低温余热回收技术

低温余热回收技术--热泵节能技术

时间:2007-10-20 11:23:19 来源:原创作者:剑气书生

1引言

在工业生产中，不但需要大量能源，而且产生和浪费了大量各种型式的余热，特别是低温位余热。实践证明，低温余热完全可以作为二次能源开发和利用，其中采用热泵技术就是重要方法之一。近年来，国外热泵技术已成功地应用于许多工业部门，并取得了良好的节能效果。

我们知道，热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地沿相反方向进行传递。然而，根据热力学第二定律，若以机械功作为补偿条件，热量也可以从低温物体转移到高温物体中去。热泵就是根据这一定律，靠消耗一定能量(如机械能、电能)或使一定能量的能位降级，迫使热量由低温热源(物体)传递到高温热源(物体)的机械装置。热泵的工作原理与制冷机相同，只是目的不同而已。用于供冷的称制冷机；用来供热的则称热泵，二者均按逆卡诺循环方式工作。

2热泵的分类

利用热泵的工作有二：一是使低温余热的温位提高，使之获得较高温度后的热源能用于工艺过程，这种热泵称为温度提高型热泵。二是将低温热源的余热传递给高温热源，满足整个系统能量平衡的需要，这种热泵称为热量获得型热泵。热泵按其工作原理还可分为蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵、化学式热泵三大类。压缩式热泵按其介质的循环方式可分为开式热泵和闭式热泵。不同类型热泵的工作原理是不相同的，蒸汽压缩式热泵按其工作原理又可分为机械压缩式和蒸汽喷射压缩式两种。化学式热泵目前还处于探索、研究阶段。这里主要介绍蒸汽压缩式热泵的机理、节能原理及其在化工中的应用前景。

3热泵工作原理

3.1机械压缩式热泵的工作原理

低温蒸汽通过压缩机吸收外功后，提高其温位者称机械压缩式热泵。由于压缩机的压缩比一般都比较大，故余热温位可以得到较大提高，这种热泵属温度提高型热泵，其工作原理如图1所示。构成机械压缩式热泵的主要部件有蒸发器2、压缩机3、冷凝器4、膨胀阀(节流阀)6等。所用循环工质均为低沸点介质，如氟利昂、氨等。机械压缩式热泵系统的工作过程如下：低佛点工质流经蒸发器时蒸发成蒸汽，此时从低温位处吸收热量，来自蒸发器的低温低压蒸汽，经过压缩机压缩后升温升压，达到所需温度和压力的蒸汽流经冷凝器，在冷凝器中，将从蒸发器中吸取的热量和压缩机耗功所相当的那部分热量排出。放出的热量Q就传递给高温热源5，使其温位提高。蒸汽冷凝降温后变成液相，流经节流阀6膨胀后，压力继续下降，低压液相工质流入蒸发器，由于沸点低，因而很容易从周围环境吸收热量而再蒸发，又形成低温低压蒸汽，依此不断地进行重复循环。此时，若将蒸发器放在盛水的容器中，蒸发器内的低沸点介质，就吸收水中的热量，使水温不断下降而成冰水(甚至结冰)。吸收了周围环境热量的蒸汽再进入压缩机，供给压缩机以功(机械功或电能)而驱动压缩机不断运行，如此循环往复不断，就能使低温热量连续不断地传递到高温热源处，以满足工艺和其他方面的需要，从而使难以直接利用的低温位热能得到有效的利用，达到节能目的。故热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。

图1机械压缩式热泵的工作原理图

1-低温热源；2-蒸发器；3-压缩机；

4-冷凝器；5-高温热源；6-节流膨胀阀

3.2蒸发喷射压缩式热泵

蒸汽喷射压缩式热泵是利用高温位热量QH(温度T1)为代价，通过蒸汽喷射器，将低温热源QL 的温度T2提高到用户所需要的热位Q(温度T)，其工作原理如图2所示。

图2蒸汽喷射压缩式热泵

从热力学观点，这种吸收式热泵可以认为是在高温热源(T1)与低温热源(T2)间工作的提供高质能的压缩式热泵。

这种热泵可取得较好经济效益，除喷射器造价低，操作简便外，作为高温热源的动力蒸汽通常为5～15 MPa，在此压力范围内的蒸汽，一般中小型化工厂都有，特别是一些小型化工厂往往还节流降压，有效能量未作功而降级使用，造成浪费。若用此高温热源通过蒸汽喷射压缩式热泵，可使低温位余热获得充分利用。

喷射式热泵装置最大特点是没有(或很少)转动部件，这是机械压缩式热泵所做不到的。

4热泵节能原理及经济性分析

4.1节能的简单原理

一台比较完善的热泵，只需消耗少量的逆循环净功，就可能获得较大的供热量Q。这不是能量不平衡问题，它仍然遵循着能量守恒定律。这是因为伴随着低温热源(冷源)把一部分热量q传递给高温热源的同时，热泵所消费的逆循环净功W也转化为热量而一同流向(传递)给高温热源。通俗点说，热泵节能的原理就是把还没有完全做完功(有潜能)的低温位热能“泵”回到高温位热能中，使其与其他高温位热能一起做功；在完成这一轮功的同时，还会有低温位热能产生，热泵再次将其“泵”回到高温位热能中，使其再做功，如此反复。热泵是利用了低温位热能，而不是增加能量，过去这部分低温位热能是白白流失掉了。

4.2经济分析

当热泵采用电动机驱动时，其经济性主要取决于热泵的实际制热系数φe与当地实际电/热比价K 的大小。φe的意思是当热泵消耗电功为Wp(折算成热量)时所能获得热量Qp(即φe=Qp/Wp)。只有当获得热量的得益大于所耗电费时，采用热泵技术才有可能获得经济效益，即

QpKH＞WpKE

式中KH——热价，元/4.18×106kJ；

KE——电价，折算成对应的热量计价，元/4.18×106kJ。

因为K=KE/KH

由式(1)得

或φe＞K