奶站节能减排“冷热联供机组”的研究和开发

郭日东 刘平原 李长智 李效 魏小军

内蒙古伊利实业集团股份有限公司原奶事业部 010030

“冷热联供机组”是采用特殊工艺，一种专利新型热泵，将原料奶制冷过程中产生的余（废）热进行有效回收，用来加热生产用水至85℃，作为挤奶设备和管道的CIP 清洗使用。优点是取代了传统燃煤（用电）锅炉生产热水的方式，节约了大量的一次能源，达到节能、低碳的运营效果，在国内外属于首次使用，对于奶业的可持续发展具有非常重要的战略意义。“冷热联供机组”的产业化发展前景广阔，是打造“绿色产业链”的首选设备。

1 原料奶生产过程中的余热

在原料奶的生产过程中，牧场和小区的奶站都配备有现代化挤奶设备。奶站日常生产经营中有两个必不可少的生产环节：一个是对鲜奶快速制冷环节，另外一个环节是生产热水用于挤奶设备的清洗。现阶段，奶站鲜奶制冷环节使用的是高性能的制冷压缩机，在热水供应环节，绝大部分的奶站使用的是燃煤锅炉。使用燃煤锅炉供应热水造成很多问题，如费用较高、煤炭储存成本大、需要额外支出人力和运输成本、污染严重等。

将生鲜牛奶制冷过程中产生的余热进行回收再利用，研究和开发奶站冷热联供机组系统，使制冷过程中产生的热量用来生产奶站所需的85℃热水。因降低了制冷负荷，可以使整个制冷系统的电能消耗降低约15%。更重要的是余热直接转换为奶站每日生产所需的热水，替代了传统燃煤锅炉，形成奶站经营中热水供应的新方式，使得整个生产环节的能源使用降低60%左右。既能把生产的牛奶及时制冷，又能生产供应清洗挤奶设备所需的热水，实现了热能资源的再次利用，满足了奶站生产经营活动中制冷和制热的现实需要，实现了节能减排，降低奶站生产管理费用，保护了生态环境，对奶业“绿色产业链”的发展具有很大的推动作用。

2 冷热联供机组系统的原理

（1）主要是使用热泵的节能原理。热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分。因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。

（2）热泵是以冷凝器释放出的热量来供热的制冷系统，它被形象地称为“热量倍增器”。目前在市场上广泛出现的家用冷暖空调器上就已经广泛地应用了热泵制热，其制热系数已高达3 以上。

（3）本机组系统使用的热泵是相关高科技节能公司专门研发的一种专利新型高温热泵，将36-38℃鲜奶热量进行吸收后，直接由热泵系统生产出85℃的热水。

3 冷热联供机组系统的特点

3.1 系统兼容性

便于对原有的冷藏系统改造，只需将原系统液管连接至热水系统即可。

3.2 能效高

采用板式换热器作为热回收换热器后，增大了冷藏系统的过冷度，提高了冷藏系统的能效。采用特殊工艺技术，利用低品位废热产生85℃高温热水，相比锅炉节约了大量的一次能源。

3.3 系统简单，技术成熟

原有制冷系统相对独立，改动小，若热水系统发生故障，不会影响到牛奶冷藏系统的运行。热水系统技术经过验证是可行的。

4 奶站冷热联供系统的关键技术

4.1 喷气增焓压缩机系统

该系统的应用能产生85℃的高温热水，技术功能特点：

（1）浮动密封：专门设计适应高压缩比。

（2）定涡旋盘及动态排气阀：专门设计适应高压差。

（3）EVI：控制安全排气温度。

（4）电机：高绝缘等级电机。

（5）喷气增焓系统：高温喷气增焓压缩机、高效过冷器及电子膨胀阀形成的经济器、高效换热器共同构成了热水机系统。

4.2 高效盘管壳式换热器

该换热器非常适合应用在小流量、大温差的应用场合，确保系统的高效和稳定。该技术功能特点：

（1）结构紧凑，高效率：内部采用高效换热管,其换热面积是光管的3.7 倍，管外肋片以及管内里脊能引起冷媒及冷却水的强烈紊流，因此传热效率大大提高。

（2）逆流布置：冷却水回路和冷媒回路逆流布置，可保证出口冷媒过冷度，相应提高系统效率。

（3）适应较大的进出水温差：减少冷凝水循环量，相应缩小冷凝水水管尺寸和循环泵规格；水侧的较低压降低了泵功率以及运行费用。

（4）可冷冻清洗：螺旋盘管使水流通畅，便于实施冷冻清洗；冷冻清洗可缩短停机时间，并避免了化学药剂的使用。

（5）制冷剂回路与壳体间隙小：不会造成润滑油滞留，可保证回油。

（6）水路盘管无内部接头：降低了泄露因素，5MPa 压力测试，保证换热器安全稳定运行。

4.3 智能的流量水温调节

安全高效地获得稳定的水温，技术功能特点：

（1）基于智能化调整，自校正，自适应算法来实现。

（2）具有原理简单，使用方便，适应性强，对模型依赖性少。

（3）可以在各种恶劣的环境下得到30℃-85℃稳定出水。

（4）出水快，稳定，产水量大。

（5）对系统变化反应迅速。

5 冷热联供节能机组系统效益分析

以某奶站安装的一台冷热联供机组为例，该奶站每班次制冷原奶量为4t，每个挤奶班次运行2.5小时，每天2 次挤奶共计运行5 小时，生产85℃高温热水1.04t。

5.1 经济效益

生产1.04t 85℃高温热水需要耗煤80kg，以煤的发热量5000 千卡、锅炉效率按80%计算，煤价按每吨¥700 元计，耗煤费用为¥55.8 元（未计算稳火消耗的煤）。制热机组运行5 小时，耗电量为25KW/h，费用为¥20 元（电费按每度¥0.8 元计算）。

这样，奶站每天节省¥35.8 元，节约能源60%;全年可节省¥13067 元，节煤29.2 吨。

5.2 性价比

冷热联供机组设计寿命10年,燃煤热水锅炉设计寿命3年,冷热联供机组的设计寿命是燃煤热水锅炉的3.3 倍。

0.5t 燃煤锅炉单价大约为每台¥13000 元，冷热联供机组每台单价为¥18200 元。

5.3 社会环境效益

以生产使用1040kg 85℃热水计算，使用冷热联供机组比燃煤锅炉全年可减少CO2排放量为75.6t，相当于植树1.67 万棵，社会效益十分明显。