王志輝

?

應(yīng)用于交聯(lián)電纜的熱泵去氣室恒溫節(jié)能系統(tǒng)

王志輝

（廣州南洋電纜有限公司）

針對交聯(lián)電纜生產(chǎn)過程的去氣環(huán)節(jié)能耗較大，去氣室內(nèi)溫度差異大、熱量分布均勻性控制難的問題，提出一種應(yīng)用于交聯(lián)電纜去氣工藝的熱泵去氣室恒溫節(jié)能系統(tǒng)。在分析熱泵工作特性、去氣室能耗和熱路的基礎(chǔ)上，采用熱泵節(jié)能、廢熱回收和氣流流道優(yōu)化規(guī)劃等改造去氣室，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證改造效果。驗(yàn)證結(jié)果表明：與傳統(tǒng)電加熱方式比較，熱泵加熱方式能提前21 h達(dá)到目標(biāo)溫度，節(jié)能約60%；同時，熱泵加熱溫度升幅更平滑、熱量分布更均勻。因此，熱泵技術(shù)應(yīng)用于交聯(lián)電纜去氣工藝，具有節(jié)能、環(huán)保、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢。

熱泵；去氣室；節(jié)能；熱量分布；氣流流道優(yōu)化

0　引言

交聯(lián)電纜生產(chǎn)過程中，絕緣內(nèi)會產(chǎn)生微量甲烷、水等小分子雜質(zhì)，這些雜質(zhì)呈離散態(tài)分布于絕緣內(nèi)。若不對電纜進(jìn)行去氣處理，長期使用后，小分子雜質(zhì)將以聚集態(tài)存在于絕緣內(nèi)或絕緣與附件交界面，造成電纜絕緣缺陷，易發(fā)生擊穿等故障，造成電纜運(yùn)行事故。因此，交聯(lián)電纜（特別是高壓交聯(lián)電纜）生產(chǎn)中必須進(jìn)行去氣工藝處理[1]。傳統(tǒng)去氣室的加熱方式是電加熱[2]，將空氣加熱至目標(biāo)溫度，然后利用風(fēng)機(jī)將加熱后的空氣送入去氣室。電加熱方式易出現(xiàn)去氣室局部溫度過高的問題，進(jìn)而損傷電纜；同時去氣室內(nèi)易發(fā)生熱短路，造成熱氣流分布不均勻，出現(xiàn)熱不足區(qū)、熱聚集區(qū)，間接影響電纜去氣效果。

熱泵從外界環(huán)境獲取低位熱能，經(jīng)過電能做功，可提供高位熱能[3]。近年來，熱泵技術(shù)已成為倍受關(guān)注和重點(diǎn)研究的新能源技術(shù)[4]。張學(xué)鐳（2013）等利用吸收式熱泵回收循環(huán)水中的余熱，對能量進(jìn)行梯級利用，并對熱泵供熱方式進(jìn)行熱力性能評價，但未通過實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證評價模型[3]。孫維拓（2014）等對主動蓄放熱與熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)及各組件的加熱性能系數(shù)、可用能損失、損失比和可用能效率進(jìn)行分析、評價，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)優(yōu)化，但該系統(tǒng)未應(yīng)用到實(shí)際[5]。吳興應(yīng)等（2015）和徐鵬（2015）分別研究太陽能光電熱一體化系統(tǒng)中熱泵應(yīng)用技術(shù)，利用熱泵將太陽能產(chǎn)生的地位熱能轉(zhuǎn)換為高位熱能，建立太陽能光電熱一體化系統(tǒng)與熱泵耦合的熱力模型[6-7]。Kuzmic N等（2016）研究混合動力地源熱泵系統(tǒng)，提出一種二維有限體積模型并應(yīng)用于地下耦合熱泵系統(tǒng)[8]。目前尚未見到熱泵技術(shù)在交聯(lián)電纜去氣中應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)、報道。

本文在分析熱泵節(jié)能模型和交聯(lián)電纜電加熱去氣模型的基礎(chǔ)上，提出一種應(yīng)用于交聯(lián)電纜去氣工藝的熱泵去氣室恒溫節(jié)能系統(tǒng)。通過熱泵節(jié)能、拉絲工序廢熱回收、氣流流道優(yōu)化規(guī)劃對電纜生產(chǎn)中去氣室進(jìn)行改造。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源循環(huán)利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1　熱泵節(jié)能模型

熱泵是熱能運(yùn)送裝備，通過電能驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行熱能吸收與釋放，實(shí)現(xiàn)制熱或制冷功能。假設(shè)熱泵耗用電能將A處熱能輸送至B處，則A處熱能減少，溫度降低；B處熱能增加，溫度升高。此時，熱泵制冷能效為1，制熱能效為2= ()/=/+1?？梢钥闯?，熱泵制熱能效比制冷效率多1。熱泵能效總和=1+2/+(+)/2(/)+1。

熱源溫度與最終溫度的溫差決定了熱泵能效，溫差越大，能效越低。熱泵吸收低品位熱能并將其轉(zhuǎn)化為高品位熱能，再將熱能搬運(yùn)至需要熱量的區(qū)域釋放。熱泵工作原理示意圖如圖1所示。

圖1　熱泵工作原理示意圖

熱泵具體工作過程：

1) 熱泵載運(yùn)熱能的媒介是冷媒，制熱循環(huán)始于冷媒被壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓氣態(tài)，如圖1中125℃、25 kg的高壓高溫氣體；

2) 在冷凝器中高壓高溫氣體與被加熱物進(jìn)行熱交換，冷媒降溫變?yōu)楦邏褐袦匾簯B(tài)，如圖1中45℃、25 kg的高壓中溫液體；

3) 高溫中壓液態(tài)冷媒經(jīng)過膨脹閥降壓，形成極低溫的低壓氣液混合體；

4) 低壓氣液混合冷媒在蒸發(fā)器中吸熱后返回壓縮機(jī)，再返回過程1)開始重復(fù)循環(huán)吸熱（制冷）與放熱（制熱）工作。

2　交聯(lián)電纜電加熱去氣模型分析

在電纜生產(chǎn)過程中，去氣室溫度控制的重要指標(biāo)是熱氣流均勻性。去氣室內(nèi)熱氣流流動時，具有嚴(yán)重趨向阻力最小的路徑前進(jìn)特性，造成熱量分布不均勻；且在長方形去氣室中放置2盤電纜時，氣流很難均勻圍繞電纜盤周圍流通，因此易造成短路。由于上述原因，難以實(shí)現(xiàn)電纜生產(chǎn)中去氣室內(nèi)溫度均勻分布。

交聯(lián)電纜的最佳去氣工藝溫度為（65±3）℃。改造前，通過電加熱后吹入去氣室中的空氣溫度可達(dá)600℃，且熱量分布不均勻，易灼傷電纜。

改造前去氣室氣流流通示意圖如圖2所示，短路氣流造成熱能分布不均勻，產(chǎn)生熱聚集區(qū)與熱不足區(qū)，使電纜加熱不均勻。處于熱聚集區(qū)內(nèi)的電纜存在過熱隱患；處于熱不足區(qū)內(nèi)的電纜出現(xiàn)電纜加熱不足、去氣不完全的問題。并且，采用電加熱的去氣室需經(jīng)過約45 h加熱后，室內(nèi)各處溫度才達(dá)到工藝要求的溫度，耗費(fèi)大量工時和能源。

圖2　改造前去氣室氣流流通示意圖

為降低氣流短路造成的溫度分布不均勻，可通過加大風(fēng)速以產(chǎn)生強(qiáng)大湍流，使去氣室內(nèi)溫度均勻性得到改善，但卻產(chǎn)生高壓風(fēng)機(jī)高耗能問題。功率18 kW的高壓變頻風(fēng)機(jī)，以8 kW~10 kW功率全時運(yùn)轉(zhuǎn)，其能耗約占去氣室整體能耗的一半。

3　熱泵去氣室恒溫節(jié)能改造

生產(chǎn)電纜的去氣室節(jié)能改造包括3方面優(yōu)化：熱泵節(jié)能、冷卻廢熱回收和氣流流道優(yōu)化規(guī)劃。

3.1 熱泵節(jié)能與冷卻廢熱回收

生產(chǎn)電纜的拉絲工序可產(chǎn)生35℃~50℃、150 kW的冷卻廢熱，可回收這些廢熱加熱進(jìn)入去氣室的空氣，替代原來的電加熱。每年可回收高達(dá)4×109kJ廢熱，節(jié)省近90萬元電費(fèi)。

熱泵具有制冷、制熱雙重功能，提高其制熱能效是熱泵去氣室恒溫節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。影響熱泵制熱能效最直接因素是熱源，拉絲機(jī)冷卻水廢熱即為其優(yōu)質(zhì)熱源。熱泵以高于30℃的拉絲冷卻水為熱源，將空氣加熱為去氣室所需的70℃熱風(fēng)，能效達(dá)到260%，相比傳統(tǒng)電加熱方式95%能效，可節(jié)省50%~60%的能源。

3.2 氣流流道優(yōu)化規(guī)劃

氣流流道優(yōu)化規(guī)劃重點(diǎn)是氣流流動通暢性。優(yōu)化規(guī)劃后去氣室氣流流道示意圖如圖3所示。

圖3　優(yōu)化規(guī)劃后去氣室氣流流道示意圖

氣流流道優(yōu)化規(guī)劃包含3方面：1) 增設(shè)強(qiáng)制回風(fēng)，導(dǎo)引氣流流向，消除氣流短路；2) 出風(fēng)溫度為70℃，不會使電纜過熱，通過大風(fēng)量、低風(fēng)壓、低風(fēng)速提高氣流均勻性，并降低風(fēng)機(jī)功率，若風(fēng)機(jī)出風(fēng)量由3000 m3/h提高到12000 m3/h，風(fēng)壓由1500 Pa降低至300 Pa，則風(fēng)機(jī)功率由18 kW降低為5.5 kW；

3) 根據(jù)電纜盤擺放的空間位置，規(guī)劃氣流流道，降低風(fēng)阻。

氣流流道優(yōu)化規(guī)劃后去氣室設(shè)計(jì)圖如圖4所示。通過氣流流道優(yōu)化規(guī)劃，整個循環(huán)加熱系統(tǒng)節(jié)能、高效、加熱均勻。

4　改造效果測試

通過實(shí)際測試驗(yàn)證熱泵去氣室恒溫節(jié)能改造效果，去氣室改造前和改造后設(shè)置測溫點(diǎn)位置示意圖如圖5所示，去氣室電加熱方式與熱泵加熱方式能耗對比表、溫度變化對比表分別如表1和表2所示。

1) 由表1可以看出熱泵加熱方式比傳統(tǒng)電加熱方式節(jié)能約60%；

2) 由表1和表2可以看出，電加熱方式需連續(xù)加熱約45 h才能將去氣室內(nèi)溫度加熱至65℃，而熱泵加熱方式僅需約24 h便可達(dá)到目標(biāo)溫度。并且，相對于電加熱方式，熱泵加熱方式各測點(diǎn)溫度升幅更平滑、溫度分布更均勻。

(a) 正視圖 (b) 俯視圖 (c) 軸測圖

(a) 改造前(b) 改造后

表1　去氣室電加熱方式與熱泵加熱方式能耗對比表

序號累計(jì)小時/h電加熱方式熱泵加熱方式 測溫點(diǎn)A /℃測溫點(diǎn)B /℃測溫點(diǎn)C /℃)測溫點(diǎn)D /℃測溫點(diǎn)A /℃測溫點(diǎn)B /℃測溫點(diǎn)C /℃測溫點(diǎn)D /℃ 1029.729.729.729.729.729.729.729.7 2545.938.337.537.842.740.338.840.1 31050.245.844.644.654.549.746.849.6 41555.652.450.750.365.157.954.057.8 52060.557.955.954.865.265.160.265.1 62565.362.261.958.965.165.165.165.1 73068.165.064.659.665.365.265.165.2 83569.265.165.160.065.265.265.265.1 94070.165.265.261.665.165.165.165.2 104570.465.365.262.065.165.265.165.1 115070.466.266.163.065.165.165.165.1

5　結(jié)論

1) 熱泵應(yīng)用于交聯(lián)電纜去氣過程，保證電纜去氣質(zhì)量，同時降低生產(chǎn)能耗，提高工藝效率。

2) 通過冷媒與壓縮機(jī)的配合，收集其他工序廢熱，并將廢熱變?yōu)楦呶粺崮?，作為加熱去氣室的熱源?/p>

3) 通過規(guī)劃流暢且有利于熱風(fēng)圍繞電纜盤周圍流動的流道，消除熱短路隱患，避免灼傷電纜、去氣不完全，提高去氣效率，降低能耗。

[1] 彭斯遠(yuǎn).抗氧劑及熔體去氣對LDPE空間電荷及電導(dǎo)特性影響[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2014.

[2] 王志勝,楊凱軍,謝偉斌.中高交聯(lián)聚乙烯電力電纜生產(chǎn)中去氣工序的分析[J].化工管理,2013(5):232-233.

[3] 張學(xué)鐳,陳海平.回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱系統(tǒng)熱力性能分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(8):1-8.

[4] 彭金梅,羅會龍,崔國民,等.熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展動向[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,37(5):54-59.

[5] 孫維拓.主動蓄放熱—熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2014.

[6] 吳興應(yīng),龔光彩,王晨光.太陽能光電-熱一體化與熱泵耦合系統(tǒng)的熱力性能實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2015,35(4): 913-921.

[7] 徐鵬.新型太陽能光伏—熱泵復(fù)合建筑供能系統(tǒng)性能研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2015.

[8] Kuzmic N, Ying L E L, Dworkin S B, et al. Numerical heat transfer comparison study of hybrid and non-hybrid ground source heat pump systems[J]. Applied Energy, 2016, 165: 919-929.

Constant Temperature and Energy Saving System for Heat Pump Degassing Chamber Applied to Cross-Linked Cable

Wang Zhihui

(Guangzhou Nanyang Cable Co., Ltd.)

In the production process of cross-linked cable, the electric heating mode is usually used to remove the gas. However, this way’s energy consumption is huge, and has some problems that the temperature in the degassing chamber is difference and it’s difficult to distribute the heat evenly. In this paper, a heat pump degassing chamber based constant temperature and energy saving system for cross-linked cable degassing technology is proposed. It uses the technology of the heat pump on it. Firstly, the operating characteristics of the heat pump, the energy consumption of the degassing chamber and it’s heat paths are analyzed. And then the degassing chamber is reconstructed by the energy saving of the heat pump, waste heat recovery and the airflow passage optimization. Finally, experimental measurements are conducted to verify the effectiveness of the reconstruction. It can be concluded from the experimental results that compared with the heat pump heating mode and traditional electric heating mode, the former costs less energy about 60% and spends less 21 hours on reaching the target temperature than the latter. The temperature is smoother and it’s distribution is more even. Therefore, using the heat pump technology in cross-linked cable’s degassing has advantages such as energy saving, environmental protection and controllability and so on.

Heat Pump; Degassing Chamber; Energy Saving; Heat Distribution; Airflow Passage Optimization

王志輝，男，1970年生，工程師，主要研究方向：電纜生產(chǎn)工藝及技術(shù)等。E-mail: wangzhihui0520@sina.com