介绍 温度低于120oC的工业废热的再增值（欧盟28地区估计潜力高达20.41Twh/年）可以显着减少工业部门的二氧化碳排放。高温热泵（HTHP）可以利用可再生能源的电力来升级这种废热。如果具有适当温度水平的散热器可用，则这种升级后的热量可以直接用于工业生产过程。正如几项研究中已经强调的那样，缺乏对可用热源和散热器的了解，高昂的初始投资成本以及对电力成本的依赖是仍然阻止大规模实施此类应用的主要原因。然而，在欧洲目前的边界条件下，仍有可能为这种内部热升级应用找到合适的案例。 方法 基于对不同部门的工艺分析，分析了大型热泵（理解为容量超过500 kW的热泵）的实施可能性。造纸和乳制品行业的三家工厂是更深入分析的对象，并在结果部分进行了介绍。 结果 图1至图3显示了HTHP机组可能集成到这三个站点的热回收和升级系统中的方案。 3.1 造纸工业废气余热的升级 图1显示了造纸厂中第一个确定的热升级应用。回收的待升级余热是造纸机干燥机通风罩系统废热的一部分。该干燥机通风柜的废热目前通过干燥机制造商作为集成解决方案安装的热回收系统进行回收。集成的热回收系统通过空气到水乙二醇热交换器回收干燥空气中的多余热量，该热交换器被加热到45至55oC之间的温度。 热回收系统的水-乙二醇回路通常用于造纸厂大厅系统中的加热，但水-乙二醇回路的温度往往远高于大厅加热系统所需的温度。仍必须精确确定可用作热泵热源从而用于升级的多余热量的小时数，但估计每年超过 5000 小时。 水乙二醇回路热泵的可用温度全年在45至55oC之间变化，但其平均值可以估计为50oC。平均估计体积流量为 65 m3?h-1，假设盐水冷却至 40 oC 左右（仍可用于加热的温度），则要回收的潜在废热约为 660 kW。基于与R1336mzz-E配合的3压缩机系统进行的首次可行性计算估计，将热量提升至122oC时，COP约为3.3。在拟议的配置中，480 kW 的升级热量将作为低压蒸汽输送到热泵的冷凝器中，而 468 kW 将用于将给水预热到能源中心锅炉的 80 至 90oC。 3.2 造纸工业热电联产废热升级 另一家造纸厂确定的第二个可能应用是利用热电联产装置排出的废热。将回收的热量是生物质热电联产厂冷却水系统的热量，目前未使用。约 100 吨/小时和 90oC 的热冷却水流将通过热泵的蒸发器回收热量。为了生物质热电联产系统的高效运行和防止对发动机机体的热冲击，返回热电联产装置的冷却水系统的温度应在 72oC 左右。将100吨/小时的热电联产机组冷却水从90℃降温至72℃，热泵蒸发器可传递约2100千瓦的热量。在冷凝器中，热水将以 105oC 的温度进入热泵的冷凝器和过冷器，分别以 3.7 和 1.8 bara 的蒸汽形式离开，这些蒸汽可以集成到工厂的蒸汽网络中，在这两个不同的压力水平下运行。 HTHP的预期总热量为2792千瓦，压缩热泵的COP估计约为3.7。计算是针对配备 2 级涡轮压缩机的 HTHP 进行的，使用 R1233zd（E）。 3.3 升级乳品行业的热电联产废气和工艺废热流 第三个选择进行更详细分析的工厂属于乳制品行业。在分析了生产过程的所有流之后，已经确定了两种可能的应用，即从两个不同的来源回收热量： 1.来自CHP单元的多余热量，这些热量未用于吸收式冷却器的驱动热回路。 加热水至100-110oC的热交换器目前尺寸过大，大约40%的热量未被吸收式冷却器使用。有时有高达50 m3 / h的未使用热水可用，所研究的系统可用于800 kW的回收。对于R1233zd（E）的HTHP，假设压缩机的等熵效率为0.7，COP可以达到4.7。 2. 两台VTIS（真空热即热灭菌器）装置的废热。在这些装置中，低压蒸汽（<2 bar abs）用于在真空室中对牛奶进行灭菌。在两个研究案例中，离开这些单位的热水（“牛水”）的温度分别为65和78oC，流量分别为14.8和9 m3 / h。对于两个单元中最大的一个，R1233zd（E）的HTHP，假设压缩机的等熵效率为0.7，COP将在3.4左右。 高温高压产生的低压蒸汽可用于VTIS装置，或用于加热用于乳品厂不同位置使用的原位清洗（CIP）装置的盐水。 VTIS的热回收和CIP的热升级的主要问题是该过程的不连续运行和每年的运行小时数很少。由于工厂每个灭菌模块的尺寸较小且运行不连续，因此使用热电联产中未使用的热量在经济上似乎非常可行。但是，它要求热电联产系统（未来情景中的沼气或氢气）涵盖工厂蒸汽需求的基线。 …… 讨论 从废热源的分析来看，最合适的解决方案似乎是可以从水或乙二醇水流中提取废热。从乳制品和造纸生产中分析的植物来看，这些流的温度通常在 40 至 70 °C 之间。可以从热电联产装置获得 90-110oC 范围内的更高温度水平。主要的集成挑战是替代为高压水平设计的基于蒸汽的加热系统，并找到可以使用低压蒸汽的应用。这项工作表明，对于某些边界条件（从 2021 年开始的价格），对于估计每年 6000 个运行小时，小于 3-4 年的投资回收期是可能的并且是现实的，并且 COP 高于 3，可以利用过冷热实现。这些结果是使用活塞或涡轮压缩机计算的，使用 R1233zd(E) 和 R1336mzz-E 的 HTHP。在 TECNALIA 实验室对容量为 40 kW 的功率到热量到功率应用设计的 HTHP R1233zd(E) 原型的测量表明，目标应用的预期 COP 和卡诺效率是可行的，如果系统高温高压机组设计合理。 编译 陈讲运