余熱回收的熱泵系統(tǒng)發(fā)展

作者：摘自空調(diào)試驗室微信號 發(fā)布于：2021-02-27

背景

現(xiàn)代生產(chǎn)生活中存在大量的用熱需求，區(qū)域供暖、生活熱水、工藝濃縮等等，甚至農(nóng)產(chǎn)品干燥等流程也需要大量熱能。工業(yè)生產(chǎn)往往還需要大量的蒸汽，蒸汽的產(chǎn)生也需要消耗大量熱能。傳統(tǒng)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(huán)境污染，而熱泵技術(shù)則可以通過消耗少量的電能從低溫?zé)嵩粗刑崛∧芰?，以熱泵工質(zhì)為載體將熱能溫度升高并供給用戶，因此熱泵可以比傳統(tǒng)的加熱方法節(jié)約數(shù)倍的能量消耗。就余熱回收式熱泵而言，其主要利用生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的廢熱形成低溫?zé)嵩?，同時部分系統(tǒng)也采用空氣、土壤、水源作為輔助低溫?zé)嵩?，選取合適的熱泵工質(zhì)和循環(huán)系統(tǒng)，即可大幅度提升熱能品質(zhì)，并供給用戶側(cè)。
   目前用于余熱回收的熱泵系統(tǒng)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(yè)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(shù)和熱泵干燥技術(shù)的重要性也越來越明顯，并在遠距離供熱和工農(nóng)業(yè)干燥中發(fā)揮了重要作用。

壓縮式熱泵

蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)是最常見的熱泵系統(tǒng)之一，熱泵工質(zhì)在低溫?zé)嵩吹募訜嵯拢l(fā)生蒸發(fā)相變，之后低溫的熱泵工質(zhì)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(zhì)進入冷凝器相變放熱，將蒸發(fā)、壓縮中吸收的能量傳遞到高溫側(cè)。近年來兆瓦級的壓縮式熱泵在工業(yè)余熱回收中取得了快速進展，下圖所示的就是應(yīng)用于某鋼鐵廠余熱回收供暖的獨立雙系統(tǒng)熱泵機組，在實現(xiàn)30℃以上的溫度提升下可以保證系統(tǒng)COP在6以上，單機制熱量達到了9 MW以上。

蒸汽壓縮式熱泵這個名詞經(jīng)常與工業(yè)熱泵聯(lián)系在一起，主要用于熱供應(yīng)過程的余熱回收，也稱之為高溫?zé)岜?，這也是近年來壓縮式熱泵的研究熱點。在實際應(yīng)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(tǒng)進行一些優(yōu)化設(shè)計，由此形成了如噴射壓縮式熱泵、雙級壓縮等熱泵系統(tǒng)。在循環(huán)以外，高溫循環(huán)工質(zhì)是壓縮式高溫?zé)岜玫摹把骸?，熱泵工質(zhì)往往從制冷劑中選取，同時制冷劑與潤滑油混合后的熱穩(wěn)定性也是系統(tǒng)設(shè)計中需要重點考慮的因素，此外熱泵工質(zhì)需要具有與金屬材料或其他化學(xué)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(zhì)的超高溫壓縮式熱泵（VHTHP），當(dāng)系統(tǒng)溫升為40℃時，此時冷凝溫度為127℃，系統(tǒng)COP為4.2。

對高溫?zé)岜脕碚f，目前的研究方向主要集中在新型制冷劑的開發(fā)和利用，系統(tǒng)循環(huán)形式的優(yōu)化與系統(tǒng)供熱溫度的提升這幾個方面。而為了實現(xiàn)如上目標，R1336mzz(Z)、R1233zd(E)或R718（水）等新工質(zhì)的應(yīng)用，抑或是大型離心式壓縮機、螺桿式壓縮機的開發(fā)都引起了學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注和研究。盡管高溫?zé)岜眉夹g(shù)已經(jīng)在許多工業(yè)和生活應(yīng)用場景下開始發(fā)揮了作用，然而由于缺乏對工業(yè)用熱的明確認識、低GWP環(huán)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?zé)岜眉夹g(shù)的推廣仍然存在著許多困難。未來高溫?zé)岜妙I(lǐng)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(shè)計、高效熱力循環(huán)構(gòu)建和熱泵系統(tǒng)部件材料優(yōu)化。

熱泵干燥技術(shù)

采用熱泵進行余熱回收所產(chǎn)生的熱量不但可以用于供暖，還可以廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)單元，在一些產(chǎn)品生產(chǎn)中，干燥過程所消耗的能量甚至占到生產(chǎn)總能耗的30%-70%，因此在保證物料干燥品質(zhì)的前提下需要尋求降低能耗的方式十分重要。和傳統(tǒng)干燥方式相比，熱泵干燥具有很多優(yōu)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(jié)合后可以達到進一步提升能效的目的。

目前熱泵干燥系統(tǒng)多采用蒸汽壓縮式的空氣源熱泵，其具有更廣泛的適應(yīng)性。根據(jù)實際應(yīng)用需求將熱泵干燥技術(shù)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(lián)型和水蒸氣直接壓縮型。為了實現(xiàn)更加節(jié)能和高效的熱泵干燥，近年來該技術(shù)主要在以下方面取得了進展。

（1）結(jié)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(jié)合。與太陽能結(jié)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(jié)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(jié)合干燥工藝開展相關(guān)研究工作，圍繞熱泵特點開發(fā)不同的干燥工藝設(shè)備。相關(guān)研究非常多，農(nóng)業(yè)方面包括煙葉、玫瑰花、紅棗、山藥等都已得到一定的應(yīng)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(shù)也在發(fā)展。工業(yè)方面包括污泥、掛面、蚊香、木材、樹脂等的熱泵烘干技術(shù)也在逐漸展開。當(dāng)前，傳統(tǒng)工業(yè)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(fā)展空間。
（3）結(jié)合具體干燥物料對象的不同，有針對性的開展新技術(shù)、新裝備的開發(fā)，這對熱泵干燥技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓有重要的意義。南方由于四季溫度較高，空調(diào)制熱模式的熱泵干燥技術(shù)得到了快速的發(fā)展；但對于北方地區(qū)冬季低溫的特定情況，國內(nèi)開發(fā)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(tǒng)操作簡單易行，得到了一定的發(fā)展推廣。針對東北冬季糧食干燥的特點，國內(nèi)開發(fā)了綜合多級串聯(lián)除濕、梯級加熱及熱管回?zé)岬耐暾桨?，表明在冬季嚴寒條件下可以得到高于南方環(huán)境條件下的熱泵干燥效率。
  在核心技術(shù)開發(fā)方面，主要包含三部分。一是熱泵干燥專用壓縮機的開發(fā)，這一工作需要在普通壓縮機的基礎(chǔ)上推進；二是熱泵干燥專用制冷劑的開發(fā)，由于用量不大，目前標準很不統(tǒng)一；三是熱泵蒸發(fā)器的開發(fā)，特別是結(jié)合含塵含冷凝水的換熱過程，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化和長期穩(wěn)定性都很重要。