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吸收式热泵和压缩式热泵余热利用技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-05-06  浏览次数:388
核心提示:余热再利用是实现双碳目标的重要途径之一,其中大量的低品位余热要用热泵回收。热泵可以从低温余热中取热,产生较高温度输出热量
 余热再利用是实现双碳目标的重要途径之一,其中大量的低品位余热要用热泵回收。热泵可以从低温余热中取热,产生较高温度输出热量,与水泵从低位抽水到高位类似,实现了热量从低温到高温的传递。这个过程不能自发实现,需要输入高品位能源驱动。驱动能源可以分为电能和高温热能,根据驱动能力不同,热泵又分为以压缩式热泵为代表的电动热泵、以吸收式热泵为代表的热能驱动热泵。在节能市场上,压缩式热泵和吸收式热泵是两条主流的技术路线,也是大家在应用中选择困难的症结所在,因此本文对这两种热泵进行对比分析,提出各自的选用原则和适用领域。

 

需要提前说明一点,所谓的“电能驱动”压缩式热泵和“热能驱动”吸收式热泵,并不是准确的说法。实际上,压缩式热泵的驱动能源为机械能,吸收式热泵的驱动能源为高温热量和中温输出热量之间的温度差。下面详细说明。

压缩式热泵压缩式热泵产生提热效果的基础是压缩机转动,提供转动机械能最常见的设备是电动机,因此电动压缩式热泵成为这类设备的典型。同理,以高压蒸汽驱动汽轮机转动、带动压缩机,也能形成提热效果;以高位水流带动水轮机转动也可以驱动压缩机,带来提热效果。因此,压缩式热泵的驱动本质是机械能,而一般冠以“电能驱动”的原因有三:一是电能是最常见、最易获取机械能的能源,具有代表性;二是其他可以驱动压缩机转动的能源,如高压蒸汽、高位水流等,都是应用了可以转化为电的能量,与电能在品位上类似;三是其他非电的压缩机驱动能源,都可以先转化为电力,再用电动机驱动,如高压蒸汽可以先发电(热电厂基本流程)、高位水流可以先发电(水电站基本流程)。这与热能驱动的吸收式热泵是完全不同的。举例来说,采用蒸汽驱动的压缩式热泵,虽然驱动能源看起来是热能(蒸汽),但是只用了其中可以转化为电力的膨胀功部分,蒸汽热量中比例很大的冷凝热没有利用,因此也是属于“电能驱动”的范围。

吸收式热泵:吸收式热泵以高温热量驱动、回收低温热量,输出中温热量,其驱动的本质是高温热量与中温输出热量之间的温度差。温差足够大,才能实现热泵的提温功能。因此,并不是说有高温热量驱动,就可以回收余热;如果需要输出的中温热量的温度很高、与驱动热之间的温差小,同样不能回收低温热量。因此,只有驱动温度和输出温度之间的温度差足够大,才能产生热泵提温的效果;同理,即使驱动温度低,但是产生的中温热温度更低,温差足够,也可以产生余热回收的效果。比如节能领域常见的余热制冷机,采用70℃的工业余热做驱动,产生30℃的冷却水(放出的中温热),可以制取7℃的冷水(从7℃环境中吸收低温热)。因此,驱动热量和中温热量的温度差,才是吸收式热泵的核心。

两种热泵的驱动本质明确后,我们就可以分析出压缩式热泵和吸收式热泵的适用范围,下面分几种情况进行分别说明。

场景一——原有传热过程存在很大传热温差,余热量相对较小

过大的温差在传热工艺中普遍存在。理想的传热过程是多级、小温差(近零温差)传热,这样基本没有能量品位损失,但现实中很难实现。很多传热过程都是简单粗暴的,采用高温热量直接换热,输出合适温度的热量。

这种换热工艺下,如果有余热可以利用,优先选择吸收式热泵,利用原工艺的高温热量驱动,回收低温余热,输出合适温度的热量。与原工况相比,可以认为余热回收过程基本没有增加能耗,利用原工艺浪费的热量品位差,产生了回收余热的效果,经济性最佳。

有人认为,吸收式热泵COP低,单效机只有1.7,双效机也不过2.3;压缩式热泵COP可达5以上,采用更少的驱动就可以回收更多的余热,经济性肯定更好。这种算法并不适用在余热量相对较小的场景中。余热量小,两种热泵都可以回收全部余热,此时压缩式热泵高COP的特点发挥不出来。原因在于,回收余热量一样,压缩式热泵COP高,输出的热量少、温差小,出水温度低,不满足用热需求,还需要用高温热量补充到需求温度;而吸收式热泵COP低,输出的热量多、温差大,出水温度高,虽然也不能满足用热需求,但是加热到相同的需求温度,输入的高温热量少。从整个系统输出热的能量构成来看,吸收式热泵系统总供热量=余热+驱动热量(高温热量)+补充的高温热量=余热+高温热量,压缩式热泵系统总供热量=余热+驱动电能+高温热量,两者不同之处仅在于压缩式热泵用驱动电能替代了一部分高温热量,从目前的能源价格来说,单位热量的电价远高于热价。

这种传热温差大、余热量相对小的场景以集中供热为代表,采用采暖蒸汽、燃气等高温热源加热热网水,温差巨大;供热量大,而电厂汽轮机、锅炉烟气等余热热量相对较少。这种情况下,采用吸收式热泵就可以回收全部余热。如果用压缩式热泵,只考虑驱动电力转化为热的环节,277kWh的电量才能输出1GJ热量,按电价0.5元/kWh计算,热价为138.5元/GJ,远高于供热热价。因此,集中供热领域的余热回收适合采用吸收式热泵,只有在热量驱动能力不足、还有大量余热未利用的时候,才会采用压缩式热泵接力吸收式热泵,进行二级余热回收

场景二——原有传热过程温差很小:

这种情况已经是很完善的传热过程,能源品位浪费很少,不适合采用热泵的方式进行余热回收。比如大型火力发电厂(不对外供热),采用多级抽汽、多级加热的方式加热30℃左右的蒸汽凝水,每级的传热温差都很小。这种工况下,不论是吸收式热泵还是压缩式热泵,都不适合。因为不管哪种热泵,都需要消耗较高品位的能源(电能和高温热能),余热利用效果仅仅是节省了温度较低的热量,不管从能量品位还是经济性的角度,都是得不偿失的。

场景三——余热量很大,用热量相对较少

需要综合经济性分析。因为需要输出的热量相对较少,压缩式热泵COP高的特点就可以充分发挥出来。采用压缩式热泵,驱动的电能价格高,但COP高,可以回收大量余热;采用吸收式热泵,驱动的热能价格低,但COP低,供热量中余热比例少。因此,不能仅依靠热泵COP或驱动能源价格的高低判断两者的适用性,而是要根据输出热量的单位成本选择合适的热泵

场景四——高温热量品位很高

吸收式热泵并不是驱动温度越高越好。以溴化锂吸收式热泵为例,溴化锂溶液温度超过165℃后,腐蚀性急剧升高,因此在运行时,一般会把溶液温度控制在165℃以下,如果热源温度超过165℃,只是减少了发生器的换热面积,并不能带来更大的好处;此外,有些余热回收场景的工况很好,较低品位的热量即可驱动,品位过高还需要关阀节流,降低蒸汽压力或热源的平均温度。因此,在燃气、高压蒸汽等供热场景,直接应用吸收式热泵有些浪费热源品位,可以采用压缩式热泵和吸收式热泵混合流程,热源的高品位部分驱动压缩式热泵,利用高COP的特点多回收余热;品位降低后的热量作为吸收式热泵的驱动,进一步回收余热。这种混合式热泵流程相对复杂,但实现了热源的梯级利用,相同的热量可以回收更多的余热。

 

上述几种条件只是众多热泵余热回收场景的一小部分,热泵的选取需要具体问题具体分析。总的来说,利用热泵回收低品位余热,是降碳、节能、增效的一个重要措施,应用领域广泛。在目前的能源结构下,吸收式热泵是主流的,但在特定情况下,两种热泵接力使用会有更好的经济性,压缩式热泵也有一定的适用范围,特别是在未来零碳的电气化社会,压缩式热泵将成为主流。综合而言,余热利用条件千差万别,需要根据现场参数和需求进行个性化定制,才能用好两种热泵,实现更好的经济效益和社会效益。

免责-3

 
 
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