制冷系统热回收技术

1.制冷系统的热回收应用

制冷循环在获得低温的同时，必须向环境放出热量。这些热量是制冷循环过程中产生的副产品。在科技发展的今天，由于能源资源的日渐减少，当设计一个冷链物流冷库时，如何提高能源效率是每一个设计人员必须考虑的首要问题。热回收是提高能源效率的重要一环。那么冷库最主要的热源在哪里？答案是在蒸发式冷凝器上。蒸发式冷凝器的热回收是冷库设计和建设中需要重点考虑的内容。从现有的利用情况来看，这些热源主要用于冷库的地坪加热和生产中热水的综合利用。

2.地坪加热的设计与计算

首先是地坪加热的流程设计：热源采用压缩机在蒸发式冷凝器的排气热量。根据冷库库温的要求，某个质量浓度乙二醇水溶液为热媒，其乙二醇不冻液循环流程为：热回收器（板式换热器）→循环泵→分水器→地坪加热管→集水器→热回收器（图11-1）。

然后计算不冻液地坪防冻方案负荷。

一般地坪防冻加热管敷设在冷库保温层下面的混凝土垫层里（图11-2、图11-3）。

1）地面下为加热管道的地坪围护结构。

地坪围护结构传热系数计算式为(11-1)

式中 α_w——通风加热管道的传热系数[W/（m²·℃）]；

δ₁，δ₂…——各种材料的厚度（m）；

λ₁，λ₂…——各种材料的热导率[W/（m·℃）]；

α_n——有鼓风设备的冷藏间的传热系数[W/（m²·℃）]。

图11-1 地坪加热流程示意图

图11-2 防冻加热管的敷设位置

2）通过地坪围护结构传入地下土壤的冷量，可用式（11-2）^[1]计算：

Q_g=KFα（t_w-t_n） （11-2）

式中 Q_g——围护结构传出的冷量（W）；

K——围护结构的传热系数[W/（m²·℃）]；

F——围护结构传热面积（m²）；

α——围护结构两侧温差修正系数；

t_w——围护结构外侧计算温度（℃）；

t_n——围护结构内侧计算温度（℃）。

3）土壤传到加热层的热量计算。需要先计算土壤传热系数，可用式（11-3）^[2]计算：

(11-3)

图11-3 地坪加热管的敷设

式中 K_tu——土壤传热系数[W/（m²·℃）]；

δ_tu——土壤计算厚度（m）；

λ_tu——土壤的热导率[W/（m·℃）]；

δ_i-n——加热层至土壤表面各层材料的厚度（m）；

λ_i-n——加热层至土壤表面各层材料的热导率[W/（m·℃）]。

土壤传到加热层的热量计算式为：

Q_tu=K_tuFα（t_w-t_n）

4）地面防冻加热负荷可用式（11-4）^[2]计算：

(11-4)(www.xing528.com)

式中 Q_f——地面加热负荷（W）；

α′——计算修正值，当室外平均气温低于10℃时宜取1，当室外平均气温不低于10℃时，宜取1.15；

Q_r——地面加热层传入冷间的热量（W）；

Q_tu——土壤传给地面加热层的热量（W）；

T——加热装置每日运行的时间，一般不宜小于2～4h（根据各个地区不同）。

5）根据计算出来的加热负荷，选取合适的热回收冷凝器。

6）选取泵以及设计乙二醇水溶液系统。

7）室内需要给乙二醇水溶液管道以及分水器和集水器做保温（图11-4）。

以上的计算是理论值。在实际中，由于用于冷库地面的保温材料在完成施工投入使用后，保温的效果会逐年下降，因此在计算时通常采用保守数值。这个保守数值是考虑在若干年后，由于保温效果逐年下降后的平均值。即地坪发生冻鼓现象，一般至少在冷库投产后5～8年的时间才能发生（如果地坪不做加热层）。

图11-4 乙二醇水溶液系统分水器、集水器及水泵

[例11-1] 以广州地区为例，冷链物流冷库的冻结物冷藏间（库温-20℃），采用冷风机作为蒸发器。如果采用这种不冻液地坪防冻方案，冷库面积在2000m²，冷藏间的地面做法如图11-2所示，细石混凝土150mm厚，地面保温采用高密度聚苯乙烯挤塑板250mm，那么地面防冻加热负荷是多少？

解：计算地坪围护结构传热系数，可用式（11-1）：

这里：混凝土的热导率λ=1.5468W/（m·℃），聚苯乙烯挤塑板的热导率按λ=0.03W/（m·℃），地下没有设置加热管道，α_w=0W/（m²·℃），冻结物冷藏间有鼓风设备，α_n=12W/（m²·℃）。

计算通过地坪围护结构传入地下土壤的冷量：

Q_g=KFα（t_w-t_n）=0.1175×2000×0.6×[5-（-20）]W=3525W≈3.53kW

围护结构两侧温差修正系数取0.6；加热层的平均温度取5℃。

这时需要选用保守数值^[1]，通常会采用K=0.31W/（m²·℃）。

传入地下土壤的冷量会变成：

Q_g=KFα（t_w-t_n）=0.31×2000×0.6×[5-（-20）]W=9300W=9.3kW

计算土壤传到加热层的热量：

广州地区土壤温度最低的两个月的平均温度为22℃（3.2m深），土壤的热导率一般取λ=1.4W/（m·℃）。

土壤按3.2m深处地温^[5]计算：

采用保守值时^[1]，K_tu=0.375W/（m²·℃）。

计算土壤传到加热层的热量：

Q_tu=K_tuF_α（t_w-t_n）=0.4375×2000×0.6×（22-5）W=8925W≈8.9kW

而采用保守值计算Q_tu=0.375×2000×0.6×（22-5）W=7650W=7.65kW。

计算地面防冻加热负荷（按保守值计算）：

根据计算的负荷可以选择合适的板式换热器。

在冷库地面的地质结构允许的条件下，采用这种地面防冻加热的做法不仅节能，还可以降低造价，是冷库地面防冻做法的发展方向。笔者对已经完工的项目进行比较，这种防冻做法的造价比冷库地面架空的做法节省60%左右。

需要注意的是：在使用高密度聚乙烯管（PE）作为加热管时，尽量减少管道的焊接口数量。一般情况下在完成设计图后，根据现场的实际尺寸，每一个回路不能有焊接口。即只有地面以上的集水器或者分水器上的接口，才可以进行（热熔）焊接，因此每一个回路尺寸直接为生产厂家定制尺寸。因为如果施工不慎造成漏水，不但不能防冻，还有可能造成地面冻鼓的现象出现。另外，在敷设加热管网的同时，还需要布点设置测温探头，以便在使用时能监测冷库地面加热层的温度变化情况。

3.热回收的其他应用

在冷冻食品加工厂，利用蒸发式冷凝器的余热回收，还可以提供生产用的辅助热水或者生活用的热水。