《制冷技术应用与节能》 第二讲 余热及太阳能在空调制冷 工程中的节能研究

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1 《制冷技术应用与节能》 第二讲 余热及太阳能在空调制冷 工程中的节能研究
《制冷技术应用与节能》 第二讲 余热及太阳能在空调制冷 工程中的节能研究 主讲人：甘念重 武汉理工大学能源与动力工程学院

2 一、关于工业余热 根据标准GB 《工业余热术语、分类、等级及余热资源量计算方法 》，以环境温度为基准，被考察体系排出的热载体可释放的热称为余热。 在钢铁、水泥等工业企业每天都向外排放大量的中低温烟气、废蒸汽、废热水等余热资源。它们携带的能量属于中、低温余热。传统的余热回收系统是把这些热能转化为热空气、热水或蒸汽，供生产或生活需要。 工业余热供热的热源： （1）从各种工艺设备排出的高温烟气。例如冶金炉、加热炉、工业窑炉、燃料气化装置等，都有大量高温烟气排出。通常将高温烟气引入余热锅炉，产生蒸汽后送往热网供热。

3 一、关于工业余热 （2）工艺设备的冷却水。中国一些钢铁企业利用焦化厂初冷循环水余热，进行较大范围的集中供热，取得了良好的效果。焦炉产生的荒煤气经列管式初冷器被水冷却，冷却水升温至50～55℃，用作热网循环水。例如鞍山、本溪等城市利用这种余热供热的建筑面积都已超过120万平方米。 工业余热资源的分类： （1）气态载体余热资源：包括烟气的余热资源、放散蒸汽的余热资源及可燃性废气 ； （2）液态载体余热资源：包括液态产品和液态中间产品的余热资源、冷凝水和冷却水的余热资源、可燃性废液； （3）固态载体余热资源：包括固态产品和固态中间产品的余热资源、排渣的余热资源及可燃性固态废料。

4 一、关于工业余热 烟气余热 渣水余热 图一 钢铁生产流程中的余热

5 一、关于工业余热 冷却余热 图二 电厂生产流程中的余热

6 一、关于工业余热 余热 图三 煤焦生产流程中的余热

7 工业余热利用率35%，是中国高耗能行业的基本现状，面对大量的余热资源浪费，节能行业要做的是发掘余热这座“金矿”。 （1）工业余热利用的意义：
二、工业余热的利用 工业余热利用率35%，是中国高耗能行业的基本现状，面对大量的余热资源浪费，节能行业要做的是发掘余热这座“金矿”。 （1）工业余热利用的意义： 在节能减排、低碳经济发展的方式中，余热管理显然是一种非常重要的方式。因为通过余热的再利用，一方面降低了能源消耗，另一方面，也减少了二氧化碳排放。 目前，我国燃煤工业锅炉59万台，“十一五”期间每年耗煤约6亿吨，按照国际先进水平，大多工业国家现在热效率平均能达到80%～85%。若提高10～15个热效率，仅此一项，每年可以节约6000万～9000万吨原煤。 锅炉是重要的能源转换设备，也是能源的消费大户和重要的污染源。我国燃煤工业锅炉的能效水平与国际先进水平相比要低15%～20%，目前工业锅炉每年用煤约6亿吨。 　　

8 二、工业余热的利用 2010年，我国原煤产量是32.4亿吨，锅炉用煤达到23.8亿吨，占全国煤炭产量的73.4%。“与发达国家相比，我国的锅炉特别是燃煤工业锅炉的能效水平较低，后者平均运行效率仅为65%～70%。”张纲在论坛上介绍道。 除了锅炉，换热压力容器的节能空间也不可小视。换热压力容器是石油、化工、冶金、电力等高耗能行业当中广泛应用的能量交换设备。目前，这四大行业在用换热压力容器25万台左右，年回收热量（主要是二次能源）折合标准煤约7亿吨，换热效率仅为60%～70%，如果将这四个行业中50%的换热压力容器更新为换热效率达到80%～85%的高效换热器，则每年多回收热量可折合4000万吨标准煤以上。

9 二、工业余热的利用 （2）余热回收的应用 1、在化工行业中的应用： （1）小合成氨上、下行煤气余热回收 ；　　 （2）中合成氨上、下行煤气余热回收 ；　　 （3）合成氨吹风气燃烧的余热回收 ；　　 （4）合成氨一段炉烟气余热回收 。　　  2、在硫酸工业中的应用： （1）在硫酸生产沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收；一个年产10万吨硫酸的工厂可回收5.5万吨蒸汽； （2）从沸腾中出来的SO2高温炉气中回收余热；一个年产10万吨硫酸的工厂可回收10.5万吨蒸汽，可发电价值约600万元； 　　 （3）在盐酸、硝酸炉的应用：基本同(2)。

10 二、工业余热的利用 （2）余热回收的应用 3、在石油化工中的应用： （1）烃类热解炉中的余热回收；（工作温度约750~900℃） 　　 （2）乙苯脱氢反应器中的余热回收； 　　 （3）环己醇脱氢化学反应器中的余热回收； 　　 （4）催化、裂化再生取热器中的余热回收； 　 （5）其它各种加热炉中的余热回收。 4、在建材工业中的应用： （1）在高岭土喷雾干燥热风炉中的余热回收； 　　 （2）玻璃窑炉中的余热回收； 　　 （3）水泥窑炉中的余热回收； 　　 （4）各种陶瓷倒燃炉及隧道窑中的余热回收。

11 二、工业余热的利用 （2）余热回收的应用 5、在冶金工业中的应用： （1）轧钢连续加热和均热炉中的余热回收； 　　 （2）坯件加热炉中的余热回收； 　　 （3）线材退火炉中的余热回收； 　　 （4）烧结机中的余热回收；以一台180M2的烧结机为例，可回收蒸汽量达10~22吨/小时。 6、在纺织印染行业中的应用： （1）定型机余热回收；以一台力根定型机配LQDR（杭州力强）余热回收设备为例，年经济效益可达人民币20万元； 　　 （2）印染热污水余热回收； 　　 （3）锅炉烟气余热回收；以一台250万大卡导热油锅炉配LQGR（杭州力强）蒸汽发生器为例，每小时可产蒸汽0.5吨。

12 二、工业余热的利用 图四 电厂冷却塔余热的回收利用

13 二、工业余热的利用 图五 纺织厂余热的回收利用

14 二、工业余热的利用 图六 水泥厂余热的回收利用

15 二、工业余热的利用 图七 钢铁厂余热的回收利用

16 二、工业余热的利用 图八 发动机余热的回收利用1（CCHP）

17 二、工业余热的利用 图 发动机余热的回收利用2（CCHP，燃料总的利用率达到85%）

18 二、工业余热的利用 图 发动机余热的回收利用2（CCHP，燃料总的利用率达到85%）

19 二、工业余热的利用 图 发动机余热的回收利用2（CCHP，燃料总的利用率达到85%）

20 二、工业余热的利用 图9-4 发动机余热的回收利用2（CCHP，燃料总的利用率达到85%）

21 二、工业余热的利用

22 三、热泵技术与节能 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置。
热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成。

23 三、热泵技术与节能 能量守恒原则： 热泵热水机组释放的能量Q Q＝输入电能Q1＋吸收介质的能量Q2
所以，获得热水的费用＝电费＋吸收介质的费用

24 三、热泵技术与节能 太阳能与地源热泵策略

25 三、热泵技术与节能 地源热泵的特点： 1、可再生能源利用
地表浅层收集了47%的太阳能量，它利用地表浅层的可再生能源，符合可持续发展的战略要求。 2、高效节能 制热系数高达3.5～4.5，而锅炉仅为0.7～0.9，可比锅炉节省70%以上的能源和40%～60%运行费用；制冷时要比普通空调节能30%左右。 3、美观 传统空调系统的换热器置于室外，破坏建筑的外观； 而地源热泵把换热器埋于地下，保持建筑物外观的完 美。

26 普通空调寿命一般在15年左右，而地源热泵的地下换
三、热泵技术与节能 4、保护环境 设备的运行没有燃油、燃煤污染。不抽取地下水，没有地下水位下降、地面沉降和开凿回灌井等问题，是真正的绿色环保能源利用方式。 5、多功能、系统控制和管理方便 一套地源热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统。 6、寿命长 普通空调寿命一般在15年左右，而地源热泵的地下换 热器由于采用高强度惰性材料，埋地寿命至少50年。

27 四、余热利用的主要设备 1、余热锅炉； 2、汽轮发电机组； 3、吸收式热泵机组。 图十 余热利用设备之—余热锅炉及热管换热器

28 四、余热利用的主要设备 1、余热锅炉； 2、汽轮发电机组； 3、吸收式热泵机组。 图十 一 余热利用设备之—汽轮发电机组

29 四、余热利用的主要设备 1、余热锅炉； 2、汽轮发电机组； 3、吸收式热泵机组。 图十 二 余热利用设备之—吸收式热泵

30 四、余热利用的主要设备 图十 二 余热利用设备之—吸收式热泵

31 五、太阳能的利用 太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何环境污染。人们常采用光热转换、光电转换和光化学转换这三种形式来充分有效地利用太阳能。 1、光热转换     太阳能光热转换是目前世界范围内太阳能利用的在一种最普及最主要的形式，它是利用太阳光照射物体表面产生的热效应。现在的主要应用包括：太阳能热水器、干燥器、温室与太阳房、太阳灶、采暖和制冷、海水淡化装置，太阳能热发电装置等。 2、光电转换     太阳能光电转换主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子-空穴对，在PN结上可以产生光电流和光电压的现象（光伏效应），从而实现太阳能光电转化的目的。通常所用的半导体材料主要为硅。

32 五、太阳能的利用 众所周知，在地球表面太阳能的能量密度低（1000w/m2），而且不稳定不连续。用太阳能电池及相应储存技术可大面积采集、储存太阳能，以适应人们动作和日常生活需要。太阳能电池的研究能够解决这一问题。 3、光化学转换 光化学转换技术主要包括光合作用 和光电化学转换技术，目前尚处于实验室研究阶段，染料敏化钠米薄膜太阳能电池具有成本低廉，制作工业简单的优点，成为当前研究的热点。它通过染料光敏化剂吸收太阳光的能量，使染料分子中的电子发生跃迁，最后电子进入收集电极，通过外回路产生光电流。这种技术的发展，将使人们利用太阳能的形式向智能化发展。

33 五、太阳能的利用 一、太阳能的优点 （1）普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。 （2）无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。 （3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。 （4）长久：根据太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

34 五、太阳能的利用 二、太阳能的缺点 （1）分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1,000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。 （2）不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。 （3）效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。

35 五、太阳能的利用 图 太阳能帆船

36 五、太阳能的利用 图 太阳能帆船

37 五、太阳能的利用 图 太阳能飞机-阳光动力2号

38 五、太阳能的利用 图 太阳能飞机-阳光动力2号

39 五、太阳能的利用 图十五 太阳能热水器

40 五、太阳能的利用 图十 六 太阳灶

41 五、太阳能的利用 图十 七 太阳能路灯

42 五、太阳能的利用 图十 八 太阳能空调

43 五、太阳能的利用 图十 九 太阳能热利用

44 六、太阳能制冷技术 根据不同的能量转换方式，太阳能驱动制冷主要有以下两种方式，一是先实现光─电转换，再以电力制冷；二是进行光─热转换，再以热能制冷。 1、太阳能光-电制冷 它是利用光伏转换装置将太阳能转化成电能后，再用于驱动半导体制冷系统或常规压缩式制冷系统实现制冷的方法，即光电半导体制冷和光电压缩式制冷。这种制冷方式的前提是将太阳能转换为电能，其关键是光电转换技术，必须采用光电转换接受器，即光电池，它的工作原理是光伏效应。 太阳能半导体制冷。太阳能半导体制冷是利用太阳能电池产生的电能来供给半导体制冷装置，实现热能传递的特殊制冷方式。半导体制冷的理论基础是固体的热电效应，即当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象。如何改进材料的性能，寻找更为理想的材料，成为了太阳能半导体制冷的重要问题。太阳能半导体制冷在国防、科研、医疗卫生等领域广泛地用作电子器件、仪表的冷却器，或用在低温测仪、器械中，或制作小型恒温器等。目前太阳能半导体制冷装置的效率还比较低，COP 一般约0.2～0.3，远低于压缩式制冷。

45 六、太阳能制冷技术 2、太阳能光-热制冷 太阳能光热转换制冷，首先是将太阳能转换成热能，再利用热能作为外界补偿来实现制冷目的。光─热转换实现制冷主要从以下几个方向进行，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、太阳能除湿制冷、太阳能蒸汽压缩式制冷和太阳能蒸汽喷射式制冷。其中太阳能吸收式制冷已经进入了应用阶段，而太阳能吸附式制冷还处在试验研究阶段。 太阳能吸收式制冷的研究最接近于实用化，其最常规的配置是：采用集热器来收集太阳能，用来驱动单效、双效或双级吸收式制冷机，工质对主要采用溴化锂- 水，当太阳能不足时可采用燃油或燃煤锅炉来进行辅助加热。系统主要构成与普通的吸收式制冷系统基本相同，唯一的区别就是在发生器处的热源是太阳能而不是通常的锅炉加热产生的高温蒸汽、热水或高温废气等热源。 太阳能吸附式制冷系统的制冷原理是利用吸附床中的固体吸附剂对制冷剂的周期性吸附、解吸附过程实现制冷循环。太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、储液器、蒸发器、阀门等组成。常用的吸附剂对制冷剂工质对 有活性炭- 甲醇、活性炭- 氨、氯化钙- 氨、硅胶- 水、金属氢化物- 氢等。太阳能吸附式制冷具有系统结构简单、无运动部件、噪声小、无须考虑腐蚀等优点，而且它的造价和运行费用都比较低。