姚 遠(yuǎn)，龔宇烈，陸振能，駱 超，王顯龍，廉永旺，馬偉斌

（中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640）

高溫?zé)岜眉盁岜谜羝麢C的研究進(jìn)展*

姚 遠(yuǎn)?，龔宇烈，陸振能，駱 超，王顯龍，廉永旺，馬偉斌?

（中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640）

本文從新型工質(zhì)的研収和系統(tǒng)效率的提高兩方面綜述了高溫蒸汽壓縮式熱泵的研究現(xiàn)狀，對于高溫吸收式熱泵，則從新型循環(huán)設(shè)計、系統(tǒng)控制與仿真、參數(shù)優(yōu)化、提高換熱效率等方面做了綜述。文章最后介紹了國內(nèi)外最新研制的兩種熱泵蒸汽機的運行原理和結(jié)構(gòu)特點，幵根據(jù)熱泵蒸汽機組的運行要求，提出了今后的研究方向和要解決的主要技術(shù)問題。

高溫?zé)岜?；熱泵工質(zhì)；蒸汽収生器；壓縮機；吸收式熱泵

0 引 言

熱泵技術(shù)是近年來在全世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)。熱泵是一種能從低溫物體獲取熱量，以高位能作為補償條件，將熱量轉(zhuǎn)移到高溫物體的裝置。通過熱泵，人們能從自然界或工業(yè)廢熱中獲取大量低品位熱能，使之轉(zhuǎn)化為可被利用的高品位熱能。目前最常用、技術(shù)最成熟的是機械壓縮式熱泵和吸收式熱泵。根據(jù)熱泵系統(tǒng)對外供熱溫度的不同，又可將熱泵系統(tǒng)分為常溫?zé)岜煤透邷責(zé)岜?。高溫?zé)岜靡话闶侵钢茻岢鏊疁囟雀哂?0℃（即高溫?zé)崴┗虺鲲L(fēng)溫度能夠達(dá)到80℃以上的熱泵（即高溫烘干熱泵）。如果供熱溫度超過100℃，理論上就可以在常壓下產(chǎn)生蒸汽，可以將此種熱泵作為蒸汽収生機使用，滿足工業(yè)和日常生活的需要。目前可利用的蒸汽主要是依靠鍋爐加熱水生成，不管是使用哪種燃料（石油、燃?xì)猓旱龋?，能源利用效率都比較低，而且還存在大氣污染的問題。因此，和蒸汽鍋爐相比，高溫?zé)岜谜羝麢C是一種節(jié)能環(huán)保，幵具有市場前景的新型熱泵產(chǎn)品。

1 高溫?zé)岜眉夹g(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

熱泵蒸汽機以產(chǎn)生高溫蒸汽為最終目的，是一種高溫?zé)岜醚b置。目前，對高溫?zé)岜玫难芯恐饕▋蓚€方向：一是蒸汽壓縮式熱泵，另一個是第二類吸收式熱泵。下面分別就這兩種高溫?zé)岜玫难芯楷F(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1.1 高溫蒸汽壓縮式熱泵

高溫蒸汽壓縮式熱泵的研究工作主要集中在選擇適宜的工質(zhì)和提高系統(tǒng)制熱效率兩方面。

1.1.1 工質(zhì)的研究進(jìn)展

和常溫?zé)岜孟啾?，高溫?zé)岜玫闹评涔べ|(zhì)不僅要求有更高的熱力性能，還需要在高溫高壓情況下和壓縮機有更好的適配性。高溫?zé)岜脤べ|(zhì)的要求具體有以下幾點：（1）冷凝壓力在25 bar以下，目前多數(shù)系統(tǒng)部件能夠承受；（2）蒸収溫度下的飽和壓力不低于大氣壓，避免造成負(fù)壓；（3）容積制熱量盡量大，以免系統(tǒng)體積過于龐大；（4）油溶性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、不可燃?，F(xiàn)在研究人員重點研究了自然工質(zhì)（如 CO2、NH3及碳?xì)浠衔锏龋┖腿嗽旃べ|(zhì)（如氫氟化碳制冷劑HCFCs、氫氟烴制冷劑HFCs、氫氟醚制冷劑HFEs及它們的混合物等）。自然工質(zhì)氨的使用，使得高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的效率更高、單機熱負(fù)荷更大、可持續(xù)應(yīng)用性更強，同時減少能耗，尤其在熱負(fù)荷大和出水溫度較高的應(yīng)用場合，節(jié)能效果更為突出[2]。但是自然工質(zhì)作為高溫?zé)岜霉べ|(zhì)時，由于其在高溫時壓力較高，具有爆炸的危險，而且對相應(yīng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性都有非常高的要求，所以熱泵的冷凝溫度一般不能太高，目前，85℃～95℃的供熱溫度已是極限。因此，對于冷凝溫度超過 100℃的超高溫?zé)岜茫蠖鄶?shù)研究傾向于選擇人造工質(zhì)。

國內(nèi)外的熱泵研究者對現(xiàn)有的一些人造工質(zhì)及混合物的熱力性能進(jìn)行了理論計算，有的還進(jìn)行了實驗驗證。Sukumar Devotta等[3]對 HFCs和HFEs純質(zhì)進(jìn)行了理論循環(huán)分析。計算的冷凝溫度范圍為80℃～120℃，設(shè)定的循環(huán)條件為飽和狀態(tài)、無熱損、無阻力損失，溫升 40℃。結(jié)果顯示，R143和Rl34的性能系數(shù)（Coefficient of performance,COP）較高，上述結(jié)論是基于單一工質(zhì)的熱力學(xué)循環(huán)計算得到的。氫氟烴（Hydrofluorocarbons, HFCs），雖然其臭氧消耗潛值（Ozone Depletion Potential, ODP）為零，但大氣停留時間較長，GWP較高，大量使用會引起全球氣候變暖；HFC-134a分子中含有CF3基團(tuán)，在大氣中解離后易與OH自由基或臭氧反應(yīng)形成對生態(tài)系統(tǒng)危害嚴(yán)重的三氟乙酸。歐盟的《移動空調(diào)指令》（Mobile Air-Conditioning Directive）已要求從2011年開始，所有新的汽車平臺要淘汰氫氟烴HFC-134a；而美國也曾計劃在 2008年開始逐步淘汰汽車用HFC-134a冷媒。Josua P Meyer研究團(tuán)隊[4]對以混合工質(zhì)R22/R142b作為制冷劑的高溫?zé)岜眯蜔崴鬟M(jìn)行了理論研究。研究結(jié)果表明，當(dāng) R142b在混合物中組分增加時，熱泵供水溫度升高，COP同時升高；在冷凝器面積不變的條件下，供熱量隨R142b組分增加而增大。R22的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均很高，特別是在無水情況下，在 200℃以下與一般金屬不起反應(yīng)；當(dāng)有水存在時，僅與堿緩慢起作用；但在高溫下會収生裂解。R142b在低層大氣中比較穩(wěn)定，而在上層大氣中可被能量更高的紫外線分解，對大氣臭氧層破壞力極強，危害大氣環(huán)境。該實驗結(jié)果說明R142b的熱力性能良好，但屬于受限工質(zhì)，且易燃易爆，一般與其他工質(zhì)混合使用，適用于小型熱泵干燥裝置。神戶制鋼和茬原制作所這兩家日本熱泵企業(yè)近年來都研制了高溫型熱泵機組，供水溫度都可以達(dá)到85℃以上。前者采用R22/R142b組成的非共沸混合物為工質(zhì)，制熱效率COP值達(dá)到6；后者采用工質(zhì)R123[5]。R123臨界溫度較高、熱力性能較好，雖然屬于受限工質(zhì)，但其ODP值和GWP值較低，且在大氣中的壽命僅為1年左右，因此，R123適合作為過渡期的替代工質(zhì)用于中高溫?zé)岜霉?。R1234ze可以作為R134a的替代制冷工質(zhì)應(yīng)用于高溫?zé)岜谩?/p>

國內(nèi)高校在高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的研収上也做了很多工作，香港科技大學(xué)霍英東研究院的劉學(xué)武等[6]對二甲醚（DME）作為中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的熱工性能進(jìn)行計算與分析，與傳統(tǒng)熱泵工質(zhì) R22，R134a及自然工質(zhì)R600a進(jìn)行對比，幵對變工況（冷凝溫度75℃～95℃，固定循環(huán)溫升45℃）進(jìn)行理論計算。計算結(jié)果表明，DME制熱性能參數(shù)與R134a接近，但COP值高于 R134a，單位容積制熱量在高溫工況下具有更出色的性能，幵可應(yīng)用于中高溫環(huán)境。HFC245fa是對環(huán)境友好幵且性能優(yōu)良的氟碳化合物，其用途廣泛，近年來很多學(xué)者將 HFC245fa作為熱泵工質(zhì)進(jìn)行了各種研究。比如天津大學(xué)王懷信等[7]對二元混合工質(zhì)MB85和HFC245fa應(yīng)用于中高溫?zé)岜玫男阅苓M(jìn)行了對比實驗研究，研究結(jié)果表明，與在冷凝溫度70℃～100℃工況范圍內(nèi)實驗性能較優(yōu)的純質(zhì)HFC245fa相比，MB85的制熱量和COP均明顯高于HFC245fa，排氣溫度比HFC245fa高3℃左右，綜合性能優(yōu)于HFC245fa；在冷凝溫度為100℃，循環(huán)溫升為 45℃時，COP為 3.83，熱水輸出溫度為97.2℃。另外，上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)和中科院廣州能源研究所均對中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)進(jìn)行過理論計算和實驗分析。

總結(jié)以上研究情況可以看出，自然工質(zhì)是純工質(zhì)，系統(tǒng)較容易控制，但在高溫時其壓力較大，對現(xiàn)有的熱泵系統(tǒng)要求較高，必須對熱泵硬件系統(tǒng)進(jìn)行改良。在利用現(xiàn)有的熱泵壓縮機的情況下，自然工質(zhì)目前最高可以達(dá)到95℃的冷凝溫度?；旌瞎べ|(zhì)由于是人造工質(zhì)，其組分一般是二元的，根據(jù)熱泵的工作要求按不同比例組成。混合工質(zhì)應(yīng)用于高溫?zé)岜脮r的優(yōu)點是在高溫狀態(tài)下，其冷凝壓力低，不會對熱泵硬件系統(tǒng)造成損害。現(xiàn)階段對高溫蒸汽壓縮式熱泵工質(zhì)的研究主要是對個別工質(zhì)進(jìn)行理論分析和基于現(xiàn)有常溫?zé)岜孟到y(tǒng)硬件進(jìn)行的實驗研究。雖然在某種特定條件下獲得了一些數(shù)據(jù)，達(dá)到了較高的輸出溫度，但仍然不是全面和可靠的結(jié)論。因此，對于現(xiàn)有的大量工質(zhì)還有許多研究工作要做。

1.1.2 高溫?zé)岜糜布到y(tǒng)的研究進(jìn)展

工質(zhì)和熱泵硬件系統(tǒng)必須是互相協(xié)調(diào)的，對于不同工質(zhì)的不同性能和特點，高溫?zé)岜玫挠布到y(tǒng)也有很大差別。對于使用自然工質(zhì)的高溫?zé)岜?，目前一般采用多級壓縮、逐級升溫的系統(tǒng)方案，這樣不僅可以達(dá)到高溫的目的，而且還具有較高的COP。此類高溫?zé)岜糜捎诩夹g(shù)比較成熟，只需在傳統(tǒng)熱泵壓縮機上進(jìn)行改良即可，因此國外企業(yè)已經(jīng)陸續(xù)推出了一些市場化的產(chǎn)品。如美國McQuay公司生產(chǎn)了Templifie系列離心式熱泵機組，其最高供水溫度為 60℃，低位熱源為 l0℃～49℃的余熱。瑞士Friotherm 公司開収了冷凝溫度為 80℃、工質(zhì)為R134a、制冷量范圍為2 MW～20 MW的離心式高溫?zé)岜脵C組。德國基伊埃公司開収出大型工業(yè)用熱泵系統(tǒng)，出水最高溫度達(dá)90℃，COP在3.5～4.0之間。單臺制熱量高達(dá)10 MW，采用環(huán)保工質(zhì)氨為制冷劑，使用高壓螺桿壓縮機。日本神戶制鋼所2011年研制的蒸汽高溫?zé)岜貌捎酶邏嚎s比高溫適用的兩級螺桿式壓縮機，工質(zhì)采用人造工質(zhì)R245fa，冷凝溫度最高可達(dá) 160℃以上，其循環(huán)采用的是常規(guī)蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)，只是在冷凝器端增加了一個蒸汽閃蒸器，作為蒸汽輸出裝置。目前収達(dá)國家的熱泵企業(yè)的高溫?zé)岜卯a(chǎn)品多是采用螺桿式或離心式壓縮機，尤其是螺桿壓縮機，其適應(yīng)性強，具有強制輸氣的特點，容積流量幾乎不受排氣壓力的影響，在寬廣的工況范圍內(nèi)能保持較高的效率，在壓縮機結(jié)構(gòu)不做任何改動的情況下，適用于多種工況和工質(zhì)；但由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等方面的限制，不能用于超高壓場合，排氣壓力一般不超過10 MPa。

國內(nèi)對高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的前沿性研究主要以研究所、高校為主。有學(xué)者研究了熱泵系統(tǒng)換熱器的高效換熱問題，比如中國科學(xué)院的童歡等[8]提出了一種直線壓縮機驅(qū)動下的高溫雙作用行波熱聲熱泵流程，幵對kW級別的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化。在熱泵熱端溫度為150℃、環(huán)境溫度為40℃時，模擬計算了其在不同回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)以及不同換熱器結(jié)構(gòu)下的性能，得出當(dāng)回?zé)崞鞑捎冒瀵B式回?zé)崞?、換熱器采用管殼式換熱器時能夠獲得較高的效率和較大的泵熱量，獲得的熱端泵熱量可達(dá)1 823.9 W，熱泵系數(shù)COP為3.16，相對卡諾效率為82.3%。天津大學(xué)的劉兆永等[11]對高溫?zé)岜霉r下非共沸工質(zhì)在換熱器中的換熱特性進(jìn)行了實驗研究，研究結(jié)果表明，在蒸収器側(cè)工況恒定時，冷凝器側(cè)最大傳熱溫差的出現(xiàn)會使系統(tǒng)的循環(huán)效率降低，冷凝器中因不可逆?zhèn)鳠嵋鸬目捎媚軗p失增大；在冷凝器側(cè)工況不變時，蒸収器側(cè)最小傳熱溫差的出現(xiàn)會使系統(tǒng)的循環(huán)效率上升，蒸収器中因不可逆?zhèn)鳠嵋鸬目捎媚軗p失減小。有些研究人員將研究方向集中于系統(tǒng)控制和參數(shù)優(yōu)化方面，比如中原工學(xué)院的王周等[10]研究了在高溫?zé)岜每缗R界循環(huán)中對循環(huán)高壓的控制方法，如毛細(xì)管控制法、膨脹閥控制法等，以及系統(tǒng)負(fù)荷的頻率控制法，幵討論了各自的優(yōu)缺點；在此基礎(chǔ)上，王周提出在滿足負(fù)荷要求的前提下，壓縮機最優(yōu)頻率的調(diào)節(jié)和系統(tǒng)最優(yōu)循環(huán)高壓控制相結(jié)合的控制策略。天津大學(xué)的王侃宏等[12]對跨臨界 CO2熱泵系統(tǒng)在最優(yōu)高壓側(cè)壓力方面進(jìn)行了理論研究，闡述了不同高壓側(cè)運行壓力下，制冷量和制冷效率的變化情況，以及最優(yōu)高壓側(cè)壓力隨氣體冷卻器出口溫度和蒸収溫度的變化情況，幵提出了利用單片機來調(diào)節(jié)高壓側(cè)壓力的控制思路。西安交通大學(xué)是國內(nèi)研究壓縮機技術(shù)的重要學(xué)術(shù)單位，該校近年來也對高溫?zé)岜脡嚎s機進(jìn)行了很多前沿性研究。西安交通大學(xué)與美國UTRC（美國聯(lián)合技術(shù)開収中心）合作，建立了跨臨界CO2系統(tǒng)試驗臺，對CO2壓縮機以及膨脹機進(jìn)行了合作研究，研制的商用CO2熱泵熱水器出水溫度能達(dá)90℃以上。他們也開収了余熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)測試臺，采用高溫工況下壓縮機噴油冷卻技術(shù)，有效控制了螺桿壓縮機在高溫工況下的排氣溫度，使得冷凝溫度達(dá)到 90℃，出水溫度達(dá)到85℃，幵研究了油冷卻技術(shù)對機組性能的影響[9]。

總結(jié)目前熱泵系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀可以収現(xiàn)，學(xué)者們多是將工作集中于熱泵系統(tǒng)換熱效率的提高與控制優(yōu)化方面，高壓縮比高溫制熱的壓縮機研制尚未有重大進(jìn)展。熱泵系統(tǒng)的核心部分是壓縮機，對于高溫?zé)岜脕碚f，如何使壓縮機承受較大壓力（冷凝壓力）是提升供熱溫度（冷凝溫度）的關(guān)鍵。現(xiàn)在國內(nèi)外企業(yè)大多是直接采用多級壓縮式的螺桿壓縮機或者是離心壓縮機來壓縮自然工質(zhì)而獲得高溫輸出，由于市場需求原因，此類企業(yè)所生產(chǎn)的高溫?zé)岜玫睦淠鬏敵鰷囟纫话阒辉?5℃～85℃之間。對于使用混合工質(zhì)的高溫?zé)岜?，目前還沒有企業(yè)生產(chǎn)商業(yè)化的產(chǎn)品。從以上分析可知，集成高溫?zé)岜霉べ|(zhì)與高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的匹配是高溫?zé)岜眉夹g(shù)研収的主要方向。研制滿足高溫運行工況的壓縮機以及潤滑油，采用噴油技術(shù)提高壓縮機運行可靠性是高溫?zé)岜眉夹g(shù)研究需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

1.2 高溫吸收式熱泵

高溫吸收式熱泵的研究主要集中于第二類吸收式熱泵。第二類吸收式熱泵由于吸收器和蒸収器位于高壓區(qū)，所以理論上可以產(chǎn)生很高的供熱溫度。目前對第二類吸收式熱泵的研究主要集中在新型循環(huán)設(shè)計、系統(tǒng)控制與仿真、參數(shù)優(yōu)化、提高換熱效率等方面。

在創(chuàng)新溶液循環(huán)設(shè)計方面，北京科技大學(xué)的蘇慶泉等[13]創(chuàng)新地提出一種包含吸收溶液冷卻結(jié)晶過程的新型第二類吸收式熱泵循環(huán)，幵對其工作過程及性能特性進(jìn)行理論分析與實驗研究。結(jié)果表明，該循環(huán)可在吸收器吸收溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于収生器吸收溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下工作，其熱泵溫升能力明顯優(yōu)于現(xiàn)有AHT循環(huán)。當(dāng)冷卻結(jié)晶終溫和冷凝器溫度為35℃、収生器溫度和蒸収器溫度為92℃時，其熱泵溫升理論上可達(dá)97℃。一般的吸收式熱泵溶液循環(huán)沒有結(jié)晶過程，溶液的結(jié)晶容易造成循環(huán)管道的阻塞，該循環(huán)必須增加特殊結(jié)構(gòu)來保證溶液在流道內(nèi)暢通，是否具有實用性尚待驗證。同濟(jì)大學(xué)的王長慶[14]設(shè)計了高溫兩級吸收式熱泵機組，利用70℃～100℃余熱本身驅(qū)動，產(chǎn)生100℃～160℃的熱水或蒸汽，COP為0.2～0.3。第二類吸收式熱泵分為單級吸收和兩級吸收兩種循環(huán)，由于兩級吸收循環(huán)比單級吸收循環(huán)的溫升高一倍，盡管兩級機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，COP偏低，但采用兩級吸收循環(huán)設(shè)計高溫吸收式熱泵是獲得高溫輸出的一種合適選擇。

在系統(tǒng)仿真、參數(shù)優(yōu)化方面，許多研究人員利用計算機及專業(yè)軟件對第二類吸收式熱泵做了大量的研究，如天津大學(xué)朱家玲等[15]以溴化鋰第二類吸收式熱泵為研究對象，評價當(dāng)?shù)挽誓茉矗?0℃）作為驅(qū)動熱源時的總體性能參數(shù)及工作效率。利用面向?qū)ο蟮姆治龇椒ǎ⑾到y(tǒng)及組成部分的對象模型，幵在此基礎(chǔ)上利用Visual C++編寫了模擬仿真軟件，對溴化鋰第二類吸收式熱泵性能及多變參數(shù)進(jìn)行了分析。東南大學(xué)金星等[16]分析了溫度參數(shù)對升溫型溴化鋰吸收式熱泵性能系數(shù)的影響，通過對升溫型溴化鋰吸收式熱泵建立數(shù)學(xué)模型，得到在相同工況條件下，収生溫度的變化對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響程度最大，而隨著収生溫度的升高，它自身對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響程度越來越弱。吸收式熱泵的參數(shù)優(yōu)化不能直接提高輸出溫度，只是對系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)時達(dá)到最優(yōu)效率提供依據(jù)。借助計算機強大的計算功能和軟件的便捷性，在系統(tǒng)仿真優(yōu)化方面還可以做更多的研究工作。

在提高換熱效率等方面，中國科學(xué)院廣州能源研究所郭開華等[15]對五種類型的雙溫升吸收式熱變換器進(jìn)行了計算機模擬研究，分析比較了五種熱變換器的循環(huán)特點，制熱性能及經(jīng)濟(jì)性，研究了外部熱源條件及換熱器傳熱性能對熱變換器的制熱性能的影響，幵指出了各變換器的制熱工作范圍。其中第五種熱變換器是一具有較高溫度提升能力的新構(gòu)思，適用于制熱溫度要求較高的場合。挪威 IF（Institute for energy technology）正在開収一種高溫壓縮吸收式熱泵，該熱泵可以利用50℃的工業(yè)廢熱，產(chǎn)生90℃～100℃的高溫?zé)崴瑫r可以生產(chǎn)5℃～10℃的低溫冷凍水，COP在3.4以上，該系統(tǒng)采用NH3/H2O作為工質(zhì)。

總的來說，高溫吸收式熱泵所能達(dá)到的供熱溫度與其熱源溫度有關(guān)，目前單級絕熱吸收循環(huán)最高提升溫度只有30℃左右，如果不能找到合適的高溫?zé)嵩?，其供熱溫度也不會很高，這個局限性也是由工質(zhì)的物性和熱力循環(huán)決定的。

2 高溫?zé)岜谜羝麢C

本文提到的高溫?zé)岜谜羝麢C是指產(chǎn)生蒸汽的熱泵機組，目前市場上很少有商品化的成熟蒸汽熱泵機組，只有兩種類型的熱泵蒸汽機組剛剛研制成功，一種是結(jié)合電加熱的高溫?zé)岜谜羝麢C，另一種是兩級壓縮式高溫?zé)岜谜羝麢C。

2.1 結(jié)合電加熱的高溫?zé)岜谜羝麢C

該蒸汽熱泵機組主要由兩個流體通路組成，一個是熱泵工質(zhì)的循環(huán)通路，另一個是由水生成水蒸氣的單向通路。其原理圖見圖1，分別介紹如下：

（1）熱泵工質(zhì)的循環(huán)通路。熱泵工質(zhì)在經(jīng)過熱泵壓縮機3的壓縮后，變成高溫高壓的過熱蒸汽進(jìn)入平衡換熱器4，在平衡換熱器 4中與補充水進(jìn)行換熱，釋放出潛熱，冷凝成高壓液態(tài)水，此時的平衡換熱器4相當(dāng)于冷凝器。高壓液態(tài)水經(jīng)過節(jié)流器18后，減壓進(jìn)入蒸収器1，與蒸収器1中的低溫?zé)嵩矗ū热缈諝?、地?zé)崴?、太陽能熱水、工業(yè)余熱等）進(jìn)行換熱，吸取熱量后變成低溫低壓的蒸汽（其中會夾雜有微小液珠）進(jìn)入汽液分離器 2，過濾掉液態(tài)工質(zhì)后，純工質(zhì)蒸汽進(jìn)入熱泵壓縮機3進(jìn)行下一個循環(huán)。

（2）水生成水蒸氣的單向通路。補充水首先流入電子除垢儀17進(jìn)行除垢處理，凈化水質(zhì)。然后進(jìn)入平衡換熱器4吸取高溫?zé)岜谜羝臒崃浚嵘疁?。因為蒸汽釋放潛熱，換熱效率很高，水流過平衡換熱器4后即可變成高溫水。高溫水在高壓水泵16的作用下，通過精細(xì)化的超細(xì)霧化噴頭12，過熱水霧化進(jìn)入電磁加熱管，電磁加熱管外有電磁加熱線圈11，通過PLC的精密控制，保證電磁加熱管溫度穩(wěn)定在 300℃～400℃，高溫水霧通過電磁加熱管，瞬間產(chǎn)生高壓蒸汽，蒸氣溫度可以達(dá)到在180℃～200℃，壓力在7 kg～8 kg，打開蒸汽閥9后即可對外輸出蒸汽。電磁加熱管中不存水，沒有壓力容器爆炸的危險。

圖1 結(jié)合電加熱的高溫?zé)岜谜羝麢C系統(tǒng)原理圖Fig. 1 System schematic of steam heat pump with electric heating equipment

該熱泵蒸汽機由國內(nèi)企業(yè)2012年研制成功，幵申請了収明專利。其蒸汽収生過程主要分成了兩個階段，第一階段是熱水的升溫，第二階段是熱水的汽化幵過熱。第一階段的特點是用熱泵加熱熱水至接近沸點溫度，在此加熱過程中通過熱泵加熱，由于利用了空氣、地?zé)岬鹊推肺粺嵩吹臒崃?，所以其制熱效率高于電加熱或石化能源加熱。第二階段是傳統(tǒng)的電加熱方式，但使用了噴霧器后，提高了傳熱系數(shù)，增加了蒸汽収生量。

2.2 兩級螺桿壓縮式高溫?zé)岜谜羝麢C

該熱泵蒸汽機是日本神戶制鋼公司 2011年研制成功的世界上首臺直接采用壓縮機，不需輔助加熱設(shè)備就可以產(chǎn)生蒸汽的超高溫?zé)岜脵C組。神戶制鋼公司將其蒸汽熱泵機組命名為“Steam Grow Heat Pump”，型號名為SGH，目前按產(chǎn)生蒸汽的溫度分為兩種：SGH120和SGH165。SGH120機組可產(chǎn)生（100℃～120℃）/（0.0 MPaG～0.1 MPaG）的蒸汽，SGH165機組可產(chǎn)生（135℃～175℃）/（0.2 MPaG～0.8 MPaG）的蒸汽。其機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SGH蒸汽熱泵在原理上和一般的蒸汽壓縮式熱泵沒有很大區(qū)別，也是由四大部件（壓縮機—冷凝器—節(jié)流閥—蒸収器）形成的一個工質(zhì)相變循環(huán)，只是在冷凝器換熱器增加了一個閃蒸裝置，將被冷凝器加熱到高壓過熱狀態(tài)的熱水閃蒸，產(chǎn)生蒸汽，系統(tǒng)原理見圖3所示。

作為世界首臺可以提供蒸汽的高溫?zé)岜?，其主要在以下幾個方面做出了技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)。

（1）采用高壓縮比高溫適用的兩級螺桿式壓縮機。根據(jù)工程熱力學(xué)，滿足蒸汽輸出的前提條件必須是熱泵的冷凝器能夠提供大于水的汽化潛熱的熱量，這就要求壓縮機能夠提供足夠高溫的過熱蒸汽。在這方面，SGH熱泵做了四方面的技術(shù)改進(jìn)：a. 采用高壓縮比的兩級壓縮機；b. 壓縮機各部件的最適合間隙設(shè)計；c. 冷凍機的優(yōu)化；d. 冷卻方法的改善。

圖2 兩級螺桿壓縮式高溫蒸汽熱泵機械結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Mechanical structure of steam heat pump with double stage screw compressors

圖3 SGH120蒸汽熱泵系統(tǒng)流程圖Fig. 3 System schematic of SGH120 steam heat pump

（2）選用 R245fa作為高溫?zé)岜霉べ|(zhì)。R245fa工質(zhì)有以下幾個優(yōu)點：a. 冷凝壓力不高，當(dāng)冷凝溫度為 120℃～130℃時，其飽和蒸汽壓力只有 1.9 MPa～2.3 MPa，對壓縮機機械結(jié)構(gòu)損害較小；b. 當(dāng)蒸収溫度在60℃～70℃時，蒸収壓力為0.34 MPa～0.46 Mpa，在0.1 MPa以上，不會在系統(tǒng)中形成負(fù)壓；c. 容積制熱量大于440 kJ/kg，避免系統(tǒng)體積過于龐大；d. 油溶性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；e. 對環(huán)境危害小，無毒、不可燃，具有較高的COP。

（3）熱泵控制系統(tǒng)的優(yōu)化。通過改變螺桿壓縮機的螺桿轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)滑閥位置等能量調(diào)節(jié)方法來適應(yīng)熱泵系統(tǒng)工況與負(fù)荷的變化，使熱泵系統(tǒng)始終處于比較高的制熱效率和供熱性能系數(shù)。

3 熱泵蒸汽機的發(fā)展趨勢

熱泵蒸汽機其實就是高溫?zé)岜玫难苌O(shè)備，只是生產(chǎn)的不是高溫?zé)崴歉邷卣羝?。蒸汽熱泵機組設(shè)計涉及到制冷、供熱、自動控制等多學(xué)科內(nèi)容，機組運行條件苛刻、年均運行時間長，這些特點決定了設(shè)計時必須全局考慮、仔細(xì)推磨，力求在性能與可靠之間找到合適的平衡點，做到盡可能滿足使用要求，又能降低故障頻率，延長使用壽命，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，熱泵蒸汽機的研究前沿主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）高溫高效熱泵工質(zhì)的研究。熱泵工質(zhì)的高溫?zé)崃π阅苁菦Q定熱泵獲得高溫輸出的關(guān)鍵因素，對于使用傳統(tǒng)壓縮機的熱泵來說，工質(zhì)需要在高溫狀態(tài)下保持較低的壓力，以免對熱泵硬件系統(tǒng)造成破壞。對于改進(jìn)了潤滑和密封系統(tǒng)的高可靠性壓縮機，可以使用的高溫?zé)岜霉べ|(zhì)范圍較大?？傊?，工質(zhì)和壓縮機的相互匹配是研制高溫?zé)岜玫氖滓较颉?/p>

（2）高壓縮比壓縮機的研制。在壓縮機的選擇上，目前采用雙級壓縮機，雙級壓縮可以由兩臺以上的單級壓縮機組合而成，也可以采用單機雙級壓縮機。雙級系統(tǒng)排氣溫度一般在壓縮機允許的溫度范圍內(nèi)，為了確保壓縮機回油順利，在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)保證系統(tǒng)串聯(lián)連接的各組件合理匹配。小型系統(tǒng)管路壓降較小，工質(zhì)流速較大，壓縮機不會存在大的問題。

（3）如何保持水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。熱泵蒸汽機運行時如蒸汽壓力較小，將存在水系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性問題。蒸汽熱泵冷凝系統(tǒng)運行在高壓負(fù)荷，壓縮機運行一段時間后，方能產(chǎn)制出蒸汽。水系統(tǒng)的壓力不穩(wěn)定，則系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性越差，反之，系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性越好。因此，水系統(tǒng)的穩(wěn)定應(yīng)該滿足蒸汽熱泵系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)束語

高溫?zé)岜檬俏磥頍岜眉夹g(shù)研究的重要方向之一，它可以利用地?zé)崴?、工業(yè)余熱、廢熱等低品位的熱源來獲取高溫?zé)崃黧w進(jìn)行収電、制冷、干燥、蒸餾等工業(yè)利用。高溫?zé)岜每梢杂行Ц纳瞥鞘械纳鷳B(tài)環(huán)境，減少使用燃煤、燃油鍋爐引起的有害氣體的排放，提高大氣環(huán)境質(zhì)量，充分利用可再生資源和節(jié)約常規(guī)優(yōu)質(zhì)能源，有利于社會的可持續(xù)収展。 蒸汽熱泵就是利用中低溫?zé)嵩瓷a(chǎn)蒸汽的一種高溫?zé)岜?，其用途極其廣泛，尤其適合應(yīng)用于同時具有余熱資源和蒸汽需求的企業(yè)。目前對蒸汽熱泵的研制雖然已取得一些進(jìn)展，某些國內(nèi)外企業(yè)制造了產(chǎn)品樣機，但還沒有研制出獲得市場認(rèn)可的技術(shù)成熟的機組。蒸汽熱泵的核心技術(shù)——高溫大壓縮比壓縮機的研制進(jìn)展緩慢，以后應(yīng)給予重視?？傮w來說，加快蒸汽熱泵等高溫?zé)岜眉夹g(shù)的研収是符合社會収展需求的，具有廣闊的市場前景。

[1] 徐邦裕, 陸亞俊, 馬最良. 熱泵[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1988. 36-37.

[2] 胡斌, 王文毅, 王凱, 等. 高溫?zé)岜眉夹g(shù)在工業(yè)制冷領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 制冷學(xué)報, 2011, 32(5): 1-5.

[3] Devotta S, Pendyala V R. Thermodynamic Screening of some HFCs and HFEs for High-temperature heat pumps as Alternative to CFC114[J]. International Journal of Refrigeration, 1994, 17: 338-342.

[4] Liebenberg L, Meyer J P. Potential of the zeotropic mixturesR22/R142b in high temperature heat pump water heaters with capacity modulation[J]. ASHRAE Trans, 1998, 104(1): 418-429.

[5] 張亞立, 張吉禮, 孫德興. 三種中高溫工質(zhì)熱力性質(zhì)分析[J]. 暖通空調(diào), 2005, 35(5): 123-125.

[6] 關(guān)西文, 劉學(xué)武, 龔麗, 等. 二甲醚作為中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的性能分析[J]. 制冷與空調(diào), 2013, 13(5): 31-34.

[7] 王懷信, 陳清瑩, 潘利生. 二元混合工質(zhì)MB85中高溫?zé)岜玫男阅躘J]. 天津大學(xué)學(xué)報, 2011, 44(12): 1106-1110.

[8] 童歡, 羅二倉. 直線壓縮機驅(qū)動的超高溫雙作用行波熱聲熱泵[J]. 低溫工程, 2012, 4: 18-23.

[9] 王凱, 曹鋒, 邢子文. 一種新型余熱回收高溫?zé)岜脵C組的性能研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2008, 42(10): 1309-1312.

[10] 王周, 唐連偉, 郭雪峰. 跨臨界循環(huán)高溫?zé)岜玫目刂品椒╗J]. 節(jié)能技術(shù), 2008, 26(5): 460-464.

[11] 劉兆永, 趙力, 趙學(xué)政. 高溫?zé)岜霉r下非共沸工質(zhì)在換熱器中的換熱特性[J]. 化工學(xué)報, 2011, 62(12): 3386-3393.

[12] 王侃宏, 馬一太, 楊昭, 等. CO2跨臨界循環(huán)高壓側(cè)壓力控制的熱力學(xué)分析[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2000, 21(5): 537-540.

[13] 蘇慶泉, 孫鵬, 羅春歡, 等. 一種新型第二類吸收式熱泵的原理及性能分析[J]. 太陽能學(xué)報, 2012, 33(2): 297-301.

[14] 王長慶. 溴化鋰兩級高溫吸收式熱泵及其設(shè)計[J]. 節(jié)能技術(shù), 2000, 18(1): 6-8.

[15] 朱家玲, 張偉, 劉國強. 溴化鋰第二類吸收式熱泵系統(tǒng)仿真軟件的開収[J]. 太陽能學(xué)報, 2008, 29(11): 1156-1161.

[16] 金星, 張小松. 溫度參數(shù)對升溫型溴化鋰吸收式熱泵性能系數(shù)影響程度模擬分析[J]. 流體機械, 2008, (07): 124-128.

[17] 郭開華, 梅建濱. 雙溫升溴化鋰吸收式熱變換器的計算機模擬研究[J]. 制冷, 1991, (04): 21-27.

[18] 郭媛媛, 朱磊, 趙競?cè)? 以 DMP-甲醛為工質(zhì)對的吸收式制冷循環(huán)研究[J]. 制冷與空調(diào), 2013, (04): 57-60.

[19] 丁金鐸. 高溫?zé)岜眉夹g(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 應(yīng)用技術(shù), 2012, (5): 447.

[20] 馬利敏. 中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的理論與實驗研究[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

[21] 王志國, 宋永臣, 劉瑜, 等. 高溫?zé)岜檬覂?nèi)模擬試驗及工業(yè)應(yīng)用[J]. 機械工程學(xué)報, 2006, (7): 62-66.

[22] 李忠建, 張吉禮, 陸亞俊, 等. 高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中離心式壓縮機的效率法模擬[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2006, (6): 5-7.

[23] Cane R L D, ElemeiS S B, Forg D A. Heating-recovery heat pump operating experiences[J]. ASHRAE Trans, 1994, 100(2): 165-172.

[24] Honjo K, Lennart V. Current superheatpump energy accumulation systems[R]. Heat pum ps for energy efficiency and environmental Progress, 1993.

[25] Mottal R. Heat pump technology and working fluids[C]//Sixth International Congress of Refrigeration, Holnd, 1995.

Research Progress of High Temperature Heat Pump and Heat Pump Steam Generator

YAO Yuan, GONG Yu-lie, LU Zhen-neng, LUO Chao, WANG Xian-long, LIAN Yong-wang, MA Wei-bin
(CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

This paper reviews the current research status of high temperature vapor compression heat pumps on the aspects of new working fluids and system efficiency. For high temperature absorption heat pump, this paper discusses the present research on new circulation design, system control and simulation, parameter optimization and improving heat transfer efficiency. Finally, two kinds of heat pump steam generator newly developed are introduced regarding their operating principle and concept characteristics. According to the operating requirements of heat pump steam generator, the future research direction and the main technology problems are also concerned.

high temperature heat pump; working fluids of heat pump; steam generator; compressor; absorption heat pump

TK123；TQ051.5

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.03.004

2095-560X（2014）03-0190-07

馬偉斌（1959-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事地源熱泵技術(shù)、太陽能和地?zé)崮苤评淇照{(diào)技術(shù)及建筑節(jié)能技術(shù)的研究和開収工作。

2014-04-08

2014-04-25

廣州市產(chǎn)學(xué)研合作項目（2013Y2-00091）；中國科學(xué)院廣州能源所所長基金項目（Y407P61001）

? 通信作者：姚 遠(yuǎn)，E-mail：yaoyuan@ms.giec.ac.cn；馬偉斌，E-mail：mawb@ms.giec.ac.cn

姚 遠(yuǎn)（1976-），男，碩士，工程師，主要從事太陽能熱利用、熱泵、中低溫余熱制冷、高效傳熱傳質(zhì)等方面的研究。