基于工业余热的高温空气源耦合热泵循环性能分析_孙健.pdf
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1、第 45 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.45 No.7Jul.2023基于工业余热的高温空气源耦合热泵循环性能分析Performance analysis on high temperature air source heat pump coupling cycle based on industrial waste heat孙健,秦宇,郝俊红,杨勇平SUN Jian,QIN Yu,HAO Junhong,YANG Yongping(华北电力大学 新能源电力国家重点实验室,北京 102206)(State Key Laboratory of New Energy Electric
2、Power,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)摘 要:工业余热的温度分布范围广,常规余热利用方式难以对中低温余热进行有效回收利用,热泵用于回收中低温工业余热具有效率高、能耗低、安全环保等优点。传统的吸收式热泵与压缩式热泵由于热力学循环、工作介质热力性以及压缩机耐温耐压程度的限制导致其只能在窄温域内工作,无法满足工业余热回收背景下的“高制热温度”“宽温域换热”需求。为解决上述问题,提出一种基于吸收-压缩式耦合循环的超高温空气源热泵机组,回收工业废蒸汽(120)和空气热量,制取160 热水(蒸汽)。通过使用工程方程
3、求解器软件(EES)对提出的新型耦合循环进行数学建模和仿真分析,结果表明:最优工况为制取热水温度130,室外环境温度30 时热泵机组热泵性能系数(COP)达到最大值1.600。在制取热水温度160 下,热泵机组COP最高达1.400。研究的结果拓宽了热泵的工作温度范围,提高了热泵的制热温度。研究结果对热泵用于工业余热回收领域具有一定参考价值,对于提高工业领域一次能源利用率具有重要的研究意义。关键词:吸收式热泵;压缩式热泵;耦合循环;余热回收;空气源热泵中图分类号:TK 115 文献标志码:A 文章编号:2097-0706(2023)07-0040-08Abstract:Industrial w
4、aste heat,with a wide range of temperature,can be hardly utilized by conventional ways.Heat pumps can recovery medium and low temperature waste heat effectively,safely and environmental-friendly with low energy consumption.However,traditional absorption heat pumps and compressive heat pumps can only
5、 work in a narrow temperature range due to the limitations of thermodynamic cycle,thermodynamic properties of their working mediums and temperature and pressure resistance of their compressors,which cannot meet the requirements of high heating temperature and wide temperature range heat transfer of
6、industrial waste heat recovery.To solve the problems above,an ultra-high temperature air source heat pump unit based on absorption and compression coupling cycle is proposed.The unit can recover heat from industrial waste steam(120)and air to produce 160 hot water(vapor).The proposed coupling cycle
7、is modelled and simulated by Engineering Equation Solver(EES).The results show that the COP of the heat pump unit peaks at 1.600 under the optimal working condition under which hot water temperature is 130 and outdoor temperature is 30.When the hot water temperature rises to 160,the COP of the heat
8、pump unit will be 1.400.The coupling cycle greatly broadens the working temperature range of heat pumps and improves their heating temperature.The study is of certain reference value for heat pumps in industrial waste heat recovery,and can significantly improve the utilization rate of primary energy
9、 in industrial field.Keywords:absorption heat pump;compressive heat pump;coupling cycle;waste heat recovery;air source heat pump0 引言 如何提高能源利用效率和节约能源是当今全球亟须解决的问题,随着全球的经济与工业化不断发展,人们对能源的需求量不断增长,同时加快了一次能源消耗和环境污染的严重程度。在大量一DOI:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.07.005基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFE0104900);国家自然科学基金项目(
10、52090062);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2020MS009)National Key Research and Development Program of China(2019YFE0104900);National Natural Science Foundation of China(Major Program)(52090062);Special Fund for Basic Scientific Research of Central University(2020MS009)第 7 期孙健,等:基于工业余热的高温空气源耦合热泵循环性能分析次能源消费中,工业行业消
11、费占比居高不下。国际能源机构(IEA)2021年发布的数据显示1,2022年全球工业能耗将达到2 640万t标准煤,比2020年增长约 4.4%。在 2020 年发布的报告中显示2,全球工业行业的平均能源利用效率仅为 35.6%,相比2018 年发布的能源利用效率 33.0%稍有提高3。这表明全球的工业企业开始在提高工业领域能源利用效率方面投入研发。我国工业行业能源消费量约占全社会能源消费总量的70%,而能源利用率只有33.0%。我国余热资源潜力巨大,可回收利用的余热资源占工业行业能源消费总量的 10%40%4。大量工业余热未被有效回收利用导致能源效率低下,在浪费了一次能源的同时产生了大量的碳
12、排放5。工业余热主要分为高温余热(500)、中温余热(200500)、低温余热(200)6。高温余热主要用于蒸汽发电、燃烧利用、循环利用等,目前对于中低温余热的有效利用是一个技术难题。热泵是一种通过逆卡诺循环将热量从低温环境中提取,并提升为可利用的高品位热能的一种高效清洁能源装置,主要分为吸收式热泵与压缩式热泵两大类7。压缩式热泵通过电能驱动压缩机完成压缩循环,将低温热量转换为高温热能。受压缩机耐温耐压、润滑油高温碳化失效等因素限制,压缩式热泵制热温度低于100 且压缩机耗能高8。吸收式热泵通过废热驱动完成热力学循环。吸收式热泵分为第一类吸收式热泵与第二类吸收式热泵,前者利用少量的高温热量与大
13、量的低温热量来制取中温热能,又称为增热型热泵。后者利用大量的中温热量与低温热量制取少量的高温热能,又称为升温型热泵。吸收式热泵虽然耗电部件极少,由于其热力循环的限制,吸收式热泵的热泵性能系数(COP)较低9。压缩式热泵与吸收式热泵均可以用于回收工业余热,由于各自工作的温域、制热温度、效率不同,使得这2种热泵在工业余热回收领域应用的范围较小。为了提升吸收式热泵与压缩式热泵的工作范围与运行性能,国内外学者针对2种热泵的运行方式、工作性能、组合方式等展开了广泛的研究。其中,采用不同的热泵组合方式、制热温度、回收废热等措施,能提升其工作范围、运行性能和普适性。马世财10提出一种吸收-压缩式耦合制冷循环
14、,制冷温度-20 时COP达到2.550。马震西等11提出一种燃气压缩式与双效吸收式耦合热泵,模拟结果表明,耦合热泵的制冷能力提高了 57%,一次能源利用率提高了34%。孙健等12提出一种吸收-压缩式耦合制冷循环用于制取0 以下盐水,通过与常规电制冷比较得出新型耦合制冷循环具有良好的循环性能与经济性。Zhang 等13提出三级构型吸收-压缩式耦合循环,实现超过150 的温升,COP高达2.100。Gao等14提出了一种新型的空气源吸收-压缩式热泵实现阶梯式升温。该系统温升超过90,COP最高达1.700。通过模拟试验,延伸的三元工质、耦合循环、反复精馏、过冷器等新技术手段,可以提高耦合热泵的能
15、效和经济性。同时,利用该系统可以回收电厂、低温烟气等余热,实现节能减排。孙健等15提出一种回收废热制取蒸汽的高温压缩式热泵系统,使 用 一 种 性 能 优 异 的 三 元 工 质 R365mfc/R124/R141b,在余热温度80、蒸发温度70、制热温度120 下,COP达到4.900。安美燕16等提出利用热耦合压缩-吸收式热泵进行高温输出,回收3040 余热时,COP最高达2.580,在高温输出型循环回收6070余热时,COP最高达2.830。张冲等17提出一种利用吸收-压缩式耦合热泵回收电厂余热进行供热的运行系统,模拟结果显示,新系统可节省蒸汽量63 t/h,增加供热面积11.4万。陈金
16、峰18提出一种运用压缩式热泵制取热量后驱动吸收式热泵的新型耦合循环,用于改善太阳能空调的稳定性。试验结果表明,耦合循环最大COP达4.280,耦合循环的蓄冷效率高达2.81。姜迎春19提出一种吸收-压缩复合热泵系统用于回收低温烟气。模拟结果表明,该系统可以节约53%的一次能源消耗,一次能源利用率高达 67.3%,降低排烟损失 78%。Xu等20对吸收式与压缩式热泵在相同工作条件下进行效率分析。结果表明,压缩式热泵COP较高但其效率较低。吸收式热泵效率较高,其回收余热能力更强,适用于大温升条件下的余热回收场景。Wang等21提出一种新型的开式吸收-压缩式热泵用于回收烟气余热,模拟结果表明耦合循环
17、的烟气余热回收率为82.4%,相较于常规的开式吸收式热泵效率高出12.3%。Wu等22提出一种用于超低温环境的新型水离子液体吸收式与CO2压缩式耦合热泵。模拟结果表明,当环境温度由-30 上升至0 时,一次能源效率从1.064增加到1.256,相较于燃气锅炉高 18%40%。Ji等23提出了一种新型的空气源吸收-压缩式耦合热泵用于在低温环境下供暖。模拟结果表明,该热泵最大COP为1.2001.400。环境温度低于-10 时仍可提供高于60 的热水。Gao等24通过在吸收-压缩式循环中加入过冷器与两级精馏装置提高耦合循环的热效率。模拟结果表明,在加热温度180、溶液热交换器效率为 0.8 的情况
18、下,该热泵比常规热泵能效提高41第 45 卷 17.4%。Hadi等25提出使用海水淡化系统产生的余热驱动吸收-压缩式耦合热泵。模拟结果表明,该系统可以通过降低吸收器的终端温差与压缩式压缩机的压缩比来实现降低生产淡水的成本。综上所述,提高吸收式热泵与压缩式热泵工作温度与范围大多数研究集中于将 2种循环进行耦合。本文提出一种基于第二类吸收式热泵与压缩式热泵耦合的新型超高温空气源耦合热泵机组。该热泵机组中吸收式循环使用工业废热进行驱动,压缩式循环使用电能驱动,在提高热泵机组制热温度的基础上降低其耗能。其中吸收式循环采用无毒稳定的溴化锂水溶液作为工作介质,压缩式循环采用安全环保的R134a为工作介质
19、。1 高温耦合循环概述 本文提出的新型超高温耦合热泵循环系统流程如图1所示。该循环由第二类吸收式循环与压缩式循环相耦合,利用第二类吸收式循环高制热温度的特性来制取高温热水(蒸汽),采用压缩式循环来提高吸收式循环的蒸发温度,保证吸收式循环的溴化锂溶液浓度差,进一步改善吸收式循环的工作性能,提高吸收式循环COP,工作原理如下。废热蒸汽加热发生器内的溴化锂稀溶液产生冷剂蒸汽,冷剂蒸汽进入冷凝器放出热量后变为冷剂水。冷剂水通过水泵加压进入耦合换热器内吸收来自压缩式循环工质冷凝放出的热量变为冷剂蒸汽,耦合换热器出口的冷剂蒸汽经水蒸气压缩机进一步压缩后,进入吸收器内与溴化锂浓溶液进行混合放出大量热量,用于
20、制备热水。该耦合循环通过在吸收式循环内嵌入水蒸气压缩机提高吸收器内压力26,降低稀溶液浓度,使吸收式循环维持一个安全运行的范围。通过压缩式循环提取空气中的热量释放到吸收式循环蒸发器中27,提高吸收式循环的蒸发温度,改善吸收式机组运行工况,提高耦合热泵机组COP。2 高温耦合热泵热力学模型 本研究对高温耦合热泵循环进行热力学建模。首先对耦合循环中各传热部件建立能量平衡与质量平衡方程,对氟利昂压缩机、水蒸气压缩机进行建模。通过联立各方程组以求解循环中各部件状态点热力学参数。使用热力学方程求解软件28(Engineering Equation Solver,EES),方程中相关循环工质的热力学参数使
21、用 REFPROP 软件29(流体热力学和输运性质数据库,V9.1)进行调用。为了方便方程求解,提高模型精度,现对该模型做出如下假设。蒸发、冷凝器中的换热为等压过程,忽略蒸发与冷凝过程中压降的影响30;节流阀、溶液泵前后为等焓过程;工质相变前后以及管道流动过程为绝热过程31;压缩过程的循环效率为电机效率、机械效率和等熵效率的乘积。其中,电机效率为0.85,机械效率为0.85,等熵效率为0.9032。下面给出高温耦合热泵循环中各部件数学模型。(1)发生器Qg=qm,x1h8+qm,dh1-qm,x2h6,(1)式中:Qg为发生器热负荷,kW;qm,d为冷剂蒸汽流量,kg/s;h1为冷剂蒸汽比焓,
22、kJ/kg;qm,x1,qm,x2分别为浓溶液与稀溶液的质量流量,kg/s;h6,h8分别为发生器入口稀溶液与发生器出口浓溶液的比焓,kJ/kg。(2)溶液换热器qm,x1(h9-h8)=qm,x2(h7-h6),(2)式中:h7为溶液热交换器入口稀溶液比焓,kJ/kg;h9为溶液热交换器出口浓溶液比焓,kJ/kg。(3)冷凝器Qc=qm,d(h2-h1),(3)式中:Qc为冷凝器热负荷,kW;h2为冷凝器出口冷剂比焓,kJ/kg。(4)溶液泵h2=h3,(4)式中:h3为蒸发器入口冷剂比焓,kJ/kg。(5)耦合换热器Qc-e=qm,d(h4-h3)=qm,r(h11-h13),(5)式中:
23、qm,r为氟利昂工质流量,kg/s;h11为氟利昂压缩机出口氟利昂工质比焓,kJ/kg;h13为耦合换热器出口氟利昂工质比焓,kJ/kg;h4为水蒸气压缩机入口冷剂蒸汽比焓,kJ/kg。(6)吸收器Qa=qm,dh5+qm,x1h9-qm,x2h7,(6)图1高温耦合热泵循环系统流程Fig.1Flow of the high temperature coupling heat pump circulation system42第 7 期孙健,等:基于工业余热的高温空气源耦合热泵循环性能分析式中:Qa为吸收器热负荷,kW;h5为水蒸气压缩机出口冷剂蒸汽比焓,kJ/kg。(7)水蒸气压缩机Ps=q
24、d(h5-h4),(7)式中:Ps为水蒸气压缩机功耗,kW。水蒸气压缩机效率计算式s=h4s-h4h5-h4,(8)式中:s为水蒸气压缩机压缩效率;h4s为水蒸气压缩机入口冷剂蒸汽等熵压缩后的比焓,kJ/kg。(8)氟利昂压缩机P2=qm,r(h10-h11),(9)式中:P2为氟利昂压缩机功耗,kW;h10为耦合换热器入口氟利昂工质的比焓,kJ/kg。氟利昂压缩机效率1=h11s-h11h10-h11,(10)式中:1为氟利昂压缩机压缩效率;h11s为氟利昂压缩机入口氟利昂工质等熵压缩后的比焓,kJ/kg。(9)热泵机组COP计算方式COP=QaPS+P2+Qg,(11)式中:COP为热泵机
25、组的性能系数;为热电转化系数。3 模拟结果与分析 3.1耦合温度对循环性能的影响耦合温度是指耦合换热器内的换热温度,它既影响着吸收式循环的蒸发温度,也影响压缩式循环的冷凝温度。耦合温度的变化会同时影响2个循环的运行性能,对于耦合循环运行性能也会带来影响。本文在加热蒸汽(0.2 MPa,5 kg/s)、环境温度25、水蒸气压缩机压比为5情况下,探究在制热温度130 时耦合温度的变化对于耦合循环及其子循环性能变化的规律。耦合温度既考虑到吸收式循环的蒸发温度,又与压缩式循环的冷凝温度有关。为了避免因压缩式循环冷凝温度过高导致机组性能下降,耦合温度选取范围设定在7085。相关参数随耦合温度变化趋势如图
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