一种通过整合废热回收来提升CO?/NH?级联系统性能的新方法

《International Journal of Refrigeration》：A novel approach to enhance the performance of CO?/NH? cascade systems by integrating waste energy recovery

　　

摘要

本研究探讨了将废热回收技术应用于三种改进型的CO?/NH?级联制冷系统中的可能性，对比分析了这些系统与传统基准系统的能耗表现及经济可行性。所提出的改进方案利用高温回路压缩机排放的废热为鱼粉和鱼油生产所需的锅炉给水预热，同时利用海鲜加工废水中的冷能对低温回路进行过冷处理。第一种配置（CRS_H）在高温回路出口处设置热交换器以实现热量回收；第二种配置（CRS_C）则利用废水中的冷能来降低级联系统的热负荷；第三种配置（CRS_HC）则结合了这两种策略。仿真结果表明，CRS_HC相比基准系统可节省1.5%–7.5%的压缩机功率，COP值可提升1.6%–8.1%。在孟买的海岸环境下，CRS_HC的年能耗最低，可减少19.8%，同时季节性能源效率比最高，可提升24.7%。从经济角度而言，尽管初始投资较高，但CRS_HC的生命周期成本仍最低。鉴于全球范围内对可持续海鲜加工以及低碳技术的重视，这些研究结果为在工业制冷领域推广废热回收技术提供了依据，该技术有助于提高能源效率、减少运营排放，同时符合具有气候适应能力的工业发展政策。本研究为那些希望实现冷链脱碳并提升沿海食品产业资源利用效率的决策者和相关方提供了基于实证的参考意见。

引言

工业制冷属于高能耗行业，是易腐食品供应链中温室气体排放的主要来源之一。印度是全球第三大海鲜生产国，占全球总量的7.96%，2023–24年度的鱼类产量为1754万吨，其中出口量为173万吨，出口额达80.9亿美元（印度政府，2024年），增长率约为9.6%。鱼类加工过程每吨大约需要20千瓦时的能源，其中冷冻和冷藏环节的能耗占比高达50–70%（Muir，2015年）。印度在鱼糜出口方面排名世界第五，出口量达135万吨，出口额为2.9443亿美元（印度政府，2024年）。鉴于其较高的制冷需求，鱼糜加工需要高效的冷链系统。

一家位于孟买的鱼糜加工厂（日处理量27吨）提供了相关运行数据。该厂的冷却需求由多蒸发器结构的NH?蒸汽压缩制冷系统来满足。由于原材料供应的季节性变化，该厂经常处于部分负荷运行状态，因此需要采用适合部分负荷运行的低容量系统。为此，研究人员开发了一种模块化的日处理量10吨的CO?/NH?级联制冷系统，这种系统更具扩展性，且能减少NH?的使用量。该系统的详细参数可在（Saini等人，2021年）的研究中找到。此外，人口密集地区对高浓度NH?系统的使用限制，以及低于标准大气压的蒸发器工作压力（低于-35℃），都会增加空气和水分渗入系统的风险，这些因素也促使人们选择这种制冷系统。所设计的CRS系统在低温回路中使用CO?，在高温回路中使用NH?，充分利用这两种制冷剂的热物理特性来提升系统的热力学性能（Aminyavari等人，2014年；Dopazo和Fernández-Seara，2011年）。

此前已有大量研究针对CO?/NH?级联制冷系统展开分析。Patel等人（2019年）的研究表明，与CO?/C?H?相比，CO?/NH?系统的能量破坏程度更低，低6.42%。Tsamos等人（2019年）发现，在低温环境下，配备并行压缩机的CO?增压系统比单独的CO?增压系统以及CO?/NH?级联制冷系统的性能分别高出8.4%和8.6%，而在高温环境下，CO?/NH?级联制冷系统的性能更优。Adebayo等人（2021年）则研究了使用HFE7000、HFE7100、NH?和R134a作为制冷剂的CO?级联系统，测得它们的COP值分别为1.221、1.309、1.336和1.398，能量效率分别为41.06%、44.30%、45.84%和47%。Chen等人（2022年）通过在高温回路中增设辅助过冷装置，使得在10K的过冷条件下，COP值可提升4.58%。

实地调查表明，鱼类加工厂会产生大量的废热和冷能，但目前这些资源并未得到充分利用。用于漂烫、原位清洗以及鱼粉和鱼油生产的热能通常来自燃煤或燃木的锅炉，这导致了较高的二氧化碳排放。与此同时，加工鱼糜过程中产生的废水温度约为10℃，其产生量是加工后鱼糜量的8–20倍，尽管这些废水含有可回收的冷能，却仍然被直接排放掉（Yin等人，2023年）。目前还没有研究专门探讨从鱼糜加工废水中回收冷能的问题，关于在CRS系统中在级联冷凝器之前进行热量回收的研究也相对较少（Boahen和Choi，2019年；Singha等人，2023年；Yilmaz等人，2020年）。利用废冷能对低温回路中的制冷剂进行过冷处理，可以减轻高温回路的负荷以及压缩机的能耗，而回收高温回路压缩机排放的热量，则可以减少锅炉的运行需求以及化石燃料的消耗。

有关NH?制冷系统节能优化的相关研究可见[18]，研究表明通过采取一些改造措施，无需额外投资即可节省6076千瓦的能源，同时减少1860千瓦的轴功消耗。Huang和Yuan[19]通过采用热泵式废热回收技术，实现了每年219万人民币的节能效果，投资回收期为1.5年。Zhao等人[20]通过实验验证了高温NH?双螺杆压缩机热回收系统的有效性。Singh和Dasgupta[21]指出，使用从NH?系统中回收废热的CO?热泵，可使二氧化碳排放量和能源成本分别降低45.7%和33.8%。Oosthuizen等人[22]研究了在鱼粉生产过程中整合太阳能热能的可行性，而Hilmarsdottir等人[23]则指出了相关领域的环境问题及优化方向。不过，目前在鱼粉和鱼油生产领域中，废热废冷的综合回收利用仍然较为有限。

尽管海鲜加工业对制冷和制热的需求非常高，但在基于NH?/CO?的级联制冷系统中同时回收和利用废冷能与废热这一问题，目前相关研究还比较少。本研究的创新之处在于构建并评估了一种综合能源回收框架，该框架能够同时实现以下功能：首先，从鱼糜加工废水中有序回收冷能，并将其重新用于制冷系统中；其次，回收NH?/CO?级联制冷系统中的冷凝器排放热量，将其用于鱼粉和鱼油生产过程中的加热。据作者所知，这是首项利用工业规模的生产数据，研究如何在海鲜加工厂中同时利用废冷能和废热的研究。通过将制冷需求与工艺加热需求相结合，所提出的方法有望提升整个行业的能源效率，降低运营成本，减少温室气体排放，从而助力印度实现其气候减缓目标。

因此，本研究的目标如下：

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  利用工业生产数据，找出在鱼糜加工厂以及鱼粉和鱼油生产厂中整合冷能和热能回收技术的可行途径。
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  评估在这些工厂中回收利用废冷能和废热技术的能源、环境及经济可行性。
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  分析在海鲜加工业中通过综合能源回收技术减少碳足迹的潜力。

章节要点

鱼糜、鱼粉及鱼油加工厂的参数说明

本研究基于从印度孟买的一家鱼糜加工厂以及一家鱼粉和鱼油生产厂收集到的数据。这两家工厂代表了沿海地区食品加工厂的典型规模和气候条件。为了提高研究的可靠性，本研究采用了行业通用的数据，因此研究结果具有普遍适用性，可推广到全球其他类似行业。图1展示了研究的流程以及所采用的方法。

本研究首先对相关内容进行了概述

制冷系统简介

鱼糜加工厂在所需冷水供应、制冰、冷藏以及冷冻等环节的制冷需求，都是通过多蒸发器结构的蒸汽压缩制冷系统来满足的。经过初步评估后，研究人员设计了一种多温度段的级联制冷系统，以提高能源效率，该系统也被作为本研究的基准系统（见图4(a)）（Saini等人，2021年）。该系统包含四个蒸发器，分别用于满足冷水供应、制冰、冷藏以及冷冻需求。

数学模型

该数学模型的建立基于以下假设（Alberto Dopazo等人，2009年）：

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  系统处于稳态且稳定流动的状态下运行。
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  除吸气管道外，管道中的压力损失和热量损耗均可忽略不计。
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  从蒸发器流出的制冷剂为干饱和蒸汽。
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  从冷凝器以及级联冷凝器流出的制冷剂为饱和液体。
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  节流过程为等焓过程。
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  压缩过程为绝热过程，其等熵效率取决于

结果与讨论

对于在指定环境条件及负荷范围下运行的各类系统，首先确定基准系统的最佳级联冷凝器温度，之后所有系统的冷凝器温度均固定不变，以此确保获得最高的COP值（Singha等人，2024年；Vaishak等人，2023b年）。在15–45℃的冷凝温度范围内，对低温回路和高温回路的性能进行了评估，所有系统都在相同条件下进行比较。此外，还进行了全年范围的性能分析，以计算能源效率系数和季节性能系数。从经济角度

结论

本研究全面分析了三种旨在从海鲜加工过程中的冷凝流体中回收废热、从清洗水中回收冷能的系统级集成方案。研究了这些改进型CO?/NH?级联制冷系统的能源性能和经济可行性，并将它们的性能与传统的CO?/NH?级联制冷系统进行了对比。与之前的同类系统相比，采用废热和冷能回收技术的CO?/NH?级联制冷系统具有明显的优势

CRediT作者贡献说明

Santosh Kumar Saini：文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿撰写、可视化处理、结果验证、资源协调、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构思。Prosenjit Singha：文章撰写——初稿撰写、可视化处理、结果验证、软件应用、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构思。Pramod Kumar Singh：文章撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理工作、资金筹措。Kristina Norne Widell：文章撰写

Santosh Kumar Saini|Prosenjit Singha|Pramod Kumar Singh|Kristina Norne Widell|Mani Sankar Dasgupta