一種帶中間換熱器的雙熱源高溫熱泵系統

楊衛衛,曹興起,何雅玲,周福

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室, 710049, 西安)

一種帶中間換熱器的雙熱源高溫熱泵系統

楊衛衛,曹興起,何雅玲,周福

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室, 710049, 西安)

為了提高工業高溫熱泵系統的熱力性能,實現對工業低溫余熱的高效綜合回收,提出了一種帶中間換熱器的雙熱源高溫熱泵系統。第一級熱泵以CO2為工質、以空氣為熱源,在超臨界狀態下將冷水加熱到中間溫度。第二級熱泵以R152a(二氟乙烷)作為工質,從工業余熱源吸收熱量,將用水加熱到所需的高溫,并且在中間換熱器中將CO2加熱到過熱狀態。對該雙熱源熱泵系統進行熱力學分析,發現給定R152a在中間換熱器溫降的情況下,CO2存在最大的過熱度,使得整個系統達到最佳運行工況。以回收50 ℃廢水余熱為例與單熱源熱泵進行比較,平均供水量是后者的兩倍多,單位質量熱水的耗功量減少43.2%,性能系數和火用效率分別平均提高41.9%和23.96%。

高溫熱泵;雙熱源;中間換熱器;熱力學分析

熱泵供熱技術是一種高效節能技術,在建筑、工業過程等領域有著廣泛應用[1-3]。目前,常溫熱泵(供熱溫度50 ℃以下)基本成熟且已市場化,熱泵技術更廣闊的應用空間要靠提高供熱溫度來開拓。高溫熱泵技術通過提高蒸發溫度,使無法以常溫熱泵技術利用的大量工業余熱資源得以回收利用,同時降低了工業余熱排放造成的熱污染等問題,通過提高冷凝溫度為相應的工業過程提供符合要求的較高的供熱溫度水平,拓展了熱泵技術的應用空間。

高溫熱泵技術日益受到國內外研究者的重視[4-5],當前研究重點集中在尋找環境友好、熱力參數適宜、循環性能優良的高溫熱泵適用工質,這對熱泵系統的整體性能有重要影響,像自復疊式高溫熱泵系統性能的優劣就在很大程度上取決于熱泵工質的選擇與配比[6]。國外的Goktun以及Devotta等闡述了高溫熱泵工質的選擇標準,并通過理論分析及實驗研究對多種高溫熱泵工質的應用可行性進行了探討[7-8]。國內清華大學及天津大學等也開展了諸多類似方面的研究[9-10]。

高溫熱泵系統的研究雖然取得了一定進展,但由于其冷凝溫度高,加熱冷水的過程中工質和水之間的平均換熱溫差較大,同時工質冷凝后的節流過程損失較大,嚴重影響了系統的性能。以文獻[11]中提出的一種新型余熱回收高溫熱泵機組為例,在蒸發溫度為35℃、冷凝溫度為85℃的情況下對自來水進行加熱,最大熱泵性能系數(COP)僅為2.5。另外,對于一些臨界溫度較低的熱泵工質,雖然不適合以溫度相對較高的工業余熱作為蒸發器熱源,卻可以從空氣等溫度相對較低的熱源中吸收熱量并易被壓縮到超臨界狀態,在氣體冷卻器中放熱時具有較大的溫度滑移,可實現放熱過程與冷源溫度較好地匹配,減少不可逆損失。這方面以超臨界CO2熱泵的研究最為廣泛,并針對系統性能的提高進行了一些優化工作[12-13],但由于CO2臨界壓力(7.37 MPa)太高,在高溫熱泵領域的應用受到排氣壓力過高、效能降低等問題的限制,實用性大為降低。

針對上述問題,本文提出了一種帶有中間換熱器的雙熱源高溫熱泵系統,對冷水實行梯級加熱達到較高溫度的供水需求。該系統第一級采用空氣源超臨界CO2熱泵循環,將冷水加熱到中間溫度,第二級的蒸氣壓縮循環以R152a(二氟乙烷)為工質,從余熱源中吸熱,在冷凝器中進一步將用水加熱到所需高溫。在兩循環之間設置中間換熱器,回收冷凝后的高溫工質R152a中的熱量用以加熱從蒸發器中出來的CO2。針對上述系統建立理論模型,分析其熱力學性能。

1 系統模型

1.1 循環流程

(a)系統流程圖

1～13:狀態點(b)T-s圖

圖1是所提出的帶中間換熱器的雙熱源高溫熱泵系統流程圖和T-s圖。低臨界溫度的CO2工質在蒸發器Ⅰ中吸收空氣的熱量后達到飽和蒸氣狀態,進入中間換熱器被冷凝后的R152a加熱至過熱狀態,然后經由壓縮機Ⅰ壓縮升溫升壓至超臨界狀態,在氣體冷卻器中放熱并將冷水初步加熱到某一中間溫度,最后經節流閥Ⅰ節流回到蒸發器Ⅰ中。與此同時,高臨界溫度的R152a在蒸發器Ⅱ中吸收工業余熱源中的熱量后被壓縮機Ⅱ壓縮至高溫高壓,在冷凝器中放熱將中間溫度的用水加熱至所需的溫度。冷凝后的R152a溫度仍然較高,進入中間換熱器將部分熱量傳遞給CO2后再通過節流閥Ⅱ回到蒸發器Ⅱ。與傳統冷水單級加熱高溫熱泵系統相比,該系統對冷水進行梯級加熱,冷熱源之間溫度匹配性變好,而且對冷凝后的高溫工質顯熱進行回收利用,同時提高了熱力學第一及第二定律效率。

1.2 系統模型建立

為簡化模型,在對系統進行建模時作如下假設:①系統處于穩定運行的熱力平衡狀態,以一維過程處理;②工質在管道及蒸發器內流動的壓力損失忽略不計,在各換熱器內的傳熱過程設為定壓過程;③壓縮機內進行絕熱非等熵壓縮。基于以上假設,根據質量和能量守恒,建立計算模型,關于熱泵系統的基本熱力循環分析本文不再贅述,僅對反映系統性能的幾個主要參數進行分析。

由能量守恒,冷水經過氣體冷卻器和冷凝器吸收的總熱量為

QC=QCⅠ+QCⅡ

(1)

產生的熱水質量流量為

從“有計劃的商品經濟”到“社會主義市場經濟”，從“民主法制”到“依法治國”，從“精神文明”到“文化強國”，從調整社會關系到構建“和諧社會”，從植樹造林到“生態文明”，從“一國兩制”到香港、澳門回歸，從“革命與戰爭”到“和平與發展”，神州大地處處涌動著改革的大潮，開放的窗口迎接著八面來風。

mw2=QC/cp(t13-t11)

(2)

壓縮機Ⅰ、Ⅱ的總耗功為

W=WⅠ+WⅡ

(3)

產生單位質量熱水的耗功為

w=W/mw2

(4)

由定義,熱泵系統的性能系數為

CCOP=QC/W

(5)

熱泵系統的火用效率為

η=Exout/Exin

(6)

式中:Exin、Exout分別表示熱泵系統進出口的可用能。

2 計算與分析

計算過程中的主要參數如表1所示,工質的物性參數由美國標準技術研究所開發的工質物性軟件NIST REFPROPE調用[14],文中利用matlab語言編程對熱泵系統進行相關計算。

表1 主要計算參數

2.1CO2過熱度tsup對系統性能的影響

計算結果顯示,在保證冷水加熱過程中滿足能量守恒方程的情況下,CO2質量流量與它在中間換熱器的過熱度可有多種不同的組合,并且CO2過熱度存在最大的允許值。這些不同的組合方式會對系統性能產生不同的影響,圖2～5為在R152a冷凝溫度tc分別取92、96、100 ℃時系統各性能參數隨CO2過熱度的變化情況。

圖2 熱水質量流量隨tsup的變化

圖3 單位質量熱水耗功隨tsup的變化

圖4 COP值隨tsup的變化

圖5 火用效率隨tsup的變化

從圖2～5中可看出,在不同的冷凝溫度下,為了保證冷水加熱過程中具有8 ℃的夾點溫差(最小傳熱溫差),CO2可取到的最大過熱度并不相同,冷凝溫度越高,可選取的CO2最大過熱度越大。由圖2和圖3可見,在確定的冷凝溫度下,CO2過熱度越大,系統可提供的熱水流量越大,產生單位質量熱水的耗功就越小。由圖4和圖5可見,在同一冷凝溫度下,隨著CO2過熱度的增大,系統COP值及火用效率都不斷增大。

從上述分析得知,在其他工況確定的情況下,中間換熱器中CO2的過熱度存在一個最大值,使得在保證冷水加熱過程中維持8 ℃夾點溫差的情況下系統具有最高的性能,因此后面的討論均是基于在系統可實現的最佳工況下進行的。

2.2 與單熱源高溫熱泵性能的比較

為對比文中提出的雙熱源高溫熱泵相對于只以工業余熱為熱源的單熱源高溫熱泵的性能,計算中R152a蒸發溫度設定為15℃,在不同的R152a冷凝溫度下,對兩種熱泵系統的性能進行比較,如圖6～9所示。其中,雙熱源熱泵第一級CO2加熱的參數與表1相同。

圖6給出了雙熱源高溫熱泵系統供應的熱水量與單一熱源熱泵系統的比較,由圖可見,雙熱源熱泵的熱水產量受R152a冷凝溫度影響較大,但明顯高于單熱源熱泵系統,平均熱水產量是后者的兩倍多。圖7給出了單位質量熱水的耗功隨R152a冷凝溫度的變化情況,從圖中可以看出,雙熱源熱泵系統的耗功量明顯小于單熱源熱泵系統,這意味著在耗功相同的情況下雙熱源熱泵可以產生更多高溫熱水。COP值和火用效率的比較如圖8和圖9所示,由圖可見,當R152a冷凝溫度從90 ℃變化到100 ℃時,單熱源熱泵的COP值從3.1下降到2.6,火用效率從34%下降到32.7%,而雙熱源熱泵的COP值從3.87增大到4.1,火用效率從36.76%增大到46.24%,COP值和火用效率分別平均增大了41.9%和24.0%。為了更形象地表明雙熱源熱泵系統火用效率相對于單熱源熱泵的優勢,圖10、圖11給出了R152a冷凝溫度為100 ℃時冷水加熱過程的t-Q圖,從圖中可以清楚地看到,雙熱源熱泵由于對冷水采取了梯級加熱,整個加熱過程冷熱源間溫度匹配性變好,火用效率自然更高。

圖6 兩種熱泵系統的熱水質量流量比較

圖7 兩種熱泵系統的單位質量熱水耗功比較

圖8 兩種熱泵系統的COP值比較

圖9 兩種熱泵系統的火用效率比較

圖10 單熱源冷水加熱過程的t-Q圖

圖11 雙熱源冷水加熱過程的t-Q圖

同時,從圖8和圖9可以注意到,雙熱源熱泵系統的COP值及火用效率隨R152a冷凝溫度變化的規律與單熱源熱泵是不同的,單熱源熱泵系統的COP值及火用效率隨著R152a冷凝溫度的增大而減小,而雙熱源熱泵系統的COP值及火用效率隨著冷凝溫度的增大而增大。這主要是因為R152a在中間換熱器中被回收的顯熱是隨冷凝溫度的變化而變化的。如圖12所示,R152a冷凝溫度越高,在中間換熱器可被回收的顯熱Qinter就越多,故系統的COP值及火用效率增大。但是,這并不意味著冷凝溫度越高越好,因為從圖6可以看到,熱水的產量會隨之減小,同時冷凝溫度越高,壓縮機的排氣溫度就越高,影響壓縮機的性能。

圖12 中間換熱器回收的顯熱隨tc的變化

3 結 論

本文提出了一種帶中間換熱器的雙熱源高溫熱泵系統,可回收工業低溫余熱并對冷水實行梯級加熱達到較高溫度的供水需求。針對上述系統建立理論模型,分析了其熱力學性能。

(1)對于所提出的一種帶中間換熱器的雙熱源高溫熱泵系統,高溫段R152a工質冷凝溫度給定后,低溫段CO2在中間換熱器存在最大的過熱度,在保證傳熱能夠進行的情況下使得系統性能最佳。

(2)與只以R152a為工質回收工業余熱提供熱水的單熱源高溫熱泵相比,文中所提的高溫熱泵系統優勢明顯:以回收50 ℃廢水余熱為例比較,在所述工況下,平均供水量是后者的兩倍多,單位質量熱水耗功減少43.2%,COP值和火用效率平均提高41.9%和23.96%。

(3)由于在中間換熱器對工質R152a的部分顯熱進行了回收,使得系統COP值及火用效率隨R152a冷凝溫度的變化呈現出與單熱源熱泵不一樣的變化趨勢。

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(編輯 荊樹蓉)

ADouble-HeatSourceHigh-TemperatureHeatPumpSystemwithanIntermediateHeatExchanger

YANG Weiwei,CAO Xingqi,HE Yaling,ZHOU Fu

(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the thermal performance of industrial heat pumps and realize the high-efficiency recovery of industrial low-temperature residual heat, a double-heat source high-temperature heat pump system with an intermediate heat exchanger is proposed in this paper and the cold water is heated to high temperatures by two stages for industrial application.First, it is heated to the intermediate temperature by CO2which absorbs heat from the air, and then, the water is further heated to a high temperature by R152a, taking waste water as the heat source.In the intermediate heat exchanger, the heat of R152a after condensation is recovered by heating CO2to the superheated state after evaporation.Thermodynamic analysis was conducted and it was indicated that there exists a highest superheated temperature for CO2when the temperature drop of R152a is given in the intermediate heat exchanger, which shows the best performance of this heat pump system.Compared with the single-heat source heat pump by recovering the residual heat of waste water of 50 ℃, the hot water supply is more than double of it; the average power consumption per kg of hot water decreases about 43.2%; and the COP and energy efficiency increase about 41.9% and 23.9% respectively.

high-temperature heat pump; double heat source; intermediate heat exchanger; thermodynamic analysis

2014-03-04。

楊衛衛(1980—),男,博士,副教授,碩士生導師。

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2013CB22b304);國家自然科學基金青年基金資助項目(51106128);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目。

時間:2014-09-01

10.7652/xjtuxb201411012

TU833.1

:A

:0253-987X(2014)11-0070-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140901.1009.005.html