熱泵熱回收系統(tǒng)在某肉雞屠宰項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

邱 琦，華國亮

(冰山冷熱科技股份有限公司，遼寧 大連 116630)

1 前 言

隨著國內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在新型城鎮(zhèn)化和食品消費(fèi)升級的雙向拉動下，預(yù)計2012～2025年冷鏈?zhǔn)称沸枨髮?.0億t增加到4.5億t[1]。在2015年國家層面提出實(shí)施城鄉(xiāng)冷鏈物流基礎(chǔ)設(shè)施補(bǔ)短板的要求后，我國加快了推進(jìn)冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測2022年我國冷庫總量將達(dá)8492萬t。冷庫作為城市的“冰箱”，急速增長的容量勢必會消耗大量的能源。如何使冷庫系統(tǒng)高效運(yùn)行，將成為重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向。其中制冷系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生的大量熱量大多以廢熱的形式直接排放到環(huán)境中，即使回收也只能得到部分低品位的熱源。因此針對冷庫現(xiàn)狀以及現(xiàn)有技術(shù)，本文通過某肉雞屠宰項(xiàng)目對熱泵熱回收系統(tǒng)在冷庫中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

2 制冷原理[2]

冷庫制冷系統(tǒng)通常采用蒸氣壓縮式制冷原理，其制冷系統(tǒng)如圖1所示。它主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成。工作過程為：在壓力為p0、溫度為t0的條件下，制冷劑在蒸發(fā)器中沸騰吸熱，吸收被冷卻物體的熱量。壓縮機(jī)不斷地抽走蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸氣并將它壓縮到冷凝壓力pk，然后送往冷凝器，在壓力pk下等壓冷卻并冷凝成液體，制冷劑冷卻和冷凝時放出的熱量傳給冷卻介質(zhì)(一般是水或空氣)。

冷凝后的液體通過節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑通過節(jié)流閥，壓力從pk降到p0，離開節(jié)流閥的制冷劑為t0溫度的兩相混合物，混合物在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，從被冷卻物中吸熱達(dá)到制冷的目的。而從冷凝器中輸出的熱量即是采用熱泵技術(shù)回收的冷凝廢熱。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的功起補(bǔ)償作用，使制冷劑不斷從低溫物體中吸熱，并向高溫物體放熱，完成整個制冷循環(huán)。

圖1 蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)簡圖

3 項(xiàng)目案例

某肉雞屠宰加工項(xiàng)目按生產(chǎn)性質(zhì)分屬于生產(chǎn)性冷庫[3]，其熱水系統(tǒng)主要用于家禽的屠宰浸燙以及設(shè)備清洗和員工生活熱水等，因此制冷系統(tǒng)是必不可缺的一個環(huán)節(jié)。

表1 熱水用量分布表

該項(xiàng)目制冷系統(tǒng)的制冷劑采用R717，具體配置為：-1℃JZ2LG20Z蒸發(fā)系統(tǒng)1臺；-43℃JZ2LG25Z(D)蒸發(fā)系統(tǒng)5臺；-43℃ JZ2LG20Z(D)蒸發(fā)系統(tǒng)1臺；熱水需求時間：5:30～21:30；熱水需求溫度：45～54℃。具體熱水用量分布見表1。通過分析可知用戶在12:30～13:30期間用水量最高，大約30 m3/h。

4 方案介紹

本熱回收方案回收氨制冷系統(tǒng)部分冷凝熱用于加熱生產(chǎn)及生活用水，圖2為熱泵熱回收方案系統(tǒng)示意圖。

圖2 熱泵熱回收方案系統(tǒng)示意圖

常規(guī)制冷系統(tǒng)的冷凝熱負(fù)荷一般通過不同結(jié)構(gòu)形式的冷凝器將其排放至大氣環(huán)境中。在不同季節(jié)冷凝熱品質(zhì)有所差異，本項(xiàng)目預(yù)計冬季冷凝熱在25℃，夏季大約在38℃，當(dāng)采用冷水提取該部分熱量時，只能得到23～35℃的熱水，實(shí)際能夠回收的熱量很少且水溫偏低，需二次加熱才能滿足各用水點(diǎn)需求。

通過熱泵技術(shù)，將部分氨制冷系統(tǒng)的排氣壓力提升到一個更高值，冷凝溫度將大幅提高，冷水經(jīng)過冷凝器加熱時可提供的水溫也隨之升高。熱泵機(jī)組配置的壓縮機(jī)通過消耗一定的電功率，得到的冷凝熱可成倍增加，但隨著冷凝溫度的提高，冷凝熱與消耗的電功率比值將逐步減小，綜合考慮制取熱水溫度控制在46～48℃，該溫度的熱水既能滿足大多數(shù)用水點(diǎn)的需求，又具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。對于需要更高水溫且同時也需要維持穩(wěn)定水溫的浸燙用熱水，采用原有鍋爐加熱的方法解決。另外考慮熱泵機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，冬季和夏季均控制吸氣飽和溫度為25℃，以保證壓縮機(jī)的運(yùn)行工況壓比不至于太小，這樣系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也更容易得到保證。

5 系統(tǒng)原理

來自原制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)入高溫中冷，變?yōu)榈蜏氐蛪哼^熱蒸氣，然后與高溫中冷內(nèi)的制冷劑換熱后，被壓縮機(jī)抽走壓縮成高溫高壓氣體。經(jīng)油分離器分離出的潤滑油依次經(jīng)油冷卻器冷卻、精油過濾器過濾后進(jìn)入壓縮機(jī)循環(huán)使用；分離出的高溫高壓氣體則通過熱回收模塊加熱生活熱水，模塊中制冷劑經(jīng)過冷卻(顯熱)、冷凝(潛熱)過程變?yōu)楦邷馗邏阂后w。高溫高壓液體分為兩路：一路經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入高溫中冷與原制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣進(jìn)行換熱后，再一起被壓縮機(jī)抽走壓縮，重復(fù)循環(huán)。另一路則經(jīng)節(jié)流回到原制冷系統(tǒng)的貯氨器，以補(bǔ)充原制冷系統(tǒng)進(jìn)入高溫中冷的制冷劑，重復(fù)循環(huán)。冷卻水部分則是通過三級熱回收加熱達(dá)到要求的出水溫度(46～48℃)供用戶使用。系統(tǒng)流程見圖3。另外采用變頻電機(jī)控制壓縮機(jī)能級，采用變頻水泵控制熱水流量，使之與熱能的利用實(shí)現(xiàn)供需平衡。熱水流量、蓄水罐水位以及與壓縮機(jī)能級之間采用模糊控制。

圖3 系統(tǒng)流程圖

6 設(shè)備選型

通過以上分析結(jié)合項(xiàng)目用水情況確定各參數(shù)如下：

1. 熱回收目標(biāo)：出水溫度46～48℃；連續(xù)提供熱水能力：～30 m3/h；進(jìn)水溫度按冬季15℃考慮，最大熱負(fù)荷1 120 kW。

2. 熱泵工況：+25℃/+50℃(吸氣過熱度5℃，過冷度1℃)；采用全熱回收(潛熱+顯熱)；主機(jī)選用冰山RBVLGA163D中溫?zé)岜脵C(jī)組，額定制熱量1 165 kW。

3. 熱源：油冷提供的熱負(fù)荷，壓縮機(jī)排氣過熱氣體提供的熱負(fù)荷，氨冷凝提供的熱負(fù)荷。

采用三級熱回收可在保證出水溫度的條件下，選取最小的壓縮機(jī)及最低的冷凝溫度，以得到最好的經(jīng)濟(jì)效益。主要設(shè)備配置如下：

1. 中溫?zé)岜脵C(jī)組1臺(雙機(jī)頭一用一備，變頻電機(jī))；

2. 熱回收模塊1套；

3. 綜合控制柜1套；

4. 其他：循環(huán)水泵2臺；熱水罐1臺；循環(huán)水箱1個。

7 經(jīng)濟(jì)性分析

該屠宰項(xiàng)目所需熱水原由天然氣鍋爐提供?，F(xiàn)對熱泵熱回收方案與原有熱水系統(tǒng)就運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較。能耗情況和運(yùn)行費(fèi)用計算結(jié)果見表2?；緶y算條件如下。

7.1 主要電耗

主要電耗：P=P1+P2+P3。式中，P為熱泵熱回收系統(tǒng)最大總能耗，170 kW；P1為熱泵主電機(jī)最大輸入功率，158.5 kW；P2為冷水泵功率，4 kW；P3為熱水泵功率，7.5 kW。

7.2 運(yùn)行方式

1. 生產(chǎn)方式：按每日兩班16 h計算；

2.熱水用量：按平均22 m3/h用水量計算;

3. 測算天數(shù)和進(jìn)水條件：年工作日按300 d計算，春季溫度18℃，天數(shù)70 d；夏季溫度25℃，天數(shù)90 d；秋季溫度20℃，天數(shù)70 d；冬季溫度15℃，天數(shù)70 d。

7.3 回報周期

設(shè)備投資可控制在150萬元以內(nèi)，投資回報周期約15個月。

表2 熱泵系統(tǒng)與天然氣鍋爐費(fèi)用比較

8 結(jié) 語

1. 采用熱泵技術(shù)回收原制冷系統(tǒng)的部分冷凝熱，雖然初投資增加，但大幅節(jié)省了熱水鍋爐昂貴的燃料費(fèi)用，年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省121.35萬元，投資回報周期約15個月；另外使用熱泵技術(shù)也提高了回收冷凝熱的品質(zhì)，綜合考慮熱水溫度應(yīng)控制在46～48℃，既滿足大多數(shù)用水點(diǎn)的需求，又具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2. 冷凝熱回收系統(tǒng)改造后，制冷系統(tǒng)冷凝側(cè)向環(huán)境排放的廢熱將大幅度降低，減少了對周圍環(huán)境的熱污染。

3. 冷凝熱回收系統(tǒng)減少了原制冷系統(tǒng)冷凝器的負(fù)荷，改善了工作條件，相對放大了制冷系統(tǒng)冷凝器的排熱能力，提高了制冷系統(tǒng)的COP值。

綜上所述，在生產(chǎn)性冷庫中，如屠宰行業(yè)既需要制冷又需要熱水，若按常規(guī)方式采用熱水鍋爐不僅耗費(fèi)大量的一次能源，排放大量的有害氣體污染環(huán)境，而且受能源價格波動的影響造成極高的運(yùn)行費(fèi)用，與之相比采用熱泵熱回收方案可以少用或者不用鍋爐制備生產(chǎn)生活熱水，從而產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。