陳樹文 郭怡婷

(湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

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碳酸飲料企業(yè)應(yīng)用熱回收型冷水機(jī)組的節(jié)能經(jīng)濟(jì)分析

陳樹文 郭怡婷

(湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

文章介紹中國碳酸飲料企業(yè)制取生產(chǎn)工藝用熱水的現(xiàn)狀，結(jié)合傳統(tǒng)的制冷機(jī)組冷凝熱回收方法，提出采用回收制冷機(jī)組的冷凝熱預(yù)熱制取蒸氣用水、制取工藝用低溫?zé)崴詼p少鍋爐耗能的新方法，為碳酸飲料企業(yè)節(jié)能降耗提供了可以參考和借鑒的新方法。

碳酸飲料；冷凝熱回收；節(jié)能降耗

近20年來，中國食品工業(yè)平均增速達(dá)到15%以上，已成為國民經(jīng)濟(jì)第二大支柱產(chǎn)業(yè)，2013年全國食品工業(yè)總產(chǎn)值為10.4萬億元[1]。在食品生產(chǎn)過程中需要消耗大量的能源，這些能源的消耗主要包括耗電、耗汽。經(jīng)測(cè)算，中國食品生產(chǎn)企業(yè)的總能源消耗分別為年總耗電2 500億kW·h、年消耗2.8億t煤(能耗折合標(biāo)煤2.33億t)。而其中大部分行業(yè)食品生產(chǎn)汽耗占其綜合能耗的80%以上[1]。在資源日益緊張的情況下，節(jié)約能源、降低能耗顯得尤為重要。目前已有許多業(yè)內(nèi)人士意識(shí)到節(jié)能的重要性并提出了一些可行的節(jié)能措施，如傅攸安[2]提出一段法啤酒廠節(jié)能措施，王奎[3]提出通過創(chuàng)新工作流程和方法節(jié)能，徐家莉[4]提出通過改善生產(chǎn)工藝與采用高效設(shè)備實(shí)現(xiàn)奶粉廠的節(jié)能，徐勤華[5]提出的采用小溫差、大風(fēng)量與蒸發(fā)冷凝的食品加工車間低溫空調(diào)機(jī)組的節(jié)能設(shè)計(jì)方案，陳翔[6]提出的采用新型導(dǎo)熱油爐節(jié)能等。但必須指出，食品生產(chǎn)過程中能源的節(jié)約仍然大有可為。

食品工廠的蒸氣主要用于提供在食品生產(chǎn)過程中的工藝用熱，如飲料廠融糖及CIP消毒需要85 ℃的熱水、暖瓶工序需要采用熱水加熱空氣然后利用熱空氣將經(jīng)過低溫灌裝后的飲料加熱至常溫等。這些工藝用熱水的制取方式如圖1所示，通過將5～7 ℃(計(jì)算溫度[7])自來水經(jīng)過水處理以后直接送入蒸氣鍋爐制取蒸氣，再將蒸氣送入板式換熱器制取工藝用熱水。在該制取蒸氣的過程中，需要消耗大量的能源。

同時(shí)，在碳酸飲料生產(chǎn)企業(yè)，飲料的碳酸化等生產(chǎn)過程是在4 ℃以下[8]進(jìn)行的，因此，需要工藝制冷；為改善工作環(huán)境及生產(chǎn)工藝的需要，在其辦公區(qū)及生產(chǎn)車間，通常會(huì)安裝中央空調(diào)系統(tǒng)，如可口可樂上海工廠[9]等，也需要制冷機(jī)組制取冷水。根據(jù)制冷原理，制冷機(jī)組在制冷時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的冷凝熱，其冷凝熱通常是通過冷卻塔或者冷凝風(fēng)扇排放到大氣中，帶來了大量的能源浪費(fèi)，同時(shí)加劇城市的熱島效應(yīng)。

圖1 傳統(tǒng)的制取蒸氣與工藝熱水方法示意圖

如能將制冷過程中產(chǎn)生的冷凝熱回收用來制取低溫?zé)崴瑒t可以減少蒸氣的生產(chǎn)量；或可以用制取的低溫?zé)崴娴蜏刈詠硭腿胝魵忮仩t制取蒸氣則可以減少蒸氣鍋爐的燃料消耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的?；厥绽淠裏嶂迫≌魵馀c工藝熱水方法示意圖見圖2。

圖2 回收冷凝熱制取蒸氣與工藝熱水方法示意圖

1 熱回收原理

如上圖3所示，制冷機(jī)組中的冷凝器排熱包括兩部分，從點(diǎn)3至點(diǎn)4制冷劑由高溫汽體冷卻成溫度較低的汽體，其失去的熱量為顯熱；從點(diǎn)4至點(diǎn)5’制冷劑由高溫高壓的汽體被冷卻成高溫高壓的液體，其失去的熱量為潛熱。顯熱與潛熱之和為全熱。一般的冷凝熱熱回收裝置包括顯熱回收裝置與全熱回收裝置。顯熱回收即僅回收從點(diǎn)3至點(diǎn)4之間的冷凝器排熱；其回收的熱量與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度、過冷度有關(guān)，一般其顯熱回收量為全部冷凝熱的15%左右，但由于顯熱回收時(shí)制冷劑汽體的溫度較高，故可以制取較高的熱水溫度，如采用R134a冷媒時(shí)熱水溫度最高可達(dá)55～60 ℃左右。而全熱回收則可以100%回收從點(diǎn)3至點(diǎn)5’之間的全部顯熱與潛熱部分，但由于制冷機(jī)組的冷凝溫度較低(38 ℃左右)，制取的熱水溫度相對(duì)較低，采用R134a冷媒時(shí)最高可達(dá)50 ℃左右。由于一般飲料廠需要大量的工藝用熱，故采用全熱回收更為合適。

圖3 熱回收方式在壓焓圖上的表示

2 帶熱回收型冷水機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱回收冷凝器模式分析

2.1.1 雙冷凝器串聯(lián)型 如圖4所示，在制冷機(jī)組的壓縮機(jī)與冷凝器之間串聯(lián)一個(gè)熱回收冷凝器，用于回收從壓縮機(jī)出來的高溫高壓制冷劑氣體中的顯熱和潛熱，降低溫度以后再進(jìn)入制冷機(jī)組的冷卻水冷凝器。熱回收冷凝器回收部分或全部熱量用于加熱工藝用熱水，其余的冷凝熱則傳遞給冷卻水通過冷卻塔傳遞至大氣中。這種型式的熱回收系統(tǒng)可以通過合理設(shè)計(jì)熱回收器的換熱面積并在熱回收系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全部顯熱回收或部分熱回收(全部顯熱或部分潛熱)或全熱回收(全部顯熱和全部潛熱)，并加裝控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入熱回收冷凝器和標(biāo)準(zhǔn)冷凝器中的水量及進(jìn)出水溫差[10-11]，以實(shí)現(xiàn)在高熱水溫度下的高熱回收率。一般熱水溫度可達(dá)55～60 ℃。這種類型的熱回收冷凝器的設(shè)計(jì)通常用在用戶現(xiàn)場(chǎng)的改造上。

2.1.2 雙冷凝器并聯(lián)型 如圖5所示，從壓縮機(jī)出來的高溫高壓的制冷劑氣體經(jīng)過熱回收冷凝器或者冷卻水冷凝器，熱回收冷凝器將熱量傳遞給工藝用熱水，而冷卻水冷凝器則將熱量通過冷卻塔傳遞至大氣中。這種形式一般熱回收的效率較高，但是由于熱回收冷凝器既回收了高溫高壓制冷劑的顯熱也回收了潛熱，其回收的熱水溫度不會(huì)太高。但是由于涉及到兩個(gè)冷凝器工作時(shí)最終冷凝溫度的控制，兩個(gè)冷凝器不能同時(shí)使用。

圖4 雙冷凝器串聯(lián)型

圖5 雙冷凝器并聯(lián)型

2.1.3 復(fù)合冷凝器型 如圖6所示，這種冷凝器實(shí)為熱回收冷凝器與冷卻水冷凝器的串聯(lián)綜合體，熱回收冷凝器的設(shè)計(jì)根據(jù)是回收顯熱還是回收全熱而進(jìn)行設(shè)計(jì)熱回收冷凝器換熱面積的大小。此種設(shè)計(jì)可以減少機(jī)組的體積，節(jié)約制造成本、運(yùn)行控制簡單而被設(shè)備制造廠家廣泛使用。

2.2 熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如前所述，采用分體串聯(lián)型雙冷凝器和復(fù)合冷凝器都可以實(shí)現(xiàn)全熱回收。對(duì)于改造項(xiàng)目，可以采用在原制冷機(jī)組上加裝熱回收冷凝器串聯(lián)的方式，熱回收冷凝器的換熱面積按照回收全部顯熱和潛熱進(jìn)行計(jì)算。

考慮到季節(jié)變化時(shí)，進(jìn)水溫度變化較大，并且制冷機(jī)組的制冷量隨季節(jié)的變化而變化；而工藝所需的熱水溫度基本一致、熱水量變化不大的特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，故考慮在系統(tǒng)中安裝了一個(gè)蓄熱水箱，通過將蓄熱水箱中的水在熱回收冷凝器內(nèi)循環(huán)加熱以實(shí)現(xiàn)逐步提高水箱內(nèi)的熱水溫度至設(shè)計(jì)溫度。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)上加裝了自動(dòng)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在保證通過自動(dòng)調(diào)整水流量、進(jìn)出水溫差以實(shí)現(xiàn)高熱水出水溫度下的高熱回收效率。

圖6 復(fù)合冷凝器型

整個(gè)熱回收系統(tǒng)的原理示意圖見圖7。

圖7 帶循環(huán)水箱的冷凝熱回收系統(tǒng)原理圖

2.3 熱回收系統(tǒng)控制策略

以控制機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行、提高熱回收效率、保證熱水系統(tǒng)的水溫為前提，制定如下的運(yùn)行模式[12-13]：

(1) 運(yùn)行初期，熱回收冷凝器熱水的出口溫度低于系統(tǒng)設(shè)定冷凝溫度時(shí)，熱水循環(huán)泵滿載循環(huán)運(yùn)行、冷卻水泵不運(yùn)行；水箱內(nèi)水溫逐漸升高至機(jī)組冷凝溫度。此時(shí)熱回收冷凝器回收全部顯熱和潛熱。

(2) 當(dāng)熱回收冷凝器熱水的出口溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定冷凝溫度時(shí)，熱水循環(huán)泵低頻運(yùn)行、冷卻水泵低頻運(yùn)行，此時(shí)回收部分顯熱和部分潛熱，逐步提高水箱內(nèi)水溫。兩個(gè)水泵的運(yùn)行頻率的調(diào)節(jié)以制冷機(jī)組的冷凝溫度為控制依據(jù)。當(dāng)冷凝溫度超過設(shè)定值時(shí)，降低熱水循環(huán)泵的運(yùn)行頻率，提高冷卻水泵的運(yùn)行頻率。反之亦然。

(3) 當(dāng)熱回收冷凝器的熱水出口溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，停止熱水循環(huán)泵運(yùn)行，冷卻水泵滿載運(yùn)行。

(4) 當(dāng)水箱內(nèi)熱水量減少時(shí)，開啟水箱內(nèi)補(bǔ)水開關(guān)，水箱內(nèi)熱水溫度降低，開啟并調(diào)節(jié)相關(guān)水泵，回收制冷機(jī)組的冷凝熱以提高水溫。

通過該冷凝熱回收裝置回收制冷主機(jī)的冷凝熱，可以將水溫從5～7 ℃提高至50～55 ℃。在將蓄熱水箱內(nèi)熱水送至各用水點(diǎn)時(shí)，通過調(diào)整蒸氣輔助加熱裝置，即可滿足各用水點(diǎn)的熱水溫度要求。

3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

以上海可口可樂碳酸飲料廠為例計(jì)算。該項(xiàng)目的主要制冷、制熱設(shè)備配置見表1[9]。

3.1 制冷機(jī)組冷凝熱回收量

該項(xiàng)目3臺(tái)制冷機(jī)組常年運(yùn)行，其冷凝熱可以回收利用。根據(jù)制熱量的需要，可考慮在其中一臺(tái)制冷量為4 570 kW的離心式制冷機(jī)組上加裝全熱回收裝置，同時(shí)按照原理圖5所示加裝相應(yīng)的水泵、水箱與控制系統(tǒng)。

表1 上?？煽诳蓸诽妓犸嬃蠌S制冷與制熱設(shè)備一覽表?

Table 1 Refrigeration and heating equipment list of shanghai Coca - Cola carbonated beverage plant

機(jī)組類型機(jī)組型號(hào)制冷量/kW數(shù)量/臺(tái)離心式制冷機(jī)組1300TR4570(R134a冷媒)2螺桿式制冷機(jī)組300TR1055(R134a冷媒)1蒸氣鍋爐4t/h,1.25MPa33632

? 1.25 MPa的蒸氣的焓值為2 784.7 kJ/kg[14]17，5 ℃水的焓值為21.02 kJ/kg[14]20。故4 t/h鍋爐所需要的供熱量為4 000×(2 784.7-21.02)=11 054 720 kJ=3 073 kW。

則這臺(tái)離心式冷水機(jī)組的冷凝熱回收量計(jì)算：

假設(shè)制冷機(jī)組的運(yùn)行能效比COP為5.5 kW/kW，全熱回收。

則制冷機(jī)組耗電量Q電=制冷量Q1/能效比COP=4 570/5.5=831 kW

則冷凝熱Q冷凝=制冷量Q1+機(jī)組耗電量Q電=4 570+831=5 401 kW=1.944×107kJ/h

按照千克標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量為29 308 kJ計(jì)算，制取上述熱量需要消耗標(biāo)準(zhǔn)煤663 kg/h。如按照該制冷機(jī)組中的熱回收裝置每天工作8 h計(jì)算，每天可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5.307 t。如按照每年運(yùn)行200 d計(jì)算，則每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 007.4 t，其節(jié)約的能源是非?？捎^的。

3.2 采用冷凝熱回收裝置的等價(jià)收益

采用該回收系統(tǒng)的等價(jià)收益見表2。

由表2可知，在這臺(tái)制冷機(jī)組上加裝熱回收系統(tǒng)以后，對(duì)比采用燃?xì)忮仩t加熱工藝用水，每年可以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用275.9萬元?？紤]到項(xiàng)目改造時(shí)由于在機(jī)組上必須增加熱回收冷凝器、水箱與循環(huán)水泵、自動(dòng)控制系統(tǒng)及相關(guān)管道及閥門，實(shí)際改造費(fèi)用約為180萬元。計(jì)算只需0.65年即可收回初投資。其投資效益是非?？捎^的。

表2 采用其他能源獲得等量熱量的運(yùn)行費(fèi)用?

? 熱回收系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間按200 d計(jì)算，每天運(yùn)行時(shí)間按8 h計(jì)算。

4 結(jié)論

(1) 既有工藝制冷同時(shí)又有工藝用熱的碳酸飲料生產(chǎn)廠等食品工廠，在制冷機(jī)組上安裝冷凝熱回收裝置，其回收的熱量是非?？捎^的，節(jié)能效果明顯。

(2) 由于冷凝熱回收裝置回收得到的熱水溫度較低，必須采取其他的再熱措施將回收得到的熱水加熱至工藝所需的溫度。這些再熱裝置，可以采用蒸氣再熱器或高溫?zé)岜肹15]等。

(3) 必須說明的是，在回收冷凝熱時(shí)，如需要制取的熱水溫度過高，將導(dǎo)致制冷主機(jī)的冷凝溫度過高；冷凝溫度過高，將導(dǎo)致耗電功率增加，機(jī)組的能效比下降，同時(shí)使冷凝器內(nèi)的壓力過高，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，合理設(shè)置冷凝溫度是保證穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)又不影響機(jī)組能耗的關(guān)鍵。

(4) 熱回收系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以按照指定的優(yōu)化運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)機(jī)組在高回收效率的前提下保證高熱水溫度。本項(xiàng)目在今后的運(yùn)行中須根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況優(yōu)化調(diào)整熱水溫度與冷凝溫度的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果。

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Energy saving and economical analysis of heat recovery chillers for beverage factory

CHENShu-wenGUOYi-ting

(HunanUrbanConstructionCollege，Xiangtan,Hunan411101,China)

Introduces the present situation of preparation of hot water for production process of carbonated drinks plant in China. Referring the traditional scheme of condensation heat recovery in refrigerating unit, the heat recovered from the condensation can preheat the water for steam boil and producing low temperature hot water, then the energy consumption of boilers will be reduced. This new scheme can save large amount of energy of carbonated drinks plant for reference.

carbonated drinks plant; condensation heat recovery; saving energy and reducing consumption of fuel

陳樹文(1968—)，男，湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級(jí)工程師。E-mail：1454422178@qq.com

2016-08-30

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.10.023