CN106907934A - 一种利用纤维工业余热的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能源回收利用领域。本发明的利用纤维工业余热的系统包括膨胀机(4)、冷端换热器(5)、压缩机(6)与热端换热器(7)；其中，所述膨胀机(4)的气体工质出口与冷端换热器(5)的气体工质入口相连；所述冷端换热器(5)的气体工质出口与压缩机(6)气体工质入口相连；所述压缩机(6)的气体工质出口与热端换热器(7)的气体工质入口相连；所述热端换热器(7)的气体工质出口与膨胀机(4)的气体工质入口相连。本发明能够高效利用纤维工业余热，减少排放到环境中的废热，具有高效利用变温余热、减少工业废热排放、产生超高温度泵热和工作介质完全环保等优点，解决了常规热泵技术存在的难点和缺点，具有巨大应用前景。

Description

一种利用纤维工业余热的系统及方法
技术领域
本发明涉及能源回收利用领域，尤其涉及一种利用纤维工业余热的系统及方法。
背景技术
能源是经济发展和社会进步的重要基础，节能减排是我国更好进行现代化建设、经济发展的关键问题。余热利用作为节能减排中的重要部分，具有巨大的发展潜力。余热属于二次能源，在我国资源丰富，广泛存在电站锅炉及工业设备中，据统计，诸如纤维工业中的染色工程、造纸工程可利用的废水余热温度可以达到50-80℃。这些大量的工业余热不仅浪费了大量潜在的能源，而且还造成了对环境的热污染问题，甚至产生城市热岛效应。如果能有效利用这些余热，则可节约大量能源，减少大气污染，并且降低企业生产成本，很好地实现节能减排。
热泵技术是近年来在全世界备受关注的新能源技术。热泵是一种能从低温物体获取热量，以少量高位能作为补偿条件，将低温热量转移到高温物体的装置。通过热泵，人们能从自然界或工业废热中获取大量低品位热能，使之转化为可被利用的高品位热能。按工作原理的不同，热泵可分为压缩式、吸收式、喷射式、吸附式和化学热泵等，其中应用最广的是压缩式热泵系统。另外，根据热泵系统冷凝温度的不同，又可将热泵系统分为常温热泵和高温热泵。据统计，冷凝温度达到150℃的高温热泵系统可以满足大多数工业用户(如皮革制品、纸浆加工、陶瓷工业、食品烟草和纤维工业等)的需求，这表明高温热泵具有广阔的应用空间。然而，目前基于蒸汽式压缩热泵技术很难高效利用变温的低温余热，也难于产生超过100℃以上的高温；同时，目前的蒸汽式压缩热泵技术还普遍存在温室效应等环境问题。
图1为常规蒸汽压缩式热泵系统，该系统通过氟利昂蒸气压缩式制热循环实现余热回收或者实现热泵功能，该热泵机组主要是由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器这四大部件组成。常规蒸汽压缩热泵技术成熟，但是，该热泵系统仅适用于定温热源泵热，难于高效地利用温度变化的工业余热，这可由图2所示的单级蒸气压缩式循环的温熵图所知；此外，常规热泵泵热温度一般不超过100℃。另外，该热泵机组的循环工质为氟利昂，工作介质并不是完全环保的，会加剧温室效应，对环境造成污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用纤维工业余热的系统及方法。具体地，本发明提供一种高效利用纤维工业余热的气体压缩式高温热泵系统，其结构简单，使用环保气体工质；采用纤维工业余热流体作为冷端热源，可以同时利用大温降的余热，热能利用效率较高；易于实现超高温变温泵热，不受工质压力限制。本发明提供的高效利用纤维工业余热的气体压缩式高温热泵系统具有广阔的发展和应该前景。
本发明的具体方案如下：
本发明的利用纤维工业余热的系统，包括膨胀机4、冷端换热器5、压缩机6与热端换热器7；其中，
所述膨胀机4的气体工质出口与冷端换热器5的气体工质入口相连；所述冷端换热器5的气体工质出口与压缩机6气体工质入口相连；所述压缩机6的气体工质出口与热端换热器7的气体工质入口相连；所述热端换热器7的气体工质出口与膨胀机4的气体工质入口相连。
根据本发明所述的系统，其中，所述冷端换热器5和热端换热器7均为逆流式换热器。
根据本发明所述的系统，其中作为优选地，所述膨胀机4为涡轮膨胀机、螺杆式膨胀机或活塞式膨胀机；所述压缩机6为涡轮压缩机、螺杆式压缩机或活塞式压缩机。
根据本发明所述的系统，其中，所述膨胀机4和压缩机6采用共轴结构，用来直接回收膨胀机的膨胀功。
根据本发明所述的系统，若处理的纤维工业余热流体为液体时，所述热端换热器7的被加热流体入口连接增压泵3。若处理的纤维工业余热流体为气体时，则流体直接进入热端换热器7。
根据本发明所述的系统，其中，所述气体工质为氦气、氮气和空气中的一种或几种。
本发明的基于上述系统的利用纤维工业余热的方法，包括以下步骤：
1)给压缩机6输入功量，使中温气体工质被压缩变成高温气体工质；
2)使一部分纤维工业余热流体与高温气体工质在热端换热器7内进行热交换，纤维工业余热流体被加热产生高温，而高温气体工质则放热变为中温气体工质进入膨胀机4膨胀冷却为低温气体工质并输出功量被压缩机6回收利用；
3)使另外一部分的纤维工业余热废水与低温气体工质在冷端换热器5进行热交换，纤维工业余热流体被冷却降温，而低温气体工质则吸热变为中温气体工质进入压缩机。
根据本发明所述的方法，上述步骤1)-3)中气体工质在压缩机6、热端换热器7、膨胀机4、与冷端换热器5构成的回路中不断被加热放热，如此循环工作。
本发明涉及的纤维工业余热流体进入热端换热器和冷端换热器的比例是根据设计的热泵而定的：
热泵的制热系数COPh＝Qh/W，(Qh为热端换热器放热量，W为压缩机做功量)Qh＝Qc+W,(Qc为冷端换热器吸热量)
若不考虑漏热损失，热端换热器内气体工质的放热量等于工业余热废水的吸热量，冷端换热器气体工质的吸热量等于工业余热废水的放热量：
Qh＝mh*ΔTh*Cp，(mh为工业余热废水进入热端换热器的质量流量，ΔTh为流出流入热端换热器时的温差，Cp为水的定压比热容)；
Qc＝mc*ΔTc*Cp，(mc为工业余热废水进入冷端换热器的质量流量，ΔTc为流入流出冷端换热器时的温差，Cp为水的定压比热容)；
由以上四个计算式可得：mh/mc＝(COPh*ΔTc)/[(COPh-1)*ΔTh]。
根据本发明所述的方法，所述系统中纤维工业余热流体的一部分被引入热端换热器，用来吸热产生高温以回收利用，而另一部分的纤维工业余热流体被引入冷端换热器，用来放热降温以排出废热。若所述系统处理的工业余热流体为液体时，被引入热端换热器的流体需要先通过增加泵增压，增压泵的作用是提高工业余热流体的压力，常压下液体，例如水在100℃就会发生相变变成蒸汽，加压是为了使水在高温换热器不发生相变，形成100℃以上的水。比如若需要加热成150℃的水，那么需要增压到0.5MPa以上。
本发明所述系统还包括工业锅炉1与纤维工业设备2。工业锅炉1产生的高温蒸汽送入纤维工业设备2中加以利用，纤维工业设备2产生的工业余热流体按上述本发明方法，分成两部分进行利用。由热端换热器7产生的增温后的高温流体返回工业锅炉1加以利用。由冷端换热器5产生的降温余热流体返工业回锅炉1加以回收利用。所述纤维工业设备2可以但不限于是印染工业的染色筒，或者是造纸工业的蒸煮筒等等。
本发明所涉及的工业余热流体具体是指工业生产中产生的废水或废气，尤其是纤维工业产生的余热废水或废气。
根据本发明所述的方法，其中，所述气体工质为氦气、氮气和空气中的一种或几种。
本发明涉及的高温、中温与低温是本领域公知的温度范围。高温是工业应用所需的温度，中温是工业余热废热的温度，低温是常温。针对纤维工业应用而言，这里的温度对应范围分别是高温(100-200℃)、中温(50-90℃)、低温(20-40℃)。
为了解决传统系统利用工业余热这种变温热源的高效转换的问题，本发明提出了一种新型的变温余热利用方法和流程，它可以高效利用不同温度品位的热源，让其中一部分的余热产生高温重新进入纤维工程(印染工业、造纸工业等)中应用，并将另外一部分排出的工业余热温度降低，实现节能、节水的目的。
本发明的利用纤维工业余热的系统，具体是一种高效利用纤维工业余热的气体压缩式高温热泵系统，其优点在于：本发明所述系统能够高效利用纤维工业流体余热(50-90℃)，利用气体热泵产生100-200℃的高温流体得以重新利用，并减少排放到环境中的废热，具有高效利用变温余热、减少工业废热排放、产生超高温度泵热和工作介质完全环保等独特优点。采用工业余热为低温热源，气体压缩式高温热泵系统能够同时高效利用温度变化的余热，减少热泵与高低温热源的传热温差，从而可以形成一种高效冷却和高效加热的热利用方式，具有效率高的显著优点；采用氦气、氮气、空气等环保气体工质，没有温室效应；该热泵系统采用单相气体工质，可以获得超高温热泵效应，也可有效实现对废热的大温差余热深度利用，余热利用效率高。本发明能够有效地实现印染工业、造纸工业的余热的高效利用，有效地解决了传统蒸汽压缩热泵技术面临的难点和缺点，具有重大的节能减排效果和广阔的用前景。
附图说明
图1是常规蒸汽压缩式热泵系统流程图。
图2是单级理论蒸气压缩式循环温熵图。
图3是本发明的利用纤维工业余热的系统示意图。
图4是本发明的利用纤维工业余热的系统示意图(印染工业余热高效利用的流程系统)。
图5是本发明的利用纤维工业余热的系统示意图(造纸工业余热高效利用的流程系统)。
附图标记
1、工业锅炉 2、纤维工业设备 3、增压泵 4、膨胀机
5、冷端换热器 6、压缩机 7、热端换热器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明的利用纤维工业余热的系统如图3所示，包括膨胀机4、冷端换热器5、压缩机6与热端换热器7；其中，所述膨胀机4的气体工质出口与冷端换热器5的气体工质入口相连；所述冷端换热器5的气体工质出口与压缩机6气体工质入口相连；所述压缩机6的气体工质出口与热端换热器7的气体工质入口相连；所述热端换热器7的气体工质出口与膨胀机4的气体工质入口相连。
使用本发明系统进行利用纤维工业余热时，包括以下步骤：
1)给压缩机6输入功量，使中温气体工质被压缩变成高温气体工质；
2)使一部分纤维工业余热流体与高温气体工质在热端换热器7内进行热交换，纤维工业余热废水被加热成高温流体，而高温气体工质则放热变为中温气体工质进入膨胀机4膨胀冷却为低温气体工质并输出功量被压缩机6回收利用；
3)使另外一部分的纤维工业余热流体与低温气体工质在冷端换热器5进行热交换，纤维工业余热被冷却降温，而低温气体工质则吸热变为中温气体工质进入压缩机；如此循环工作。
根据本发明所述的方法，所述系统中纤维工业余热流体一部分被引入热端换热器，用来吸热产生高温以回收利用，而另一部分的纤维工业余热被引入冷端换热器，用来放热降温以排出废热。若所述系统处理的工业余热流体为液体时，所述热端换热器前连接增压泵3，使工业余热液体先加压再引入所述热端换热器。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明高效利用了不同温度的纤维工业余热，可以实现更高的转化效率，更好地实现节能减排。
实施例1
图4是本发明的染色工业废水余热高效利用的流程示意图。如图4所示，本实施例1的工业废水余热利用系统包括：气体压缩式高温热泵系统、增压泵3(水泵)；其中，气体压缩式高温热泵系统由压缩机6、热端换热器7、膨胀机4和冷端换热器5首尾相连而构成环路；本实施例系统还包括工业锅炉1(工业热水(热蒸汽)锅炉)、纤维工业设备2(染色筒)。纤维工业排出的余热废水分成两股，分别进入逆流式的热端换热器和冷端换热器，进入热端换热器的废水需要先通过增压泵3提高压力。
从冷端换热器5流出的工业余热重新回收到工业锅炉1中进行加热，从热端换热器7流出的高温水进入工业锅炉1中进行加热成为过热蒸汽。
本实施例1的利用纤维工业废水余热系统采用的气体循环工质是氮气(绝热指数为1.400)。
染色筒中的工业废水(约为80℃)经过处理后被分为两股，一股流体直接进入冷端换热器，另一股流体在进入热端换热器之前先通过增压泵变为高压流体；压缩机收到外功后首先将中温的氮气(约为70℃)压缩升温为高温的氮气(约为160℃)；高温的氮气工质(约为160℃)进入7热端换热器与输入的工业废水(约为80℃)进行热交换，换热后氮气工质放热降温至约90℃，工业废水则吸热升温至约150℃；约为90℃的氮气工质接着通过膨胀机继续降温至约20℃，同时输出部分功量；低温的氮气工质接着再流向冷端换热器与另一股工业废水进行热交换，换热后氮气工质吸热升温至约70℃，工业废水则放热降温至约30℃。
在压缩机的压缩过程中，实施例1设计的压缩机进出口工质温比为1.26，根据各多变过程的状态参数之间的关系方程可知：压缩机进出口的压比为2.26；在4膨胀机的压缩过程中，实施例1设计的膨胀机进出口工质温比为1.24，根据各多变过程的状态参数之间的关系方程可知：膨胀机进出口的压比为2.12。
为了更好地实现节能减排的目的，膨胀机和压缩机采取共轴的结构，将膨胀机释放的功量直接反馈给压缩机。本实施例中的压缩机和膨胀机壳采用速度型的涡轮压缩机和涡轮膨胀机。
实施例2
图5是本发明的造纸工业废水余热高效利用流程(实施例2)。如图5所示，本实施例2的利用纤维工业废水余热系统由压缩机6、热端换热器7、膨胀机4和冷端换热器5首尾相连而成构成环路；本实施例系统还包括工业锅炉1(工业热水(热蒸汽)锅炉)、纤维工业设备2(蒸煮筒)。纤维工业排出的余热分成两股，分别进入逆流式的热端换热器和冷端换热器。
从冷端换热器5流出的工业余热重新回收到工业锅炉1中进行加热，从热端换热器7流出的高温水则进入工业锅炉1中进行加热成为过热蒸汽。
如图5所示，本实施例2的利用纤维工业废水余热系统采用的气体循环工质是氦气(绝热指数为1.667)。
造纸工业废水(约为80℃)经过处理后被分为两股，一股流体直接进入冷端换热器，另一股流体在进入热端换热器之前先通过增压泵变为高压流体；压缩机收到外功后首先将中温的氦气(约为70℃)压缩升温为高温的氦气(约为160℃)；高温的氦气工质(约为160℃)进入7热端换热器与输入的工业废水(约为80℃)进行热交换，换热后氦气工质放热降温至约90℃，工业废水则吸热升温至约150℃；约为90℃的氦气工质接着通过膨胀机继续降温至约20℃，同时输出部分功量；低温的氦气工质接着再流向冷端换热器与另一股工业废水进行热交换，换热后氦气工质吸热升温至约70℃，工业废水则放热降温至约30℃。
在压缩机的压缩过程中，实施例2设计的压缩机进出口工质温比为1.26，根据各多变过程的状态参数之间的关系方程可知：压缩机进出口的压比为1.79；在膨胀机的压缩过程中，实施例2设计的膨胀机进出口工质温比为1.24，根据各多变过程的状态参数之间的关系方程可知：膨胀机进出口的压比为1.71。
为了更好地实现节能减排的目的，膨胀机和压缩机采取双作用活塞结构，将膨胀机释放的功量在一定程度上补偿给压缩机。本实施例中的压缩机和膨胀机可采用螺杆式或活塞式结构形式。
当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用纤维工业余热的系统，其特征在于，所述系统包括膨胀机(4)、冷端换热器(5)、压缩机(6)与热端换热器(7)；其中，
所述膨胀机(4)的气体工质出口与冷端换热器(5)的气体工质入口相连；所述冷端换热器(5)的气体工质出口与压缩机(6)气体工质入口相连；所述压缩机(6)的气体工质出口与热端换热器(7)的气体工质入口相连；所述热端换热器(7)的气体工质出口与膨胀机(4)的气体工质入口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷端换热器(5)与所述热端换热器(7)均为逆流式换热器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膨胀机(4)为涡轮膨胀机、螺杆式膨胀机或活塞式膨胀机；所述压缩机(6)为涡轮压缩机、螺杆式压缩机或活塞式压缩机。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膨胀机(4)和压缩机(6)采用共轴结构。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纤维工业余热的流体为液体时，所述热端换热器(7)的被加热流体入口连接增压泵(3)。
6.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述气体工质为氦气、氮气和空气中的一种或几种。
7.一种基于权利要求1-4任一所述系统的利用纤维工业余热的方法，包括以下步骤：
1)给压缩机(6)输入功量，使中温气体工质被压缩变成高温气体工质；
2)使一部分纤维工业余热流体与高温气体工质在热端换热器(7)内进行热交换，纤维工业余热流体被加热成高温流体，而高温气体工质则放热变为中温气体工质进入膨胀机(4)膨胀冷却为低温气体工质并输出功量被压缩机(6)回收利用；
3)使另外一部分的纤维工业余热流体与低温气体工质在冷端换热器(5)进行热交换，纤维工业余热流体被冷却降温，而低温气体工质则吸热变为中温气体工质进入压缩机(6)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述纤维工业余热的流体为液体时，在所述热端换热器(7)的被加热流体入口连接增压泵(3)，通过增压泵(3)提高纤维工业余热流体压力后，将纤维工业余热流体引入热端换热器(7)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述气体工质为氦气、氮气和空气中的一种或几种。
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