热泵技术

应用热泵节能技术充分利用低温余热

摘要介绍了将低温余热提高到高温位加以利用节约能源的原理，对热泵的经济性进行了分析，具体介绍了热泵在化工生产中的应用。

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。

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。

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

也就是说，只有当热泵的实际制热系数φe大于当地的电/热比价K时，即只有当消耗的电量折价低于相应获得的热量折价时，采用电动热泵才有可能得益。

5 热泵在化工生产上的应用

由于热泵能将低温位余热转换成高温位热能，提高能源的有效利用率，近年来得到了迅速的发展，已在蒸发、蒸馏、干燥、制冷、空调等化工过程中应用，并取得了良好的经济效益。

5.1 蒸发

利用热泵蒸发原理用于各种稀溶液的浓缩。低温的稀溶液经换热器预热后进入蒸发器被浓缩，二次蒸汽经压缩机压缩，提高了压力、温度和焓值，然后将压缩后的蒸汽送回蒸发器加热室中，作为加热蒸汽用于蒸发料液，被加热料液吸收其潜热后又变成二次蒸汽，后者再进入压缩机压缩。如此不断循环，以少量高质能机械功、电能等，通过热泵蒸发装置把大量的低温位热能转化为有用的高温位热能加以利用，从而节省了大量生蒸汽，达到节能目的。

5.2 蒸馏

在蒸馏的常规流程中，塔顶冷凝器需外部提供冷却水进行冷凝和冷却，热量不但不能利用，还要消耗大量冷却水，而塔底再沸器又要求外部提供蒸汽进行加热，故常规蒸馏装置中能量消耗极大，热效率很低。通过压缩机将塔顶出来的产品蒸汽直接压缩，提高温度后再进入塔底再沸器，蒸汽冷凝时放出潜热去加热物料，而本身冷凝后即成馏液产品，加热不足部分热量可由外部蒸汽补充。采用热泵蒸馏可比蒸汽耗量比常规流程减少一半以上，还可节约大量冷却水，装置的操作费用也大为降低。

5.3 干燥

在常用的热风干燥器中，排气带走大量湿热，余热得不到利用，能量损失很大。但若将排气循环使用，就可大大提高干燥装置的热效率，降低能耗，而热泵技术在某些干燥作业(如茶叶、粮食等)中已经取得良好的效果。热泵干燥的过程如下：经冷凝器加热的干燥空气，送入干燥器中用于湿物料干燥，经干燥后，干空气吸收了物料中的水份而成为湿空气，然后用引风机抽到蒸发器中，湿空气在蒸发器中降温，使湿空气中水份冷凝下来并排出，再将排除了水的干空气送到冷凝器中加热，提高温度，恢复其吸湿能力，重新作为干燥介质，再进入干燥器中进行下一个循环。与常规干燥方法相比，可节约燃料50%左右。

5.4 低温余热回收

在化工生产过程中，往往产生大量低温排水(常指30～70℃)，但因温度低而难以利用。国外已用热泵来回收此类废水及其他液体热量，并将其升温再用于其它加热过程或供取暖用。采用二级压缩，供给蒸发器水温为32℃，经一级压缩后为54℃的水。为了提高循环效率，将入水箱中部分水引至第二级压缩机中，经二次压缩后得到93℃的水。此水在冷凝器中冷凝时放出热量，将低温水加热至82℃供热用户使用。这种热泵可用于许多工业部门。