奶站節(jié)能減排“冷熱聯(lián)供機(jī)組”的研究和開發(fā)

郭日東 劉平原 李長(zhǎng)智 李效 魏小軍

內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司原奶事業(yè)部 010030

“冷熱聯(lián)供機(jī)組”是采用特殊工藝，一種專利新型熱泵，將原料奶制冷過程中產(chǎn)生的余（廢）熱進(jìn)行有效回收，用來加熱生產(chǎn)用水至85℃，作為擠奶設(shè)備和管道的CIP 清洗使用。優(yōu)點(diǎn)是取代了傳統(tǒng)燃煤（用電）鍋爐生產(chǎn)熱水的方式，節(jié)約了大量的一次能源，達(dá)到節(jié)能、低碳的運(yùn)營(yíng)效果，在國(guó)內(nèi)外屬于首次使用，對(duì)于奶業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。“冷熱聯(lián)供機(jī)組”的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景廣闊，是打造“綠色產(chǎn)業(yè)鏈”的首選設(shè)備。

1 原料奶生產(chǎn)過程中的余熱

在原料奶的生產(chǎn)過程中，牧場(chǎng)和小區(qū)的奶站都配備有現(xiàn)代化擠奶設(shè)備。奶站日常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中有兩個(gè)必不可少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)：一個(gè)是對(duì)鮮奶快速制冷環(huán)節(jié)，另外一個(gè)環(huán)節(jié)是生產(chǎn)熱水用于擠奶設(shè)備的清洗。現(xiàn)階段，奶站鮮奶制冷環(huán)節(jié)使用的是高性能的制冷壓縮機(jī)，在熱水供應(yīng)環(huán)節(jié)，絕大部分的奶站使用的是燃煤鍋爐。使用燃煤鍋爐供應(yīng)熱水造成很多問題，如費(fèi)用較高、煤炭?jī)?chǔ)存成本大、需要額外支出人力和運(yùn)輸成本、污染嚴(yán)重等。

將生鮮牛奶制冷過程中產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收再利用，研究和開發(fā)奶站冷熱聯(lián)供機(jī)組系統(tǒng)，使制冷過程中產(chǎn)生的熱量用來生產(chǎn)奶站所需的85℃熱水。因降低了制冷負(fù)荷，可以使整個(gè)制冷系統(tǒng)的電能消耗降低約15%。更重要的是余熱直接轉(zhuǎn)換為奶站每日生產(chǎn)所需的熱水，替代了傳統(tǒng)燃煤鍋爐，形成奶站經(jīng)營(yíng)中熱水供應(yīng)的新方式，使得整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能源使用降低60%左右。既能把生產(chǎn)的牛奶及時(shí)制冷，又能生產(chǎn)供應(yīng)清洗擠奶設(shè)備所需的熱水，實(shí)現(xiàn)了熱能資源的再次利用，滿足了奶站生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中制冷和制熱的現(xiàn)實(shí)需要，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，降低奶站生產(chǎn)管理費(fèi)用，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，對(duì)奶業(yè)“綠色產(chǎn)業(yè)鏈”的發(fā)展具有很大的推動(dòng)作用。

2 冷熱聯(lián)供機(jī)組系統(tǒng)的原理

（1）主要是使用熱泵的節(jié)能原理。熱泵在工作時(shí)，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，通過傳熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)提高溫度進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分。因此，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量高品位能源。

（2）熱泵是以冷凝器釋放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)，它被形象地稱為“熱量倍增器”。目前在市場(chǎng)上廣泛出現(xiàn)的家用冷暖空調(diào)器上就已經(jīng)廣泛地應(yīng)用了熱泵制熱，其制熱系數(shù)已高達(dá)3 以上。

（3）本機(jī)組系統(tǒng)使用的熱泵是相關(guān)高科技節(jié)能公司專門研發(fā)的一種專利新型高溫?zé)岜茫瑢?6-38℃鮮奶熱量進(jìn)行吸收后，直接由熱泵系統(tǒng)生產(chǎn)出85℃的熱水。

3 冷熱聯(lián)供機(jī)組系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)兼容性

便于對(duì)原有的冷藏系統(tǒng)改造，只需將原系統(tǒng)液管連接至熱水系統(tǒng)即可。

3.2 能效高

采用板式換熱器作為熱回收換熱器后，增大了冷藏系統(tǒng)的過冷度，提高了冷藏系統(tǒng)的能效。采用特殊工藝技術(shù)，利用低品位廢熱產(chǎn)生85℃高溫?zé)崴啾儒仩t節(jié)約了大量的一次能源。

3.3 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟

原有制冷系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，改動(dòng)小，若熱水系統(tǒng)發(fā)生故障，不會(huì)影響到牛奶冷藏系統(tǒng)的運(yùn)行。熱水系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過驗(yàn)證是可行的。

4 奶站冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 噴氣增焓壓縮機(jī)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的應(yīng)用能產(chǎn)生85℃的高溫?zé)崴夹g(shù)功能特點(diǎn)：

（1）浮動(dòng)密封：專門設(shè)計(jì)適應(yīng)高壓縮比。

（2）定渦旋盤及動(dòng)態(tài)排氣閥：專門設(shè)計(jì)適應(yīng)高壓差。

（3）EVI：控制安全排氣溫度。

（4）電機(jī)：高絕緣等級(jí)電機(jī)。

（5）噴氣增焓系統(tǒng)：高溫噴氣增焓壓縮機(jī)、高效過冷器及電子膨脹閥形成的經(jīng)濟(jì)器、高效換熱器共同構(gòu)成了熱水機(jī)系統(tǒng)。

4.2 高效盤管殼式換熱器

該換熱器非常適合應(yīng)用在小流量、大溫差的應(yīng)用場(chǎng)合，確保系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定。該技術(shù)功能特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，高效率：內(nèi)部采用高效換熱管,其換熱面積是光管的3.7 倍，管外肋片以及管內(nèi)里脊能引起冷媒及冷卻水的強(qiáng)烈紊流，因此傳熱效率大大提高。

（2）逆流布置：冷卻水回路和冷媒回路逆流布置，可保證出口冷媒過冷度，相應(yīng)提高系統(tǒng)效率。

（3）適應(yīng)較大的進(jìn)出水溫差：減少冷凝水循環(huán)量，相應(yīng)縮小冷凝水水管尺寸和循環(huán)泵規(guī)格；水側(cè)的較低壓降低了泵功率以及運(yùn)行費(fèi)用。

（4）可冷凍清洗：螺旋盤管使水流通暢，便于實(shí)施冷凍清洗；冷凍清洗可縮短停機(jī)時(shí)間，并避免了化學(xué)藥劑的使用。

（5）制冷劑回路與殼體間隙小：不會(huì)造成潤(rùn)滑油滯留，可保證回油。

（6）水路盤管無內(nèi)部接頭：降低了泄露因素，5MPa 壓力測(cè)試，保證換熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 智能的流量水溫調(diào)節(jié)

安全高效地獲得穩(wěn)定的水溫，技術(shù)功能特點(diǎn)：

（1）基于智能化調(diào)整，自校正，自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。

（2）具有原理簡(jiǎn)單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)模型依賴性少。

（3）可以在各種惡劣的環(huán)境下得到30℃-85℃穩(wěn)定出水。

（4）出水快，穩(wěn)定，產(chǎn)水量大。

（5）對(duì)系統(tǒng)變化反應(yīng)迅速。

5 冷熱聯(lián)供節(jié)能機(jī)組系統(tǒng)效益分析

以某奶站安裝的一臺(tái)冷熱聯(lián)供機(jī)組為例，該奶站每班次制冷原奶量為4t，每個(gè)擠奶班次運(yùn)行2.5小時(shí)，每天2 次擠奶共計(jì)運(yùn)行5 小時(shí)，生產(chǎn)85℃高溫?zé)崴?.04t。

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

生產(chǎn)1.04t 85℃高溫?zé)崴枰拿?0kg，以煤的發(fā)熱量5000 千卡、鍋爐效率按80%計(jì)算，煤價(jià)按每噸￥700 元計(jì)，耗煤費(fèi)用為￥55.8 元（未計(jì)算穩(wěn)火消耗的煤）。制熱機(jī)組運(yùn)行5 小時(shí)，耗電量為25KW/h，費(fèi)用為￥20 元（電費(fèi)按每度￥0.8 元計(jì)算）。

這樣，奶站每天節(jié)省￥35.8 元，節(jié)約能源60%;全年可節(jié)省￥13067 元，節(jié)煤29.2 噸。

5.2 性價(jià)比

冷熱聯(lián)供機(jī)組設(shè)計(jì)壽命10年,燃煤熱水鍋爐設(shè)計(jì)壽命3年,冷熱聯(lián)供機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命是燃煤熱水鍋爐的3.3 倍。

0.5t 燃煤鍋爐單價(jià)大約為每臺(tái)￥13000 元，冷熱聯(lián)供機(jī)組每臺(tái)單價(jià)為￥18200 元。

5.3 社會(huì)環(huán)境效益

以生產(chǎn)使用1040kg 85℃熱水計(jì)算，使用冷熱聯(lián)供機(jī)組比燃煤鍋爐全年可減少CO2排放量為75.6t，相當(dāng)于植樹1.67 萬棵，社會(huì)效益十分明顯。