“烟热回收+消白降氮”三剑客之1+1>2的热泵组合及其逻辑

简介

热泵机组结合能源梯级利用、低品位能源复合高品位能源利用的理念,基于压缩制冷、吸收制冷、扩散制冷同属相变制冷的理论基础,采用一种压缩吸收扩散复合制冷的模式;并配比醋酸钠/醋酸氦新型工质对,较好的适应压缩制冷、吸收制冷、扩散制冷复合循环的运行;设计制冷剂浓度调节结构和自热式过热器,保证压缩吸收扩散制冷系统的高效运行;同时设计纤维管束式热虹吸泵,用以代替机械式溶液泵,减了设备运动部件。

双源热泵是热泵创新的一种高级应用,其主要是针对建筑暖通空调系统中多种能源协调使用问题而开发的新一代供热系统产品。既可利用空气,又可利用水做为低温热源。通过电能驱动,不断从低温热源中吸收热量并释放到高温热水中的热泵设备。例如,双热源机组拥有水源热泵能效比高,又拥有空气源热泵适用范围广的双重优点。

整体能源供应系统严格遵从热能品位梯级利用原则,在双热源供热制冷发展方向上可以分布整合,规划成三代换代产品,即双热源单独供热型;双热源梯级供热型,双热源梯级供热制冷型。

压缩式热泵、吸收式热泵、扩散式热泵……同为蒸发器、冷凝器等,不同的应用场景,就可以发挥出不同的功能:蒸发器与冷凝器换热面积的比例1∶1或1∶n或n∶1;可以用做制冷机;可以用做热泵;可以用做发电机;可以用做透平机……即可以热—热交换,又可以热—电转换,甚至可以热—电—热输出……既可固定使用,又可移动应用……因何如此神奇?思想所以,思想是世上最珍贵、最稀缺的商品!!

同类研究水平概述

按热泵的驱动方式,目前分为4种:机械压缩式——通过消耗机械能驱动压缩机完成热力循环达到热能的转移蒸气喷射式——蒸气在喷射器中消耗热能并取低温热源热量供热吸收式——通过吸收器消耗热能完成热能转移温差电热式,又称为热电势泵或珀尔帖热泵——基于珀尔帖效应原理,PN结电偶消耗电能完成热能转移。

热泵可回收100℃以下的废热,是高效利用低温热能的节能设备,现已应用在采暖、空调、烘干、除湿、干燥等方面。近年来正开发研制一种新型节能热泵——化学热泵,它是利用化学现象(如化学反应、吸附浓度差等)的热泵,利用可逆热化学反应向用户供热,是很有发展前途的节能型产品。更值得关注的,还有“激波热泵”等。

随能源消耗日益加剧,针对低品位热能的利用成为一个研究热点,其中利用低品位热源制冷是利用低品位热源的有效途径。目前研究较多的是集中在两个方向上:一是固体吸附制冷;二是液体吸收制冷。

在吸附式制冷方面的研究主要集中在吸附工质对选择、吸附床效率以及吸附周期等几个方面,且取得了一定的进展。对于吸附制冷而言,其有诸多优势,如无运动部件、结构相对简单、运行安全、可以利用较低品位的热能等等因素,但其尚有许多问题需要解决:

1、效率低,从目前文献提供的数据看,吸附式制冷效率较吸收式制冷低,效率仅有吸收式效率的10%~50%;

2、吸附剂大多采用微孔结构、导热系数低、传热效果差的固体吸附剂,导致吸附和解吸周期长;

3、单位质量吸附剂的制冷功率小,设备体积大,系统的热利用率不高. 而对吸收制冷而言:目前大型吸收制冷设备基本成熟,在较高热源下工作时,有不错的效率,但随其热源温度下降时,其效率也会急剧下降。两级吸收式制冷可有效的降低了对热源温度的要求,但其效率远低于一级吸收式制冷,而且体积大,设备复杂。对于溴化锂制冷其主要缺陷在于,溶液易结晶、放气范围小、对金属腐蚀性强,且其最低制冷温度无法达到0℃以下、设备长时间在负压下运行容易渗入空气,影响效率,需配备真空泵等几个方面。氨水吸收制冷系统中,其氨蒸汽汽化潜热较大,有较宽的制冷温度范围,有不错的适用前景,但系统需要一个容积式高压电动溶液泵,而目前小型高压泵(功率小于30KW)的效率低、体积大且容易出现气蚀,导致氨水吸收无法应用于小型制冷,另外相对于溴化锂制冷,它对余热温度要求较高,无法回收品位较低的余热。

东南大学杜垲教授提出了一种氨压缩制冷与氨吸收制冷复合的模式,即利用余热驱动吸收式制冷完成一级升压、电能驱动的压缩制冷完成二次升压,一方面实现了余热的利用,另一方面保证了设备的效率,有不错的前景。吸收部分采用的仍是氨水吸收式制冷,所以系统仍需采用高压溶液泵,较适合应用于大型制冷系统,而且由于吸收制冷循环中的氨水往往会含有部分水蒸气,进入二级升压时,会出现湿压缩,影响了二级压缩的效率。

浙江大学陈光明教授还曾提出了一种扩散制冷与压缩制冷复合的模式,但其是靠两套独立的系统完成,即用扩散制冷为压缩制冷的冷凝器提供冷量,设备体积和初投资均较大。

到目前为止,尚未见到可以利用较低品位热能驱动的小型热泵设备。

详细介绍

空调设备、制冷设备逐渐普及,一方面其提升了人们生活品质,而另一方面其带来的能耗问题日益影响社会的可持续发展。从能源的角度讲,常规能源日益短缺,而目前一些低品位的能源却得不到有效利用,如汽车余热、太阳能集热器生产的中低温热能(虽目前太阳能向高温转化的技术已经成熟,但其成本远高于普通集热器,不具备商业开发价值)。

热泵机组的思路就是:研发可以利用较低温度余热或较低温度热源(如非聚光太阳能集热器产生的中温热水)驱动的单户型热泵机组,夏季供冷,而冬季可以供热。为此,热泵机组从四个方面进行了改进和创新:

1、制冷机理方面:设计了一级压缩—吸收—扩散联合运行的制冷模式,其一级驱动可以利用低品位余热,二级驱动靠电力供应,实现能源的梯级联合运用。既保证了电能的节约、又使得制冷机的高效运行。经中科院文献情报中心的查新鉴定在国内属于首次提出(编号2008-181);

2、控制调节方面:系统设计有浓度调节系统,打破传统吸收式制冷系统浓度恒定的运行方式,设计了制冷剂与吸收剂相互置换调节的模式。当循环适合在高浓度工况下进行时,有制冷剂进入循环、有等体积吸收剂离开循环,使得循环溶液浓度提升。当溶液适合在低浓度下运行时,调节过程相反,始终保证系统的最优化运行;

3、循环工质方面:配比了氨—醋酸钠/醋酸—氦新型工质对,工质对保证了三种制冷方式复合的工质要求,且属于环境友好型工质;

4、设计纤维管束型热虹吸泵,提高了虹吸提升高度、增加了溶液循环量、降低了驱动温度,冬季供热时系统运行无需任何运动部件,完全热驱动。

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

1、发明目的: 研发可以利用较低温度余热或较低温度热源(如非聚光太阳能集热器产生的中温热水)驱动的户用小型热泵,用于夏季供冷、冬季供热。

2、基本思路: 压缩制冷、吸收制冷、扩散制冷同属于相变制冷的范畴,其本质为:形成一相对高压和一相对低压,使气态工质在相对高压下液化,而此时液态工质在相对低压下汽化制冷。基于这一基础结合能量梯级利用的理念,设计了压缩—吸收—扩散复合制冷系统,其可融合压缩制冷效率高、吸收制冷易于回收余热、扩散制冷体积较小的特点。

3、创新点:

1)设计了压缩—吸收—扩散联合运行的制冷模式,其一级驱动可以利用低品位余热,二级驱动靠电力功能,降低了驱动温度,实现能源的梯级联合运用。经中科院文献情报中心的查新鉴定在国内属于首次提出(编号2008-181);

2)系统设计了变浓度调节器,实现了运行浓度的自我调节,始终保证系统的最优化运行。

3)配比了氨—醋酸钠/醋酸—氦新型工质对,工质对保证了三种制冷方式复合的工质要求,且属于环境友好型工质。

4)设计纤维管束型热虹吸泵,用以代替机械式溶液泵,减少了运动部件,简化了结构。

4、技术关键: 压缩、吸收、扩散制冷的有机复合以及运行的控制。

5、技术指标: 实现了热驱动制冷小型化:制冷量2.5KW(驱动热源温度85℃、制冷系数0.37、制冷温度-10℃)

科学性、先进性

热泵机组有效融合了压缩制冷效率高、吸收制冷可以利用余热驱动、扩散制冷体积小的特点。

1、对热源品位(温度)要求低、且效率高;与普通的余热驱动的制冷机相比,由于其两级升压的结构,降低了对一级升压的要求,从而保证在较低温度的余热下达到较理想的放气范围,保证了制冷效果;配比的氨—醋酸钠/醋酸—氦的工作安全性相对于氨制冷而言,节流损失有较大降低,提高了效率;且其可根据工况变化将吸收剂与制冷剂进行置换调节,达到调整系统溶液浓度的目的,保证了系统在最优工况下运行。

2、体积小,适合单户使用;系统引入了扩散辅助平衡气体,克服了小型氨吸收制冷过程中,需要高压溶液泵的缺陷,使得系统得以小型化。

3、制冷工质属于友好型工质,可以减少氟利昂的排放。

4、运行简单,冬季运行时,系统无需任何运动部件,使用方便。

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

研制的热泵机组主要四方面特点:

1)对驱动温度要求低;

2)实现了热驱动制冷的小型化;

3)运行效率高;

4)结构简单,运动部件少。

热泵机组推广有两个方向:

1)余热利用方向:即回收生产、生活中的余热为生产、生活提供冷量。热泵机组实现了热驱动制冷的小型化,使其在汽车余热空调、渔船尾气制冷方面有较大技术优势。

2)新能源利用方向,如目前太阳能向中低温热能转化技术已经成熟、成本较低,而这类热能驱动由于温度太低,无法驱动普通吸收式空调,而其可以满足热泵机组运行需求。

“烟气余热深度回收”兼“消白降氮”热泵技术选型预案:

有‘电’的项目——专用型压缩式热泵;

少‘电’有‘气’的大吨位燃气锅炉项目——专用型吸收式热泵;

少‘电’有‘气’的小吨位燃气锅炉项目——扩散式热泵(或称扩散—吸收式热泵);

室内空间有限的燃气锅炉项目——扩散式热泵(或称扩散—吸收式热泵);

既要‘余热回收’,同时‘消白降氮’的项目——扩散式热泵(或专用型吸收式热泵)+压缩式热泵;

……

压缩—吸收—扩散复合制冷的模式:配比有氨—醋酸钠/醋酸—氦新型工质对,较好地适应压缩制冷、吸收制冷、扩散制冷复合循环的运行;设计有制冷剂浓度调节结构和过热器/过冷器,保证压缩—吸收—扩散制冷系统的高效运行;同时设计有纤维管束式热虹吸泵,用以代替机械式溶液泵,减少了热泵运动部件。其具有可融合压缩制冷效率高、吸收制冷易于回收余热、扩散制冷体积较小的特点。

烟气余热回收专用型热泵调试体会:

一、板换式蒸发器效果较好;

二、板换式冷凝器过流量变差,原因评估,R22侧压力伴随一次侧回水温度的升高而升高,致使板换氟侧与水侧压差高达17公斤,导致板片些微变形,水的过流量从118减至88;

三、随着一次侧水温升至50℃以上是,致使压缩机排气温度高达105℃左右,冷凝器换热能力不足,导致R22液化欠佳,造成R22汽液混合。故,热泵优化完善时,可采用液体过冷。单位制冷量和制冷系数增大的程度,是同过冷度成正比的,在变负荷供热运行的烟气余热回收的实际应用中,可以根据具体条件,选用尽可能大的过冷度。同时,采用液体过冷还可以防止R22在膨胀阀前汽化,保障膨胀阀运行稳定。实现方法:1)选用壳管式冷凝器,并适当增大冷凝器面积;2)冷凝器后,加装过冷器。

四、蒸发器与冷凝器换热面积的比例1∶1或1∶n或n∶1。在变工况运行时,热泵的蒸发器换热面积是不同于冷凝器换热面积的。

现代暖通特色——变负荷运行。烟热深度回收必须与之相匹配:

一、水喷淋是当下,与烟气换热最直接、效率最高的;

二、水热‘梯级利用’;

三、烟冷后端约60多℃的水热,直接通过板换回归供热系统;

四、约40多℃的水热,通过吸收式热泵回收热量的同时,水温降至28℃左右;

五、约25℃的水热,通过压缩式热泵回收热量的同时,水温降至12℃左右;

六、约10℃的水温,正是‘消白降氮’的较佳喷淋温度;

七、压缩式热泵以较低锅炉负荷为调节基点。较高锅炉负荷时,经由冷凝器的R22不能完全‘液化’,进而引发了一系列的弊端。所以,加装‘过冷器’是必要的。尤其可以在保持热泵运行稳定性的基础上,提高COP……

未来发展展望

自2017年入冬以来,北方空气质量指数与上一年同期相比明显得到了改善,雾霾天数明显减少。可以看出,国家近年来大力推动的“煤改电”、“煤改气”等政策和措施取得了明显的成效。所采取的清洁供暖方式,包括了天然气供热、电暖器、热泵等多种方式;按照相关专业人士的分析,以及诸多应用实例表明,热泵的能源利用率比较高,减排效果突出,为国家的环境污染治理发挥了极其重要的作用。

根据《京津冀及周边地区2017—2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》,2017年10月底前,在北方“2+26”城市完成以电代煤、以气代煤超过300万户,由于成本等原因,绝大部分仍然不是采用热泵产品来替代,而是采用以气代煤,进一步加重了天燃气的紧缺,造成了今冬严重的气荒,严重影响了人民的生活质量;另外,由于我国天然气大部分进口,价格与国际市场联动密切,价格较高,这不论是对政府还是居民,高昂的成本都是需要谨慎考虑的;而且燃气壁挂炉和小型燃气锅炉燃烧过程中会产生大量氮氧化物,再加上低空排放,它对大气污染也有很大的影响,对改善空气质量效果还有待商榷。电锅炉供热和电暖气供热,相当于热效率只有30%左右的燃煤锅炉供热,能效较低,还导致了电网负荷的大幅度增加。而热泵每消耗1份能量,可以获得2~3倍甚至更多的热量,极大提高了能源的利用效率,相较于前述的几种供热方式而言,无疑是一种高效节能的模式,值得大力推广。

我国是全球最大的制冷空调设备制造国和消费国,我国制冷空调行业的整体技术和制造水平近年来也在快速向国际先进水平靠拢。热泵作为制冷空调行业一个新兴的产品类别,通过最近几年的国家和地方政府的大力支持和激励,在替代传统燃煤供热等场合的应用越来越多。根据目前热泵应用的经验来看,根据用户的供暖、供热水和制冷空调的各种需求,结合建筑特征、气候环境变化以及热泵的节能环保优势,配合系统、末端进行综合改造治理,提供合适的综合技术解决方案具有极大的节能价值和潜力。而未来清洁供热之路,更需要统筹进行规划管理,因地制宜地选择可再生能源作为热泵的热源,重视和推广各种能源的综合利用,把空气源、污水源、海水源、江湖水源、余热和废热、太阳能等适当的组合利用,克服热源单一的缺点,从而充分提高供热供冷的综合集成效率,取得最佳的节能效益。

从发展趋势分析,我们相信热泵在未来将具有更大的应用空间。在我国1.6亿农户中,分散燃煤采暖超过6000万户。根据《北方地区冬季清洁取暖规划(20172021年)》,截至2016年底,我国北方地区城乡建筑采暖总面积约206亿平方米。其中,城镇建筑采暖面积141亿平方米,农村建筑采暖面积65亿平方米。我国北方地区采暖使用能源仍以燃煤为主,燃煤采暖面积约占总取暖面积的83%,采暖用煤年消耗约4亿吨标煤,其中散烧煤(含低效小锅炉用煤)约2亿吨标煤。按照该规划,到2019年北方地区清洁采暖率达到50%,替代散烧煤7400万吨;到2021年北方地区清洁采暖率达到70%,替代散烧煤1.5亿吨。

而在我国长江流域等非传统集中供暖区域,绝大部分建筑物内并无供暖设施,随着人民生活水平的提高,这些区域的供热也已开始提上议事日程。而这些地区人口非常密集,未来大范围的供热需求的解决必定带来巨大的能源消耗需求及污染排放的压力。因此如何利用热泵这一环保高效的采暖技术,使其在未来的清洁供热推广方面做出积极贡献,是当前行业内外需要共同关注和研究解决的大课题。党的“十九大”的报告指出,绿水青山就是金山银山,要抓住人民最关心最直接最现实的利益问题,保障群众基本生活,不断满足人民日益增长的美好生活需要。这一核心思想为我们今后的工作直接指明了方向。我们相信,在国家政策指引和相关引导措施的激励和扶植下,在行业同仁的共同努力下,未来热泵技术一定能在国民经济建设的各个领域发挥更加突出的作用,热泵产业也将会迎来更加广阔的发展前景和美好未来。

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