一種半封閉螺桿式污氣源高溫熱泵機組

汪濤 劉夢玲

摘要：利用50℃熱回收難度大的工業廢氣（污氣），其熱焓量大、品位低、含腐蝕性污染物，為用戶提供80℃高溫熱水，減少用戶蒸汽消耗，提高了機組整體的COP，更加節約能源。

關鍵詞：高溫熱泵;廢水廢氣;耐腐蝕

隨著全球環境日益惡劣，可持續發展已經成為經濟發展的一項重要戰略。一是非再生能源，如石油、天然氣等礦物資源儲量逐年減少，我國正大力發展“煤改電”項目，減少非再生能源的消耗;二是環境污染日益嚴重，碳排放超標也是霧霾的一大重要影響因素。因此，提高能源利用率，降低碳排放，減少環境污染已經成為當前發展的重要方向。工業余熱資源的回收利用是節能減排的一項重要方式。

在實際工業生產中，尤其是化工廠中，很多廢氣廢熱廢水直接排放，其中不乏溫度較高者，這不光是對能源的浪費，同時也對環境造成了一定的破壞。然而，這些廢氣焓量大、品位低，甚至帶有腐蝕性，回收利用的難點較大。

目前在化工、醫藥等行業領域中，多采用鍋爐提供高溫熱水或者蒸汽，同時又有大量的廢氣廢熱直接排放，浪費能源的同時對環境也有一定破壞。針對這一情況，本項目設計一種半封閉螺桿式污氣源高溫熱泵機組，能夠為用戶提供更好的解決方案，大大節省了投入費用及運行費用，同時也節約了能源。本項目依托于四川一化工廠濕法磷酸工藝裝置上實施的“封閉式蒸發濃縮節能減排”示范工程，利用其50℃工業廢氣作為熱源，轉換為提供80℃的高溫熱水，從而提高了能源回收利用效率。

本項目所設計的半封閉螺桿式污氣源熱泵機組，包括半封閉高溫壓縮機、油分離器、油過濾器、油冷卻器、油路系統、冷凝器、貯液器、過冷器、過濾器、節流裝置、蒸發器。其中，半封閉高溫壓縮機的排氣口與油分離器的進氣口連接，油分離的排氣口與冷凝器的進氣口連接，冷凝器的出液口與貯液器的進液口連接，貯液器出液口連接過冷器進液口，過冷器出液口連接油冷卻器，油冷卻器出液口經過過濾器、節流裝置后連接蒸發器進液口，最終蒸發器回氣口連接半封閉高溫壓縮機的吸氣口。此外，油路系統包含冷卻回油系統與引射回油系統：冷卻回油系統由半封閉高溫壓縮機出油口連接油過濾器、經由油冷卻器、油恒溫閥，連接半封閉高溫壓縮機回油口;引射回油系統則由油分離器出油口經由引射器，連接蒸發器回油管，回至半封閉高溫壓縮機吸氣口。節流裝置由液位控制閥門與膨脹閥門組成。液位控制閥門安裝于貯液器上，通過貯液器中液位的高度來調節膨脹閥門的開啟大小，從而保證機組的節流能力。

本項目研發的主要內容為，在半封閉高溫壓縮機中被壓縮的高溫高壓的氟利昂R124氣體和冷凍機油進入油分離器中，經過分離后，高溫高壓的R124氣體和冷凍機油分成兩路，即一路為高溫高壓的R124氣體，另外一路為高溫高壓的冷凍機油。高溫高壓的冷凍機油作為高壓引射源，由引射回油裝置中的引射器，將蒸發器回油管中的冷凍機油引射回半封閉高溫壓縮機的吸氣口，進而回到半封閉高溫壓縮機中的油槽。同時，油槽中的高溫高壓的冷凍機油經過油過濾器、油冷卻器、及油冷卻裝置中的油恒溫閥后，達到恒定的溫度回到半封閉高溫壓縮機中對軸承等進行潤滑。同時，高溫高壓的R124氣體經過冷凝器冷凝后變成高壓液體，進入貯液器中，再經過過冷器進行換熱后變成過冷液體，隨后進入油冷卻器中冷卻冷凍機油后，經干燥過濾器后，被膨脹閥節流變成低溫低壓的R124氣液混合物，進入蒸發器中經蒸發后變成低溫低壓的R124氣體，最后經半封閉高溫壓縮機回氣管回到半封閉高溫壓縮機，完成整個制冷循環。另外，高溫水由過冷器進水口進入，出水口連接冷凝器進水口，最后達到設計溫度，由冷凝器出水口流出;低溫廢氣由蒸發器進氣口進入，經過換熱后，更低溫度的廢氣由蒸發器出氣口排出，冷凝下來的水由蒸發器排液口排出。

此項目遇到的主要問題及難點如下：

①為機組提供熱源的是50℃熱回收難度大的工業廢氣（污氣），其熱焓量大、品位低、含腐蝕性污染物，負壓運行，并且用戶需求80℃高溫熱水，以減少其蒸汽消耗;

② 工業廢氣中含有腐蝕性污染物質，需要特定的材料才能防止腐蝕，因此需要綜合考慮換熱效果及成本問題;

② 如何通過一定措施進一步提高機組整體的COP，從而更加節約能源。

為解決上述問題及難點，此項目具有如下特點：

1）為機組提供熱源的是50℃熱回收難度大的工業廢氣（污氣），其熱焓量大、品位低、含腐蝕性污染物，并且負壓運行，機組將這一熱量“提取”出來，為用戶提供80℃高溫熱水，減少用戶蒸汽消耗;

2）工業廢氣中含有腐蝕性污染物質，機組所配蒸發器、冷凝器及過冷器的污氣、污水側的換熱管采用翅片管，其材料為雙相不銹鋼2205，保證其換熱性能的情況下耐腐蝕;

3）機組所配蒸發器、冷凝器及過冷器的管箱與污氣及污水接觸部分襯有防腐膠襯里層，有效隔絕用戶供液廢氣廢水中的腐蝕性污染物質。此種方式對防腐膠襯里技術要求非常高，特別是負壓狀態下運行時，但此結構的應用對降低設備總體成本具有顯著效果;

4）蒸發器內部的換熱管有Φ19的翅片管和Φ57的光管兩種換熱管組成，Φ57光管位于Φ19翅片管上方，該結構的設計可以有效的回收部分熱源，同時使多余熱源旁通過流;

5）機組設計有過冷器，60℃熱水先進入過冷器換熱，在進入冷凝器中，最終達到80℃高溫，提高了機組整體的COP，更加節約能源。

五、結語

為本項目半封閉螺桿式高溫熱泵機組提供熱源的是50℃熱回收難度大的工業廢氣（污氣），其余熱資源的回收利用是節能減排的一項重要方式，避免廢氣廢熱廢水直接排放，這些廢氣等熱焓量大、品位低、含腐蝕性污染物，并且負壓運行，機組將這一熱量“提取”出來，為用戶提供80℃高溫熱水，減少用戶蒸汽消耗;同時，機組設計過冷器，50℃熱水先進入過冷器換熱，在進入冷凝器中，最終達到80℃高溫，提高了機組整體的COP，提高能源利用率，更加節約能源，同時降低碳排放，減少環境污染。

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