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工业热泵适用范围分析

文摘   2024-09-20 18:43   上海  
编者按：8月8日，“热泵烘干及特种应用发展论坛“在“2024中国热泵行业年会暨第十三届国际热泵行业发展高峰论坛”期间召开。论坛上，广东省制冷学会理事长、华南理工大学刘金平教授分享了《工业热泵适用范围分析》主题报告。报告内容如下：

广东省制冷学会理事长、华南理工大学刘金平教授

非常高兴能与大家交流，我今天分享的主题是《工业热泵适用范围分析》。
工业热泵的需求
我国作为世界上最大规模的制造业大国，能源消耗量极为庞大，其中工业能耗占据了总能耗的显著比例，供热能耗又占据了不容忽视的重要份额。在迈向2030年碳达峰与2060年碳中和的征途中，我们提出了“末端用能电气化”的口号。随着化石能源的日益减少，对热泵技术的需求势必日益增长。与此同时，随着末端用能逐步向电气化转型，热泵技术凭借其独特优势，将成为这一转型过程中的优选方案。
工业热泵是指中、高功率范围内的热泵。
根据产业在线的最新报告数据显示，2023年工业热泵领域呈现出强劲的增长态势，其增长率高达34.6%。涡旋机和离心机更是实现了快速增长。
《2023年中国热泵产业发展年鉴》展示了各行业在能源消耗方面的具体数据。
根据欧洲与美国的调研数据，将这些能源消耗依据不同的温度区间进行了细致的划分。我们识别出了一些特定领域，其中采用热泵技术作为能源解决方案可能尤为适宜，这些部分已在文中以红色标记标出。我们可以清晰地看到，工业热泵具有巨大的潜力与空间。
工业热泵的适用域
目前热电联产主导工业用热，化石能源替代缓慢。化石能源和热电联产蒸汽短期内其价格稳定，热泵经济性成替代关键。热泵在液体加热、蒸发干燥上优势显著，但冶金金属加热应用受限，优势不明显。
在蒸发干燥技术领域，我们实现了显著的技术进步与创新。从最初的单效蒸发系统，逐步发展出了更为高效的多效蒸发系统，包括两效蒸发和三效蒸发等。
这是一个典型的三效蒸发系统示例，该系统在消耗一吨蒸汽的条件下，能够高效地蒸发掉2.5吨水。
选择工业热泵压缩机需针对大规模需求，如一吨蒸汽加热（120°C相变），若热泵供热系数为3，则需约200千瓦输入功率，适合选用离心机、螺杆机、涡旋机（多台）以满足规模与性能要求。
热泵技术经济可行性的关键在能效比。相较于三效蒸发系统，电价0.8元/度下，蒸汽价分别为250元/吨和300元/吨时，热泵需达能效比4.89和4.08，才具成本竞争力。
与机械蒸汽再压缩技术的比较
MVR技术以电动机驱动压缩机，压缩二次蒸汽以提升其压力与温度，再循环利用其汽化潜热，高效浓缩稀溶液或干燥物料，是蒸发处理中的顶级节能技术。该技术已替代传统多效蒸发法，广泛应用于制药、食品、化工领域。在高温（>100℃）环境下，开启式压缩机因轴封简易、电机蒸汽分离及独立冷却便捷而更具优势。
蒸汽再压缩循环通过压缩蒸发产生的低温蒸汽，提升其饱和温度与加热能力，虽压缩机能耗增加，但整体通过高效利用蒸汽潜热与显热，实现能量转换与利用的最大化，维持系统能量平衡。此技术在石化等工业领域已获广泛应用，技术成熟且效益显著。
这是一个很典型的机械蒸汽再压缩的系统。
这是MVR系统应用案例。
这是MVR系统热力过程示意图。
这款由陕鼓制造的开启式水蒸气压缩机，提供了从90~9000 m3/min的广泛流量选择，以满足不同规模的生产需求。其独特的压缩过程能够将饱和蒸汽的温度提升8°C至24°C。该压缩机的整机效率高达87%，相比传统的制冷剂循环系统，它省去了蒸发器与冷凝器的两次换热过程，实现了更高的能效表现。
这是陕鼓MVR水蒸气机组的的图片。
这是开山股份的水蒸气压缩机。
对比制冷剂循环热泵，水蒸气循环压缩机在80°C-130°C压缩时，总效率0.8下，排气温度超300°C，制热系数高达5.8，单位容积制冷量达743.77kW/m³。
特别在100-130°C区间，制热系数可达到10，单位容积制热量可达到1413kW/m³。
采用高温制冷剂R245fa在80-130°C时，制热系数降至4.2，低于水蒸气压缩机。然而，其单位容积制热量高出水蒸气压缩机约5倍。
采用高温制冷剂R245fa在100°C-130°C时的数据。
R245fa制冷剂循环热泵与机械水蒸汽再压缩循环相比：排气温度降低；制热系数降低；单位容积制热量增大。
综上所述，因此在低温热源温度低于100℃，高低温热源温差在40～60℃， 热泵循环相对于机械蒸汽再压缩技术具有较高的性价比优势。在低温热源温度高于100℃，电机与压缩机分离易于冷却，向外泄露，不需抽真空。机械蒸汽再压缩技术具有较高的性价比优势。
持续提高工业热泵能效水平的技术措施
持续扩大低碳环保制冷剂应用
谢谢大家！

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