全熱回收熱泵技術在禽類屠宰行業的應用

舒建國，毛國良

（冰輪環境技術股份有限公司，山東煙臺 264002）

0 引言

隨著國家對節能環保方面的日益重視，如何高效地使用能源、回收各種余熱、減小對環境的污染成為人們關注的焦點。制冷行業是國民經濟耗能大戶，在制冷過程中有大量的冷凝熱釋放，而幾乎所有的食品工藝制冷場所又需要大量熱水或蒸汽，如禽類屠宰行業中的清洗、漂燙、器具消毒、地面沖洗、冬季采暖、洗手和淋浴、鍋爐補水預熱等[1]。

一側是制冷系統的冷凝廢熱排放，另一側又是鍋爐耗能供給熱水或者蒸汽，從能源利用角度分析，制冷和供熱之間能量關系并沒有被合理、有效的運用，存在著巨大浪費。通過熱泵可將工藝生產過程中所產生的工業廢熱提高溫度后用來供熱或回用于工藝，節能空間非常大。常規的熱泵技術能通過使用工業廢熱，得到50 ℃至85 ℃的熱能。高溫熱泵的供熱溫度則更高，并且仍能保持較高的運行效率和較穩定的運行狀態。由于高溫熱泵較寬的溫度提升范圍，使其在節能減排的大環境下，在工業余熱回收方面有更多的應用[2]。相對于常規熱泵，高溫熱泵供水的溫度更高，國內外對于高溫熱泵的研究一直在深入。

西安交通大學壓縮機研究所一直以來做了很多工作，利用實驗的方法確定了余熱回收用高溫熱泵的工況范圍，研究排氣溫度隨噴油溫度的變化關系并擬合了兩者的關系曲線，通過曲線可以定量地計算壓縮機的排氣溫度，并對其高溫工況下的數值進行有效控制，進而使出水溫度更高也更穩定，在85 ℃左右[3]。與我公司合作研發了高溫熱泵用壓縮機，并開發了回收油田余熱的高溫熱泵機組，可實現 700 kW的制熱量，創新性地采用兩級冷凝器，兩者串聯從而實現更高的供水溫度[4]。

天津大學對高溫熱泵的研究也做了很多有意義的嘗試，主要研究有高溫熱泵中壓縮機的變頻特性[5]、工質泄漏對高溫熱泵循環的影響[6]及高溫熱泵負荷的智能控制[7]等。

針對熱泵循環中關鍵部件，國內各高校也進行了相應研究。中科院的工程熱物理研究所對用于制冷系統的毛細管的蒸發傳熱曾進行了研究[8]；上海交通大學也曾對通用的毛細管的積分模型做了較多理論研究[9]。清華大學對蒸發器的沸騰換熱做過研究[10]。

挪威能源研究所開發了一種高溫熱泵，該系統以 R717/H2O作為工質采用壓縮吸收式方式，利用50 ℃的工業廢熱可得到 100 ℃左右的高溫熱水，COP在3.4以上[11]。德國GEA公司開發的大型工業用高溫熱泵以氨為工質，使用專用高壓螺桿壓縮機，出水溫度可達90 ℃以上，單臺制熱量400 kW以上，系統運行穩定可靠[12]。

目前國內大多數屠宰場均采用蒸汽鍋爐自給供熱，少數有條件的企業直接購買蒸汽入廠。全熱回收高溫熱泵技術通過直接回收制冷系統冷凝廢熱，在減少或杜絕制冷系統廢熱排放同時產生高溫熱水用于生產生活工藝[13]。

1 項目介紹

某殺雞廠的制冷系統工質為氨；廠區內主要的用熱工藝包括漂燙、清洗托盤、消毒和采暖（冬季）；原采用兩臺兩噸蒸汽鍋爐提供熱源；采用全熱回收高溫熱泵技術用于提供熱水后，蒸汽鍋爐只開一臺鍋爐即可用于各工藝的維持負荷。

1.1 系統原理

全熱回收高溫熱泵系統工作原理為：熱泵系統的壓縮機吸收原有制冷系統排至中間冷卻器經洗滌冷卻為飽和狀態的蒸氣，經壓縮后成高溫高壓的過熱氣體進入冷凝器，其熱量被水帶走形成熱水，被冷凝的制冷劑液體經節流后進入中間冷卻器，最后進入低壓制冷系統[14]。其系統流程示意圖如圖1所示。

圖1 全熱回收高溫熱泵系統原理圖

1.2 用熱參數統計

宰雞漂燙池總容積約為 15 m3，兩班生產，一天換2次水，共計30 m3。車間工藝耗水流量4 m3/h，單班生產工作時間為10 h，總補水量為80 m3。

用戶冬季采暖面積6,000 m2，采用暖氣片，為降低施工成本，按照現有采暖參數提供熱水。根據換熱站歷年數據統計，最大采暖負荷約600 kW。

1.3 熱源匹配校核

收集分析該廠全年生產過程中制冷系統運行參數及各工藝用熱參數，通過將生產生活需熱水總負荷、冬季采暖熱水負荷、工藝熱水負荷與制冷系統冷凝熱分別進行逐時匹配，其數據逐時關系如圖2～圖4所示。

表1 用戶各用熱環節溫度

圖2 冬季熱水總量逐時負荷圖

圖3 采暖熱水逐時負荷圖

圖4 工藝熱水逐時負荷圖

分析圖2～圖4，可得結論如下：

1）制冷系統冷凝廢熱在冬季時無法逐時滿足采暖及生產工藝用熱總量；

2）制冷系統冷凝廢熱在滿足冬季采暖熱水負荷最大負荷時，仍有大量剩余；

3）工藝熱水用量逐時波動較大，無法與制冷系統冷凝廢熱逐時匹配。

2 方案設計

2.1 設備選型

基于上述分析結論，選用1套全熱回收熱泵機組，型號LS16SHRB，并配置蓄熱水箱解決逐時負荷匹配問題。

考慮采暖負荷 600 kW只是最大負荷，實際采暖逐時負荷將小于此值；同時冬季采暖只用熱不消耗水量，隨著采暖負荷變化將造成回水溫度的較大波動，存在影響熱泵機組穩定運行可能性。

基于上述原因，設計了1臺總容120 m3蓄熱水箱；冬季采暖時切換為冷熱兩個水箱分離運行，蓄熱的同時維持出水溫度的穩定；非采暖季時切換為1個水箱，以充分利用水箱容積；滿足車間生產工藝用熱及冬季采暖用熱的同時使用需求。

為便于計算，本文中將制冷系統一年四季運行工況分為冬季工況和夏季工況討論。冬季工況按照制冷系統平均冷凝溫度 25 ℃考慮；夏季工況按照平均冷凝溫度 35 ℃考慮。LS16SHRB機組運行工況如表2所示。

表2 LS16SHRB機組運行工況

2.2 運行策略

采暖季時，LS16SHRB熱泵機組不間斷用于采暖，可在滿足廠區采暖要求的同時，將富裕熱量儲存在蓄熱水箱中，補充生產工藝用熱水負荷。

非采暖季時，LS16SHRB熱泵機組用于制取熱水，按照夏季工況制熱水量，約8 h即可制取60 t熱水，使熱泵機組保證在谷電時段運行，減少運行費用。

3 節能效益

氨全熱回收高溫熱泵系統以消耗小部分電能為代價，利用回收制冷系統冷凝廢熱制取高溫熱水，綜合效率極高。用于替代生產工藝一次性熱水及采暖用負荷；在響應國家節能環保政策的同時，還可獲得不菲的經濟效益。

3.1 綜合能效計算

由于使用氨全熱回收熱泵系統后，在維持制冷系統相同冷凝壓力下，可減少制冷系統蒸發冷的水泵及風機開啟數量。因此在熱泵系統綜合能效計算中需計入蒸發冷節省能耗[15]。LS16SHRB機組的運行能耗和綜合能效分別如表3和表4所示。

通過數據對比發現，即使冬季環境制冷系統本身排壓較低工況下，氨全熱回收熱泵系統運行能耗與綜合能效仍保持在較高水平。

表3 LS16SHRB機組運行能耗

表4 LS16SHRB機組綜合能效

3.2 能源價格統計

該廠能源價格為外購蒸汽205元/t，天然氣價格為3.6元/Nm3。執行峰谷電價，不同時段電價如表5所示。

表5 不同時段電價

3.3 運行費用計算

氨全熱回收熱泵系統在該廠至今已運行1年有余，經歷了整個采暖季，運行狀態良好。

由于系統提供水溫穩定，節能效果超出用戶預期，加之能源價格上漲及環保壓力增大等因素，今年下半年用戶將員工洗浴及鍋爐補水等工藝也接入熱泵系統中。上述工藝接入后，由于蓄熱水箱容積對瞬時用水量的緩沖作用，熱泵機組將全年保持全天候運行。

系統的運行費用，按照全年工作日300天，冬季工況及夏季工況各半，全天連續運行計算而得，如表6所示。

3.4 節省費用計算

針對氨全熱回收熱泵系統經濟性的橫向對比，以1噸蒸汽熱值700 kW?h為標準，分別對外購蒸汽、電鍋爐蒸汽、燃氣鍋爐全年平均燃料成本進行了對比，如表7所示。結果表明采用氨全熱回收熱泵系統替代蒸汽鍋爐，在經濟成本上的優勢極為明顯。

表6 系統運行費用

表7 燃料成本對比

以LS16SHRB型號氨全熱回收系統為例：其全年運行總制熱量換算至蒸汽產量約為：

(657 kW +880 kW)×3,600 h/700 kW?h≈7,904.5 T (1)

相比其他能源成本，其全年節省費用見表8。

由表8可見，氨全熱回收系統不但在節能環保方面具有顯著優勢，在經濟效益方面也有著明顯的經濟效益。

表8 全年節省費用

4 結論

本文以氨高溫熱泵技術應用于禽類屠宰行業中制冷系統冷凝廢熱回收案例為背景，介紹了氨全熱回收高溫熱泵技術在生產工藝熱水及廠區采暖方面替代蒸汽鍋爐的實際運行情況。與實際數據對比表明，氨全熱回收高溫熱泵技術在實際應用中運行費用明顯低于傳統的熱源方式，節能效果顯著，經濟效益明顯，值得大力推廣。

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