探究回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱系統(tǒng)熱力性能

張銅強(qiáng)

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了能源短缺的現(xiàn)象。我國因此提出節(jié)能減排的政策，同時(shí)也加強(qiáng)了對火電廠的豐富余熱資源的關(guān)注度。如若能夠通過循環(huán)水，利用熱泵技術(shù)將余熱回收再利用，將能夠極大的提高資源利用效率。本文將對熱電廠余熱回收技術(shù)類型以及回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱方法與節(jié)能機(jī)理進(jìn)行簡要的分析，并對回收循環(huán)水余熱的熱泵性能的關(guān)鍵部件數(shù)學(xué)模型加以闡述。

關(guān)鍵詞：回收循環(huán)水；余熱資源；熱泵供熱系統(tǒng)；熱力性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.006

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，能源危機(jī)是各個(gè)國家需要解決的重點(diǎn)問題。由于對煤炭、石油、天然氣等資源的儲備量逐漸減少，并且在對其的利用過程中將會對環(huán)境造成一定程度的損害。因此，當(dāng)前人們更加注重對能量的梯級利用和余熱回收。尤其是利用大型電熱廠進(jìn)行集中供熱并且對于其中的余熱利用熱泵技術(shù)進(jìn)行回收再利用，將能夠提高資源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1 我國熱泵供熱系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

1.1 調(diào)節(jié)抽汽式供熱機(jī)組

目前，我國各地區(qū)進(jìn)行集中供熱主要采用的機(jī)組就是調(diào)節(jié)抽汽式供熱機(jī)組。但是它并不是完美無缺的，它存在的問題有很多，例如它是直接利用汽輪機(jī)抽汽的方式在熱網(wǎng)中對熱網(wǎng)返回水進(jìn)行加熱，通常熱網(wǎng)中返回水的溫度約為55℃，在經(jīng)過它的加熱之后將能夠達(dá)到130℃左右，使得熱網(wǎng)中的溫差過大，將會對熱網(wǎng)造成一定的損害，并且抽汽中的人呢過并沒有實(shí)現(xiàn)高效的利用。此外，汽輪機(jī)排汽中的余熱通常會隨著循環(huán)水流走，在空氣中消散，使循環(huán)水的余熱沒有得到良好的利用，產(chǎn)生大量的浪費(fèi)。

1.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵具有有效利用低品位熱能的優(yōu)點(diǎn)，它可以對太陽能、地?zé)崮艿葟U棄熱量進(jìn)行再利用，從而降低對環(huán)境的污染。它將利用電站的循環(huán)水來作為熱源，利用吸收式熱泵對其功能進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)向用戶進(jìn)行供熱。在此過程中，它既實(shí)現(xiàn)了對循環(huán)水余熱的回收，提高了供熱系統(tǒng)的供熱量，解決了由于供熱量不足而產(chǎn)生的供需矛盾。同時(shí)，流入熱網(wǎng)的水溫基溫較高，使其產(chǎn)生的溫差變小，從而降低了對熱網(wǎng)的損害程度，使抽汽熱能得到了有效的利用。其主要缺點(diǎn)在于氣密性較高，如果在使用的過程中有外界的空氣流入將會對整體機(jī)組的性能造成不利影響，摒棄由于其利用水作為制冷劑，因此只能選擇5℃以上的冷媒水投入使用。最后，由于溴化鋰的價(jià)格較高，因此初次使用資金投入較大。

此外，隨著吸收式熱泵的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外的有關(guān)專家和學(xué)者也加強(qiáng)了對此方面的關(guān)注度。其中，國外學(xué)者Christian Keil等對吸收式熱泵在低溫集中供熱中的作用進(jìn)行了深入的研究，國內(nèi)學(xué)者李巖等分別在吸收式熱交換器與吸收式熱泵的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的集中熱能的方法，可以極大的提高熱泵對于低品位余熱的回收，并且將回收的余熱進(jìn)行海水淡化的可行性。

2 熱電廠余熱回收技術(shù)類型分析

2.1 吸收式熱泵技術(shù)

吸收式熱泵技術(shù)主要分為兩種類型。第一種吸收式熱泵是增熱型熱泵，其依靠高溫?zé)嵩醋鳛轵?qū)動開關(guān)，利用對低溫?zé)嵩吹奈諄磉M(jìn)行對熱媒水的加熱工作。第二種吸收式熱泵是升溫性熱泵，它是通過在較多的中溫?zé)嶂形∩倭康母邷責(zé)崮艿姆绞竭M(jìn)行。

2.1.1 開式循環(huán)運(yùn)行方式

在熱電廠的熱泵系統(tǒng)與循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行開式循環(huán)的運(yùn)行方式時(shí)，其中循環(huán)水將會被分為兩個(gè)部分，其中一部分的循環(huán)水將會去冷卻塔中進(jìn)行正常的電廠循環(huán)工作，而剩下一部分的循環(huán)水將會被分派到熱泵機(jī)組中進(jìn)行對低溫余熱的回收利用工作，最終在冷卻塔中進(jìn)行正常工作的循環(huán)水將與熱泵機(jī)組中的循環(huán)水在水池中進(jìn)行融合，再一起返回到冷凝器中進(jìn)行冷卻處理，以此再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。在進(jìn)行開式循環(huán)方式時(shí)，通常對參與循環(huán)的循環(huán)水質(zhì)量要求較高，但是由于具體的操作步驟比較簡單方便，因此在具體的日常使用中多采用這種方式進(jìn)行[1]。

2.1.2 閉式循環(huán)運(yùn)行方式

在熱電廠的熱泵系統(tǒng)與循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行閉式循環(huán)的運(yùn)行方式時(shí)，將要求其重新建立冷凝器設(shè)備或者對原有的冷凝器進(jìn)行改裝，使其變成具有雙側(cè)運(yùn)行方式的新型設(shè)備。在這雙側(cè)運(yùn)行方式中，將起到不同的作用。其中一側(cè)的循環(huán)水流進(jìn)上塔，另一側(cè)的循環(huán)水則流經(jīng)熱泵循環(huán)當(dāng)中[2]。

采用閉式循環(huán)運(yùn)行方式，將能對循環(huán)水流量、循環(huán)水溫度以及變回水溫度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度升高，熱負(fù)荷變少時(shí)，則循環(huán)水可以通過熱網(wǎng)進(jìn)行加溫，使供水溫度升高，熱網(wǎng)加熱或者冷凝器中的冷凝溫度與冷凝壓力升高，與此同時(shí)在加熱器中的乏汽量減少，則需要通過增加循環(huán)水流量的方式進(jìn)入到冷卻塔中，將原有的凝汽器中的熱量帶走，指導(dǎo)將循環(huán)網(wǎng)中的供水溫度降低到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)為止。

2.1.3 以熱泵取代凝汽器的運(yùn)行方式

在循環(huán)水中的余熱主要來源是汽輪機(jī)產(chǎn)生的熱量，如果能夠直接利用相關(guān)設(shè)備對熱泵機(jī)組進(jìn)行熱量的獲取，將能夠由于取消了中間的一系列操作和介質(zhì)，而減少在傳播中對熱量造成的損耗和能源的浪費(fèi)。同時(shí)，也會極大的提升熱交換的效率，因此可以采用以熱泵機(jī)組取代凝汽器的運(yùn)行方式。這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過減少中間環(huán)節(jié)，提高余熱的利用效率，同時(shí)還可以迎合國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略方針，整個(gè)過程綠色環(huán)保。但是其使用的缺點(diǎn)在于在運(yùn)行的過程中，對于機(jī)組和系統(tǒng)的影響較大，中間操作比較繁瑣，難以控制，因此在我國目前的工程當(dāng)中還沒有被應(yīng)用和推廣[3]。

2.2 低真空供熱技術(shù)

低真空供熱技術(shù)是指通過降低凝汽器中的真空度，提高汽輪機(jī)乏汽壓力，從而使乏汽溫度升高的同時(shí)使循環(huán)水的溫度也有相應(yīng)的升高，之后將達(dá)到高溫的循環(huán)水傳送到用戶的供熱當(dāng)中。

2.2.1 凝汽器單側(cè)運(yùn)行方式

在凝汽器進(jìn)行單側(cè)運(yùn)行時(shí)，凝汽器中單側(cè)的水將經(jīng)過熱網(wǎng)，按照原有的路線流經(jīng)循環(huán)冷卻水上塔。這種凝汽器的運(yùn)行方式叫做雙背壓凝汽器，其與單背壓的功能效果相比較來看，這種方式更加節(jié)能環(huán)保，尤其是在雙背壓凝汽器中能夠加大冷卻面積，使凝汽器的傳熱性得到有效的提高，而與之相對的單背壓則二會在運(yùn)行過程中產(chǎn)生較大的凝汽器功率，從而使傳熱溫差加大對傳熱產(chǎn)生不利影響。endprint

2.2.2 凝汽器雙側(cè)運(yùn)行方式

在凝汽器進(jìn)行雙側(cè)運(yùn)行時(shí)，凝汽器中雙側(cè)的循環(huán)水都將會經(jīng)過熱網(wǎng)，但是只有其中的一部分水進(jìn)入到冷卻水上塔之中。這種運(yùn)行方式被稱為單背壓凝汽器，這種運(yùn)行方式能夠使兩側(cè)的背壓一致，同時(shí)使兩側(cè)都能夠達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

3 回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱方法與節(jié)能機(jī)理

3.1 回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱方法

假設(shè)熱網(wǎng)中供水的溫度是130℃，返回時(shí)水溫是55℃。如果利用以往傳統(tǒng)的汽輪機(jī)抽汽直接進(jìn)入加熱網(wǎng)中，將會將目前熱網(wǎng)中的55℃的水溫直接加熱到130℃。由于溫差較大，將會對熱網(wǎng)產(chǎn)生一定程度的損害。具體步驟如圖1所示。

同樣，假設(shè)熱網(wǎng)中供水的溫度是130℃，返回時(shí)水溫是55℃。在新型的熱泵供熱方式中，首先是通過部分汽輪機(jī)抽汽操縱溴化鋰吸收式熱泵，實(shí)現(xiàn)將返回時(shí)的55℃的水溫升高到80℃，與此同時(shí)，進(jìn)行部分循環(huán)水余熱的回收，最后利用汽輪機(jī)抽汽的方式在峰載加熱器進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)將熱網(wǎng)中80℃的水溫升高到130℃的效果。具體步驟如圖2所示。

3.2 回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱節(jié)能機(jī)理

3.2.1 壓縮式熱泵的余熱節(jié)能機(jī)理

壓縮式熱泵主要依靠電源作為驅(qū)動能源，由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器以及節(jié)流閥幾個(gè)主要部件構(gòu)成。熱泵工質(zhì)是通過在蒸發(fā)器中吸收一定程度的循環(huán)冷卻水的余熱后，利用壓縮機(jī)對其進(jìn)行升溫升壓處理，之后在冷凝器中將其熱量全部釋放給供暖熱水，最后通過節(jié)流閥進(jìn)行冷卻降壓后重新返回到蒸發(fā)器當(dāng)中重復(fù)第一步的操作，來完成下一輪的循環(huán)。此項(xiàng)過程中如果忽視其他外界因素對其產(chǎn)生的熱量損失，則可以根據(jù)熱力學(xué)第一定律，計(jì)算熱平衡方程為：

在此項(xiàng)公式中為冷凝器熱負(fù)荷，為蒸發(fā)器熱負(fù)荷，W為熱泵壓縮器所消耗的功率。此外，熱泵系統(tǒng)是否能夠起到良好的節(jié)能效果則需要通過熱泵的性能系數(shù)COP來顯示，這里將運(yùn)用公式來計(jì)算熱性能系數(shù)：

3.2.2 溴化鋰吸收式的余熱節(jié)能機(jī)理

溴化鋰吸收式依靠的是汽輪機(jī)抽汽作為驅(qū)動熱源，由吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器和相應(yīng)的泵和閥門等幾個(gè)主要部件構(gòu)成。主要步驟是首先由汽輪機(jī)抽汽作為驅(qū)動源進(jìn)入到發(fā)生器當(dāng)中，將溴化鋰稀溶液進(jìn)行加熱直至其成為濃溶液，之后將其產(chǎn)生的高壓蒸汽灌入到冷凝器當(dāng)中變成冷凝水，與此同時(shí)釋放出冷凝熱，進(jìn)行節(jié)流降溫處理之后進(jìn)入到蒸發(fā)器當(dāng)中，而冷凝水在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的大量水蒸氣則進(jìn)入吸收器里。最初發(fā)生器中的溴化鋰濃溶液則會經(jīng)過一系列的預(yù)熱后進(jìn)入到吸收器當(dāng)中，對通過蒸發(fā)器的水蒸氣進(jìn)行吸收，形成溴化鋰稀溶液，再進(jìn)行第一步的步驟，以此類推進(jìn)行反復(fù)的循環(huán)。

4 回收循環(huán)水余熱的熱泵性能的關(guān)鍵部件數(shù)學(xué)模型

4.1 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器能夠使循環(huán)水中的余熱中濕飽和蒸汽，進(jìn)行加熱處理后成為干飽和蒸汽。并且進(jìn)行能量平衡公式的計(jì)算：

公式中的是循環(huán)水，是工質(zhì)，即水或者是水蒸氣的質(zhì)量。是循環(huán)水進(jìn)入到蒸發(fā)器時(shí)的水溫，是循環(huán)水從蒸發(fā)器中流走的水溫，是蒸發(fā)器出口的飽和蒸汽焓，是蒸發(fā)器入口的飽和蒸汽焓。蒸發(fā)器中的差值計(jì)算是利用蒸發(fā)器出口循環(huán)水的溫度減去蒸發(fā)器在飽和下的溫度所得到的差值。

4.2 吸收器

在吸收器當(dāng)中，將利用其中的溴化鋰濃溶液在對水蒸氣進(jìn)行吸收時(shí)，釋放出的熱量進(jìn)行收集，之后利用其進(jìn)行熱網(wǎng)水的加熱處理。吸收器端差的計(jì)算方式為在吸收器出口中的溴化鋰稀溶液溫度減去熱網(wǎng)中的水在出口出的溫度，所得的的差值就是吸收器端的差[4]。

4.3 發(fā)生器

發(fā)生器的利用是通過利用汽輪機(jī)部分抽汽對工質(zhì)的溶液進(jìn)行加熱。

4.4 溶液交換器

溶液交換器的功能是在系統(tǒng)中，將從吸收器中流出的稀溶液與從吸收器中流出的濃溶液在溶液交換器中進(jìn)行熱量交換。

4.5 冷凝器

冷凝器的作用是在系統(tǒng)中，發(fā)生器中產(chǎn)生的過熱的水蒸氣在冷凝器中進(jìn)行凝結(jié)，之后釋放出的熱量可以在對熱網(wǎng)中的水進(jìn)行加熱工作中進(jìn)行利用。其中，冷凝器端差的計(jì)算公式為將處于冷凝狀態(tài)下的飽和溫度與熱網(wǎng)出口中的水的溫度相減，所得到差值就是冷凝器端差。

4.6 回收循環(huán)水余熱對機(jī)組背壓的作用

在熱泵供熱系統(tǒng)當(dāng)中，由于在冷凝器出口處循環(huán)水需要進(jìn)行升壓后進(jìn)入到熱泵當(dāng)中，因此進(jìn)入冷卻塔中的循環(huán)水量必然會降低。同時(shí)，在其他環(huán)境一致并且進(jìn)風(fēng)量也完全相同的情況下，冷卻塔出口處的循環(huán)水溫度將會明顯的降低。但是從另一個(gè)角度來看，由于蒸發(fā)器中的循環(huán)水由于升到升壓處理之后產(chǎn)生的降溫現(xiàn)象不是十分明顯，因此在蒸發(fā)器的循環(huán)水出口處的溫度將會比冷卻塔的循環(huán)水出口處的溫度高很多，當(dāng)二者在循環(huán)過程中發(fā)生融合時(shí)，將會產(chǎn)生冷凝器進(jìn)出口的循環(huán)水溫度整體升高的現(xiàn)象，從而對背壓產(chǎn)生作用，使其受到不利影響。

因此，為了改變這種狀態(tài)，降低在系統(tǒng)循環(huán)的過程中對背壓產(chǎn)生的損害，將需要對凝冷器給予冷卻塔進(jìn)行變工況性能的計(jì)算，使其二者的溫差處于一種和諧的狀態(tài)，在進(jìn)行融合的過程中，水溫能夠處于平緩狀態(tài)，不會產(chǎn)生過大的溫差對背壓產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，對能源的需求不斷增加，對有關(guān)余熱利用等方面的研究工作逐漸加強(qiáng)。其中，在對回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱節(jié)能機(jī)理進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，要提高對公式的計(jì)算效率，從而得出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，以免出現(xiàn)失誤影響余熱的利用效率。此外，對回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱節(jié)能性的研究應(yīng)立足于我國當(dāng)前的國情，符合時(shí)代的需要，只有這樣，才能使我國的節(jié)能減排事業(yè)得到又好又快的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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