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产品应用 CFCs替代 工业热泵的种类及趋势介绍

工业热泵的种类及趋势介绍

2023-02-10 661

在臭氧层保护及降低温室效应的响应下,节约能源和使用清洁能源越来越成为人们追求的目标。据国际能源署(IEA)数据显示,2021年供热占全球终端能耗的50%,占全球二氧化碳排放量的40%[1];热力消费中,工业部门占比约50%。如果能够将每年产生并向环境中大量排出的工业废热利用起来,将实现以比化石燃料更低的成本提供热量,降低能源成本。那么如何能将这些工业废热有效利用起来,成为了工业界的重要课题。

工业热泵就是这样一类设备,它能够主动回收热,将传统的、无法回收废热流的温度增加到更高、更有用的温度,促进节能。然而,温度的升高并不是没有代价的,它需要外部机械能或热能源。最常见的热泵类型存在以下几种[2]

1)闭式循环机械热泵:利用机械压缩工作流体来实现温度提升,工作流体通常是一种常见的制冷剂。大多数常见的机械传动适用于热泵的使用,例如电动机、蒸汽轮机、内燃机和燃烧涡轮。

2)开式循环机械蒸汽压缩(MVC)热泵:使用机械压缩机来增加废弃蒸汽的压力。通常用于蒸发器,工作流体是水蒸气。MVC热泵被认为是开放式循环,因为工作流体是一个过程流。大多数常见的机械传动适用于热泵的使用,例如电动机、蒸汽轮机、内燃机和燃烧涡轮。

3)开式循环热压缩热泵:利用高压动力蒸汽中的能量,使用喷射装置来增加废蒸汽的压力。通常用于蒸发器,工作流体是蒸汽。与MVC热泵一样,热压缩热泵是开放式循环的。

4)闭式循环吸收式热泵:采用双组分工作流体和沸点升高和吸热的原理来实现温度升高和在更高温度下输送热量。其工作原理与使用溴化锂/水混合物作为工作流体的蒸汽加热吸收式制冷机相同。

不同类型的热泵有不同的应用场景。最常见的工业应用是木材的除湿干燥[2]。在这种应用中,木材干燥窑中温暖潮湿的排气空气是封闭循环机械热泵的热源,将热量输送到进入的空气中。除了能源效益外,热泵窖较低的操作温度提高了产品质量;从废气中去除 VOC 的热泵也带来了环境效益。

虽然木材干燥应用众多,但就所输送的热量而言,设备的尺寸通常很小。例如,150,000 Btu/h的热输出被认为是一个大的应用;目前,业界正在开发3~5 MMBtu/h的大型系统。而除了木材干燥之外的封闭循环应用,其热量输出范围为1~20 MMBtu/h,一般是热流,如工艺液体或空气。

最常见的大型热负荷应用是蒸汽压缩蒸发。在这种应用中,蒸发的蒸汽在一个小的压力范围内被压缩并冷凝,以提供能量来驱动蒸发过程。这样的系统以较低的成本提供20 MMBtu/h到超过100 MMBtu/h的热量。

蒸发器和闪蒸回收系统通常包含热压缩系统。例如,纸张烘干机通常使用热压机从烘干机冷凝水中回收闪蒸。

吸收式系统通常用于制冷应用,被作为机械制冷机的替代品,而不是用于热泵应用。

工业热泵具有上述节能、应用功能广泛等优质性能,在低碳经济时代下,其发展充满了机遇,尤其以欧洲为突出。

欧洲28国占有25%的终端能源消耗和20%的GHG排放,其中66%的工业能源消耗用于加热[3]。欧洲目标在2050年成为碳中和地区,这将需要在30年内节能32%。工业热泵在欧洲的研发议程中处于重要地位,被公认为是欧盟200 oC以下工业供热领域脱碳战略的关键技术[3]

为此,参与欧洲热泵白皮书的研究机构制定了雄心勃勃的工业热泵发展计划,提出了2020-2025年的热泵发展目标,这将为工业热泵市场奠定基础,并将工业热泵作为一项成熟技术用于更多应用领域[3]

1)<100 oC:热泵技术被确立为供热<100 oC的参考(低碳)技术,至少具有500台大型(1~10 MW)机组安装在工业和其他相关应用领域;

2)>100 oC:25个全量程(1~10 MW)工业热泵,提供100 oC至150 oC范围内的热量,安装在各个部门和国家的最终用户位置;

3)>150 oC:多达5个中试规模(加热能力 ±100 MW)的示范项目,以验证工业热泵提供超过150 oC热量的技术可行性;

4)>200 oC:在实验室规模(1~10 MW)开发3项技术,证明热泵概念在200 oC以上提供热量的技术可行性等。

此外,他们还出台了相应的扶持工业热泵发展的资助项目:

1)国家资助项目:

  1. SkaleUp (SINTEF):用于组合工艺的热泵解决方案:工艺冷却(0~4 oC)结合工艺加热(90~110 oC),以及 COP = 2.8,可将 CO2 排放量减少至接近零;
  2. LowCapex and FUSE (TNO):在工业规模(2 MW)上演示热泵技术,从60~90 oC的废热中产生温度在120~150 oC之间的工艺蒸汽;
  3. Efficiency in Industrial Processes:创造节能技术和组件,这些技术和组件可应用于许多不同的过程,如蒸汽和热量产生。
  4. SuPrHeat (DTI/DTU):开发和演示三个基于天然制冷剂的中试规模(500 kW)高温热泵技术,可提供高达200 oC的工艺热。该项目还为现有工厂和奶牛场、屠宰场、啤酒厂和其他工业部门的新工艺设备开发热泵集成方法。
  5. SteamHP:基于蒸汽的热泵系统(DTI),基于汽车涡轮增压器的高效蒸发器的开发、演示和长期测试等。

2)欧洲资助项目:

  1. BAMBOO (AIT):开发和演示可用于低至150 oC的低压蒸汽的热泵蒸汽发生器。
  2. DryFiciency (AIT):在淀粉、砖瓦和废物处理工艺的生产厂中进行三种高温热泵技术的示范和集成。热泵技术可以在高达160 oC的温度下产生热量。
  3. CHESTER (TECNALIA):评估使用热泵在高温下将低价格的电力存储为热量的可能性,然后在最高价格时期将存储的热量通过ORC发电机发电等。

今天,一些先进的低碳能源载体和技术的成本仍然很高,并且它们的实用性有限。虽然目前工业热泵的研发已经取得了令人印象深刻的个体成果,但它还没有达到成熟的技术水平能够使CO2的减排有效地降低。工业热泵是在一个一个资助项目上发展的,这使其受制于基础开发活动的协调、关键知识的共享和发展的连续性,而这需要国家和地区层面的不断努力来解决这些问题,促进工业热泵的快速发展。

 

注:1 Btu/h = 0.00029307 kW。

[1] IEA.Heating[R]. https://www.iea.org/fuels-and-technologies/heating.

[2] Industrial Heat Pumps for Steam and Fuel Savings. U.S. Department of Energy.

[3] Strengthening Industrial Heat Pump Innovation & Decarbonizing Industrial Heat. Robert de Boer, TNO; Andrew Marina, TNO; Benjamin Zühlsdorf, DTI; Cordin Arpagaus, NTB; Michael Bantle, SINTEF; Veronika Wilk, AIT; Brian Elmegaard, DTU; José Corberán, UPValencia; Jessica Benson, RISE.