自然工质印染余热回收高温热泵系统设计与分析

摘"要： 针对浙江某染厂印染工艺消耗大量热源蒸汽制备热水以及存在大量高温废水余热浪费的生产现状，提出一种能实现印染废水热回收与利用的，以水为循环工质，采用高效接触式冷凝器和喷水双螺杆压缩机的半开式高温热泵系统.通过热力学模型建立与求解，分析了热泵系统性能系数（COP）和比能耗（SWC）的变工况特性，并基于最佳工况，探讨系统应用于染厂的节能减排效益.研究结果表明，增大热泵蒸发温度和减小冷凝温度能有效提升系统能效，在冷凝温度为110 ℃，蒸发温度为80 ℃的条件下，热泵系统COP和SWC分别可达到8.38和11.6 kW·h·m-3；采用本系统完全回收染厂高温废水余热，预计可以降低46.33%的蒸汽消耗量，以及35.81％的运行成本，并减小40.32%的二氧化碳排放量.

关键词： 余热回收；高温热泵；印染废水；节能减排

中图分类号：TB61+.1; P747+.1"""文献标志码：A"""""文章编号：1673-4807（2024）04-086-06

Design and analysis of natural working medium printing wasteheat recovery high temperature heat pump systems

SHEN Jiubing，WEI Wenbin，WANG Bindong，CHEN Yang，CHEN Yuping

（School of Energy and Power， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：In view of the production status of a dyeing plant in Zhejiang Province which consumes a lot of heat source steam to produce hot water and has a lot of waste heat of high temperature wastewater， a semi-open high temperature heat pump system using water as circulating working medium， with high efficiency contact condenser and spray twin-screw compressor， is proposed for waste heat recovery and heat feeding of printing and dyeing wastewater. By establishing and solving the thermodynamic model， the performance coefficient （COP） and specific energy consumption （SWC） of the heat pump system are analyzed， and the energy saving and emission reduction benefits of the system discussed based on the best working conditions. The results show that increasing the evaporation temperature of the heat pump and decreasing the condensation temperature can effectively improve the energy efficiency of the system. Under the conditions of 110 ℃ condensation temperature and 80 ℃ evaporation temperature， the COP and SWC of the heat pump system can reach 8.38 and 11.6 kW·h·m-3， respectively. It is estimated that the system can reduce the steam consumption by 46.33%， the energy purchase cost by 35.81%， and the carbon dioxide emission by 40.32%.

Key words：waste heat recovery， high temperature heat pump， dyeing wastewater， energy conservation and emission reduction

印染行业作为我国支柱产业之一，在生产过程中需消耗大量热源蒸汽制备热水，以供染机使用，同时也伴随着大量高温印染废水的余热浪费.据统计加工每吨产品需要消耗约6 t蒸汽，同时产生300～350 m3不同温度的印染废水，占据工业废水总量的35%［1］.在“双碳”目标的背景下，印染和纺织行业迫切需要采取节能减排措施［2］.针对印染工艺特点，研发能回收印染余热并供应高温热水进行热反哺的热泵产品，是助力印染行业能源升级，促进双碳目标达成的重要举措.压缩式热泵热水器是目前广泛采用的高效热水制备技术［3］.然而，由于受限于热泵循环工质的临界温度，此类产品所能提供的热水温度通常不超过65 ℃，主要适用于民用场所，无法满足印染等工业过程对90℃以上高温水的供热需求.此外，这类热泵工质存在一定程度的环境破坏效应［4-5］.同时，由于采用闭式循环和间壁式冷凝器，循环工质与被加热热水之间必须存在一定的传热温差，这也限制了该类热泵系统的能效水平.

以水为工质的热泵系统不仅能够满足90℃以上的供热温度要求，而且在蒸发温度高于50℃时，系统能效比也要优于以二氧化碳和R245fa等为工质的系统［6］.因此，水被广泛认为是一种理想的高温热泵工质.然而，目前常用的罗茨和离心蒸汽压缩机技术由于排气温度的限制，无法实现较高的压比或压缩蒸汽饱和温升，进而限制了该技术在工业应用中的推广.为克服这一问题，文献［7］设计了一款适用于工业热泵应用的离心式水蒸气压缩机，其容量在100～500 kW，温度输出范围为90～110 ℃.文献［8］设计并分析了一种采用喷水螺杆式水蒸气压缩机的高温热泵系统，通过喷水的方式降低压缩机的饱和排气温度，降低压缩机功耗的同时满足系统对高温升的要求，可回收80～90 ℃的余热，并输出110～130 ℃的高温热水.文献［9-10］提出了一种新型高温热泵系统，采用水作为工质，可回收80～90 ℃的余热，并输出高达120～160 ℃的高温热水并搭建了一台以工质水为循环冷媒、COP高达6.1的超高温热泵样机.相关研究表明，采用水作为工质的高温热泵系统回收80～90 ℃的印染高温余热具有可行性和高效性.

文中提出了一种以水为工质且可纯电驱动的高温热泵系统，通过选用喷水双螺杆蒸汽压缩机，克服压缩蒸汽饱和温升的限制，实现110 ℃的热水供应.同时，利用水和水蒸汽为同种工质特性，引入可实现零传热温差的接触式冷凝器.为更好地契合实际应用需求，基于浙江某印染企业的实际生产过程，对新系统应用的节能减排特性进行分析，以充分论证新系统在经济性和环境性方面的卓越优势.

1"工程概况及高温热泵系统设计

1.1"工程概况

选取浙江省的某印染企业作为研究对象，该企业以针纺印染为核心业务，其染色车间内目前配置了12台高温染色中样机、32台高温溢流染色机和2台高温气流染色机，总缸容量达到19 350 kg，设备每天运行12 h.目前，企业染色车间生产工艺使用的蒸汽（P=0.45～0.75 MPa，T=150 ℃）完全依赖外部购买.其中，大部分用来制备110 ℃高温热水，用于染色和氧漂工艺.高温热水经染色或氧漂工艺后变成温度约85 ℃的高温废水排出，其总量大约占印染废水总量的15%［11］.染色车间的能耗情况，请参见表1.

1.2"系统设计方案

图1为针对印染余热回收所提出的以水为工质的新型半开式高温热泵系统流程图，主要包括蒸发器、喷水双螺杆式压缩机、接触式冷凝器、热交换器等部件.具体操作过程为：印染工艺排出的85 ℃高温废水经换热器I和换热器II换热后，温度降至40 ℃后再进入污水池进行后续处理，实现对废水余热的深度回收.被加热后的载热水在换热器I中与高温废水换热升温后，作为热源进入满液式蒸发器加热壳程水，温度降低后继续泵入换热器I中吸热，形成载热水循环.

蒸发器内的水吸收载热水热量蒸发产生蒸汽，然后进入喷水双螺杆蒸汽压缩机被压缩，压缩过程喷入冷却水进行中间冷却，由于水与压缩蒸汽为同种工质，压缩机排汽为饱和蒸汽，压缩后的高温蒸汽由底部进入接触式冷凝器内，与从接触式冷凝器上部喷入的软化水进行热质交换形成高温热水，其中，部分高温热水直接输出供应印染工艺，另一部分经过过冷器增加过冷度后，再经节流降压进入蒸发器中继续吸热蒸发.常温软化水经换热器II吸收印染废水热量被预热后作为补给水，一部分经过冷器升温后由接触式冷凝器上部喷淋管内喷入接触式冷凝器内，另一部分作为压缩过程冷却水喷入双螺杆蒸汽压缩机内.

由于采用了接触式冷凝器，压缩蒸汽和喷入的水无需传热温差，即水可以被加热至蒸汽压力对应的饱和温度；为兼顾热泵系统性能的提升，额外配置过冷器，可增加节流前工质水的过冷度，进而增大蒸发器的吸热量；蒸汽在双螺杆压缩机内不断经历压缩升温和被水冷却的过程，使整个压缩过程接近等温过程，能节约压缩功，上述节能原理如图2.区别于闭式热泵循环间壁式冷凝器，本系统接触式冷凝器内热水部分排水，所以定义为半开式热泵循环，由于自然工质的使用和上述节能技术的应用，系统具备高热力学性能和环境友好特性，且可实现纯电驱动.

2"数学模型

为合理计算和评价新型高温热泵系统的性能，依据文献［8］对蒸汽热泵循环的计算，做出以下假设：① 忽略系统压力损失；② 不考虑压缩机吸气过热，即压缩机入口为饱和蒸汽；③ 压缩机排气口蒸汽为饱和状态；④ 系统处于热平衡和稳定流动状态；⑤ 不考虑系统动能及势能，忽略系统对外热损失.基于能量和质量守恒方程对系统建立数学模型.

2.1"热力学模型

对照图1，根据系统质量守恒可知：

m3+m7=m4+m8（1）

m1+m2=m3（2）

m8=m6（3）

式中：m为图1中状态点的质量流量，kg/h.

根据能量守恒：

（1） 喷水螺杆压缩机模型

压缩机喷水注入比相关公式［8］：

X=m2m1=s1－s3s3－s2（4）

压缩机理论功耗相关公式［12］：

m1=60×ηvVthvsuc（5）

ηv=0.95－0.012 5PcPe（6）

Wcom=m1·（1+X）h3－（h1+Xh2）ηc（7）

T3，is=T1πk－1k（8）

ηc=h3，is－h1h3－h1（9）

式中：s为对应点的比熵，kJ/（kg·℃）；ηv为压缩机容积效率；Vth为压缩机吸气流量，m3/min；vsuc为压缩机的吸气比容，m3/kg；h为图2中对应各点焓值，kJ/kg；Pc为冷凝压力，Pa；Pe为蒸发压力，Pa；T3，is为压缩机等熵出口温度，K；π为压缩机压比；k为比热比；ηc为压缩机等熵效率；h3，is为压缩机等熵出口比焓，kJ/kg.

（2） 冷凝器模型

Qcod=m3（γ+CpΔT）（10）

式中：γ为水蒸汽气化潜热，kJ/kg；ΔT为接触式冷凝器进出口水温度差，K；Cp为水的比热容，kJ/（kg·℃）.

（3） 过冷器模型

m6（h7－h6）=m4（h4－h5）（11）

（4） 节流阀模型

h5=h9（12）

（5）蒸发器模型

Qeva=m1（h1－h9）（13）

2.2"系统性能评价指标

系统功耗Wt为压缩机功耗与水泵功耗之和：

Wt=Wcom+Wp（14）

Wp=m8gH3 600ηp（15）

H=pout－pinρwatg（16）

式中：ηp为水泵的效率；H为水泵扬程，m；pout为水泵出口压力，Pa；pin为水泵进口压力，Pa；g为重力加速度，m/s2；ρwat为水的密度，kg/m3.

系统制热能效比COP为每小时冷凝器放热量与系统耗功的比值：

COP=Qcod3 600×Wt（17）

系统每小时制热量Qm为系统出水量与系统出水和补水的焓差的积：

Qm=m8×（h8－h6）（18）

系统生产高温热水的比能耗SWC为系统耗功与系统出水量的比值［13］：

SWC=Wtm8（19）

系统每小时节约蒸汽量mj为制热量与蒸汽放热量的比值：

mj=Qmqm（20）

系统每小时二氧化碳减排量Vj为节约蒸汽减少的排放量与热泵额外电能增加的排放量之差［14］：

Vj=mj×vz－Pt×vd（21）

式中：qm为150 ℃蒸汽变为110 ℃冷凝水释放热量，2 331.5 kJ/kg；vz为每kg蒸汽的碳排放量，0.375 kg/kJ；Pt为每h能耗，kW·h;vd为每kW·h电的碳排放量，0.758 kg/（kW·h）.

2.3"参数设定

采用水作为热泵工质，固定压缩机吸气流量，依据工程概况，可知印染高温废水温度、冷凝器出口水温， 并参考已有文献［11，15-17］中热泵系统的参数设定，设定了水泵效率、过热度、印染废水比容等值，具体工况参数如表2.

3"结果与分析

考虑到与高温废水存在换热温差，热泵系统蒸发温度最高可达80 ℃，又因为采用接触式冷凝器，可做到无温差换热，冷凝温度最低可达110 ℃.分析了在冷凝温度分别为110、115、120℃时，蒸发温度从60～80 ℃对热泵统性能的影响.

3.1"系统性能分析

图3为工况变化对制热量和压缩机功率的影响，可知：蒸发温度和冷凝温度变化对系统制热量和压缩机能耗的影响规律一致，增加蒸发温度或冷凝温度，都会使系统制热量和压缩机能耗增大.这是因为热泵系统制热量理论上为压缩机能耗和蒸发器吸热量之和；冷凝温度一定时，蒸发温度升高虽然能减小压缩机压比，但也会减小压缩机吸气比容，压缩机吸气容积流量为固定值，进而压缩蒸汽质量增大，且其对功率的影响更大，所以压缩机能耗和系统制热量会增大；蒸发温度一定时，压缩蒸汽质量不发生变化，增加冷凝温度会增大压缩机压比，所以也会增大压缩机能耗和系统制热量.从图3还可得知，蒸发温度越高，冷凝温度的影响越大；同一冷凝温度下，蒸发温度对制热量的影响逐渐增强，对压缩机能耗的影响逐渐减弱.

图4为工况变化对COP与SWC的影响，可知：系统COP会随冷凝温度的降低和蒸发温度的升高而增大；增加系统蒸发温度或冷凝温度均能减小SWC值；蒸发温度越高，冷凝温度的影响越明显.这是因为系统COP为制热量与压缩机能耗的比值，虽然增加系统蒸发温度和冷凝温度都会增大制热量和压缩机能耗，但制热量的增加趋势更大，进而导致COP的提高；系统制热量越高，所能制备的高温热水量越大，且热水量的增加比例优于压缩机能耗的增加比例，进而使得系统SWC减小，另外，虽然蒸发温度的提高有利于系统能效的提高，但同时也会造成换热器换热面积、成本和设计难点的增加.根据计算结果，计算工况下，系统最高COP和最低SWC对应为110 """℃冷凝温度和80 ℃蒸发温度条件下的8.38和11.6 kW·h·m-3.

3.2"系统性能的比较分析

将系统冷凝温度为110 ℃，不同蒸发温度时系统的COP和SWC，与文献［15］中以R245fa为制冷剂的高温热泵系统在冷凝温度115 ℃时的COP和SWC结果进行对比，如图5.由图可知：两系统性能随蒸发温度变化趋势一致；且同一蒸发温度下，新系统的COP和SWC均优于所对比的系统.在Teva=80 ℃的工况下，新系统的COP为8.38，SWC为11.6 kW·h·m-3，而对比系统的COP仅为5.23，SWC也高达19.5 kW·h·m-3.可表明新系统选用水为热泵工质，并采用接触式冷凝器和喷水双螺杆蒸汽压缩机能有效提高高温热泵系统能效.

3.3"系统经济性分析

基于新系统Tcod=110 ℃，Teva=80 ℃的性能参数，根据性能评价指标公式计算可得，在压缩机吸气流量为40 m3/min时，系统每年消耗3.608×105 kW·h的电量，可回收高温废水余热量1.235 5×1010 kJ，并产生1.076 4×1010 kJ供热量，能输出31 104 t的110 ℃高温热水，相应的减少4 546.3 t的蒸汽消耗量.

根据项目概况，该染厂每年（300 d）产生的高温废水余热量可达3.765×1010 kJ［11］，参考上述余热回收应用数据，若全厂的余热量通过新系统完全回收利用，所带来的节能减排效益如表3.可知新系统的应用能有效助力染厂能源升级，具备良好的应用前景.

4"结论

（1） 增大热泵蒸发温度和减小冷凝温度均能有效提升系统性能，且蒸发温度越高，冷凝温度对系统性能的影响越明显.在110 ℃冷凝温度和80 ℃蒸发温度条件下，系统COP高达8.38，SWC仅为11.6 kW·h·m-3.

（2） 由于采用了自然工质，接触式冷凝器和喷水双螺杆蒸汽压缩机，新型半开式高温热泵系统较R245fa的闭式高温热泵系统具有更高的能效和更低的环境影响效应.

（3） 相对于该企业原生产方式，采用新系统后的生产方式仅需11.16 kW·h的电能，便能为企业提供1 t温度高达110 ℃，可直接用于高温染色工艺的热水.若能回收全部高温废水余热，可使该企业年一次蒸汽消耗量减少46.33％，并降低35.81％的能源购买费用，同时还能将二氧化碳排放量降低40.32％，节能减排效果显著.

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（责任编辑：曹莉）