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                余熱回收熱泵原理(熱泵與熱回收技術)

                時間:?2021-11-26 10:03:04 ??來源:?投稿 ??作者:?dxm ??點擊: ?

                背景

                現代生產生活中存在大量的用熱需求,區域供暖、生活熱水、工藝濃縮等等,甚至農產品干燥等流程也需要大量熱能。工業生產往往還需要大量的蒸汽,蒸汽的產生也需要消耗大量熱能。傳統熱能提供的方法主要通過化石燃料的燃燒或電加熱,需要耗費巨大能量,燃料燃燒還造成了環境污染,而熱泵技術則可以通過消耗少量的電能從低溫熱源中提取能量,以熱泵工質為載體將熱能溫度升高并供給用戶,因此熱泵可以比傳統的加熱方法節約數倍的能量消耗。就余熱回收式熱泵而言,其主要利用生產生活中產生的廢熱形成低溫熱源,同時部分系統也采用空氣、土壤、水源作為輔助低溫熱源,選取合適的熱泵工質和循環系統,即可大幅度提升熱能品質,并供給用戶側。

                目前用于余熱回收的熱泵系統主要包括壓縮式熱泵和吸收式熱泵,在包括熱電和化工等行業的余熱回收中扮演了重要角色。除此之外,基于特定場景的吸收式換熱技術和熱泵干燥技術的重要性也越來越明顯,并在遠距離供熱和工農業干燥中發揮了重要作用。

                壓縮式熱泵

                蒸汽壓縮式熱泵系統是最常見的熱泵系統之一,熱泵工質在低溫熱源的加熱下,發生蒸發相變,之后低溫的熱泵工質蒸汽進入壓縮機,在壓縮過程中增壓升溫,壓縮機出口排出的高溫高壓熱泵工質進入冷凝器相變放熱,將蒸發、壓縮中吸收的能量傳遞到高溫側。近年來兆瓦級的壓縮式熱泵在工業余熱回收中取得了快速進展,下圖所示的就是應用于鋼鐵廠余熱回收供暖的獨立雙系統離心式壓縮熱泵機組,在實現30℃以上的溫度提升下可以保證系統COP在6以上,單機制熱量達到了9 MW以上。

                余熱回收熱泵原理(熱泵與熱回收技術)

                余熱回收熱泵原理(熱泵與熱回收技術)

                圖1用于余熱回收的獨立雙系統離心式壓縮熱泵機組

                蒸汽壓縮式熱泵這個名詞經常與工業熱泵聯系在一起,主要用于熱供應過程的余熱回收,也稱之為高溫熱泵,這也是近年來壓縮式熱泵的研究熱點。在實際應用中,由于存在熱源溫度較低,用熱溫度高等問題,常常要對熱泵系統進行一些優化設計,由此形成了如噴射壓縮式熱泵、雙級壓縮等熱泵系統。在循環以外,高溫循環工質是壓縮式高溫熱泵的“血液”,熱泵工質往往從制冷劑中選取,同時制冷劑與潤滑油混合后的熱穩定性也是系統設計中需要重點考慮的因素,此外熱泵工質需要具有與金屬材料或其他化學材料良好的相容性,避免在運行過程中降解。下圖就是以水蒸氣為工質的超高溫壓縮式熱泵(VHTHP),當系統溫升為40℃時,此時冷凝溫度為127℃,系統COP為4.2。

                余熱回收熱泵原理(熱泵與熱回收技術)

                余熱回收熱泵原理(熱泵與熱回收技術)

                圖2 熱泵技術的劃分與水蒸氣熱泵

                對高溫熱泵來說,目前的研究方向主要集中在新型制冷劑的開發和利用,系統循環形式的優化與系統供熱溫度的提升這幾個方面。而為了實現如上目標,R1336mzz(Z)、R1233zd(E)或R718(水)等新工質的應用,抑或是大型離心式壓縮機、螺桿式壓縮機的開發都引起了學界和產業界的關注和研究。盡管高溫熱泵技術已經在許多工業和生活應用場景下開始發揮了作用,然而由于缺乏對工業用熱的明確認識、低GWP環保制冷劑的匱乏以及相比與電力與化石燃料的較高的投入成本,高溫熱泵技術的推廣仍然存在著許多困難。未來高溫熱泵領域的研究主要將集中在以下幾個方面:高溫換熱器和壓縮機的設計、高效熱力循環構建和熱泵系統部件材料優化。

                吸收式熱泵

                工業余熱具有體量大和溫度分布復雜的特點,此外在進行工業余熱回收時用戶側的需求也通常是多變的,除了低溫段的供暖和生活熱水需求外,還包括中溫段的工業流程預熱和高溫段的工業蒸汽供給等。吸收式熱泵以高溫蒸汽、余熱熱水、化石能源燃燒等的熱能為驅動能源,通過不同的循環方式實現熱能的品位提升或體量增加等目的,在采用不同熱源、余熱和熱泵循環時可以滿足60~150℃的熱能輸出,是工業余熱利用的重要方式之一。與只有升溫型的壓縮式熱泵不同,吸收式熱泵不但具有升溫型的熱泵循環還具有增量型的熱泵循環方式,一般增量型的吸收式熱泵被稱為第一類吸收式熱泵,而升溫型吸收式熱泵被稱為第二類吸收式熱泵或吸收式熱變溫器。增量型吸收式熱泵在采用高溫熱源驅動的時候可以回收低溫余熱并進行溫度提升,而中溫輸出熱量是高溫熱源量與低溫余熱回收量之和,因此可以達到熱能增量的目的。升溫型吸收式熱泵在僅以中溫余熱進行驅動時,可以產生高溫的輸出,因此可以達到熱能品位提升的目的。吸收式熱泵對于熱能品位和體量的靈活轉換也使得它非常適合于工業余熱回收與轉換。

                第一類吸收式熱泵在用于余熱回收時輸出溫度不高,因此其主要目的是供暖。IEA熱泵中心的工業熱泵報告中介紹了吸收式熱泵應用于奧地利一家生物質能發電站的案例,該電站采用77%的木材和23%的內部加工殘留物作為燃料,可提供5 MW的電量輸出和30 MW的熱輸出。本案例中用了容量為7.5 MW的吸收式熱泵回收煙氣中的余熱,當吸收式熱泵蒸發溫度低于50 ℃時即可達到煙氣露點溫度并從煙氣中回收水蒸氣的冷凝熱。吸收熱泵的驅動熱源來自蒸汽輪機中溫度為165 ℃的蒸汽,并向區域供暖提供95 ℃的熱輸出。

                余熱回收熱泵原理(熱泵與熱回收技術)

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                圖3 用于低溫余熱回收供暖的一類吸收式熱泵

                第二類吸收式熱泵的輸出溫度高,因此其主要目的是工業用熱供給。例如在橡膠合成工業中,反應釜頂部產生溫度約為96.5℃的熱氣需要被冷卻從而回收其中溫度約為80℃的冷凝水,另一方面反應釜底部需要持續地供給102.5℃熱輸入,這部分原本需要采用蒸汽進行加熱,而如果采用二類吸收式熱泵一方面回收反應釜頂部氣體釋放的冷凝熱,另一方面為反應釜底部提供高溫熱輸入就可以達到節省蒸汽的目的。

                現階段基于常規流程的吸收式熱泵的應用已經逐漸成熟,包括一類二類熱泵和單效、雙效以及兩級等多種流程也可以滿足余熱回收的基本需求,并已經在工業余熱回收中廣泛使用,一些具體實施的案例也具有可觀的經濟和環境效益,其進一步推廣仍然依賴于系統的經濟性,因此吸收式熱泵的未來發展主要包括:(1)結合余熱回收的實際場景進一步提升吸收式熱泵效率、適應性和整個余熱回收系統的能量回收效率是進一步推廣應用的關鍵。(2)結合實際余熱回收場景進行帶有熱能轉換的復雜余熱換熱網絡優化以及因地制宜地開發多種先進吸收式熱泵技術仍然是需要高校和產業共同努力的方向。

                吸收式換熱技術

                低品位余熱源與需求間往往存在顯著的空間差異性,例如在余熱回收供暖中余熱往往在工業園區比較集中,但用熱方則是居民區并遠離工業園區。作為提取低品位工業余熱實現供熱的重要手段,吸收式熱泵與吸收式換熱器被廣泛應用在集中供熱系統中,其中吸收式換熱器更擅長低品位熱量的長距離輸送,并可以分為第一類和第二類吸收式換熱器。

                第一類吸收式換熱器可以實現小流量側的熱源出口溫度低于大流量側熱匯的進口溫度,其本質上是第一類吸收式熱泵與水-水換熱器的組合,一次網水(熱源測熱水)首先經過吸收式熱泵的發生器作為熱源,將一部分熱量通過冷凝器傳遞給一部分二次網水(熱匯側熱水),之后發生器的一次網出水進入水-水板式換熱器,將熱量進一步釋放給一部分二次網水,進而板換出口的一次網水最終進入吸收式熱泵的蒸發器進一步降溫,其熱量抬升品位后用于加熱一部分二次網熱水,最終實現一次網出水溫度低于二次網進水溫度。第一類吸收式換熱器可以在末端熱力站比常規技術實現更低的回水溫度,并提升熱能輸配能力。

                第二類吸收式換熱器可以實現小流量側熱匯的出口溫度高于大流量側熱源的進口溫度,實質上是第二類吸收式熱泵與水-水換熱器的組合。熱源分成三部分,一部分進入發生器,將熱量通過冷凝過程釋放給熱匯側進口熱水,同時熱源溫度與熱匯側進口段溫度之間形成驅動溫差,制備出濃溶液;之后冷凝器出口的熱匯側熱水進入水-水板換被一部分熱源加熱,之后熱匯側熱水進入吸收器,同時最后一部分低品位熱源被送入蒸發器,在驅動溫差的作用下,低品位熱源抬升品位后將熱量釋放給溶液進而釋放給熱匯側熱水,使得熱匯側熱水經過吸收器后輸出系統最高溫度的出水,從而使得熱匯側出水高于熱源側進水。第二類吸收式換熱器可以在低品位熱源供給段提升低品位熱源供給溫度,并提升熱能輸配能力。

                吸收式換熱器的典型應用是利用兩類吸收式換熱器實現低品位余熱的長距離輸送。如圖所示,在熱源處通過第二類吸收式換熱器將熱量從小的供回水溫差變換為一次網大的供回水溫差以進行長距離輸熱;在末端熱力站,通過第一類吸收式換熱器,將熱量自一次網的大供回水溫差變換為二次網的小供回水溫差,用于建筑末端的供熱。從而加大熱量的輸送溫差,實現低品位工業余熱的長距離輸送。

                余熱回收熱泵原理(熱泵與熱回收技術)

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                圖4 基于吸收式換熱器的遠距離熱輸送

                熱泵干燥技術

                采用熱泵進行余熱回收所產生的熱量不但可以用于供暖,還可以廣泛應用于工農業生產中的干燥過程。干燥是以熱的方式將水分從物料中脫除的過程,也是高耗能生產單元,在一些產品生產中,干燥過程所消耗的能量甚至占到生產總能耗的30%-70%,因此在保證物料干燥品質的前提下需要尋求降低能耗的方式十分重要。和傳統干燥方式相比,熱泵干燥具有很多優點,包括具有更高的能源利用效率以及受外部天氣因素影響較小等,在與余熱回收結合后可以達到進一步提升能效的目的。

                余熱回收熱泵原理(熱泵與熱回收技術)

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                圖5 熱泵除濕干燥技術原理與半開式煙草熱泵干燥系統實物

                目前熱泵干燥系統多采用蒸汽壓縮式的空氣源熱泵,其具有更廣泛的適應性。根據實際應用需求將熱泵干燥技術分為如下幾類:除濕型、雙熱源型、半開式、密閉主機室型、多級串聯型和水蒸氣直接壓縮型。為了實現更加節能和高效的熱泵干燥,近年來該技術主要在以下方面取得了進展。

                (1)結合多能互補的新思路開展研究工作,包括與太陽能、微波、余熱和電熱等的結合。與太陽能結合的主要特點是以太陽能為主,晚上利用熱泵補熱。與微波干燥結合的特點是干燥初期高濕階段采用熱泵,后期以微波為主進行干燥以降低干燥時間。與蒸汽、電熱耦合主要是在熱泵達不到的80ºC以上的高溫升溫階段使用。

                (2)結合干燥工藝開展相關研究工作,圍繞熱泵特點開發不同的干燥工藝設備。相關研究非常多,農業方面包括煙葉、玫瑰花、紅棗、山藥等都已得到一定的應用,最大宗是南方稻谷干燥開始大量采用熱泵,東北的熱泵玉米干燥技術也在發展。工業方面包括污泥、掛面、蚊香、木材、樹脂等的熱泵烘干技術也在逐漸展開。當前,傳統工業干燥的廢氣排放愈來愈嚴格,白煙和異味的控制成為重點,采用熱泵干燥有可達到近零排放的要求,會有很大的發展空間。

                (3)結合具體干燥物料對象的不同,有針對性的開展新技術、新裝備的開發,這對熱泵干燥技術應用領域的不斷開拓有重要的意義。南方由于四季溫度較高,空調制熱模式的熱泵干燥技術得到了快速的發展;但對于北方地區冬季低溫的特定情況,國內開發了密閉主機室配合低溫空氣源熱泵和相變材料蓄熱的新思路,系統操作簡單易行,得到了一定的發展推廣。針對東北冬季糧食干燥的特點,國內開發了綜合多級串聯除濕、梯級加熱及熱管回熱的完整方案,表明在冬季嚴寒條件下可以得到高于南方環境條件下的熱泵干燥效率。

                在核心技術開發方面,主要包含三部分。一是熱泵干燥專用壓縮機的開發,這一工作需要在普通壓縮機的基礎上推進;二是熱泵干燥專用制冷劑的開發,由于用量不大,目前標準很不統一;三是熱泵蒸發器的開發,特別是結合含塵含冷凝水的換熱過程,其結構優化和長期穩定性都很重要。

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