大幅提升溫度：重大挑戰(zhàn)？工業(yè)過(guò)程熱的未來(lái)

Christoph Rau，德國(guó)SPH可持續(xù)工藝熱能有限公司

該行業(yè)面臨著盡可能高效且可持續(xù)地提供工藝熱量的挑戰(zhàn)。能夠利用典型廢熱源的工業(yè)熱泵具有顯著潛力。然而，所需的高溫和相關(guān)的溫度上升常常對(duì)傳統(tǒng)熱泵技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)。創(chuàng)新的高溫?zé)岜猛卣沽藗鹘y(tǒng)系統(tǒng)的邊界，實(shí)現(xiàn)了廢熱的高效利用。

介紹

每年，超過(guò)400太瓦時(shí)（TWh）的能源用于生產(chǎn) 工藝 熱能，約占德國(guó)年度工業(yè)能源需求的三分之二[1]。實(shí)現(xiàn)這些過(guò)程的脫碳對(duì)于實(shí)現(xiàn)歐洲氣候目標(biāo)至關(guān)重要。然而，許多工藝所需的高溫和超過(guò)80開(kāi)爾文（K）的升高溫度，給傳統(tǒng)工業(yè)熱泵帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)。需要專門(mén)的系統(tǒng)來(lái)結(jié)合未來(lái)適應(yīng)性、效率和經(jīng)濟(jì)可行性。

電制過(guò)程熱能發(fā)電是一種有前景的方法：根據(jù)下萊茵應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的一項(xiàng)研究，德國(guó)工業(yè)部門(mén)每年可為工藝制熱節(jié)省高達(dá)210億歐元（230億美元）的能源成本[2]。最大的節(jié)省潛力來(lái)自電氣化、熱回收和廢熱利用——僅通過(guò)即時(shí)可實(shí)施的措施即可節(jié)省128億歐元（140億美元）。總體來(lái)看，這意味著行業(yè)最終能源需求可減少高達(dá)33%，相當(dāng)于每年約226太瓦時(shí)，且有相當(dāng)一部分將在3年內(nèi)攤銷。編譯 陳講運(yùn)

在歐盟層面，工藝熱能的年能源需求估計(jì)為2,950太瓦時(shí)，在100-200°C溫度區(qū)間占比為25%[3][4]。這使得由德國(guó)奧弗拉斯SPH Sustainable Process Heat GmbH開(kāi)發(fā)的高溫?zé)岜茫═hermBooster?）成為歐洲工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。麥肯錫的分析預(yù)測(cè)，到2030年該行業(yè)的年市場(chǎng)增長(zhǎng)將超過(guò)15%，全球投資額將達(dá)到約120億美元[5]。

大型溫度提升：熱泵系統(tǒng)的挑戰(zhàn)？

盡管 工藝 熱能電化有潛力，但技術(shù)難題依然存在：工業(yè)廢熱源通常在40至80°C之間。 對(duì)于100至200°C之間的溫度要求，在某些情況下需要溫度上升超過(guò)100 K。

當(dāng)溫度升高超過(guò)80 K時(shí)，工業(yè)熱泵將面臨重大挑戰(zhàn)。原因在于，為了提高效率，系統(tǒng)必須盡可能多地將熱能從熱源傳遞到散熱器。這通常需要高蒸發(fā)壓力和高吸力密度。在低廢熱溫度下，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力較低，因此需要高壓力比以實(shí)現(xiàn)顯著的溫度提升。

例如，在活塞式熱泵壓縮機(jī)中，每個(gè)壓縮循環(huán)后，氣缸內(nèi)會(huì)殘留殘留氣體（空容）。殘余氣體在隨后的進(jìn)氣階段（再膨脹）中膨脹，從而減少了新鮮氣體的進(jìn)氣量。在熱泵循環(huán)的高壓和低壓兩側(cè)壓力比為9.5，且死容僅占總體積的3%時(shí)，實(shí)際吸力體積中多達(dá)28%會(huì)被殘留氣體阻擋。死容越大，壓力比越高，整體系統(tǒng)效率越低。

僅有2bar 的低蒸發(fā)壓力和約10 kg/m3的吸力密度導(dǎo)致比熱性能較低，因?yàn)橄到y(tǒng)蒸發(fā)的制冷劑減少，因此每循環(huán)傳遞的熱量也減少。這種低性能需要高排量容量，而這只能通過(guò)更大、更強(qiáng)力的壓縮機(jī)或多臺(tái)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)。然而，這大大增加了此類系統(tǒng)的投資成本。

具有特定性能特性、不利的壓力比和有限的體積效率——這些障礙最終導(dǎo)致了一個(gè)根本性問(wèn)題：傳統(tǒng)的單級(jí)制冷循環(huán)由于設(shè)計(jì)限制，常常難以滿足工業(yè)熱量的產(chǎn)生和廢熱高效利用的要求。

創(chuàng)新熱泵技術(shù)使溫度提升超過(guò)100開(kāi)爾文

模塊化高溫?zé)岜茫═hermBooster?）等解決方案為克服這些挑戰(zhàn)提供了多種方法。一種可能的解決方案是兩級(jí)級(jí)聯(lián)：熱助推?器可以串聯(lián)使用兩個(gè)獨(dú)立的制冷劑循環(huán)，高效、可靠且經(jīng)濟(jì)地處理超過(guò)80 K的溫度升程。與其他壓縮機(jī)不同，專門(mén)開(kāi)發(fā)的活塞壓縮機(jī)無(wú)論轉(zhuǎn)速如何都能達(dá)到所需的壓力比，非常適合高溫升程的應(yīng)用。

在下循環(huán)中，可使用R-515 B、丙烷或R-1234ze等制冷劑在較低溫度下提升溫度，而上循環(huán)則可以使用R-1233zd、丁烷或異丁烷。對(duì)于更高溫度，可以使用R1336mzz（Z）或戊烷作為制冷劑。這兩個(gè)階段各自提供超過(guò)50 K的溫度抬升，總溫度提升超過(guò)100 K。編譯 陳講運(yùn)

將系統(tǒng)與蒸汽壓縮機(jī)（機(jī)械蒸汽再壓縮）結(jié)合，提供了第二種可能的解決方案：通過(guò)集成蒸汽壓縮機(jī)，熱助推器?可以經(jīng)濟(jì)地跨越更大的溫差。

通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)幾乎任何溫度提升

滅菌和干燥工藝是食品和化工行業(yè)工藝熱的兩個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，顯著受益于如ThermBooster?等兩級(jí)系統(tǒng)的高效。一個(gè)項(xiàng)目示例：

• 熱源：50/36°C（蒸發(fā)溫度為33°C）

• 蒸汽：3.5BA ，139°C（凝結(jié)溫度為144°C）

• 容量：646 kW

圖1展示了一個(gè)級(jí)聯(lián)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，該系統(tǒng)使用兩種制冷劑，分兩級(jí)排列，以實(shí)現(xiàn)顯著的整體溫度提升。第一階段制冷劑在約33°C蒸發(fā)，冷凝至約85°C，從而將溫度提升至中間水平。第二階段，中間熱量進(jìn)一步增強(qiáng)，蒸發(fā)約80°C，冷凝約144°C，使系統(tǒng)能夠提供高溫過(guò)程熱量或蒸汽，最高可達(dá)139°C。

圖1：使用兩種不同制冷劑產(chǎn)生過(guò)程熱的兩級(jí)級(jí)聯(lián)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的溫度-焓圖。

兩級(jí)均使用高效活塞壓縮機(jī)、用于給水預(yù)熱的副冷卻器，以及并聯(lián)中間熱交換器以最小化熱交換器熱冷側(cè)之間的夾點(diǎn)，使該項(xiàng)目的COP提升至2.3。這意味著1單位電能提供2.3單位的熱能，對(duì)應(yīng)于卡諾效率相對(duì)于蒸發(fā)和冷凝溫度的61%。鑒于第一級(jí)和第二級(jí)之間熱傳遞帶來(lái)的效率限制，這一數(shù)值較高。

蒸汽壓縮機(jī)的使用擴(kuò)大了性能范圍

一級(jí)或兩級(jí)熱泵系統(tǒng)與蒸汽壓縮機(jī)的結(jié)合，顯著擴(kuò)展了該技術(shù)的應(yīng)用范圍，尤其是在高溫高壓要求的行業(yè)中。在與維也納制藥公司武田及奧地利理工學(xué)院（AIT）合作的創(chuàng)新項(xiàng)目中，應(yīng)用了高溫升力和高蒸汽壓力[6]。這里，熱助推器?與蒸汽壓縮機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高的壓力和溫度。該項(xiàng)目中，用于提供冷氣的冷水機(jī)產(chǎn)生的廢熱在冬季被熱泵重新利用，用于為建筑供暖產(chǎn)生熱水。在剩余的幾個(gè)月里，這一潛力尚未被充分利用。這一創(chuàng)新的新系統(tǒng)利用這些熱水產(chǎn)生高質(zhì)量蒸汽。為此，高效的單級(jí)熱助推?系統(tǒng)使用兩臺(tái)并聯(lián)壓縮機(jī)，并在源端串聯(lián)兩臺(tái)蒸發(fā)器。這種配置（COP）：2.3

圖2展示了級(jí)聯(lián)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，其中標(biāo)準(zhǔn)制冷劑循環(huán)與蒸汽壓縮機(jī)結(jié)合，達(dá)到極高的過(guò)程蒸汽溫度。熱泵首先將溫度從約65至70°C的熱源提升至約115°C，對(duì)應(yīng)熱泵溫度提升約58 K。從該中間層，機(jī)械蒸汽再壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮并過(guò)熱蒸汽，溫度從115°C升至約195°C，使系統(tǒng)能夠供應(yīng)高溫工藝蒸汽。

該配置最大化熱力學(xué)性能，優(yōu)化可用能量利用，使低溫廢熱高效轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量工藝熱能。由于其低總重量生產(chǎn)率（GWP），合成和天然制冷劑是顯著減少二氧化碳排放的可能選擇。該系統(tǒng)的靈活性使其能夠用于蒸汽生產(chǎn)以及特定應(yīng)用，如滅菌或干燥。

圖2：高溫?zé)岜媒Y(jié)合基于活塞-壓縮機(jī)技術(shù)的機(jī)械蒸汽再壓縮機(jī)的溫度-焓圖。

眾多行業(yè)領(lǐng)域的未充分利用潛力：回報(bào)豐厚的投資

除了干燥和滅菌工藝外，兩階段系統(tǒng)在其他行業(yè)領(lǐng)域也展現(xiàn)出其潛力：

• 紡織工業(yè)（洗滌、染色、壓制）

• 造紙工業(yè)（漂白、干燥）

• 金屬工業(yè)（電鍍、磷酸）

• 食品工業(yè)（巴氏殺菌、蒸發(fā)）

精準(zhǔn)的溫度控制、減少能量損失和提高效率是這些行業(yè)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。尤其是在高工藝熱需求的高能耗行業(yè)中，熱助推?器的高效運(yùn)行帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)成本和廢熱回收節(jié)省，遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消較高的初始投資。模塊化工業(yè)熱泵，如熱助推器?，因此成為需要高溫且盡可能高精度和最高效率的工藝的首選。

熱能增強(qiáng)?器技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

1. 節(jié)能：

   到2040年，工藝熱能的主要能源需求可比2022年減少超過(guò)50%[2]。

2. 成本效益：

   能夠在市場(chǎng)附近實(shí)施的措施能迅速回本。

3. 可持續(xù)性：

   工藝熱能發(fā)電的電氣化最大限度地減少了二氧化碳排放。

4. 靈活性：

   兩級(jí)級(jí)聯(lián)和模塊化設(shè)計(jì)可根據(jù)不同需求進(jìn)行調(diào)整。

工業(yè)過(guò)程熱能的脫碳是實(shí)現(xiàn)氣候中和道路的核心基石。兩級(jí)高溫?zé)岜每朔藗鹘y(tǒng)熱泵系統(tǒng)的技術(shù)障礙，提供了強(qiáng)大、高效且經(jīng)濟(jì)吸引力強(qiáng)的解決方案。因此，依賴該技術(shù)的公司不僅為行業(yè)可持續(xù)轉(zhuǎn)型做出重要貢獻(xiàn)，還受益于效率提升和顯著成本節(jié)約。

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