一种半封闭螺杆式污气源高温热泵机组

汪涛 刘梦玲

摘要：利用50℃热回收难度大的工业废气（污气），其热焓量大、品位低、含腐蚀性污染物，为用户提供80℃高温热水，减少用户蒸汽消耗，提高了机组整体的COP，更加节约能源。

关键词：高温热泵;废水废气;耐腐蚀

随着全球环境日益恶劣，可持续发展已经成为经济发展的一项重要战略。一是非再生能源，如石油、天然气等矿物资源储量逐年减少，我国正大力发展“煤改电”项目，减少非再生能源的消耗;二是环境污染日益严重，碳排放超标也是雾霾的一大重要影响因素。因此，提高能源利用率，降低碳排放，减少环境污染已经成为当前发展的重要方向。工业余热资源的回收利用是节能减排的一项重要方式。

在实际工业生产中，尤其是化工厂中，很多废气废热废水直接排放，其中不乏温度较高者，这不光是对能源的浪费，同时也对环境造成了一定的破坏。然而，这些废气焓量大、品位低，甚至带有腐蚀性，回收利用的难点较大。

目前在化工、医药等行业领域中，多采用锅炉提供高温热水或者蒸汽，同时又有大量的废气废热直接排放，浪费能源的同时对环境也有一定破坏。针对这一情况，本项目设计一种半封闭螺杆式污气源高温热泵机组，能够为用户提供更好的解决方案，大大节省了投入费用及运行费用，同时也节约了能源。本项目依托于四川一化工厂湿法磷酸工艺装置上实施的“封闭式蒸发浓缩节能减排”示范工程，利用其50℃工业废气作为热源，转换为提供80℃的高温热水，从而提高了能源回收利用效率。

本项目所设计的半封闭螺杆式污气源热泵机组，包括半封闭高温压缩机、油分离器、油过滤器、油冷却器、油路系统、冷凝器、贮液器、过冷器、过滤器、节流装置、蒸发器。其中，半封闭高温压缩机的排气口与油分离器的进气口连接，油分离的排气口与冷凝器的进气口连接，冷凝器的出液口与贮液器的进液口连接，贮液器出液口连接过冷器进液口，过冷器出液口连接油冷却器，油冷却器出液口经过过滤器、节流装置后连接蒸发器进液口，最终蒸发器回气口连接半封闭高温压缩机的吸气口。此外，油路系统包含冷却回油系统与引射回油系统：冷却回油系统由半封闭高温压缩机出油口连接油过滤器、经由油冷却器、油恒温阀，连接半封闭高温压缩机回油口;引射回油系统则由油分离器出油口经由引射器，连接蒸发器回油管，回至半封闭高温压缩机吸气口。节流装置由液位控制阀门与膨胀阀门组成。液位控制阀门安装于贮液器上，通过贮液器中液位的高度来调节膨胀阀门的开启大小，从而保证机组的节流能力。

本项目研发的主要内容为，在半封闭高温压缩机中被压缩的高温高压的氟利昂R124气体和冷冻机油进入油分离器中，经过分离后，高温高压的R124气体和冷冻机油分成两路，即一路为高温高压的R124气体，另外一路为高温高压的冷冻机油。高温高压的冷冻机油作为高压引射源，由引射回油装置中的引射器，将蒸发器回油管中的冷冻机油引射回半封闭高温压缩机的吸气口，进而回到半封闭高温压缩机中的油槽。同时，油槽中的高温高压的冷冻机油经过油过滤器、油冷却器、及油冷却装置中的油恒温阀后，达到恒定的温度回到半封闭高温压缩机中对轴承等进行润滑。同时，高温高压的R124气体经过冷凝器冷凝后变成高压液体，进入贮液器中，再经过过冷器进行换热后变成过冷液体，随后进入油冷却器中冷却冷冻机油后，经干燥过滤器后，被膨胀阀节流变成低温低压的R124气液混合物，进入蒸发器中经蒸发后变成低温低压的R124气体，最后经半封闭高温压缩机回气管回到半封闭高温压缩机，完成整个制冷循环。另外，高温水由过冷器进水口进入，出水口连接冷凝器进水口，最后达到设计温度，由冷凝器出水口流出;低温废气由蒸发器进气口进入，经过换热后，更低温度的废气由蒸发器出气口排出，冷凝下来的水由蒸发器排液口排出。

此项目遇到的主要问题及难点如下：

①为机组提供热源的是50℃热回收难度大的工业废气（污气），其热焓量大、品位低、含腐蚀性污染物，负压运行，并且用户需求80℃高温热水，以减少其蒸汽消耗;

② 工业废气中含有腐蚀性污染物质，需要特定的材料才能防止腐蚀，因此需要综合考虑换热效果及成本问题;

② 如何通过一定措施进一步提高机组整体的COP，从而更加节约能源。

为解决上述问题及难点，此项目具有如下特点：

1）为机组提供热源的是50℃热回收难度大的工业废气（污气），其热焓量大、品位低、含腐蚀性污染物，并且负压运行，机组将这一热量“提取”出来，为用户提供80℃高温热水，减少用户蒸汽消耗;

2）工业废气中含有腐蚀性污染物质，机组所配蒸发器、冷凝器及过冷器的污气、污水侧的换热管采用翅片管，其材料为双相不锈钢2205，保证其换热性能的情况下耐腐蚀;

3）机组所配蒸发器、冷凝器及过冷器的管箱与污气及污水接触部分衬有防腐胶衬里层，有效隔绝用户供液废气废水中的腐蚀性污染物质。此种方式对防腐胶衬里技术要求非常高，特别是负压状态下运行时，但此结构的应用对降低设备总体成本具有显著效果;

4）蒸发器内部的换热管有Φ19的翅片管和Φ57的光管两种换热管组成，Φ57光管位于Φ19翅片管上方，该结构的设计可以有效的回收部分热源，同时使多余热源旁通过流;

5）机组设计有过冷器，60℃热水先進入过冷器换热，在进入冷凝器中，最终达到80℃高温，提高了机组整体的COP，更加节约能源。

五、结语

为本项目半封闭螺杆式高温热泵机组提供热源的是50℃热回收难度大的工业废气（污气），其余热资源的回收利用是节能减排的一项重要方式，避免废气废热废水直接排放，这些废气等热焓量大、品位低、含腐蚀性污染物，并且负压运行，机组将这一热量“提取”出来，为用户提供80℃高温热水，减少用户蒸汽消耗;同时，机组设计过冷器，50℃热水先进入过冷器换热，在进入冷凝器中，最终达到80℃高温，提高了机组整体的COP，提高能源利用率，更加节约能源，同时降低碳排放，减少环境污染。

参考文献：

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