全熱回收熱泵技術(shù)在禽類屠宰行業(yè)的應(yīng)用

舒建國，毛國良

（冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東煙臺(tái) 264002）

0 引言

隨著國家對(duì)節(jié)能環(huán)保方面的日益重視，如何高效地使用能源、回收各種余熱、減小對(duì)環(huán)境的污染成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。制冷行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)耗能大戶，在制冷過程中有大量的冷凝熱釋放，而幾乎所有的食品工藝制冷場所又需要大量熱水或蒸汽，如禽類屠宰行業(yè)中的清洗、漂燙、器具消毒、地面沖洗、冬季采暖、洗手和淋浴、鍋爐補(bǔ)水預(yù)熱等[1]。

一側(cè)是制冷系統(tǒng)的冷凝廢熱排放，另一側(cè)又是鍋爐耗能供給熱水或者蒸汽，從能源利用角度分析，制冷和供熱之間能量關(guān)系并沒有被合理、有效的運(yùn)用，存在著巨大浪費(fèi)。通過熱泵可將工藝生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的工業(yè)廢熱提高溫度后用來供熱或回用于工藝，節(jié)能空間非常大。常規(guī)的熱泵技術(shù)能通過使用工業(yè)廢熱，得到50 ℃至85 ℃的熱能。高溫?zé)岜玫墓釡囟葎t更高，并且仍能保持較高的運(yùn)行效率和較穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。由于高溫?zé)岜幂^寬的溫度提升范圍，使其在節(jié)能減排的大環(huán)境下，在工業(yè)余熱回收方面有更多的應(yīng)用[2]。相對(duì)于常規(guī)熱泵，高溫?zé)岜霉┧臏囟雀撸瑖鴥?nèi)外對(duì)于高溫?zé)岜玫难芯恳恢痹谏钊搿?/p>

西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所一直以來做了很多工作，利用實(shí)驗(yàn)的方法確定了余熱回收用高溫?zé)岜玫墓r范圍，研究排氣溫度隨噴油溫度的變化關(guān)系并擬合了兩者的關(guān)系曲線，通過曲線可以定量地計(jì)算壓縮機(jī)的排氣溫度，并對(duì)其高溫工況下的數(shù)值進(jìn)行有效控制，進(jìn)而使出水溫度更高也更穩(wěn)定，在85 ℃左右[3]。與我公司合作研發(fā)了高溫?zé)岜糜脡嚎s機(jī)，并開發(fā)了回收油田余熱的高溫?zé)岜脵C(jī)組，可實(shí)現(xiàn) 700 kW的制熱量，創(chuàng)新性地采用兩級(jí)冷凝器，兩者串聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)更高的供水溫度[4]。

天津大學(xué)對(duì)高溫?zé)岜玫难芯恳沧隽撕芏嘤幸饬x的嘗試，主要研究有高溫?zé)岜弥袎嚎s機(jī)的變頻特性[5]、工質(zhì)泄漏對(duì)高溫?zé)岜醚h(huán)的影響[6]及高溫?zé)岜秘?fù)荷的智能控制[7]等。

針對(duì)熱泵循環(huán)中關(guān)鍵部件，國內(nèi)各高校也進(jìn)行了相應(yīng)研究。中科院的工程熱物理研究所對(duì)用于制冷系統(tǒng)的毛細(xì)管的蒸發(fā)傳熱曾進(jìn)行了研究[8]；上海交通大學(xué)也曾對(duì)通用的毛細(xì)管的積分模型做了較多理論研究[9]。清華大學(xué)對(duì)蒸發(fā)器的沸騰換熱做過研究[10]。

挪威能源研究所開發(fā)了一種高溫?zé)岜?，該系統(tǒng)以 R717/H2O作為工質(zhì)采用壓縮吸收式方式，利用50 ℃的工業(yè)廢熱可得到 100 ℃左右的高溫?zé)崴?，COP在3.4以上[11]。德國GEA公司開發(fā)的大型工業(yè)用高溫?zé)岜靡园睘楣べ|(zhì)，使用專用高壓螺桿壓縮機(jī)，出水溫度可達(dá)90 ℃以上，單臺(tái)制熱量400 kW以上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠[12]。

目前國內(nèi)大多數(shù)屠宰場均采用蒸汽鍋爐自給供熱，少數(shù)有條件的企業(yè)直接購買蒸汽入廠。全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)通過直接回收制冷系統(tǒng)冷凝廢熱，在減少或杜絕制冷系統(tǒng)廢熱排放同時(shí)產(chǎn)生高溫?zé)崴糜谏a(chǎn)生活工藝[13]。

1 項(xiàng)目介紹

某殺雞廠的制冷系統(tǒng)工質(zhì)為氨；廠區(qū)內(nèi)主要的用熱工藝包括漂燙、清洗托盤、消毒和采暖（冬季）；原采用兩臺(tái)兩噸蒸汽鍋爐提供熱源；采用全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)用于提供熱水后，蒸汽鍋爐只開一臺(tái)鍋爐即可用于各工藝的維持負(fù)荷。

1.1 系統(tǒng)原理

全熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)工作原理為：熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)吸收原有制冷系統(tǒng)排至中間冷卻器經(jīng)洗滌冷卻為飽和狀態(tài)的蒸氣，經(jīng)壓縮后成高溫高壓的過熱氣體進(jìn)入冷凝器，其熱量被水帶走形成熱水，被冷凝的制冷劑液體經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入中間冷卻器，最后進(jìn)入低壓制冷系統(tǒng)[14]。其系統(tǒng)流程示意圖如圖1所示。

圖1 全熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)原理圖

1.2 用熱參數(shù)統(tǒng)計(jì)

宰雞漂燙池總?cè)莘e約為 15 m3，兩班生產(chǎn)，一天換2次水，共計(jì)30 m3。車間工藝耗水流量4 m3/h，單班生產(chǎn)工作時(shí)間為10 h，總補(bǔ)水量為80 m3。

用戶冬季采暖面積6,000 m2，采用暖氣片，為降低施工成本，按照現(xiàn)有采暖參數(shù)提供熱水。根據(jù)換熱站歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大采暖負(fù)荷約600 kW。

1.3 熱源匹配校核

收集分析該廠全年生產(chǎn)過程中制冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及各工藝用熱參數(shù)，通過將生產(chǎn)生活需熱水總負(fù)荷、冬季采暖熱水負(fù)荷、工藝熱水負(fù)荷與制冷系統(tǒng)冷凝熱分別進(jìn)行逐時(shí)匹配，其數(shù)據(jù)逐時(shí)關(guān)系如圖2～圖4所示。

表1 用戶各用熱環(huán)節(jié)溫度

圖2 冬季熱水總量逐時(shí)負(fù)荷圖

圖3 采暖熱水逐時(shí)負(fù)荷圖

圖4 工藝熱水逐時(shí)負(fù)荷圖

分析圖2～圖4，可得結(jié)論如下：

1）制冷系統(tǒng)冷凝廢熱在冬季時(shí)無法逐時(shí)滿足采暖及生產(chǎn)工藝用熱總量；

2）制冷系統(tǒng)冷凝廢熱在滿足冬季采暖熱水負(fù)荷最大負(fù)荷時(shí)，仍有大量剩余；

3）工藝熱水用量逐時(shí)波動(dòng)較大，無法與制冷系統(tǒng)冷凝廢熱逐時(shí)匹配。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備選型

基于上述分析結(jié)論，選用1套全熱回收熱泵機(jī)組，型號(hào)LS16SHRB，并配置蓄熱水箱解決逐時(shí)負(fù)荷匹配問題。

考慮采暖負(fù)荷 600 kW只是最大負(fù)荷，實(shí)際采暖逐時(shí)負(fù)荷將小于此值；同時(shí)冬季采暖只用熱不消耗水量，隨著采暖負(fù)荷變化將造成回水溫度的較大波動(dòng)，存在影響熱泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行可能性。

基于上述原因，設(shè)計(jì)了1臺(tái)總?cè)?20 m3蓄熱水箱；冬季采暖時(shí)切換為冷熱兩個(gè)水箱分離運(yùn)行，蓄熱的同時(shí)維持出水溫度的穩(wěn)定；非采暖季時(shí)切換為1個(gè)水箱，以充分利用水箱容積；滿足車間生產(chǎn)工藝用熱及冬季采暖用熱的同時(shí)使用需求。

為便于計(jì)算，本文中將制冷系統(tǒng)一年四季運(yùn)行工況分為冬季工況和夏季工況討論。冬季工況按照制冷系統(tǒng)平均冷凝溫度 25 ℃考慮；夏季工況按照平均冷凝溫度 35 ℃考慮。LS16SHRB機(jī)組運(yùn)行工況如表2所示。

表2 LS16SHRB機(jī)組運(yùn)行工況

2.2 運(yùn)行策略

采暖季時(shí)，LS16SHRB熱泵機(jī)組不間斷用于采暖，可在滿足廠區(qū)采暖要求的同時(shí)，將富裕熱量儲(chǔ)存在蓄熱水箱中，補(bǔ)充生產(chǎn)工藝用熱水負(fù)荷。

非采暖季時(shí)，LS16SHRB熱泵機(jī)組用于制取熱水，按照夏季工況制熱水量，約8 h即可制取60 t熱水，使熱泵機(jī)組保證在谷電時(shí)段運(yùn)行，減少運(yùn)行費(fèi)用。

3 節(jié)能效益

氨全熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)以消耗小部分電能為代價(jià)，利用回收制冷系統(tǒng)冷凝廢熱制取高溫?zé)崴C合效率極高。用于替代生產(chǎn)工藝一次性熱水及采暖用負(fù)荷；在響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保政策的同時(shí)，還可獲得不菲的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 綜合能效計(jì)算

由于使用氨全熱回收熱泵系統(tǒng)后，在維持制冷系統(tǒng)相同冷凝壓力下，可減少制冷系統(tǒng)蒸發(fā)冷的水泵及風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量。因此在熱泵系統(tǒng)綜合能效計(jì)算中需計(jì)入蒸發(fā)冷節(jié)省能耗[15]。LS16SHRB機(jī)組的運(yùn)行能耗和綜合能效分別如表3和表4所示。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，即使冬季環(huán)境制冷系統(tǒng)本身排壓較低工況下，氨全熱回收熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗與綜合能效仍保持在較高水平。

表3 LS16SHRB機(jī)組運(yùn)行能耗

表4 LS16SHRB機(jī)組綜合能效

3.2 能源價(jià)格統(tǒng)計(jì)

該廠能源價(jià)格為外購蒸汽205元/t，天然氣價(jià)格為3.6元/Nm3。執(zhí)行峰谷電價(jià)，不同時(shí)段電價(jià)如表5所示。

表5 不同時(shí)段電價(jià)

3.3 運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

氨全熱回收熱泵系統(tǒng)在該廠至今已運(yùn)行1年有余，經(jīng)歷了整個(gè)采暖季，運(yùn)行狀態(tài)良好。

由于系統(tǒng)提供水溫穩(wěn)定，節(jié)能效果超出用戶預(yù)期，加之能源價(jià)格上漲及環(huán)保壓力增大等因素，今年下半年用戶將員工洗浴及鍋爐補(bǔ)水等工藝也接入熱泵系統(tǒng)中。上述工藝接入后，由于蓄熱水箱容積對(duì)瞬時(shí)用水量的緩沖作用，熱泵機(jī)組將全年保持全天候運(yùn)行。

系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，按照全年工作日300天，冬季工況及夏季工況各半，全天連續(xù)運(yùn)行計(jì)算而得，如表6所示。

3.4 節(jié)省費(fèi)用計(jì)算

針對(duì)氨全熱回收熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的橫向?qū)Ρ?，?噸蒸汽熱值700 kW?h為標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)外購蒸汽、電鍋爐蒸汽、燃?xì)忮仩t全年平均燃料成本進(jìn)行了對(duì)比，如表7所示。結(jié)果表明采用氨全熱回收熱泵系統(tǒng)替代蒸汽鍋爐，在經(jīng)濟(jì)成本上的優(yōu)勢極為明顯。

表6 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

表7 燃料成本對(duì)比

以LS16SHRB型號(hào)氨全熱回收系統(tǒng)為例：其全年運(yùn)行總制熱量換算至蒸汽產(chǎn)量約為：

(657 kW +880 kW)×3,600 h/700 kW?h≈7,904.5 T (1)

相比其他能源成本，其全年節(jié)省費(fèi)用見表8。

由表8可見，氨全熱回收系統(tǒng)不但在節(jié)能環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢，在經(jīng)濟(jì)效益方面也有著明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

表8 全年節(jié)省費(fèi)用

4 結(jié)論

本文以氨高溫?zé)岜眉夹g(shù)應(yīng)用于禽類屠宰行業(yè)中制冷系統(tǒng)冷凝廢熱回收案例為背景，介紹了氨全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)在生產(chǎn)工藝熱水及廠區(qū)采暖方面替代蒸汽鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況。與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比表明，氨全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行費(fèi)用明顯低于傳統(tǒng)的熱源方式，節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益明顯，值得大力推廣。

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