基于分析的水源熱泵利用低品味余熱的試驗分析

2020-06-23 10:26:02任建興李芳芹馮海軍章曉彤

科學技術與工程 2020年14期

馬闖, 任建興, 李芳芹, 侯鑫, 馮海軍, 章曉彤

(上海電力大學能源與機械工程學院上海 200090)

目前中國經濟快速發展，能源消費總量越來越多，其中工業領域的能耗約占能耗的70%，余熱資源回收率僅30%左右[1]。在工業實際生產中廣泛存在能量巨大、能量品位低的余熱，將這部分可回收利用的余熱排放到大氣或者水體中，不僅能源利用率較低，還造成了生態環境的熱污染等問題[2-3]。結合余熱品位較低的情況，水源熱泵是回收低品位余熱很好的節能裝置，在制熱工況下，水源熱泵通過耗費少量的高品位電能，依靠熱力循環，實現低品位熱能向高品位熱能轉移，獲得高溫水，并用來采暖，成為節能減排的一項重要措施[4-5]。

1 水源熱泵回收低品位余熱試驗系統及原理

圖1所示為水源熱泵回收低品位余熱試驗系統，利用低溫水的余熱制取生活熱水。該系統由水源側系統、水源熱泵系統和用戶側系統3部分組成。水源熱泵機組型號為水-水整體式MSR-J036,其參數如表1所示，供熱原理如圖2所示。

圖1 水源熱泵回收低品位余熱試驗系統Fig.1 Water source heat pump recovery low grade waste heat test system

項目參數項目參數制冷劑R22額定制冷輸入功率/kW2.1制冷劑充注量/kg1.15額定制熱輸入功率/kW2.8名義制冷量/kW10排氣側最大壓力/MPa2.8名義制熱量/kW8.3吸氣側最大壓力/MPa0.75

圖2 水源熱泵供熱原理Fig.2 Principle of water source heat pump heating

水源側系統主要指從水源熱泵系統到集水箱排水端的設備及其連接的管路，其中包括2 m3集水箱和5 kW法蘭式加熱器，此部分制取低溫水并為回收系統提供低品位熱能。

水源熱泵系統是整個回收低品位余熱試驗的核心部分。在夏季和過渡季節，消耗少量的高品位電能，提取低溫水的余熱，加熱生活用水，然后將熱水送給用戶。

用戶側系統主要指從水源熱泵系統到用戶房間內的換熱設備及其連接的管路。此部分為水源熱泵系統制取生活熱水的終端設備，制取的生活用水由此提供給用戶，滿足生活需求。

在制熱工況下，低溫低壓的制冷劑從蒸發器經過，吸收來自水源側的低品位冷源的熱量后溫度上升，流入壓縮機，被壓縮成高壓高溫蒸汽，然后流入到冷凝器向熱源放熱，熱量被用戶側帶走，制冷劑冷凝放熱后變為常溫高壓的液態制冷劑，通過膨脹閥降溫降壓處理后，低溫低壓的制冷劑又流入到蒸發器，反復循環，實現制熱效果。

2 評價指標

2.1 性能系數

在熱泵系統中，利用制熱性能系數衡量熱泵的性能。

(1)

式(1)中：ε為熱泵制熱系數；Q熱為熱泵系統所能實現的制熱量，W；W為輸入功率(壓縮機消耗的電功率)，W。ε的值越高，說明壓縮機的效率越高，產生的熱量越多，熱泵系統節能效果越好。

(2)

(3)

式(3)中:E蒸為蒸發器從低品位的電廠循環水中提取的余熱熱量，W；T0為環境溫度，K；Te為制取低溫水的溫度，也就是水源側蒸發器進口的溫度，K。

(4)

式(4)中:E冷為冷凝器輸出的熱量，W；Tc為用戶側冷凝器水側出口的溫度，K。

將式(3)和式(4)代入式(2)得：

(5)

由熱力學第一定律能量平衡方程，則在熱泵系統中有：

E冷=E熱+W

(6)

衡量水源熱泵的制熱性能好壞的參數制熱性能系數的計算式為

(7)

再將式(6)和式(7)代入式(5)則得：

(8)

3 水源熱泵回收低品位余熱試驗分析

3.1 低品位余熱特性分析

目前中國余熱資源豐富，存在于各行各業中，工業余熱回收率僅約30%，大量低品位余熱以排煙、排氣、排水等形式排放到大氣或水體中，可以回收的余熱資源占總余熱資源的60%左右，工業待發掘的余熱回收潛力巨大[10-11]。中外研究者研究了從理論到實踐利用熱泵技術回收低品位余熱的潛力及經濟性[12-16]。根據中國工業余熱利用的情況，通過有效的方式回收低品位余熱，能夠降低對生態環境的熱污染，進一步提高能源利用率。