中高溫?zé)岜脵C(jī)組研究應(yīng)用

李德賢 任曉東

摘要：本文介紹了中高溫?zé)岜脟鴥?nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出研究開發(fā)中高溫?zé)岜茫怨I(yè)廢水為低位熱源的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的開發(fā)，對(duì)于我國北方城市區(qū)域供熱及其他用熱領(lǐng)域具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：中高溫?zé)岜霉?jié)能區(qū)域供熱

Abstract: this paper introduces the high temperature heat pump in the domestic and foreign research and application status, and put forward the research and development of high temperature heat pump, industrial waste water as low heat source temperature of the heat pump technology development, for our country the northern city of district heating and other hot field has the very vital significance.

Key words: high temperature heat pump in energy conservation district heating

中圖分類號(hào)：TS737+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1 前言

我國地大物博，資源儲(chǔ)量豐富。但是由于人口眾多，煤的人均儲(chǔ)量?jī)H為世界平均的1/5，石油的人均儲(chǔ)量?jī)H為世界平均的1/8，天然氣則僅為世界平均的1/25。我國的能源短缺也將面臨重大問題。近年來，熱泵作為一種既節(jié)能又環(huán)保的技術(shù)越來越受到人們的重視，并且逐步向大型熱泵裝置的方向發(fā)展。熱泵是這樣一種裝置，它按照逆向熱力循環(huán)，利用少量的高位能去提取周圍環(huán)境中的無直接用途的熱量，使其能位提升，從而獲得更多的可利用熱能。

我國的工業(yè)廢水中蘊(yùn)涵著大量的低位熱能。在原油生產(chǎn)過程中將分離出大量的含油污水，大慶油田的污水排放量為4.014萬噸/小時(shí)，水溫38℃左右；遼河油田的污水排放量為4.89萬噸/小時(shí)，水溫43℃；勝利油田的污水排放量為5.38萬噸/小時(shí)，水溫40℃。為了保證原油產(chǎn)量，這些污水必須回注到地下，如果不加以利用的話，其中的能量就會(huì)被浪費(fèi)掉。在鋼鐵工業(yè)、電力工業(yè)和石化工業(yè)中也存在大量的低溫廢水，溫度在30～70℃之間。如果將這部分低溫廢水排入河流和大海中，不僅會(huì)造成能源的極度浪費(fèi)，而且會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的嚴(yán)重污染。利用中高溫?zé)岜眉夹g(shù)將廢水中的低位熱能提取出來，使其成為高位熱能，就可以應(yīng)用到城市集中供熱和原油拌熱輸送等民用和工業(yè)用熱領(lǐng)域中，從而實(shí)現(xiàn)了能源的合理利用。

2 中高溫?zé)岜脟鴥?nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 中高溫?zé)岜脟庋芯颗c應(yīng)用現(xiàn)狀

瑞士被稱為傳統(tǒng)的熱泵國家，由Sulzer公司生產(chǎn)的大型高溫?zé)岜脵C(jī)組不僅歷史久遠(yuǎn)而且廣泛地應(yīng)用于世界各地。該公司于1938年生產(chǎn)的高溫?zé)岜脵C(jī)組至今仍然服務(wù)于瑞士的蘇黎世市政廳，其供水溫度為60℃，這也是歐洲第一臺(tái)高溫?zé)岜脵C(jī)組。美國Trane公司生產(chǎn)的大型離心式熱泵機(jī)組的最高供水溫度為49℃，主要用于熱水供應(yīng)。其型式主要有兩種：一是在原有冷水機(jī)組上增設(shè)輔助冷凝器；二是直接生產(chǎn)的熱回收型的冷水機(jī)組。美國McQuay公司生產(chǎn)Templifier（天威）系列離心式熱泵機(jī)組的最高供水溫度為60℃，其低位熱源為10～49℃的余熱。2001年，瑞士的Matin教授提出了在舊有建筑熱源改造項(xiàng)目中推廣熱泵區(qū)域供熱的思想。他指出在舊有熱源改造項(xiàng)目中，輸送管網(wǎng)通常為高溫?zé)崴芫W(wǎng)，對(duì)水溫的要求很高，這就促使熱泵必須向高溫方向發(fā)展。大量的工業(yè)廢水為熱泵提供了低位熱源，為其應(yīng)用提供了良好的條件。這樣，熱泵就既可以充分利用其他方法難以利用的工業(yè)余熱，又以效率高于其他供熱方式提供所需的熱能。此外，工業(yè)廢水經(jīng)過熱泵利用后，將以較低的溫度排放，減少了對(duì)環(huán)境的熱污染。

2.2 中高溫?zé)岜脟鴥?nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

我國對(duì)于中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的研究較少，并主要局限于化學(xué)工藝過程中的小型熱泵機(jī)組。2001年，富爾達(dá)公司在大慶安裝了一套的水-水熱泵系統(tǒng)，其低位熱源為含油污水。該系統(tǒng)采用螺桿式壓縮機(jī)，最高供水溫度為65℃，用于污水聯(lián)合站內(nèi)建筑物的空調(diào)和采暖。同年，蘭州近代物理研究所以核反應(yīng)堆廢水為低位熱源，安裝了一臺(tái)由Sulzer公司生產(chǎn)的高溫?zé)岜脵C(jī)組，制冷劑采用R134a。該機(jī)組蒸發(fā)器的供回水溫度為35.8/28℃，冷凝器的供回水溫度為52/70℃，供熱量為3.58MW。但是我國對(duì)中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的研究尚處于起步階段。可以說，以工業(yè)廢水為低位熱源的大型高溫?zé)岜眉夹g(shù)的研究與開發(fā)目前在國內(nèi)基本處于空白階段。

3 中高溫?zé)岜醚芯颗c開發(fā)

3.1熱泵的系統(tǒng)形式

熱泵的系統(tǒng)形式，相對(duì)于常規(guī)的熱泵系統(tǒng)，高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用要滯后許多。

（1）純工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)：此類熱泵系統(tǒng)以雙級(jí)或三級(jí)壓縮為主，采用離心或螺桿式壓縮機(jī)，用于區(qū)域供熱或工業(yè)工藝流程供熱。其工作流程與雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)相類似。

（2）非共沸工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)：此類熱泵系統(tǒng)的基本流程與純工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)相同。目前，國內(nèi)外對(duì)此類熱泵系統(tǒng)的研究較多，所用的工質(zhì)主要有R22/R142b、R125/R134a等。在理論和實(shí)驗(yàn)研究中，均獲得了較好的COP值，但在實(shí)際應(yīng)用上仍然存在一些問題，如混合工質(zhì)在發(fā)生泄漏時(shí)將導(dǎo)致成份的變化，影響其熱力性能，以及在相變過程中的汽液分離現(xiàn)象使得在換熱器中實(shí)現(xiàn)逆流換熱較為困難，從而無法發(fā)揮非共沸工質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，無法獲得理想的熱泵效率。

（3）吸收式熱泵系統(tǒng)和化學(xué)熱泵系統(tǒng)：此類熱泵系統(tǒng)均為使用熱能驅(qū)動(dòng)的熱泵系統(tǒng)。吸收式熱泵系統(tǒng)是由吸收式制冷系統(tǒng)發(fā)展而來的?；瘜W(xué)熱泵系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種新型熱泵系統(tǒng)。它利用化學(xué)反應(yīng)的吸熱和放熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)低溫吸熱和高溫放熱，可以在很大的溫差及很高的溫度條件下實(shí)現(xiàn)熱泵循環(huán)。

（4）吸收-壓縮組合熱泵系統(tǒng)：此類熱泵系統(tǒng)吸收式和壓縮式系統(tǒng)組合在一起，采用沸點(diǎn)相差很大的工質(zhì)作為循環(huán)的工質(zhì)對(duì)，利用其溶液對(duì)低沸點(diǎn)工質(zhì)的吸收作用來改善循環(huán)某些方面的特性。研究表明，這類循環(huán)能較好地改善吸收式或蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)的性能，極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的研究

對(duì)于中高溫?zé)岜?，不存在公認(rèn)的代表性工質(zhì)，所以應(yīng)用中高溫?zé)岜靡鉀Q的關(guān)鍵問題之一就是尋找適宜的綠色環(huán)保工質(zhì)。以純工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)為例，針對(duì)采用該系統(tǒng)形式的中高溫?zé)岜醚芯康闹攸c(diǎn)主要放在新型替代工質(zhì)的研究。這是一項(xiàng)有待從頭開始的工作，需要對(duì)各種工質(zhì)進(jìn)行篩選，使其既符合綠色環(huán)保要求又能保證中高溫?zé)岜眠_(dá)到良好的運(yùn)行效果。

3.3中高溫?zé)岜霉ぷ鞑考难芯?/p>

針對(duì)純工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)其主要部件包括蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機(jī)等。目前國內(nèi)外對(duì)于換熱器包括蒸發(fā)器和冷凝器的研究在其結(jié)構(gòu)上并沒有太大的變化，其主要的研究方向是致力于高效傳熱管的開發(fā)與應(yīng)用。因此，中高溫?zé)岜脵C(jī)組尤其是大型中高溫?zé)岜脵C(jī)組采用離心式的壓縮方式是十分適宜的。

4 結(jié)語

現(xiàn)代建筑倡導(dǎo)環(huán)保、節(jié)能理念，突出環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)符合21世紀(jì)人們生活的需要，因此，以工業(yè)廢水為低位熱源的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的開發(fā)，對(duì)于我國北方城市區(qū)域供熱及其他用熱領(lǐng)域具有十分重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：

李德賢女 山東省平原縣工程師多年來從事供熱通風(fēng)與空調(diào)工程設(shè)計(jì)工作。