热泵技术方案
摘要：介绍了蒸汽压缩式热泵和吸收式热泵的原理、基本构成、工作过程及计算方法，结合工程应用进行了经济效益分析。
通过热泵回收低温余热是一项重要的节能措施，技术上可行，经济上合理。
1、背景
在石油、化工、电力、冶金、纺织、制药等行业的工艺生产过程中，往往会产生大量30~60℃的废热水，这些的低品位热源若不加以利用，不仅造成环境污染，而且还会浪费大量能源。
如果这些行业有工艺或采暖用热需求，可以配备热泵，回收利用工艺产生的废热，达到节能、减排、降耗的目的。
2、热泵原理
热泵技术是根据逆卡诺循环原理，将低温热源（如城市污水、各种废水、地下水等）中的低品位热能进行回收，转换为高品位热能的一种节能与环保性技术，利用这项技术的逆过程同时还可以达到制冷的目的。
目前使用的热泵主要有蒸汽压缩式热泵和吸收式热泵两种。
2.1蒸汽压缩式热泵
（1）基本构成
蒸汽压缩式热泵主机主要有以下四大部分：压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器，同时还有过滤器、储水箱等辅助部件。
压缩式热泵采用电能驱动，通过制冷剂经压缩后状态的变化，把自然界的空气热能吸收，对冷水进行加热。
（2）工作过程
蒸汽压缩式热泵机组系统工作过程如下：
●处于低压液态循环工质（如氟利昂R22及R134a）经过蒸发器，在蒸发器中工质从低温热源吸收热量变成低温、低压蒸汽进入压缩机。
●蒸汽工质经过压缩机压缩、升温后，变成高温、高压的蒸汽排出压缩机。
●蒸汽进入冷凝器，在冷凝器中将从蒸发器中吸取的热量及压缩机做工所产生的那部分热量传递给冷水，使其温度提高。
工质经过冷凝器放热后变成液态。
●高压液体经过膨胀阀节流降压后，变成低压液体，低压液态工质再次进入蒸发器，由此不断循环工作。
整个过程就象是热量搬运一样将低温热源中的热量连续不断的搬运至高温热源（水）中去。
低温热源热量
Q3(热水获得能量)=Q1(压缩机做功热能)+Q2(从低温热源吸收热量)
图1 蒸汽压缩式热泵原理示意图
2.2吸收式热泵
吸收式热泵是用热能驱动工质循环，实现对热能的“泵送”功能，较适于有废热或可通过煤、气、油及其他燃料获得低成本热能的场合。
（1）基本构成
吸收式热泵由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流阀、溶液泵、溶液阀、溶液热交换器等组成封闭环路，并内充以工质对（吸收剂和循环工质）溶液组成。
以
H2O(水，循环工质)-LiBr（溴化锂，吸收剂)为工质对的吸收式热泵原理如图2所示。
图2 吸收式热泵原理示意图
（2）工作过程
吸收式热泵的基本工作过程如下：
利用高温热能加热发生器中的工质对浓溶液，产生高温高压的水蒸汽，进入冷凝器；在冷凝器中水蒸气凝结放热变为高温高压的循环工质液体，进入节流阀；经节流阀后变为低温低压的循环工质饱和汽与饱和液的混合物，进入蒸发器；在蒸发器中吸收低温热源的热量变为蒸汽，进入吸收器；在吸收器中蒸汽被溴化锂溶液吸收，吸收了蒸汽后的溴化锂稀溶液经热交换器升温后泵送到发生器，如此循环进行，实现吸收式热泵的连续制热。
3、 工程应用方案简介
某工厂有3台75t/h 燃煤锅炉，2用1备，2台背压发电机组，供应工厂的全部蒸汽和部分用电。
锅炉产生的高温高压蒸汽先进入背压发电机组进行发电，背压机组排出的蒸汽作为工艺蒸汽供全厂使用，工艺蒸汽系统设计压力为0.7MPa 。
现有锅炉给水温度为42℃，在除氧器内由蒸汽加热至104℃。
2台锅炉约90%负荷时，补水流量约130t/h ，。
厂区吸收式制冷站有制冷机5台，冷却塔9台，冷却水流量1488t/h ，冷却水温32℃/38℃。
图3 工艺流程简图
考虑利用厂区内吸收式制冷站的余热，经两级热泵预热锅炉补水：第一级用电热泵将除锅炉补水由42℃加热到60℃，第二级用吸收式热泵（以厂区现有的0.7MPa 动
热用户
二次网供水80℃
二次网回水55℃
力蒸汽为驱动热源）将锅炉补水由60℃加热到85℃~90℃。
预热后的补水再在除氧器内由蒸汽加热至104℃。
预热后的补水也可就近为工艺供热。
4、 效益分析
4.1 蒸汽压缩式热泵计算
（1）用户所需热量
()
o i Q cm t t =-
其中Q ：用户所需热量，kJ ；
c ：锅炉补水的比热容，为34.18410/()kJ kg -⨯⋅℃； m ：锅炉补水质量流量，3/m h ；
i t ：锅炉补水的进水温度，℃； o t ：锅炉补水的出口温度，℃。
（2）热泵所需电量
锅炉补水加热的热量与热泵所需电能的关系如下：
Q kP COP =⋅
可得：
Q
P k COP
=
⋅
其中k ：转换系数3600；即1kW•h=3600kJ ； P ：热泵所需的电功，kW•h ；
C O P ：供热系数，蒸汽压缩式热泵取3。
年锅炉补水流量为981288 m 3，补水由42℃加热到60℃，计算得热泵所耗电量为6842849 kW•h 。
4.2 吸收式热泵计算 （1） 用户需热量同上
()o i Q cm t t =-
（2） 驱动蒸汽消耗量
Q mH COP =⋅
Q
m H COP
=
⋅
式中：m ：蒸汽所需质量，t ； Q ：用户所需热量，kJ ； H ：蒸汽焓值，2100000kJ/t ； C O P ：供热系数，吸收式热泵取1.7。
年锅炉补水流量为981288 m 3，补水由60℃加热到85℃，计算得热泵所耗蒸汽量为28751t 。
5、 经济评价
原锅炉补水115吨/小时由42℃至85℃需要0.7MPa 的饱和蒸汽约84069吨/年，现使用压缩式热泵增加电耗6842849 kW•h/年，吸收式热泵蒸汽消耗量约28751吨/年，年节约蒸汽55318吨。
电费平均为0.51元/kW•h ，蒸汽价格为150元/t ，可得： 改造前蒸汽所需费用为：84069×150=12610350元/年； 改造后所需费用为：
6842849×0.51+28751×150=7802503元/年 节省费用为：
12610350-7802503=4807847元/年
6、 结束语
循环冷却水是热泵机组非常理想的低温热源，将热泵用于锅炉补水预热在火电厂中已有一些成功的工程案例，热泵还可应用于居民采暖及中央空调系统等。
通过热泵回收低温余热是一项重要的节能措施，技术上可行，经济上合理，有十分广阔的推广应用前景。