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图1 双级压缩补气增焓系统 图2 系统循环P-h
4.2 压缩机全工况气动设计技术
传统的压缩机设计方法根据额定工况点进行设计,高效离心式热泵针对75%工况点进行设计,然后向50%、100%工况拓展。压缩机还设计了新型的三元全长叶片闭式叶轮、低稠度叶片扩压器360°环形补气口等气动零部件。在常规运行范围内,压缩机绝热效率可达85%以上 [5]。
4.3 减少传热温差技术
传热温差是导致实际热泵循环偏离理想逆卡诺循环的—个重要因素。从公式(17)№o可看出传热温差越大,不可逆损失越大,偏离理想循环的程度也就越大:En=∫12dQ (T1-T2)/ (T1T2)× Ta当对数平均温差每降低l℃,换热器的不可逆程度减少0.01l。因此要选择合适的传热温差,使蒸发温度不能过低,冷凝温度不能过高,从而提高系统性能指数 [4]。
5 高效热泵技术回收工业循环水低温余热在供暖中应用
以某钢厂地区采暖为例,应用一种高效离心热泵技术,将钢铁企业低温余热循环水资源利用,替代原有的蒸汽供暖;同时在采暖系统运行中优化热泵运行参数,提高能效指数COP指数在5.5以上。
5.1 热泵技术回收循环水系统余热的方案
轧钢厂循环水经过切换阀到热泵系统,通过热泵的蒸发器将循环水内的热量提取出来,输送到冷凝器,在冷凝器内把热量传递给供暖热网系统,实现循环水系统与高效热泵技术相结合的供暖方式。生成的采暖热水由热水泵经厂区热水管网送至各采暖热用户,如图3所示。
5.2 优化热泵系统的运行
5.2.1优化热泵热水温差,提高COP性能指数
离心式热泵机组在运行过程中,热水循环流量固定,机组的制热量调节采用热水的温差来实现。通过优化热泵热水温差控制,提高COP性能指数。供热负荷按实际需求Qs,热水流量m,计算得出供回水温差。计算公式: Qs=m×c×(t1-t2)= m×c×△t,其中c比热容KJ/Kg℃,△t为供回水温差,此温差按5-7℃为热泵机组运行最优温差。随着出口热水温差增加,COP性能指数降低(见图4)。
5.2.2 优化热泵热水出口温度,提高COP性能指数
降低供出热水温度。现有热泵机组为双级压缩系统,在采暖初期和末期,系统供出热水温度按40-45℃控制,所需热负荷降低,优化控制出口水温参数,将热泵双级压缩优化控制为一级压缩,降低热泵系统的耗电量,满足现场的热负荷需求,热泵性能指数COP提高(见图5)。
图4 热水温差性能曲线 图5 热水出口温度性能曲线
5.2.3 COP性能指数实际运行分析
COP= Qs/P Qs供热热负荷 P系统耗电量(按表计量),以下数据为采暖期按4个月的平均值。Qs=m×c×(t1- t2),其中M为供出热水量,c比热容KJ/Kg℃,t1、t2为供水及回水温度℃。系统电量P为热泵系统总的耗电量,按表计量 Qs= m ×c×(t1- t2)=31974.3MJ P=5778MJ COP=Qs/P=5.53 通过以上优化运行,COP性能指数与传统的指数4.0比较,提升38.25%以上。
6 运行效果及效益分析
6.1 运行效果及经济效益
项目实施后,采暖全部由热泵系统供出,供暖温度达到设计55℃要求,原用蒸汽全部停用,实现替代蒸汽采暖的目标,同时减少循环水的蒸发量及二氧化碳、氮氧化物的排放量,具有显著的经济效益和环保效益。
节约蒸汽62.25t/h,采暖期按4个月(2880h)计算,年节约蒸汽523497.6GJ,蒸汽价格按45元/GJ计算,年节约蒸汽蒸汽效益2355.7万元。热泵供暖系统年耗电量462万度,消耗资金249.5万元,扣除年维护费用和年折旧费用241万元,年节约资金1865万元,项目的投资回收期为1.2年。
6.2 节能效益及环保效益
该项目年节标蒸汽523497.6GJ,折算的年节能量为17862吨标准煤。
按每燃烧一吨标煤排放二氧化碳约2.6 t、二氧化硫约24 kg、氮氧化物约7kg计算,每年可减排二氧化碳46441t、二氧化硫约430t、氮氧化物126t,大大改善了周围的生活环境。
7 结论
回收循环水余热的高效热泵用于北方的供热方式能较好地实现能量的梯级利用,节能效果显著;同时可减少循环水的蒸发损失以及对环境造成的热污染,具有良好的热力性能和社会效益。优化热泵运行参数,使热泵COP性能指数达到5.5以上,为国内领先水平,具有向同行业低温余热回收技术推广价值。
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