一種利用纖維工業余熱的系統及方法技術方案

本發明專利技術涉及能源回收利用領域。本發明專利技術的利用纖維工業余熱的系統包括膨脹機(4)、冷端換熱器(5)、壓縮機(6)與熱端換熱器(7)；其中，所述膨脹機(4)的氣體工質出口與冷端換熱器(5)的氣體工質入口相連；所述冷端換熱器(5)的氣體工質出口與壓縮機(6)氣體工質入口相連；所述壓縮機(6)的氣體工質出口與熱端換熱器(7)的氣體工質入口相連；所述熱端換熱器(7)的氣體工質出口與膨脹機(4)的氣體工質入口相連。本發明專利技術能夠高效利用纖維工業余熱，減少排放到環境中的廢熱，具有高效利用變溫余熱、減少工業廢熱排放、產生超高溫度泵熱和工作介質完全環保等優點，解決了常規熱泵技術存在的難點和缺點，具有巨大應用前景。

System and method for utilizing waste heat of fiber industry

The invention relates to the field of energy recovery and utilization. The invention of the fiber system using industrial waste heat including the expander (4), cold end heat exchanger (5), a compressor (6) and the hot end heat exchanger (7); wherein, the expander (4) of the refrigerant gas outlet and the cold end heat exchanger (5) gas refrigerant entrance connected; the cold end heat exchanger (5) of the refrigerant gas outlet and the gas refrigerant compressor (6) is connected to the compressor entrance; (6) the refrigerant gas outlet and the hot end heat exchanger (7) of the refrigerant gas entrance is connected; the hot end heat exchanger for (7) of the refrigerant gas outlet and the expander (4) of the refrigerant gas entrance. The invention can effectively utilize the fiber industrial waste heat to reduce emissions of waste heat to the environment, has the advantages of high efficiency, reduce waste heat temperature using industrial waste heat emissions, produce medium high temperature heat pump work and environmental protection, solve the difficulties and shortcomings of conventional heat pump technology, and has great application prospect.

【技術實現步驟摘要】
一種利用纖維工業余熱的系統及方法
本專利技術涉及能源回收利用領域，尤其涉及一種利用纖維工業余熱的系統及方法。
技術介紹
能源是經濟發展和社會進步的重要基礎，節能減排是我國更好進行現代化建設、經濟發展的關鍵問題。余熱利用作為節能減排中的重要部分，具有巨大的發展潛力。余熱屬于二次能源，在我國資源豐富，廣泛存在電站鍋爐及工業設備中，據統計，諸如纖維工業中的染色工程、造紙工程可利用的廢水余熱溫度可以達到50-80℃。這些大量的工業余熱不僅浪費了大量潛在的能源，而且還造成了對環境的熱污染問題，甚至產生城市熱島效應。如果能有效利用這些余熱，則可節約大量能源，減少大氣污染，并且降低企業生產成本，很好地實現節能減排。熱泵技術是近年來在全世界備受關注的新能源技術。熱泵是一種能從低溫物體獲取熱量，以少量高位能作為補償條件，將低溫熱量轉移到高溫物體的裝置。通過熱泵，人們能從自然界或工業廢熱中獲取大量低品位熱能，使之轉化為可被利用的高品位熱能。按工作原理的不同，熱泵可分為壓縮式、吸收式、噴射式、吸附式和化學熱泵等，其中應用最廣的是壓縮式熱泵系統。另外，根據熱泵系統冷凝溫度的不同，又可將熱泵系統分為常溫熱泵和高溫熱泵。據統計，冷凝溫度達到150℃的高溫熱泵系統可以滿足大多數工業用戶(如皮革制品、紙漿加工、陶瓷工業、食品煙草和纖維工業等)的需求，這表明高溫熱泵具有廣闊的應用空間。然而，目前基于蒸汽式壓縮熱泵技術很難高效利用變溫的低溫余熱，也難于產生超過100℃以上的高溫；同時，目前的蒸汽式壓縮熱泵技術還普遍存在溫室效應等環境問題。圖1為常規蒸汽壓縮式熱泵系統，該系統通過氟利昂蒸氣壓縮式制熱循環實現余熱回收或者實現熱泵功能，該熱泵機組主要是由壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器這四大部件組成。常規蒸汽壓縮熱泵技術成熟，但是，該熱泵系統僅適用于定溫熱源泵熱，難于高效地利用溫度變化的工業余熱，這可由圖2所示的單級蒸氣壓縮式循環的溫熵圖所知；此外，常規熱泵泵熱溫度一般不超過100℃。另外，該熱泵機組的循環工質為氟利昂，工作介質并不是完全環保的，會加劇溫室效應，對環境造成污染。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種利用纖維工業余熱的系統及方法。具體地，本專利技術提供一種高效利用纖維工業余熱的氣體壓縮式高溫熱泵系統，其結構簡單，使用環保氣體工質；采用纖維工業余熱流體作為冷端熱源，可以同時利用大溫降的余熱，熱能利用效率較高；易于實現超高溫變溫泵熱，不受工質壓力限制。本專利技術提供的高效利用纖維工業余熱的氣體壓縮式高溫熱泵系統具有廣闊的發展和應該前景。本專利技術的具體方案如下：本專利技術的利用纖維工業余熱的系統，包括膨脹機4、冷端換熱器5、壓縮機6與熱端換熱器7；其中，所述膨脹機4的氣體工質出口與冷端換熱器5的氣體工質入口相連；所述冷端換熱器5的氣體工質出口與壓縮機6氣體工質入口相連；所述壓縮機6的氣體工質出口與熱端換熱器7的氣體工質入口相連；所述熱端換熱器7的氣體工質出口與膨脹機4的氣體工質入口相連。根據本專利技術所述的系統，其中，所述冷端換熱器5和熱端換熱器7均為逆流式換熱器。根據本專利技術所述的系統，其中作為優選地，所述膨脹機4為渦輪膨脹機、螺桿式膨脹機或活塞式膨脹機；所述壓縮機6為渦輪壓縮機、螺桿式壓縮機或活塞式壓縮機。根據本專利技術所述的系統，其中，所述膨脹機4和壓縮機6采用共軸結構，用來直接回收膨脹機的膨脹功。根據本專利技術所述的系統，若處理的纖維工業余熱流體為液體時，所述熱端換熱器7的被加熱流體入口連接增壓泵3。若處理的纖維工業余熱流體為氣體時，則流體直接進入熱端換熱器7。根據本專利技術所述的系統，其中，所述氣體工質為氦氣、氮氣和空氣中的一種或幾種。本專利技術的基于上述系統的利用纖維工業余熱的方法，包括以下步驟：1)給壓縮機6輸入功量，使中溫氣體工質被壓縮變成高溫氣體工質；2)使一部分纖維工業余熱流體與高溫氣體工質在熱端換熱器7內進行熱交換，纖維工業余熱流體被加熱產生高溫，而高溫氣體工質則放熱變為中溫氣體工質進入膨脹機4膨脹冷卻為低溫氣體工質并輸出功量被壓縮機6回收利用；3)使另外一部分的纖維工業余熱廢水與低溫氣體工質在冷端換熱器5進行熱交換，纖維工業余熱流體被冷卻降溫，而低溫氣體工質則吸熱變為中溫氣體工質進入壓縮機。根據本專利技術所述的方法，上述步驟1)-3)中氣體工質在壓縮機6、熱端換熱器7、膨脹機4、與冷端換熱器5構成的回路中不斷被加熱放熱，如此循環工作。本專利技術涉及的纖維工業余熱流體進入熱端換熱器和冷端換熱器的比例是根據設計的熱泵而定的：熱泵的制熱系數COPh＝Qh/W，(Qh為熱端換熱器放熱量，W為壓縮機做功量)Qh＝Qc+W,(Qc為冷端換熱器吸熱量)若不考慮漏熱損失，熱端換熱器內氣體工質的放熱量等于工業余熱廢水的吸熱量，冷端換熱器氣體工質的吸熱量等于工業余熱廢水的放熱量：Qh＝mh*ΔTh*Cp，(mh為工業余熱廢水進入熱端換熱器的質量流量，ΔTh為流出流入熱端換熱器時的溫差，Cp為水的定壓比熱容)；Qc＝mc*ΔTc*Cp，(mc為工業余熱廢水進入冷端換熱器的質量流量，ΔTc為流入流出冷端換熱器時的溫差，Cp為水的定壓比熱容)；由以上四個計算式可得：mh/mc＝(COPh*ΔTc)/[(COPh-1)*ΔTh]。根據本專利技術所述的方法，所述系統中纖維工業余熱流體的一部分被引入熱端換熱器，用來吸熱產生高溫以回收利用，而另一部分的纖維工業余熱流體被引入冷端換熱器，用來放熱降溫以排出廢熱。若所述系統處理的工業余熱流體為液體時，被引入熱端換熱器的流體需要先通過增加泵增壓，增壓泵的作用是提高工業余熱流體的壓力，常壓下液體，例如水在100℃就會發生相變變成蒸汽，加壓是為了使水在高溫換熱器不發生相變，形成100℃以上的水。比如若需要加熱成150℃的水，那么需要增壓到0.5MPa以上。本專利技術所述系統還包括工業鍋爐1與纖維工業設備2。工業鍋爐1產生的高溫蒸汽送入纖維工業設備2中加以利用，纖維工業設備2產生的工業余熱流體按上述本專利技術方法，分成兩部分進行利用。由熱端換熱器7產生的增溫后的高溫流體返回工業鍋爐1加以利用。由冷端換熱器5產生的降溫余熱流體返工業回鍋爐1加以回收利用。所述纖維工業設備2可以但不限于是印染工業的染色筒，或者是造紙工業的蒸煮筒等等。本專利技術所涉及的工業余熱流體具體是指工業生產中產生的廢水或廢氣，尤其是纖維工業產生的余熱廢水或廢氣。根據本專利技術所述的方法，其中，所述氣體工質為氦氣、氮氣和空氣中的一種或幾種。本專利技術涉及的高溫、中溫與低溫是本領域公知的溫度范圍。高溫是工業應用所需的溫度，中溫是工業余熱廢熱的溫度，低溫是常溫。針對纖維工業應用而言，這里的溫度對應范圍分別是高溫(100-200℃)、中溫(50-90℃)、低溫(20-40℃)。為了解決傳統系統利用工業余熱這種變溫熱源的高效轉換的問題，本專利技術提出了一種新型的變溫余熱利用方法和流程，它可以高效利用不同溫度品位的熱源，讓其中一部分的余熱產生高溫重新進入纖維工程(印染工業、造紙工業等)中應用，并將另外一部分排出的工業余熱溫度降低，實現節能、節水的目的。本專利技術的利用纖維工業余熱的系統，具體是一種高效利用纖維工業余熱的氣體壓縮式高溫熱泵系統，其優點在于：本專利技術所述系統能夠高效利用纖維工業流體余熱(50-90℃)，利用氣體本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用纖維工業余熱的系統，其特征在于，所述系統包括膨脹機(4)、冷端換熱器(5)、壓縮機(6)與熱端換熱器(7)；其中，所述膨脹機(4)的氣體工質出口與冷端換熱器(5)的氣體工質入口相連；所述冷端換熱器(5)的氣體工質出口與壓縮機(6)氣體工質入口相連；所述壓縮機(6)的氣體工質出口與熱端換熱器(7)的氣體工質入口相連；所述熱端換熱器(7)的氣體工質出口與膨脹機(4)的氣體工質入口相連。

【技術特征摘要】
1.一種利用纖維工業余熱的系統，其特征在于，所述系統包括膨脹機(4)、冷端換熱器(5)、壓縮機(6)與熱端換熱器(7)；其中，所述膨脹機(4)的氣體工質出口與冷端換熱器(5)的氣體工質入口相連；所述冷端換熱器(5)的氣體工質出口與壓縮機(6)氣體工質入口相連；所述壓縮機(6)的氣體工質出口與熱端換熱器(7)的氣體工質入口相連；所述熱端換熱器(7)的氣體工質出口與膨脹機(4)的氣體工質入口相連。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述冷端換熱器(5)與所述熱端換熱器(7)均為逆流式換熱器。3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述膨脹機(4)為渦輪膨脹機、螺桿式膨脹機或活塞式膨脹機；所述壓縮機(6)為渦輪壓縮機、螺桿式壓縮機或活塞式壓縮機。4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述膨脹機(4)和壓縮機(6)采用共軸結構。5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述纖維工業余熱的流體為液體時，所述熱端換熱器(7)的被加熱流體入口連接增壓泵(3)。6.根據權利要求1-4任...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅開琦，周遠，羅二倉，張麗敏，胡劍英，
申請(專利權)人：中國科學院理化技術研究所，
類型：發明
國別省市：北京,11