高温热泵在冷却水余热回收中的应用分析

高温热泵在冷却水余热回收中的应用分析

魏芸孙瑶侯静

北方工程设计研究院有限公司   河北省石家庄市   050000

摘要：随着世界经济的快速发展，人类社会在取得巨大进步的同时，也付出了巨大的能源和环境代价。人们环境保护意识不断提高，工业领域对于节能减排的需求日益迫切。高温热泵技术作为一种高效、环保的能源利用方式，在冷却水余热回收中得到了广泛应用。本文将对高温热泵在冷却水余热回收中的应用进行分析。

关键词：高温热泵；冷却水；余热回收

引言

面对日益突出的化石能源危机和环境污染问题，人们开始致力于改变原有的能源格局，希望以高质量的发展代替粗放型的发展。如，开发、利用可再生能源，如太阳能、氢能、风能、地热能、生物质能等，以减少对化石能源的依赖。节能减排技术也是社会生产和发展中的研究重点。在冷却水余热回收中，高温热泵的应用成为了一种高效且环保的解决方案。冷却水在工业生产过程中通常会带有大量的热能，这些热能如果直接排放到环境中，不仅会造成能源的浪费，还可能对环境产生不良影响。高温热泵技术的应用能够有效地回收这些余热，并将其转化为有价值的热能供其他工艺使用或用于供暖等目的。

1热泵技术概述

在节能减排的大背景下，热泵技术在余热回收领域的应用日益受到人们的重视。与传统的锅炉等相比，热泵技术可显著降低一次能源的消耗、减少碳排放。热泵技术是指利用少量的电能，将低品位的工业余热提升至高品位的能量，实现能量再次利用。利用热泵制备热水的技术在工业生产和人们的日常生活中也已经得到应用。热泵根据其冷凝温度不同，可以分为常温、中温、中高温以及高温热泵。通常情况下，供热温度达到80℃以上热泵可以被称为高温热泵。按照其循环结构，高温热泵可以分为压缩式高温热泵、吸收式高温热泵、压缩—吸收混合式高温热泵。其中，吸收式高温热泵通常需要50℃以上的余热，应用于电厂锅炉烟气余热回收等领域。压缩式高温热泵对余热资源温度要求较低，在工业领域具有广泛的应用前景，采用双级压缩式热泵或单级压缩式与喷射式联合的高温热泵可制备160℃的高温蒸汽。高温热泵是一种能将低温热源中的热量转移到高温热源中的高效、环保的能源转换设备，主要用于将工业企业排放、浪费的中低温度的废水、废气中的热量，通过高温热能热泵进行收集，并转换成≤150℃的水或高温蒸汽，供工业工艺或供暖使用。高温热泵能够有效地回收和利用低品位热能，将其转换为高品位热能，显著提高了能源利用效率。根据实际应用情况，它可替代传统燃煤锅炉，降低能源消耗和生产成本。高温热泵在不改变设备运行环境的情况下，热泵供热温度达到60℃以上，并保持较高的运行效率和稳定的运行状态，这通常需要解决压缩机的选择、工质的选择以及氟路系统控制的优化等关键技术问题。

2高温热泵在冷却水余热回收中的应用

在工业生产中通常采用冷却水作为冷源，将工业产生和生活中产生的热量通过冷却水塔排放至环境中，热量没有充分利用。另一方面，60~100℃中高温热水是工业生产和建筑采暖中常用的热源。通常的制备方法是采用蒸汽加热软化处理后的市政水。而蒸汽的来源主要有：化石燃料制备法和电锅炉制备法。其中的化石燃料包括：燃煤、燃油和燃气，在产热的过程中或多或少对环境造成负面影响，不利于双碳目标的实现。

在电锅炉制备蒸汽的过程中，首先需要将热能转化为高品质的电能，然后再将这部分电能转化为热能以产生蒸汽。这个过程涉及多次能量转换，每次转换都会伴随能量损失。在这个过程中，热能首先被转换成机械能，然后再转化为电能，转换过程并不是百分之百高效的，会有一部分能量以热能的形式损失掉。当电能被用于加热锅炉中的水以产生蒸汽时，又会有一部分能量损失，虽然电加热器的效率相对较高，但仍然无法达到百分之百。因此，经过这两次转换，整体的能源利用率会降低。相比之下，直接使用燃料加热水产生蒸汽的方式，避免了多次能量转换带来的损失，能源利用率会更高。在用电高峰时段，如果大量使用电锅炉制备蒸汽，会进一步增加电网的负荷，导致电网电压波动、频率不稳等问题，影响电网的稳定运行。为了满足电锅炉等高负荷用电设备的需求，电网需要进行相应的升级和改造，增加变电设备容量、优化电网结构等措施，以确保电网的供电能力和稳定性。对于余热资源温度较低的场景，可以考虑与空压机余热相结合的方式，提高蒸发侧热源温度，从而提高高温热泵效率。

采用热泵技术来收集冷却水回水中的热量是一种高效且环保的方法，这种方法利用冷却水回水作为热源，通过高温热泵的运行，仅需要少量的电能就能制备出中高温热水，从而替代传统的蒸汽加热方式，显著减少蒸汽的耗量。冷却水回水中通常含有大量未被充分利用的热量，这些热量在传统系统中往往被直接排放到环境中，造成能源浪费。通过热泵技术，低品位的热能可以被有效地提取出来，转化为高品位的热能。高温热泵利用逆卡诺循环原理，通过压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等部件，将低品位热能转化为高品位热能。在这个过程中，热泵消耗少量的电能作为驱动，使得热量从低温热源（冷却水回水）流向高温热源（中高温热水）。通过高温热泵的运行，可以将冷却水回水中的热量转移到水中，制备出中高温热水，中高温热水可以用于各种需要热能的工艺过程，如清洗、消毒、供暖等。传统的蒸汽加热方式需要大量的蒸汽来提供热能。而采用热泵技术后，可以利用冷却水回水中的热量来制备热水，这不仅降低了能源消耗，还减少了蒸汽锅炉的运行成本和维护成本。

在工艺生产中冷却水作为冷源，吸收热量、温度升高。在热泵中冷却水作为热源，将吸收的热量转移至循环工质中，循环工质吸收热量后蒸发成高温低压气体；在压缩机内压缩成高温高压气体；之后在冷凝器中将冷凝成低温高压液体，并将热量转移至热水中；最后，低温高压液相循环工质经过膨胀阀后变成低温低压液体，重新回到蒸发器中吸收冷却水回水中的热量。循环工质的选择是影响高温热泵COP值的关键因素。近年来，随着环保要求的提高，寻找一种化学性能稳定、热力学性能良好、对臭氧层无破坏作用、GWP（全球变暖潜能）值较低的循环工质，成为高温热泵研究领域的一个方向。

结束语

在高温热泵在冷却水余热回收中的应用分析中，通过有效利用冷却水回水中的热量，高温热泵不仅降低了对传统能源的依赖，减少了能源消耗和运营成本，还显著降低了碳排放和环境热污染。随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，高温热泵在冷却水余热回收领域的应用将会更加广泛，这就需要加强高温热泵技术的研发和应用，为构建资源节约型、环境友好型社会做出更大的贡献。同时加强合作，共同推动高温热泵技术的创新和发展，为实现全球能源转型和应对气候变化做出积极的努力。

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