2005年第2期(总第92期) 应用能源技术 37
Ξ
低温余热利用案例分析
哈药集团制药总厂 芦 君 贾振林
摘 要 针对某化学工业园区排放温度为40℃的废热水, , 并制定了回收方案。
关键词 低温余热 热泵 余热回收
中图分类号:TU8321119 3230(2005) 02—0037—03
0 前言
, 常常会排出温度为40～80℃的废热水, 一般企业均采取直接排放的方式, 这不仅对环境产生了热污染, 而且也是对能源的浪费。因此研究分析低温废水的回收利用具有非常实际的意义。
1 热泵简介
111 热泵工作原理
图1 热泵内的工质循环
对于稍高于环境温度的工业低温余热, 据资料介绍, 一般可通过压缩式热泵适当提高温度后, 供给需要的热用户。流量大而稳定的余热是热泵很好的热源。
压缩式热泵是通过系统中工质的物态变化, 即汽化吸热、冷凝放热的特性实现供热, 其工作原理见图1。工质在蒸发器内吸收低温余热的热量后汽化(图1中4→1) , 蒸汽被压缩机吸入, 绝热压缩到冷凝压力(图1中1→2) , 在此压力下, 工质从蒸汽转换为液体(图1中2→3) , 同时放出热量传给高温热源, 然后液态工质通过节流阀, 压降至蒸发压力(图1中3→4) , 再进入蒸发器循环。
工质的蒸发温度要低于冷却的冷媒, 而其冷凝温度要高于被加热的热媒
。
Ξ收稿日期:2005—01—20
热泵装置的性能可用制热系数Φ表示Φ=热用户所得热量/压缩机消耗机械功=Q 1/P e =(Q 0+P e ) /P e >1式中Q 1为热用户所得热量;Q 0为从低
温热源获得的热量;P e 为压缩机消耗的功率。
目前国内外热泵主要用于建筑物的采暖空调系统。
112 热泵工质简介11211 工质分类
常用制冷工质可分为下述7类:
(1) 无机化合物, 如氢气、空气、氧气、氨、水
等;
(2) 氟里昂, 这是饱和碳氢化合物的氟、氟和
溴的衔生物的总称, 如R12、R22等;
(3) 饱和碳氢化合物, 如甲烷、乙烷等; (4) 环状化合物, 如六氟二氯环丁烷等; (5) 非饱和碳氢化合物和它们的卤族元素衍
应用能源技术 2005年第2期(总第92期) 38生物;
(6) 共沸制冷剂, 由两种(或两种以上) 互溶的
2 余热利用系统的设计计算
对于某化学工业园区排放温度40℃的废热水的余热, 本文拟采用热泵系统进行回收。211 设计条件
单纯制冷剂在常温下, 按一定比例相互混合而成, 如R500由R12和R152a 混合而成;
(7) 非共沸溶液的单纯制冷剂, 由两种(或两
种以上) 相互不形成共沸溶液的单纯制冷剂在常温下, 按一定比例相互混合而成, 用R400以后的顺序数表示。21212 环保型工质
废热水温度40℃, 流量1000t/h 30212保型工质R134a , 其临界温度为101℃。213 系统设计
长期以来, 用于制冷, 氟里昂将被禁用。。实际上, 氟里昂是卤代烃的总称, 可统一表示为CmHnFxClyBrz , 其中的氯原子会破坏大气中的臭氧层。氟里昂可分为三类:CFC(含氯而无氟) 、HCFC (含氯也含氢) 、HFC (含氢而无氯) 。其中,HFC 因其不含氯原子, 属环
鉴于该化学园区建有蒸汽锅炉, 因此拟采用热泵吸收40℃的废水中的余热, 用来加热锅炉给水。系统中主要设备为冷凝器、蒸发器、压缩机和节流阀。设计计算结果如下。21311 方案1
(1) 蒸发温度、冷凝温度的确定
保工质, 包括R32、R134a 、R404a 等。而CFC 和HCFC 的使用正受到世界范围的限制。
冷凝温度:由于冷凝温度必须小于临界温度, 所以可取为90℃, 并相应将锅炉给水的最终加热温度定为t 2=85℃。
蒸发温度:由于该热水的温度为40℃, 根据蒸发温度要小于废热水出口温度的原则, 假设温降为3℃, 取蒸发温度为35℃。
(2) 根据R134a 的压焓图及已定的蒸发温度
国际上规定:对CFC 、包括R11、R12、R113、R114、R115等, 从1996年起, 发达国家将完全停
止生产和消费,2010年为发展中国家的最后停用年限。对HCFC , 包括R22、R142b 、R123等, 从1996年起, 发达国家削减生产量, 自2004年起冻
结生产量, 至2020年完全停用; 而发展中国家从2016年起冻结生产量,2040年完全停用。
和冷凝温度, 确定如图1所示的工质循环, 并查得循环中各点单位工质的焓值如下:
h 1=426kJ/kg , h 2=461kJ/kg , h 3=h 4=320kJ/kg
在传统空调、制冷业中, 使用最多的制冷工质为R11(离心式冷水机组制冷工质) 、R12(汽车空调、中小型冷库、冰箱制冷工质) 、R22(螺杆式冷水机组、热泵式冷热机组和家用空调器的制冷工质) 。这些工质未来都将被禁用, 但现在尚未出现最好的替代工质。目前, 一般推荐采用R134a 来替代上述工质。最近也有采用R407C 工质的, 这种工质为R32、R125和另一种工质的非共沸混合物, 性能与R22相近。但由于混合工质的使用持保留态度。
(3) 工质流量和压缩机功率
制热量(即锅炉给水的吸热量) :
Q 1=q 1×C D ×(t 2-t 1) =639. 5kW
式中C D 为水的定压比热, 取为4. 18k J/(kg ) ; ・℃
工质的单位制热量:q 0=h 2-h 3=141k J/kg 工质流量:q m =Q 1/q 0=4. 535kg/s =16. 3t/h 查压缩机样本得功率p e =256kW
(4) 热泵装置的制热系数:Φ=Q 1/P e =2. 5
2005年第2期(总第92期) 应用能源技术 3921312 方案2
其它条件同方案1, 冷凝温度改为70℃, 相应将锅炉给水的最终加热温度定为t 2=65℃。
(1) 系统中其他参数的确定
燃烧和采用热泵获取相同热量时两者的能耗价。
假设工业锅炉燃料费用为E 1, 驱动热泵装置所需电能费用为E 2。实际上的能耗价格比还要考虑锅炉的效率ηg 与热泵装置的驱动电机效率ηm , 这样实际的能耗价格比C 可由下式确定:
C =(E 2/ηm ) /(E 1/ηg )
根据R134a 的压焓图及已定的蒸发温度和冷凝温度, 确定如图1所示的工质循环, 并查得循环中各点单位工质的焓值如下:
h 1=426k J/kg , h 2=45k J/kg , h 3=h 4=320k J/
η19, 燃油锅炉效率ηg
0185457g/kWh , 则每2kWh ; 设燃油的热值为J/kg , 则每1t 燃油可发电2969. 7kWh , 由于
kg
(2) 工质流量和压缩机功率
制热量:Q 1=1t 2-h 3=131k J/kg 工质流量:=Q 1/q 0=3. 107kg/s =11. 2t/h
平均工业电费0185元/kWh , 则折合成人民币2524元/t , 而燃油价格为1500元/t , 即有:E 1=1500元, E 2=2524元。
当供给热用户的热量相同时, 若Φ=C 时, 则能源费用相等, 此时Φ=1. 59, 即当Φ>1. 59时, 经济上才合算。
由两种计算方法均可得出结论:本系统中采
查压缩机样本得功率P e =116. 6kW (3) 热泵装置的制热系统:Φ=Q 1/P e =3. 5
3 经济性分析
按照文[1]介绍的方法对本系统进行技术经济估算。
(1) 方法1。比较采用员工燃烧和采用热泵
用热泵回收废热, 从经济上是划算的。另外, 由计算结果知, 采用方案2的设计参数将更经济。并且由于目前市场上的压缩机大多为制冷工况配备, 所以常规压缩机的冷凝温度均不高于70℃。如果定做压缩机的话, 成本很高。因此推荐用方案2。
获取相同热量时, 两者所消耗的燃料量(设工业锅炉的燃耗为B 1, 驱动热泵装置所需的燃耗为B 2) 。
当供给热用户的热量相当时, 有ηηηηΦB 1×g ×rm =B 2×nd ×pd ×
η式中ηg 为工业锅炉效率, 取为0175; rm 为供热效率, 取为0195η; nd 为凝汽式发电厂效率, 取为0135η; pd 为输配电效率, 取为019。
4 结论
对于低温余热, 可采用热泵技术进行合理回收。为了能采用常规压缩机, 热泵的冷凝温度不宜高于70℃。
Φ, 0当B 1/B 2>1时, Φ>则B 1/B 2=0. 4422126
因此, 只要热泵装置的制热系数大于2126, 即B 1>B 2采用热泵装置可节约燃料。方案1和方案2制热系数Φ均大于2126, 从经济上说都是划算的。
(2) 方法2。由方法1知, 热泵装置供热比工
参考文献
1 杨庆姊1低温余热回收[J].节能,2004, (2) 12 杨开益1低温工业余热回收的热泵技术[J].宝钢
技术,1995, (2) 1
3 徐敬东1R22替代物的分类和概述[J].四川制冷, 1999, (2) 1
业锅炉供热节省燃料, 但热泵消耗的是电能, 而锅炉消耗的是燃料, 因此燃料费用与电能费用与电能费用的比价也需考虑。方法2即比较采用锅炉
2005年第2期(总第92期) 应用能源技术 37
Ξ
低温余热利用案例分析
哈药集团制药总厂 芦 君 贾振林
摘 要 针对某化学工业园区排放温度为40℃的废热水, , 并制定了回收方案。
关键词 低温余热 热泵 余热回收
中图分类号:TU8321119 3230(2005) 02—0037—03
0 前言
, 常常会排出温度为40～80℃的废热水, 一般企业均采取直接排放的方式, 这不仅对环境产生了热污染, 而且也是对能源的浪费。因此研究分析低温废水的回收利用具有非常实际的意义。
1 热泵简介
111 热泵工作原理
图1 热泵内的工质循环
对于稍高于环境温度的工业低温余热, 据资料介绍, 一般可通过压缩式热泵适当提高温度后, 供给需要的热用户。流量大而稳定的余热是热泵很好的热源。
压缩式热泵是通过系统中工质的物态变化, 即汽化吸热、冷凝放热的特性实现供热, 其工作原理见图1。工质在蒸发器内吸收低温余热的热量后汽化(图1中4→1) , 蒸汽被压缩机吸入, 绝热压缩到冷凝压力(图1中1→2) , 在此压力下, 工质从蒸汽转换为液体(图1中2→3) , 同时放出热量传给高温热源, 然后液态工质通过节流阀, 压降至蒸发压力(图1中3→4) , 再进入蒸发器循环。
工质的蒸发温度要低于冷却的冷媒, 而其冷凝温度要高于被加热的热媒
。
Ξ收稿日期:2005—01—20
热泵装置的性能可用制热系数Φ表示Φ=热用户所得热量/压缩机消耗机械功=Q 1/P e =(Q 0+P e ) /P e >1式中Q 1为热用户所得热量;Q 0为从低
温热源获得的热量;P e 为压缩机消耗的功率。
目前国内外热泵主要用于建筑物的采暖空调系统。
112 热泵工质简介11211 工质分类
常用制冷工质可分为下述7类:
(1) 无机化合物, 如氢气、空气、氧气、氨、水
等;
(2) 氟里昂, 这是饱和碳氢化合物的氟、氟和
溴的衔生物的总称, 如R12、R22等;
(3) 饱和碳氢化合物, 如甲烷、乙烷等; (4) 环状化合物, 如六氟二氯环丁烷等; (5) 非饱和碳氢化合物和它们的卤族元素衍
应用能源技术 2005年第2期(总第92期) 38生物;
(6) 共沸制冷剂, 由两种(或两种以上) 互溶的
2 余热利用系统的设计计算
对于某化学工业园区排放温度40℃的废热水的余热, 本文拟采用热泵系统进行回收。211 设计条件
单纯制冷剂在常温下, 按一定比例相互混合而成, 如R500由R12和R152a 混合而成;
(7) 非共沸溶液的单纯制冷剂, 由两种(或两
种以上) 相互不形成共沸溶液的单纯制冷剂在常温下, 按一定比例相互混合而成, 用R400以后的顺序数表示。21212 环保型工质
废热水温度40℃, 流量1000t/h 30212保型工质R134a , 其临界温度为101℃。213 系统设计
长期以来, 用于制冷, 氟里昂将被禁用。。实际上, 氟里昂是卤代烃的总称, 可统一表示为CmHnFxClyBrz , 其中的氯原子会破坏大气中的臭氧层。氟里昂可分为三类:CFC(含氯而无氟) 、HCFC (含氯也含氢) 、HFC (含氢而无氯) 。其中,HFC 因其不含氯原子, 属环
鉴于该化学园区建有蒸汽锅炉, 因此拟采用热泵吸收40℃的废水中的余热, 用来加热锅炉给水。系统中主要设备为冷凝器、蒸发器、压缩机和节流阀。设计计算结果如下。21311 方案1
(1) 蒸发温度、冷凝温度的确定
保工质, 包括R32、R134a 、R404a 等。而CFC 和HCFC 的使用正受到世界范围的限制。
冷凝温度:由于冷凝温度必须小于临界温度, 所以可取为90℃, 并相应将锅炉给水的最终加热温度定为t 2=85℃。
蒸发温度:由于该热水的温度为40℃, 根据蒸发温度要小于废热水出口温度的原则, 假设温降为3℃, 取蒸发温度为35℃。
(2) 根据R134a 的压焓图及已定的蒸发温度
国际上规定:对CFC 、包括R11、R12、R113、R114、R115等, 从1996年起, 发达国家将完全停
止生产和消费,2010年为发展中国家的最后停用年限。对HCFC , 包括R22、R142b 、R123等, 从1996年起, 发达国家削减生产量, 自2004年起冻
结生产量, 至2020年完全停用; 而发展中国家从2016年起冻结生产量,2040年完全停用。
和冷凝温度, 确定如图1所示的工质循环, 并查得循环中各点单位工质的焓值如下:
h 1=426kJ/kg , h 2=461kJ/kg , h 3=h 4=320kJ/kg
在传统空调、制冷业中, 使用最多的制冷工质为R11(离心式冷水机组制冷工质) 、R12(汽车空调、中小型冷库、冰箱制冷工质) 、R22(螺杆式冷水机组、热泵式冷热机组和家用空调器的制冷工质) 。这些工质未来都将被禁用, 但现在尚未出现最好的替代工质。目前, 一般推荐采用R134a 来替代上述工质。最近也有采用R407C 工质的, 这种工质为R32、R125和另一种工质的非共沸混合物, 性能与R22相近。但由于混合工质的使用持保留态度。
(3) 工质流量和压缩机功率
制热量(即锅炉给水的吸热量) :
Q 1=q 1×C D ×(t 2-t 1) =639. 5kW
式中C D 为水的定压比热, 取为4. 18k J/(kg ) ; ・℃
工质的单位制热量:q 0=h 2-h 3=141k J/kg 工质流量:q m =Q 1/q 0=4. 535kg/s =16. 3t/h 查压缩机样本得功率p e =256kW
(4) 热泵装置的制热系数:Φ=Q 1/P e =2. 5
2005年第2期(总第92期) 应用能源技术 3921312 方案2
其它条件同方案1, 冷凝温度改为70℃, 相应将锅炉给水的最终加热温度定为t 2=65℃。
(1) 系统中其他参数的确定
燃烧和采用热泵获取相同热量时两者的能耗价。
假设工业锅炉燃料费用为E 1, 驱动热泵装置所需电能费用为E 2。实际上的能耗价格比还要考虑锅炉的效率ηg 与热泵装置的驱动电机效率ηm , 这样实际的能耗价格比C 可由下式确定:
C =(E 2/ηm ) /(E 1/ηg )
根据R134a 的压焓图及已定的蒸发温度和冷凝温度, 确定如图1所示的工质循环, 并查得循环中各点单位工质的焓值如下:
h 1=426k J/kg , h 2=45k J/kg , h 3=h 4=320k J/
η19, 燃油锅炉效率ηg
0185457g/kWh , 则每2kWh ; 设燃油的热值为J/kg , 则每1t 燃油可发电2969. 7kWh , 由于
kg
(2) 工质流量和压缩机功率
制热量:Q 1=1t 2-h 3=131k J/kg 工质流量:=Q 1/q 0=3. 107kg/s =11. 2t/h
平均工业电费0185元/kWh , 则折合成人民币2524元/t , 而燃油价格为1500元/t , 即有:E 1=1500元, E 2=2524元。
当供给热用户的热量相同时, 若Φ=C 时, 则能源费用相等, 此时Φ=1. 59, 即当Φ>1. 59时, 经济上才合算。
由两种计算方法均可得出结论:本系统中采
查压缩机样本得功率P e =116. 6kW (3) 热泵装置的制热系统:Φ=Q 1/P e =3. 5
3 经济性分析
按照文[1]介绍的方法对本系统进行技术经济估算。
(1) 方法1。比较采用员工燃烧和采用热泵
用热泵回收废热, 从经济上是划算的。另外, 由计算结果知, 采用方案2的设计参数将更经济。并且由于目前市场上的压缩机大多为制冷工况配备, 所以常规压缩机的冷凝温度均不高于70℃。如果定做压缩机的话, 成本很高。因此推荐用方案2。
获取相同热量时, 两者所消耗的燃料量(设工业锅炉的燃耗为B 1, 驱动热泵装置所需的燃耗为B 2) 。
当供给热用户的热量相当时, 有ηηηηΦB 1×g ×rm =B 2×nd ×pd ×
η式中ηg 为工业锅炉效率, 取为0175; rm 为供热效率, 取为0195η; nd 为凝汽式发电厂效率, 取为0135η; pd 为输配电效率, 取为019。
4 结论
对于低温余热, 可采用热泵技术进行合理回收。为了能采用常规压缩机, 热泵的冷凝温度不宜高于70℃。
Φ, 0当B 1/B 2>1时, Φ>则B 1/B 2=0. 4422126
因此, 只要热泵装置的制热系数大于2126, 即B 1>B 2采用热泵装置可节约燃料。方案1和方案2制热系数Φ均大于2126, 从经济上说都是划算的。
(2) 方法2。由方法1知, 热泵装置供热比工
参考文献
1 杨庆姊1低温余热回收[J].节能,2004, (2) 12 杨开益1低温工业余热回收的热泵技术[J].宝钢
技术,1995, (2) 1
3 徐敬东1R22替代物的分类和概述[J].四川制冷, 1999, (2) 1
业锅炉供热节省燃料, 但热泵消耗的是电能, 而锅炉消耗的是燃料, 因此燃料费用与电能费用与电能费用的比价也需考虑。方法2即比较采用锅炉