中国是一个能源使用和消耗的大国，在不断发展的工业化和城市化进程中，能源问题越来越变成了中国经济发展和社会进步的“瓶颈”。党的二十大报告明确提出，积极稳步推进碳达峰和碳中和。工业企业实现碳达峰和碳中和目标，是贯彻新发展理念、构建新发展格局和推动经济社会高质量发展的内在要求。因此推动传统制造业积极融入“双碳”发展战略，加快绿色转型，是一个亟待解决的重要问题。

工业生产的余热回收利用技术已受到国内外学者的广泛关注[1,2,3,4,5,6]。利用基于空气源热泵热水器换热组件的余热回收机组把没有得到完全利用的热量再次利用起来，以这种方法减少企业损失，降低企业生产成本。余热利用，简单来说就是将剩余的热量利用起来进行生产或者用作他用，而剩余热量产生的能量再循环到生产设备上使用或者用于企业员工生活中，帮助企业减少部分支出；或者在冬天利用剩余热量为员工供暖，这也是节省支出的一大方式。

在此行业现状下，基于空气源热泵热水器换热组件的余热回收机组，其循环溶液不同于传统余热回收机组循环采用的水溶液，创新性地使用质量分数为22%的氯化锂和质量分数为78%的水作为循环溶液，回收效率可达70%～75%，相较于传统余热回收机组回收效率提高30%左右，同时回收速度提升15%左右，降低碳排放量30%左右。

1、余热回收机组设计及工作原理

1.1 技术总述

图1为余热回收机组工作原理图。首先在钛合金壳管换热器中两根管道中的一根上接氯化锂溶液泵，另一根接冷板进口，在钛合金壳管换热器中进行热量交换，然后热量通过热泵主机，在热泵的逆循环作用下将热量传输到小储水罐中，当需要释放存储起来的热量时，小储水罐和钛合金板再进行热量转移，在氯化理溶液的作用下成功地将热量转移到热板进口中，这些热量可再次生产利用。

图1 余热回收机组工作原理图   

1.2 主要设备选型

1)空气源热泵热水器换热组件。空气源热泵热水器是一种利用空气作为低温热源来制取热水的热泵热水器，如图2所示，空气源热泵热水器主要由空气源热泵循环系统和蓄水箱两大部分组成，该设备通过消耗部分电能把空气中的热量转移到水中，属于空气源热泵热水器领域；在冷凝器罐体内设置隔板将罐体腔分隔为冷水腔和热水腔，隔板上开设连通冷水腔和热水腔的通孔；通孔内设置可转动打开或封闭通孔的翻转板；添加冷水时，封闭通孔，使得冷水无法进入热水腔，冷水腔经过一段时间加热，当水温提升至与热水腔水温相差不大时，开启翻转板，使得冷水腔热水进入热水腔；之后再次封闭通孔添加冷水，如此使得热水腔能够保持输出水温在一定范围内。

2)钛合金壳管换热器。零部件包括壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等。圆筒形状的壳体，其内部是固定在管板上的管束。进行换热时的冷、热流体，分别为管内流动的管程流体和管外流动的壳程流体。为了增大管外流体的传热分系数，可以在壳体内安装若干挡板，利用挡板可使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度，从而提高壳程流体速度。换热管挡板的排列包括两种优势方法：①按照等边三角形方式排列，排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；②按照正方形方式排列，管外方便清洗，适用于易结垢的流体。

图2 空气源热泵热水器换热组件工作原理图   

壳体内部，除去管子、管箱以外的结构为壳程，流过壳程的流体称为壳程流体；管子、管箱以内的结构为管程，流过管程的流体称为管程流体。

3)热泵主机。热泵主机由压缩机、冷凝机、节流装置和蒸发器四大部分组成，为了更好地保证热泵系统的正常工作，还必须设置气液分离器、高低压保护器、超温保护器、自动控制器、机械式泄压阀、四通阀、电磁阀、单向阀、曲轴箱加热带、储液器等大量零部件。

1.3 循环溶液选型

循环溶液由质量分数为22%的氯化锂和质量分数为78%的水组成。

1)氯化锂溶液特性。氯化锂是白色，具有NaCl型面心晶格（晶格常数a=0.513 nm）的规则晶体，密度为2.068 g/cm3，熔点为605℃，沸点为1 360℃[7]。氯化锂溶液的吸湿性很强，同时溶于甲醇、乙醇、吡啶、乙醚、丙酮，微溶于液氨。氯化锂水溶液同样具体良好的吸湿性能。

2)氯化锂溶液溶解度。在氯化锂溶液的应用中，首先要做的是明确其利用时合适的质量分数范围，这需要基于对不同情况下氯化锂溶解度足够了解。氯化锂分子在不同的浓度段的存在形式有所差别，从低到高溶液依次为Li Cl·5H2O,Li Cl·3H2O,Li Cl·2H2O,Li Cl·H2O,LiCl。

拟合的方程为（相关系数在表1中列出）：

式中：T为温度，TL为分段函数最左点的温度，TR为分段函数最右点的温度，Tt为时变温度，x为氯化锂溶液物质的量浓度，xL为分段函数最左点氯化锂溶液物质的量浓度，xR为分段函数最右点氯化锂溶液物质的量浓度，ai为晶格，mi为镜像操作，ni为转动对称轴，i为对称心。

表1 方程(1)中的系数  

给出的方程为（相关系数在表2中列出）：

式中：Tc.H2O为含不同水分对应的温度；A0,A1,A2为边界线范围；ξ为浓度。

3)氯化锂溶液导热性。数值可以通过计算得到，CONDE M R对Uemura和Riedel的实验数据进行拟合，得到了计算模型。从《简明施工计算手册》查得，水在4℃时的导热系数为0.58 W/（m·K)[8]，所以，可以知道氯化锂溶液的导热性能与纯水相当。 

表2 方程式(2)中的系数  

4)氯化锂溶液比热容。对于氯化锂溶液的比热容，文献[9]进行了文献数据拟合：

式中：Cp为比热容的数值，单位k J/（kg·℃）；Cp.H2O为含不同水分的比热容的数值，单位k J/（kg·℃）；f1为标准态逸度1;f2为标准态逸度2;θ为温度的数值，单位℃；A—E为温度低至-35℃时液态水比热容的Sato(1989）方程参数。方程(4)中的系数如表3所示。  

表3 方程(4)中的系数 

5)氯化锂溶液腐蚀性。卤素原子（F,Cl,Br,I）对金属具有一定的腐蚀性，如果系统组件需要长期与氯化锂溶液接触，需要考虑此问题。塑料非金材料具有良好的防腐性，但是却不具有良好的导热性，所以还需考虑金属换热器材料。易晓勤[10]对Li Br溶液、LiCl溶液和CaCl2溶液对不锈钢、紫铜的腐蚀机理和腐蚀的影响因素进行了分析，并开展了实验研究。研究表明，合理的选材与结构设计、添加缓蚀剂或者使用电化学的保护方法都能有效地减缓腐蚀，但仍无法做到完全防腐。

2、社会效益和经济效益分析

余热利用不是单纯地阻止热量逸散，而是将完成生产剩余的热量进行二次利用，发挥其剩余价值，将其转换成企业所需的其他能量来对企业进行反哺，这样就可以最大程度减少企业生产时产生的成本，提高生产效率，减少能源浪费。

1)经济效益。单台设备平均每小时可回收190.8 k W，即686 880 k J，可以大大降低生产成本，从而推动企业更好地发展。

2)资源效益。使用该设备后资源综合利用率为60%左右，预计可以提高10%左右，可以通过提高资源综合利用率来大大缓解能源短缺的压力，同时可以使社会资源得到更加有效的利用。

3)环境效益。使用该设备可以大大降低能源的使用量，从而减少污染物排放，提高环境、空气质量，还可以使企业扎实推进节能减排的政策，助力实现碳达峰和碳中和目标，争取达到碳排放量超4.0×109t，下降30%左右。

3、工程应用实例

3.1 工程概况和设计依据

名称：陕西嘉元生物科技有限公司节能改造项目（厂房）。

项目需求：将冷板处部分余热回收，升温后取代一部分热板处蒸汽供应。

设备温湿度数据：温湿度数据如表4所示。

表4 设备温湿度数据  

3.2 热回收能力计算

总循环量为50 m3/h；换热能力为3～5℃温差，这里取4℃；系统制热能力为143.1 k W·h。工质回收能力数据如表5所示。  

表5 工质回收能力数据  

3.3 经济性分析

余热回收机组系统回收效率为70%～75%。余热回收技术具备大规模应用的可行性，可以有效解决余热浪费、能源消耗的难题。

4、结束语

在“双碳”背景下，企业未来的发展空间很大程度上取决于低碳发展能力，因此，企业在追求经济效益的同时，还应将社会责任竞争力作为企业的核心竞争力，将绿色低碳发展理念融入整体战略中。绿色转型前期需付出的成本较高，但放眼未来必将有助于企业的可持续发展，长期收益将得到保障。基于空气源热泵热水器换热组件的余热回收机组的应用，有助于企业开创低碳节能新局面，对于改善大气环境，促进经济、社会、环境全面协调发展具有重要意义。

参考文献:

[1]王梦颖.“双碳”目标下低温余热利用技术研究进展[J].当代石油石化,2023,31(1):44-49.

[2]张群力,张晓月,王明爽,等.热泵型烟气冷凝余热回收系统实验研究[J].建筑科学,2021,37(6):150-154.

[3]陈宁,王军,常佳,等.燃气锅炉热力站余热回收潜力分析[J].能源与节能,2022(2):53-56.

[4]闫敏,李玉忠,马春元.基于机械蒸汽压缩的燃煤烟气余热及水回收系统[J].动力工程学报,2018,38(9):755-762.

[5]陈强,杨宝锐.离心式热泵在冷却水余热回收改造中的应用[J].区域供热,2023(1):98-101.

[6]蒋胜蓝,武巧,顾炜莉,等.锅炉烟气低品位余热回收技术综述[J].能源与节能,2023(1):74-78.

[7]李玉茜.氯化锂水溶液表面蒸汽压的实验研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[8]江正荣,朱国梁.简明施工计算手册[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2016.

[10]易晓勤.常用溶液除湿剂的性质研究[D].北京:清华大学,2019.

文章来源:武智胜,赵建军,李慧龙等.基于空气源热泵热水器换热组件的余热回收机组[J].能源与节能,2023(11):92-95.