定为0至1的分段函数。

2.3.2 冷却系散热器部分热模块

散热器中冷却水带来的热功率Qwr(n)为:

Qwr(n)=Hcpwqw(n)(Te-Tr) (20)

散热器热平衡微分方程如下:

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式中,热容Cr可由散热器水容量、水比热容及散热器本身热容确定。

肋效率由式(22)[1]确定:

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式中,Ft为散热片厚度;Fh为散热片高度。

2.3.3 发动机舱热模块

发动机舱是非常复杂的开放式系统,流场和温度场分布很不均匀,这方面研究一般借助CFD商用软件工具完成。这里仅简化考虑舱内柴油机放热和舱外环境的作用对于舱内空气温度的影响。

风扇进风温度Tb为舱内空气温度,发动机舱热方程如下:

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式中,Cb为发动机舱热容;Qs为发动机舱与环境热交换功率。

设Rs为舱体与环境的综合导热系数:

Qs=Rs(Tc-Tb) (24)

式中,Tc为综合环境温度。

假设对于同样的机型其空气流通、围护结构导热等因素均恒定,则Rs可看作确定参数。它的确定需要通过试验进行,可用标定工况平衡态发动机舱内温度和综合环境温度之差及余热功率计算得到。

为同时考虑环境温度和太阳辐射的影响,参考汽车空调负荷的研究方法,用式(25)确定外壁的综合环境温度Tc:

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式中,T∞为环境温度;ρ为太阳辐射吸收系数;I为太阳辐射强度;hH为外壁导热系数,无风时可取值29 W/(mK)。

3 计算机仿真与试验结果

3.1 仿真模型的建立

计算机仿真模型设计框图如图2所示。

模型用柴油机转速随时间的变化作为输入,内部参数按该机型的柴油机、散热器设计参数选取。根据前文公式,冷却系柴油机部分、散热器部分和发动机舱部分热模块如图3所示。

将转速随时间变化输入动态系统模型即可进行仿真,仿真得到Te、Tr和Tb随时间的变化。该仿真结果可以与试验结果相对比来验证模型的有效性。

3.2 热平衡试验

以50装载机配备A型柴油机为对象,进行现场大油门跑车热平衡试验。试验时节温器拆除,测量环境温度、柴油机转速、柴油机出水口温度、进水口温度及风扇进风温度,数据记录仪采样时间间隔1 s,试验时间约1 h。试验结果如图4所示。

3.3 结果讨论

由图4可见,建立的工程机械柴油机冷却系统动态热平衡模型可以描述在外环境干扰和内工况变化影响之下冷却系统的动态响应,比较符合试验测得的实际情况。由于模型中做了一些线性简化,特别是发动机放热动态问题复杂性和非线性很强,因此对这些问题的进一步研究有助于精度的提升。

4 结论

在传统静态热平衡模型的基础上建立了以柴油机转速作为输入,能够反映冷却系统温度变化动态特性的工程机械柴油机冷却系统热模型,经试验和仿真结果对比,表明在一定程度上能够描述工程机械冷却系统的热过程,可作为针对动态工况的工程机械柴油机散热系统研究模型。

参考文献

[1]李岳林,张志沛,郭晓汾.管片式散热器在汽车发动机冷却系匹配设计中的数值模拟[J].汽车工程,2001,23(1):64-66.Li Y L,Zhang Z P,Guo X F.Numerical simulation on designof a tubular radiator in automotive engine cooling system[J].Automotive Engineering,2001,23(1):64-66.

[2]吴利平,林贵平.车用管带式散热器的性能研究[J].车用发动机,2005(2):62-66.Wu L P,Lin G P.Study of heat transfer and flow resistanceperformance for an automobile strip-tube radiator[J].VehicleEngine,2005(2):62-66.

[3]李增芳,孙培峰.后置发动机冷却系统改进设计[J].农机化研究,2002(1):83-84.

[4]Setlur P,Wagner J R,Dawson D M,et al.An advanced en-gine thermal management system:nonlinear control and test[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics(S1083-4435),2005,10(2):210-219.

[5]Salah M H,Mitchell T H,Wagner J R,et al.Nonlinear-con-图4装载机热平衡试验结果与仿真分析对比trol strategy for advanced vehicle thermal-management systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology(S0018-9545),2008,57(1):127-137.

[6]Smith J D,Reynolds J R.Engine cooling fan and shroud opti-mization for blow through operation[C]//SAE 860764,1986.

热平衡系统论文 第8篇

1 防爆柴油机本体高温影响因素

冷却系统由水套、水冷排气管、油散热器、水散热器、水泵、节温器、膨胀水箱和水管等组成。矿用防爆柴油机工况比较恶劣,导致发动机本体高温的因素很多,主要因素有循环水量、散热效率、空气流量等。由于该型矿用胶轮车为首批试用车型,在设计初期存在一些缺陷和不足,冷却系统散热效果受到严重制约。

循环水量不仅和水泵的结构和转速有关,而且与冷却水量以及水流的组织是否合理有关。冷却水量应基本与柴油机功率成正比,1 k W约需0.3~0.4 L冷却水。原有水泵压力不足,流量不充分,使得冷却水的局部压力低于某一给定温度下的蒸发压力时,会产生气泡,使水泵形成汽液两相供水现象,流量大为下降,造成发动机过热。同时由于水泵入口处压力最低,所以当水泵泵水压力不足时,极易发生气蚀现象。

散热效率同水箱有关。原有膨胀水箱的安装高度偏低,不能形成足够的静水压,不利于冷却液循环。

空气流量与风扇的直径、转速、叶片形状、导风板密封程度、水箱罩和风扇叶片相对位置等因素有关。风扇的叶片直径及角度对扇风量影响很大。原有散热器也存在着大量缺陷,导风罩不密封,吹风式风扇等极易引起热风回流,风扇叶片片距偏小,进排风面积较小,风扇和散热器距离调整不合理等大大制约了整体冷却性能。

2 防爆柴油机冷却系统计算分析

在煤矿井下车辆运行过程中,经常出现“开锅”和发动机本体高温现象,所以在防爆柴油发动机冷却系统设计过程中,匹配合理的散热器和风扇就显得尤为重要。防爆柴油机的冷却系统在设计时,需满足:水冷式散热器容量不低于0.038L/k W;迎风面积不小于0.002 4 m2/k W,标定转速下柴油机本体外水冷式散热系统阻力低于0.05 MPa。

2.1 散热器应带走的散热量

散热器应带走防爆柴油机本体的散热量计算公式为:

式中,A为冷却系统热量占燃料热能的百分比;b e为防爆柴油发动机燃料消耗率;N e为防爆柴油发动机功率;h g为燃烧低热值。利用表1中的参数计算可得:散热量为109.8 k W,而柴油机厂提供的试验数据为Qf=105 k W。表明经验公式计算结果比较准确。

由于煤矿井下用无轨胶轮车对防爆柴油机的特殊性要求,防爆柴油机的排气系统采用了水冷式排气循环系统,根据经验排气系统的水循环系统所带走的热量一般为总热量的25%~45%,考虑到井下的特殊性,本柴油机取最大值45%,即排气系统的水循环系统所带走的热量为柴油机本体的0.818倍,约为89.4 k W,所以散热器应带走的总的热量为198.7 k W。

考虑到井下防爆柴油发动机实际运行工况,防爆柴油机超载工况较多,故在设计时防爆柴油机的扭矩储备系数通常为1.1~1.3,取储备系数为1.1,因此该井下防爆柴油发动机冷却系统的散热总功率为198.7(1+10%)≈218 k W。

2.2 水泵设计计算

式中,Qw为散热总功率,Δtw为冷却水在柴油机中循环时的容许温升,ρw为水的密度,cw为水的比热容。

水泵的泵水量可根据冷却水循环量初步确定:

式中,ηw为水泵容积效率。

水泵的压力应当足以克服防爆柴油机冷却系统中所有的流动阻力,并得到必要的冷却水循环的流动速度,此外,为冷却可靠,在工作温度下水在任一点的压力均应大于此时饱和蒸汽压力。其水泵泵水压力由下式确定:

式中,n s为水泵转速,n为防爆柴油机转速。

2.3 散热器设计计算

冷却空气的流量由下式确定:

式中,ΔTa为冷却空气的进出口温度差,ρa为r空气密度,Cp为空气的定压比热。

确定水散和油散的散热面积A:

式中,Q1为柴油钢套水带走的热量,Tm为水或油散热器冷却液和冷却空气的平均温差,K为传热系数。

3 冷却系统改造

a.散热器:采用封闭式冷却系统,膨胀箱的压力盖所保持的系统内压力,可使冷却水在100℃仍不会沸腾,加大内外温差,可大大提高散热能力,而且冷却水不直接与外界抵触,可减少“死水”现象。另外除水散热器优化外,由于不同的冷却介质要求的风温和最终的冷却温度不同,增加液压油散热器,排列进风顺序为:液压油散热器+空冷器+缸套水散热器。根据整机的几何空间,尽可能增大正面尺寸,削薄散热器芯子厚度,这样可减少散热阻力,增加风量,充分发挥风扇性能。进排风面积改为散热器通风面积的1.25~1.5倍,将导风罩密封性加强,避免热风回流。膨胀水箱安装高度调整,形成足够静水压,而且要限制水位,形成一定的膨胀空间约1/3,以利于气泡排出。

b.水泵:改选离心式水泵,尺寸小,出水量大,结构简单,损坏后不妨碍水在冷却系统中自然循环的优点可大大提高散热性能。

c.风扇:大的迎风面积可选用大直径、低转速风扇,风扇的消耗功率与转速的3次方成正比,所以在保证散热风量的条件下,降低风扇转速可明显降低风扇消耗的功率。根据散热器的正面面积及风扇转速确定风扇的直径、片型和材质。根据“性能最大化”的选型原则,使风量最大,风压最高,消耗功率最低。为防止热风反弹,风扇旋向由原来的吹风式改为吸风式,即风向依次经过散热器-风扇-发动机。将风扇叶片宽度的2/3置于导风罩内,风扇叶尖与导风罩的间隙越小越好,控制在风扇直径的2.5%内。水散片距在满足散热量的前提下,应尽量增加,选8FPI-10FPI,此时的传热系数增大,风阻降低,可提高散热性能。

4 结论

防爆柴油机冷却系统的性能直接影响着设备的工作效率,通过对6121ZLQFB型防爆胶轮车柴油发动机的冷却系统进行了匹配计算,对原有冷却系统进行了有效改造设计。结果表明在标定工况和最大扭矩工况时,所匹配的风扇和散热器能够正常工作,我们在计算和改造过程中详细考虑了风阻、风速、热燃比等因素,因此该方法对煤矿用车辆防爆柴油机的冷却系统设计具有一定的实际应用价值。

摘要：目前煤矿快速开采和连续作业使得煤矿胶轮车用柴油机热负荷越来越高,因此对其冷却性能的要求也就越来越高,为提高柴油机冷却系统的性能,对其进行匹配研究和分析计算,在原冷却系统的基础上进行了改造,提高了系统散热能力,减少整体功率消耗,解决了原发动机系统出现的高温问题。该方法的研究和应用在柴油机热平衡领域具有理论和现实双重意义。

关键词：煤矿胶轮车,冷却系统,匹配研究,设计计算,热平衡

参考文献

[1]李慧萍.面向重型卡车的新型高性能标定功率发动机[J].国外内燃机,2008,40(3):60.

[2]蒋智庆.柴油机冷却系统设计研究[J].制造业自动化,2011,33(4):100-102.

[3]姚仲鹏,王新国.车辆冷却传热[M].北京理工大学出版社,2001.

热平衡系统论文 第9篇

1 锅炉的热平衡与燃烧效率

输入锅炉的热量等于锅炉的有效利用热量与各项热损失之和, 即为锅炉的热平衡。

锅炉热效率平衡公式:

式 (1) 中, q1为锅炉热效率, %;q2为排烟热损失, %;q3为气体未完全燃烧热损失, %;q4为固体未完全燃烧热损失, %;q5为散热损失, %;q6为灰渣物理热损失, %。

锅炉输出热量即水和蒸汽吸收的热量占燃料输入热量的百分比, 称为锅炉热效率或称锅炉效率 η 正平衡法计算见式:

正平衡测试只能求出锅炉的热效率, 不能得出各项热损失。因此, 正平衡试验只能了解锅炉的出力大小和效率高低, 不能找出热损失的原因和改善锅炉工作的办法。因此, 可以通过锅炉各项热损失计算出锅炉的热效率。反平衡法计算见式:

2固体不完全燃烧热损失的影响因素

进入到锅炉中的燃料并不能完全的都燃烧, 有些固体碳颗粒无法燃烧, 会随着飞灰、炉渣等直接排出到锅炉之外, 正是由于这些燃料没有完全的燃烧, 造成了一定热量的损失, 这部分损失被称之为固体未完全燃烧损失。此部分损失包含了灰渣、飞灰、漏煤等损失。锅炉的类型的不同, 固体不完全燃烧损失也有很大的差异, 比如一般机械化炉通常在5- 15%之间, 但是也有达到甚至20%的机械炉, 而快装锅炉固体不完全燃烧损失率更大, 最高达到了30%。除了锅炉类型影响固体不完全燃烧热损失外, 还有其他原因, 如下:

首先, 煤炭质量时常发生变化, 锅炉无法立即适应, 再加之, 燃料之中水含量比较高, 而又难以挥发, 导致燃料延迟着火, 所以时常会出现燃料燃烧已经结束, 但是还有很多的碳颗粒没有燃烧完全, 另外, 碳颗粒直径比较大, 在有限的时间内, 难以燃尽;其次, 锅炉使用者未能按照程序进行炉膛的改造, 这使得炉膛尺寸出现了很大的偏差, 飞灰出现了非常大的损失;再次, 锅炉运行过程中, 工作状态不稳定, 负荷难以保持平衡, 再加之, 有些煤层厚度比较大或者进煤速度未能控制好, 所以碳在炉膛之中无法充分的燃烧, 有些情况, 也可能是由于风煤配比不合理, 没有足够的空气量可以供碳燃烧;最后, 炉膛中的温度未能达到标准, 无法进行充分燃烧。如果固体要想达到完全燃烧, 工作人员必须认真的选择煤种, 对锅炉进行日常的维修, 还需要对锅炉的燃烧技术进行必要的改造。

3 固体不完全燃烧热损失的影响分析

3.1炉渣含碳量的影响。研究人员将排烟温度确定为200℃, 此外将其他条件也进行了假设, 研究发现, 在各个燃烧条件不发生变化的情况下, 炉渣含碳量的变化会引起固体不完全燃烧热损失的变化, 两者之间成比例关系, 具体如下:当炉渣含碳量提高2%, 热损失就会提高115%, 可想而知炉渣含碳量对热损失的影响十分巨大。另外, 研究人员通过研究也发现, 在其他燃烧条件不发生任何变化的情况下, 炉渣含碳量提高, 不仅固体不完全燃烧热损失提高了, 其在整个热损失中的比重也有所上升, 研究发现, 炉渣含碳量提高2%, 其在整个锅炉热损失中的比值将提高203%。而且通过进一步研究发现, 在其他燃烧条件不发生改变的情况, 炉渣含碳量对于锅炉热平衡效率也会产生非常大的影响, 两者主要成反比例关系, 即前者越大, 后者就越小。研究发现, 前者提高2%, 后者将减少116%。从中可以总结出, 炉渣含碳量是锅炉固体燃烧产生热损失的重要因素, 而其对锅炉热平衡损失也会产生非常大的影响, 如果再结合漏煤等因素, 煤渣含碳量影响将会更巨大。

3.2煤种的影响。炉渣含碳量较高说明燃煤在炉膛中燃烧不完全。各种不同种类的工业锅炉都是根据不同燃料的特征来设计锅炉的参数, 由于我国的燃煤工业锅炉以层燃锅炉为主, 而层燃锅炉对煤种的适应性较差, 当燃用煤种发生变化时, 其燃烧情况必然会发生变化, 一般是变得更差些。由此可以看出, 除了由于锅炉质量、运行时间和管理方面的原因以外, 燃煤煤质状况, 尤其是收到基低位发热量与锅炉设计煤种不匹配, 会对炉渣含碳量偏高产生较大的影响, 进而对锅炉固体未完全燃烧热损失的增大和整个锅炉热效率降低也会产生比较大的影响。

炉渣含碳量20%, 排烟温度200℃、过量空气系数2.4、炉体外表面温度 (侧面) 50℃、炉体外表面温度 (炉顶) 70℃ , 考察当燃煤收到基低位发热量在20.91 MJ/kg变化范围在±50%, 在其他影响因素固定不变的前提下, 固体未完全燃烧热损失随着收到基低位发热量的增加而递减。燃煤收到基低位发热量每增加2.09 MJ/kg, 即在达到工业锅炉用煤Ⅱ、Ⅲ类烟煤收到基低位发热量20.91 MJ/kg的前提下增加10%, 能使锅炉的固体未完全燃烧热损失q4减少1.74%。

在其他影响因素固定不变的前提下, 随着发热量的增加, 固体未完全燃烧热损失在整个锅炉热损失中占的比重也随之降低。燃煤收到基低位发热量每增加2.09 MJ/kg, 即在达到工业锅炉用煤Ⅱ、Ⅲ类烟煤收到基低位发热量20.91 MJ/kg的前提下增加10%, 固体未完全燃烧热损失在整个锅炉热损失中占的比重减少3.64%左右。

在其他影响因素固定不变的前提下, 随着发热量的增加, 锅炉热效率逐渐增加。燃煤收到基低位发热量每增加2.09 MJ/kg, 即在达到工业锅炉用煤Ⅱ、Ⅲ类烟煤收到基低位发热量20.91 MJ/kg的前提下增加10%, 锅炉热效率升高1.85%左右。

结束语

综上所述, 可固体不完全燃烧热损失对锅炉热平衡效率产生了非常大的影响, 其中影响因素最大的是燃煤受到基地位发热量, 之后是炉渣含碳量, 此外, 煤种类以及锅炉设计都是重要的影响因素。上述因素因为对固体不完全燃烧热损失产生了不同程度的影响, 因此对锅炉热平衡效率也有不同程度的影响, 所以要想做到锅炉节能, 研究者必须尽可能的减少上述因素的影响程度。

摘要：固体不完全燃烧热损失对锅炉平衡效率有着非常大的影响, 而影响固体不完全燃烧热损失的影响因素也有很多, 比如炉渣含碳量, 煤种质量等。为了能够保证锅炉热平衡效率一直都处于最佳的状态, 工作人员应该尽可能的减少固体不完全燃烧热损失。本文首先对锅炉的热平衡与燃烧效率进行了介绍, 其次对固体不完全燃烧热损失的影响因素概述与分析, 仅供参考借鉴。

关键词：固体不完全燃烧热损失,锅炉热平衡效率,影响

参考文献

[1]杨月明, 张令.如何减少链条炉排锅炉的固体不完全燃烧热损失[J].科技创新与应用, 2014 (4) .

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[4]徐伶.宁夏地区火力发电厂动力用煤煤质特性的分析[J].宁夏电力.2011 (1) .

罐式煅烧炉热平衡分析 第10篇

石油焦是生产炭素所需要的主要原料之一, 将石油焦在高温下进行热处理, 除去所含的挥发分, 并相应的提高原料理化性能的生产工序称为煅烧[1]。一般而言, 当石油焦煅烧温度在500℃左右时, 原料中的挥发份呈油雾的形态逸出;在500~800℃范围内, 石油焦原料的挥发份排出量最大;当煅烧温度约为700℃时, 石油焦原料挥发份的主要成分为碳氢化合物热解所分解的氢[2]。当温度继续升高, 将会引起碳氢化合物的分解生成热解炭, 这种热解炭不断沉积在焦炭气孔壁及其表面, 形成一种坚实而有光泽的炭膜, 使焦炭的抗氧化能力和机械强度大大提高。此时, 煅烧原料的排气过程也基本停止。因此, 对于石油焦煅烧炉来说, 炉内热量来源主要有三方面:石油焦中挥发分燃烧热、炭质烧损热和外加热量。一般来说, 罐式炉内, 挥发分燃烧热、炭质烧损热可以维持热平衡, 不需要外加燃料[3]。

1 罐式炉物料平衡

延迟石油焦进炉后经过引燃煅烧, 产物为煅烧焦和水分, 中间产物为挥发分和炭。一个44罐8层火道罐式煅烧炉年可处理延迟石油焦约为34867.08 t。则罐式煅烧炉物料平衡如表1所示。

2 石油焦煅烧过程供热量计算

2.1 挥发份燃烧供热量计算

煅烧石油焦的成分[4]如表2所示。根据表1和表2可知每小时罐式煅烧炉中参与燃烧的物料的量, 结果如表3所示。

挥发份的主要成分为H2、CH4和CG (可冷凝的焦油气体, 碳氢比约为1:2) 组成, 其燃烧时所发生的化学反应如下:

2.2 炭质烧损供热量计算

石油焦煅烧过程中有部分的炭质烧损。

则, 炭质小时烧损量为169.75 kg/h, 则小时产热量为5566.10 MJ/h。

2.3 预热空气带入热量

为了节约热量的损失, 将进入煅烧炉的冷空气先与高温烟气换热后再进入炉内进行燃烧, 预热空气的量约为11331.7kg/h, 则预热空气带入热量=1.06k J/ (kg℃) 11331.7kg/h600℃=7206.96MJ/h。

2.4 罐式煅烧炉总供入热量计算

罐式煅烧炉总供入热量=挥发分燃烧放热+炭烧损放热+预热空气带入热量=60896.12MJ/h。

3 罐式煅烧过程热量消耗计算

3.1 煅烧石油焦吸热

根据文献[6], 石油焦比热与温度之间的关系可由以下公式拟合描述:

根据公式, 可算出石油焦在室温至1400℃范围内的平均比热为1.96k J/kg℃, 则石油焦升温小时吸热量为8187.41MJ/h (煅烧料质量为3.41t/h) 。

3.2 水分蒸发升温吸热

从石油焦质量指标表中可以看出进入煅烧炉的石油焦含有约3%的水分, 当煅烧炉加热到130℃时, 这部分水分可完全变为水蒸气, 并且在炉中被加热至1000℃以上。水在室温下的焓值为104.829k J/kg, 在130℃变为水蒸汽后的焓值为2720.08 k J/kg, 水分蒸发吸热量为330.18MJ/h (水分质量为0.126t/h) ;蒸汽在130℃~1000℃之间的平均比热约为2.18 k J/ (kg℃) , 蒸汽升温吸热量为247.70MJ/h (蒸汽质量为0.126t/h) , 水分蒸发升温吸热量总计为577.88MJ/h。

3.3 挥发份高温热解吸热

挥发份中的CG为在500℃之下蒸发出来的油气, 而CH4和H2需要在700℃以上吸热裂解而来, 高温油气裂解产生H2的反应吸热约为65.40MJ/kg[7], CG热解析氢吸热量为21926.63MJ/h;裂解生成CH4的反应吸热约为4.69MJ/kg[7], CG热解生成CH4吸热量为724.98MJ/h。挥发分高温裂解吸热量总计为22651.61MJ/h。

3.4 高温排烟带走热量

本项目罐式炉小时排烟量为13500Nm3/ (h台) , 1000℃以上高温烟气的密度约为1.073kg/Nm3, 则四台煅烧炉产生的高温烟气的质量为1.073kg/Nm313500Nm3/h=14.48t。排烟温度为800~900℃, 则高温烟气排放带走热量为17493.35MJ/h。

3.5 表面散热及其他热损失

表面散热及其他热损失为主要是由炉体吸热和表面散热等组成, 约为11824.55MJ/h。

4 煅烧工序热平衡分析

经过以上的计算, 本工序的有效能为煅烧料吸热, 热源主要为挥发份燃烧放热、炭烧损放热等。本工序热平衡分析如表4所示。

从表4可以看出, 煅烧料吸热仅占总供热量的15.18%;热量消耗最大的为挥发分高温热解吸热, 挥发分热解后产生的小分子再燃烧成为罐式煅烧炉中的主要热量来源;其次为排烟带走热量, 占总供热量的28.73%, 且排烟温度在900℃以上。由于罐式煅烧炉的烟气温度高, 可进行烟气余热发电。

5 结论

罐式煅烧炉的热量主要靠自身挥发分燃烧提供, 挥发分燃烧供热量约占总供热量的80.01%。37.20%的供热量用于石油焦继续裂解产生挥发分, 28.73%的供热量在煅烧过程中随着烟气排放被带走, 这部分热量温度高, 有一定的压力, 可通过连接废热锅炉进行余热发电将这部分烟气余热进行再利用。按年产20万t的罐式煅烧炉生产线, 年运行时间为8000 h计算, 采用余热发电, 年可节约电量4000万k Wh[8], 给企业带来可观的经济效益的同时, 节能效果也十分显著。

摘要：通过对罐式煅烧炉的供热过程和耗热过程的研究, 对炉内的燃烧过程和热量平衡进行了深入的分析。

关键词：罐式煅烧炉,热平衡,余热发电

参考文献

[1]黄启震, 等.中国冶金百科全书.炭素材料卷[M].北京:冶金工业出版社, 2004, 64-69;

[2]孙毅, 许海飞, 王玉彬.石油焦煅烧技术方案的比较.轻金属[J], 2010, (11) 38-42;

[3]朱世发, 许建华, 罗英涛.石油焦高温煅烧技术的探讨和实践.轻金属[J], 2010, (3) :33-37;

[4]Perron J, Bui R T, Nguyen H T.Modelling of calcination of petroleum coke in akiln:Process simulation.The Canadian Journal of Chemical Engineering[J], 1992, 40:1108-1120;

[5]吴德荣, 等.化工工艺设计手册[M].北京:化工工艺出版社, 2009;

[6]沈伯熊.石油焦燃烧特性的综合实验研究和模拟.博士学位论文, 华中理工大学, 2000;

[7]Nicholas P.Chaoey主编, 朱开宏译.化工计算手册[M].北京:中国石油化工出版社, 2005