热泵在工业余热回收中的作用（二）

1.工业余热回收中低温余热的热泵技术：

将热量从低温部提取出来, 必须创造比该低温部更低的温度, 为此在定压定温下,要靠热泵利用一种中间介质( 即工质) 的蒸发与冷凝来完成, 且其饱和温度具有随压力升高的特性。通常采用压缩机将蒸发的工质蒸汽不断吸进, 压缩到以获得供热为目的的冷凝温度所对应的冷凝压力, 这样便可以由低温部吸取热量传给冷却水, 使该冷却水变为我们需要的热水, 而工质将热量释放给冷却水的同时自身液化, 然后减压返回低温部,再从低温部吸取热量变成蒸汽, 这种过程反复进行, 使低温部热量不断地传向高温部

从图中可以看到热泵循环与制冷循环完全一样, 同属于逆向卡诺循环。热泵主要由蒸发器压缩机冷凝器和膨胀阀组成。

热泵设计和运行水平主要取决于供热系数, 而供热系数COP由Q1和AL决定：

COP=Q1/AL=Q1/(Q1-Q2)

式中: Q1— 热泵机组从低温热源处吸取的热量,k J / h ;

      Q2— 热泵机组输出的热量,k J/ h ;

      AL — 热泵机组耗功的热当量,k J/ h

从上式可知供热系数大于1 , 也就是说热泵与电热器相比, 两者虽然投入同样的功量(AL), 但热泵可获得数倍于电热器的热量, 其值为供热系数的值。所以使用热泵总是能够节约能源的

2.工业余热回收高温余热的热泵技术：

2.1 技术分析

在高温热泵研究中，工质的选取是关键。对高温热泵工质的要求为[5]：①适中的冷凝压力，若考虑采用现有的常规部件， 则冷凝压力要低于2.4MPa；②蒸发压力在0.1MPa 以上， 防止在系统中形成负压；③尽可能高的单位容积制热量和COP，防止系统规模过于庞大；④尽可能低的压比、排温；⑤不可燃、化学稳定性好，与系统材料和润滑油兼容；⑥具有零臭氧消耗潜能值(ODP)，较低的全球变暖潜能。

在早期的中高温热泵技术研究中，R11、R113、R114 等曾在某些温度范围内做为工质使用。但由于它们属于氯氟烃(CFCs)类工质，根据蒙特利尔协议，已在2010 年被禁用。对于现在常用的热泵工质R22、R134a 等，由于受到自身热力性质以及现有压缩机性能的限制，采用R22 的热泵机组供热温度最高只能接近55℃，采用R134a 的热泵机组供热温度最高可达到70℃[6]。目前， 对高温热泵的研究多集中在适宜工质的选择和制热效率提高这两个方面。

2.2 技术应用

（1）坑口电厂冷却水和矿井涌水的余热回收

在煤矿开采过程中，往往有大量的矿井涌水从井底水仓不断排到地面，水温一般一年四季稳定在18~20℃左右，其中蕴含着大量的低温热能；此外，许多煤矿建设了各类坑口电厂(燃煤坑口电厂，煤矸石、煤泥等各类资源综合利用电厂)，其凝汽器冷却循环水水量巨大， 温度一般在20~40℃， 这部分低温热一般通过冷却塔散发到环境中，很少得到利用。而同时，煤矿地面建筑(办公楼、生产系统、职工宿舍、食堂等)供暖、井筒冬季防冻以及职工洗浴热水通过燃煤锅炉提供，消耗了大量煤炭。

云驾岭煤矿等[27～28]就以18~20℃矿井涌水和20~40℃的坑口电厂凝气冷却水为热源，采用高温热泵和低温热泵结合： 高温热泵产生的70~75℃的热水作为矿区地面建筑冬季采暖，低温热泵则产生60℃左右的热水用于井筒保温和职工浴室喷淋。采用热泵技术以来， 矿区每年节约煤炭消耗4000~5000t，减排CO2 12000~14000t，节能减排效果非常显著。

（2）涂装、电镀车间余热回收

金属前处理是电镀工艺过程中的重要工序，同时也是一项高能耗的工序。电镀槽溶液加热无论采用直接加热或间接加热， 都需要消耗大量的能量；与此同时，大量的热量也散失到车间环境，影响了车间工作人员的舒适度。重庆某金属前处理车间采用高温热泵技术，以车间热空气为热源，产生75℃左右的热水，间接加热电镀槽溶液[29]。采用高温热泵技术后， 一方面减少甚至取代以往的蒸汽消耗，经济效益显著，另一方面还显著改善车间工人的工作环境，一举两得。

总的来说，虽然中高温热泵技术需要消耗一定的电能，但热泵机组COP 一般都在3以上，相对电加热、燃煤锅炉供热、燃气锅炉供热等，其消耗很少的电能但是回收利用了大量的工业余热废热，其经济性和取得的环保效益是不言而喻。

三．热泵技术发展以及未来趋势

热泵技术作为一项可以把热能由低温位热源(如空气、水、土壤、太阳能以及工业废水等)转移到高温位热源的能量利用技术，存在着极大的节能减排潜力。目前，冷凝温度低于50℃的常温热泵技术已经比较成熟，而对于冷凝温度在80℃以上的中高温热泵技术，我国起步还较晚。由于中高温热泵可提供的温度范围有着更广阔的应用领域，因此其成为国内外热泵研究领域的热点。

我国在高温热泵技术研究和开发方面起步较晚，但随着国家开始大力倡导节能减排，在专家学者的不懈努力下，我国在中高温热泵技术方面也取得了不少研究成果，并进行了诸多工程应用，经济效益和环保显著。未来，随着该项技术的不断成熟、不断推广，其应用范围还将不断扩展，在节能减排领域还将大有作为。