简介
由于水的高蒸发焓，干燥过程是能源密集型的，并且它们通常使用化石燃料加热，没有或有限的废热回收。据估计，发达国家12%-25%的全国工业能源消耗归因于工业干燥。 [1-3] 因此，干燥过程可以显着提高工业效率。工业热泵将未使用的废热转化为有价值的工艺热，因此，它们提高了工艺效率和电气化工艺的份额。提供高达160°C工艺热量的高温热泵在工业中提供了更广泛的应用，非常适合干燥工艺。
在 H2020 项目 DryFiciency 中，开发并展示了几种高温热泵：基于闭环蒸汽压缩系统的空气干燥过程热泵和基于开环机械蒸汽再压缩系统的蒸汽干燥热泵。这一贡献提供了对用于空气干燥的两个闭环压缩热泵的演示工厂运行的见解。闭环热泵使用 Chemours 的制冷剂 R1336-mzz(Z)，它基于HFO（氢氟烯烃）。该制冷剂已在AIT的实验室规模热泵原型中成功测试，适用于高达 160 °C的高温应用 [4]。它的 GWP 值很低，为 2（全球变暖潜能值），不易燃、无毒且不受含氟气体法规的约束。两种类型的压缩机适用于高温应用：Bitzer Kühlmaschinenbau 的螺杆式压缩机和 Viking Heat Engines 的活塞式压缩机。Fuchs Schmierstoffe 成功开发出一种与制冷剂化学和热稳定的新型润滑剂。热泵循环设计针对高达160°C的供热温度进行了优化，并能够以高效率覆盖广泛的运行状态。基于数值模拟，选择了双循环布局。[5]
第一台DryFiciency热泵安装在 Wienerberger 的砖生产设施中，在那里它充当先前安装的热驱动热泵的增压器。在砖烘干机的最后一个区域提供高达160°C的热量，那里的高温是最有益的。热泵配有8台活塞压缩机。第二个DryFiciency热泵集成在 Agrana 的淀粉干燥机中，该干燥机使用 160°C 的热空气作为干燥剂。热泵在60°C至80°C的温度下回收其他工艺的废热，并配备两台螺杆压缩机。
方法
热泵演示器配备多个传感器进行数据监测。温度传感器集成在制冷剂循环的所有重要部件，例如冷凝器、内部热交换器、膨胀阀、蒸发器和压缩机。压力传感器位于压缩机前后、冷凝器入口处和膨胀阀之前。电机的耗电量是根据功率、能量、电压、电流和功率因数来衡量的。此外，还集成了用于监控热源和散热器的热量表。来自过程控制系统的干燥过程的各种参数用于确定热泵对砖和淀粉干燥过程的影响。
从收集到可视化和报告的数据处理是在 AIT 借助 Python 脚本完成的。丢失的时间戳会自动检测并标记以供进一步分析。密度和比焓等流体特性是使用开源热物理特性库 CoolProp [6] 根据测量数据计算得出的。为了分析热泵的时间无关特性，例如特定操作条件下的 COP、热容量和电力消耗，开发了一个 python 脚本，该脚本自动过滤选定输入的定义网格上热泵数据的有趣时间序列变量，例如源和汇温度以及压缩机频率，每个变量都具有一定的离散化（温度为 5 K，频率为 10 Hz），例如Agrana 热泵产生了大约 200 万种组合。这些值被重新采样到它们的 90 秒平均值，并且只考虑热泵的正常运行（即没有启动）。对于要使用的时间戳，输入变量必须满足稳定性标准，即。e.与之前的时间戳相比，它们的值的绝对差异必须低于特定限制。对于生成的时间戳，存储相关变量的统计信息（时间戳数、平均值、标准差、最小值、最大值、四分位数）。对于评估，仅使用已监测超过 10 小时的操作条件。这允许用于数据分析的统计方法。
为了计算环境影响，将热泵数据与热效率为 90% 的天然气燃烧器进行比较，以提供相同数量的热量。使用基于当前欧洲平均值的一次能源因素：电力为2.1[7]，天然气为1.1[8]。CO2排放量计算为CO2当量，还考虑了其他温室气体，如甲烷或一氧化二氮。 2021 年，奥地利的电能使用量为 258 克二氧化碳当量/千瓦时，“绿色电力”的使用量为 16 克/千瓦时（用于 2030 年展望），天然气的使用量为 271 克/千瓦时。[9]在欧盟，目前使用电能平均排放275克/千瓦时。对于2030年的展望，排放量必须降至75.49克/千瓦时，以实现温室气体净减少55%。[10]
结果和讨论
事实证明，热泵的运行是成功的，幻灯片 8 和 9 提供了更长运行时间的热源和散热器温度快照。尽管热源温度存在波动，但热泵控制算法使散热器温度保持恒定，并且控制概念被证明是有利的。
在Wienerberger演示现场，热泵收集了大约4，000个运行小时。热泵在150°C至160°C的高温水平下运行约570小时。热量输出高达297 kW。COP范围从120°C / 84°C时的5.0（散热器出口/热源出口）到160°C / 89°C时的2.2。阿格拉纳用于淀粉干燥的热泵也运行了大约 4，000 小时。供热温度范围为90°C至160°C，最大热量输出为373 kW。这大约是干燥过程能源需求的10%。大约 900 小时是在高于 150°C 的供应温度下收集。由于热源温度较低，Agrana 演示器在较高的温度升高下运行。COP范围从121°C / 62°C（散热器出口/热源出口）时的3.1到153°C / 73°C时的2.7。幻灯片 7 提供了工作时间的概述，幻灯片 10 和 11 中提供了性能数据。与市场上其他工业热泵的效率数据进行比较表明，DryFiciency 热泵是高效率设备中的佼佼者。
通过与具有相同加热能力的天然气燃烧器进行比较，评估了两个热泵演示器在设计点（Wienerberger的供热温度为120°C，Agrana的138°C）运行的环境影响。结果显示在幻灯片 12 上，显示最终能源、一次能源和二氧化碳排放量大幅减少。与使用天然气相比，最终节能高达82%，从而在Wienerberger减少了约600吨/年的碳排放量。在阿格拉纳，最终节能约2，400 MWh/a，每年减少约660吨碳排放。
根据 DryFiciency 热泵的运行结果，计算出使用热泵代替燃气燃烧器时其他干燥过程的潜在节约。干燥过程中最常用的热源是含有干燥潜能的潮湿废气。假设排气的露点在 40-60°C 之间，源出口温度将在 40°C 左右，因此大大低于 DryFiciency 演示器使用的热源（Wienerberger：热驱动热泵提供的热量，Agrana ：废热回收循环提供的热量）。如果保持 160 °C 的最大供热温度，则使用潮湿的排气将温度提升增加到约 120 K。假设第二定律效率为 50%，这将导致较低的 COP 为 1.8。因此，幻灯片 14 中所示的节能潜力是以天然气燃烧器为基准，以最小 COP 1.8 和最大 COP 4.7 计算得出的。以湿空气运行的热泵可实现最终节能和 CO2 减排 50-81%。因此，干燥过程的能量效率显着提高。到 2030 年使用绿色电力，干燥过程几乎完全脱碳。因此，热泵是工业过程供热脱碳的重要因素。
结论
在DryFiciency 项目中，成功开发了两台闭环高温热泵，并在空气干燥工艺中进行了演示。总共收集了大约 8，000 小时的操作时间，涵盖了广泛的操作条件。事实证明，热泵的控制策略是可行的，保持了静止的运行条件，并平衡了热源的波动。
事实证明，这两种干式热泵都是一种非常有效的措施，可以显着降低供热的能耗和二氧化碳排放。与干燥过程中最常用的天然气燃烧器相比，热泵可将能耗降低50-80%，考虑到能源价格上涨，这是一项宝贵的资产。编译陈讲运
