二氧化碳跨临界热泵机组

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摘要

机组用CO2工质进行热交换,如图,CO2工质经压缩机压缩成高压高温超临界气体,进入气体冷却器,用显热和冷水进行热交换,将冷水加热至60~80左右高温热水,CO2工质气体经气体冷却器成为低温高压气体,完成等压降温。低温高压气体膨胀做工,驱动膨胀机输出功率,既可带动发电机发电,也可输出给压缩机,达到节电节能的目的。CO2工质气体完成膨胀做工后,进入两相区,经蒸发器吸取低温热源的热量,成为低温低压气体进入压缩机入口进入下一次循环。

产品介绍

二氧化碳离心压缩机跨临界热泵机组

一、        概述

CO2跨临界制冷循环的流程和普通蒸汽压缩式制冷循环略有不同,压缩机的吸气压力低于临界压力,蒸发温度也低于临界温度,循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行,换热过程依靠潜热来完成;但压缩机的排气压力在临界压力之上,工质的放热过程没有冷凝液产生,其高压换热器不再称为冷凝器,而称为气体冷却器(gas cooler),传统的冷凝温度概念已失去意义,换热过程则依靠显热来完成。

CO2在超临界区,其温度和压力是独立变量,其物性变化剧烈。超临界CO2流体是一种高密度气体,兼有气体和液体双重特性,即密度高于气体,接近液体;黏度和气体相似,远小于液体黏度;扩散系数接近于气体,约为液体的10~100倍,因而具有较好的流动性和传输特性。

在常规工质的亚临界循环中,一旦蒸发压力和冷凝压力确定,性能基本可以确定。但在跨临界循环中的超临界压力区,压力和温度是两个独立的变量,它们同时决定着CO2流体的焓值,在蒸发温度和气体冷却器出口温度不变的情况下,改变高压压力将分别对制冷量和压缩功产生影响,存在系统运行的优化高压压力,在这个压力下,循环有最高的效率。

由于CO2的临界温度很低,CO2的放热过程不是在两相区冷凝,而是在接近或超过临界点区域的气体冷却器中放热。其放热过程为一变温过程,有较大的温度滑移。这种温度滑移正好和所需的变温热源相匹配,是一种特殊的洛伦茨循环,当用于热泵循环时,有较高的循环效率,非常适合应用于热泵热水器。

 

 

二、        原理介绍

二氧化碳热泵

机组用CO2工质进行热交换,如图,CO2工质经压缩机压缩成高压高温超临界气体,进入气体冷却器,用显热和冷水进行热交换,将冷水加热至60~80左右高温热水,CO2工质气体经气体冷却器成为低温高压气体,完成等压降温。低温高压气体膨胀做工,驱动膨胀机输出功率,既可带动发电机发电,也可输出给压缩机,达到节电节能的目的。CO2工质气体完成膨胀做工后,进入两相区,经蒸发器吸取低温热源的热量,成为低温低压气体进入压缩机入口进入下一次循环。

工况描述参数如下:

电厂乏蒸汽余热温度20℃~30℃,回收乏蒸汽余热制备高温热水,冷水温度15℃,需加热至60℃以上。

根据以上参数,二氧化碳跨临界热泵机组配置二氧化碳压缩机、二氧化碳膨胀机、气体冷却器、蒸发器等。

二氧化碳热泵


二氧化碳跨临界热泵机组蒸发温度0℃,压缩机进气压力3480KPa,压缩机出气压力9000KPa,冷凝温度87℃。P-H图如下:

二氧化碳热泵

根据以上参数,二氧化碳压缩机和膨胀机选型如下表:

序号

参  数  名  称

符号

单   位

设计工况

备    注

1

吸入介质



CO2


2

质量流量

G

kg/h

28.8


二氧化碳压缩机

3

压缩级数



2

2级压缩

4

吸入压力

Pin

MPa(A)

3.48

压缩机进口法兰处

5

吸入温度

Tin

15


6

排气压力

Pout

MPa(A)

9


7

排气温度

Tout

87


8

蒸发温度


0


9

压缩机轴功率

Nsh

kW

477


10

叶轮直径

D

mm

124


11

压缩机轴转速

n

r/min

30600

以详细设计为准

二氧化碳膨胀机

12

膨胀机级数



2

2级膨胀

13

进气压力

Pin

MPa(A)

9


14

进气温度

Tin

20


15

排气压力

Pout

MPa(A)

3.48


16

排气温度

Tout

-30


17

膨胀机输出功率


KW

200


18

叶轮直径

D

mm

120


19

膨胀机转速

n

r/min

30600

以详细设计为准


一、        结构简介

1、 机组布置

二氧化碳压缩膨胀机组为撬装布置,油站、油泵、滤油器、冷油器、气体冷却器、蒸发器、储液罐布置在撬装底座上。

2、 结构特点

电机为高速变频电机,双出头。两侧各装一级压缩机叶轮和一级膨胀机叶轮。膨胀机输出功率,抵消压缩机消耗功率。从电机端向压缩机看,压缩机和膨胀机为顺时针旋转。压缩机进气轴向水平,径向排气。膨胀机径向进气,径向排气。法兰连接。

二、        效益分析

蒸发器从低温热源的吸热量:

Qe=m×qe=28800(kg)/3600(S)×187(KJ/kg)=1496KW

CO2工质流过气体冷却器的放热量:

Qc=m×qc=28800(kg)/3600(S)×249(KJ/kg)=1992(Kw)

二氧化碳压缩机轴功率:PW=477(Kw)

二氧化碳膨胀机输出功率:PSC=200(Kw)

二氧化碳跨临界机组热效率:

COP= Qc/( PW- PSC)=1992/(477-200)=7.19

生产热水量:

冷水温度T1:15℃,需热水温度T2:60℃,气体冷却器放热量Qc:1992KW

生产热水U(L/h)=3600×Qc/[(T2- T1)×4.2]=3600×1992/[(60-15)×4.2]

                 =37942.9(L/h)=37.94(T/h)

 

      根据以上计算,二氧化碳跨临界热泵每小时生产37.94吨60℃以上热水,需要耗电277kwh,每天工作二十四小时,每年工作三百六十天耗电如下:

W=277(kwh)×24(h)×360(d)=2393280Kwh

如果用电加热每小时生产37.94吨60℃以上热水,需耗电1992kwh.

生产同样多的热水,每年需耗电=1992(kwh)×24(h)×360(d)=17210880kwh

节电效率:2393280/17210880× 100 %=13.9%


      综上所述,二氧化碳跨临界热泵机组在余热回收方面具有显著的节能效果,通过二氧化碳超临界的优异特性,配合高效的二氧化碳离心膨胀机组,只需耗费电加热13.9%的电力,便可生产相同产量的高温热水,并且膨胀机的出口温度可以低于-13℃,通过机组适当调整,在北方零下一二十度的寒冷地区,吸收空气余热,在二氧化碳超临界区,通过气体换热器,仍然可以高效的生产60℃以上高温热水。


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