热回收水冷螺杆/离心机组是一种设备,通过回收压缩机排出高温高压冷媒中的热量,用于制取热水。虽然制冷仍然是这些机组的主要功能,但热水的产生是一个有益的副产品,这有助于提高能源利用效率和整个系统的运行能效。
根据回收热量的不同,这类机组可以分为部分热回收和全热回收两种。根据热量回收形式的不同,又可分为以下两类:
1.使用冷凝器作为热回收器
图片来源:特灵 engineers newsletter volume 36–1
这类热回收机组的应用场景如上图所示。通常情况下,冷却塔采用开式设计,为了避免热水受到污染,冷凝器的冷却水通过一个大型板式换热器与冷却塔的冷却水进行间接换热。由于换热过程需要温差,冷水机组的选型工况通常不会是30/35℃或32/37℃,而是更高的35/40℃,甚至更高,具体取决于板式换热器的换热能力。
在这种情况下,从冷凝器流出的热水温度可以通过调节冷却塔的启停或风扇的转速来控制。当系统监测到热量不足时,暖通控制系统会降低冷却塔风扇的转速,从而减少热量的外排,使得通过冷凝器的热水温度升高,提升热回收的效率。此外,控制还可以通过设置冷却塔冷却回路的旁通阀来实现。通过调节旁通阀的开度来控制负荷,这一方法取决于整个暖通设计方案,而与热回收机组本身关系不大。
2.冷凝器中单独抽取部分管路提取热量或单独设置热回收器
图片来源:特灵 engineers newsletter volume 36–1
第一种热回收机组不常见,主要有两个原因:首先,板式换热器价格高昂且系统复杂;其次,系统的能效较低,因为冷凝器的热水需要经过冷却塔的冷却水进行二次换热。不过,这种机组的优点在于可以直接使用单冷机组,不会显著增加成本。
更常见的热回收机组属于第二种类型,通常通过单独设置热回收器或使用较大的冷凝器筒体,在冷凝器内嵌热回收器。这两种方式的选择主要取决于主机厂商的结构设计和成本考量,但基本原理相同。
压缩机排出的高温高压气体首先通过部分热回收器散热,将热量传递给热水进行回收。如果需要控制热水温度,还需设置热水箱,因单次循环难以将温度直接加热至目标热水温度,因此需要通过多次循环来达到目标温度。主机设备厂商通常根据客户所需的回收热量来设计热回收器的大小。对于控制方法,我有以下看法:
1. 目标热水温度 ≤ 冷凝器的饱和温度
这种情况下,通常用于对热水进行预热,后续会有其他设备如燃气锅炉进行二次加热。这种情况可以利用冷媒的显热进行热回收,通过多次循环逐步达到目标温度。
2. 目标热水温度 ≥ 冷凝器的饱和温度
在这种情况下,通过显热很难达到目标温度,需要通过相变换热来实现。这时需要将冷凝器温度提高至大于目标温度。常用的两种方法是:降低冷凝器的冷却水流量,提高出水温度,从而提高冷凝器的饱和温度;或者旁通部分水路或降低冷却塔风扇转速,抬高进水温度,使出水温度上升,进而提高饱和温度。这些方法都可以在热回收器中进行潜热回收,实现高温热水的制取。
3.风冷部分热回收
这种情况下主要是压缩机出来的高温高压冷媒会首先通过一个换热器,通常都是板式换热器,在这个换热器中,冷媒将会将显热传递给水,从而实现部分热量回收,通常在该换热器中是不发生冷凝或者仅发生一小部分冷凝,避免在部分热回收器中两相流动而导致阻力增大,同时在进入翅片式冷凝器时分配不均,导致无法充分利用冷凝换热面积。在这种情况下,通常热回收量和温度也是不受控的,通常后段还需要其他的措施去控制水温,比如燃气锅炉或者电加热等。另外如果冷凝器的风机是变频的情况下,则可以通过控制冷凝器风机风速来实现热回收温度的控制,在这种情况下压缩机来匹配冷负荷,冷凝器风机转速则用来匹配热回收负荷,当然在这种情况下,为了提高热回收出水温度,则会降低风机转速,提高冷凝温度,从而降低了制冷的工作效率,虽然热回收变得可控,但系统的制冷能效变低了,所以系统工程师在选择这种情况时要仔细测算综合下来是否经济。
更为复杂的系统,还可以通过阀门的切换实现0 - 100%的热量回收,如下图,当热负荷增大时,则制冷剂全部在热回收器中冷凝,而不经过翅片式冷凝器。
图片来源https://hvactechguide.com/how-chillers-with-heat-recovery-works/