邵振華，鄭子輝，于文遠(yuǎn)，胡永攀，徐安波，王 遠(yuǎn)

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 上海理工大學(xué)制冷與低溫研究所，上海 200093；3. 西安交通大學(xué)，人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049）

基于正逆循環(huán)的節(jié)能技術(shù)*

邵振華1，鄭子輝1，于文遠(yuǎn)2?，胡永攀2，徐安波2，王 遠(yuǎn)3

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 上海理工大學(xué)制冷與低溫研究所，上海 200093；3. 西安交通大學(xué)，人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049）

能源是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的三大支柱之一，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)，由于人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大，能源供應(yīng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。在能源消耗不斷攀升從而帶來(lái)諸多社會(huì)和環(huán)境問題的現(xiàn)實(shí)背景下，節(jié)能減排已成為當(dāng)今人類的共識(shí)。本文依次介紹了機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)、空氣能熱泵技術(shù)、噴氣增焓技術(shù)三種節(jié)能技術(shù)。充分利用低品位能在一定程度上具有節(jié)能的效果，由此，基于有機(jī)朗肯循環(huán)及卡琳娜循環(huán)兩種動(dòng)力循環(huán)，介紹了低品位能兩種利用技術(shù)：低品位能借助正循環(huán)（有機(jī)朗肯循環(huán)或卡琳娜循環(huán)）熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)電及低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷。

節(jié)能技術(shù)；機(jī)械蒸汽再壓縮；空氣能熱泵；噴氣增焓；有機(jī)朗肯循環(huán)；卡琳娜循環(huán)

0 前 言

自改革開放以來(lái)，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)保持以8%的高增率迅猛增長(zhǎng)[1]，以致能源的供給成為了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的瓶頸，面對(duì)如此情況，節(jié)能成為目前擺脫能源短缺束縛的重要途徑之一。最近幾年，人們通過(guò)努力，在節(jié)能技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)上都取得了巨大的成果。本文介紹了幾種比較成熟的節(jié)能技術(shù)，包括機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)、空氣能熱泵技術(shù)、噴氣增焓技術(shù)。充分利用低品位能在一定程度上具有節(jié)能的效果，有機(jī)朗肯循環(huán)[2-13]及卡琳娜循環(huán)[14-17]是回收低品位熱能的有效技術(shù)手段之一，在低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動(dòng)膨脹機(jī)做功，由此介紹了低品位能借助正循環(huán)（有機(jī)朗肯循環(huán)或卡琳娜循環(huán)）熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)電及低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷兩種節(jié)能技術(shù)。

1 基于逆循環(huán)的機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)[18]

機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）熱泵利用蒸發(fā)器自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮做功，提升二次蒸汽的溫度和壓力，如此循環(huán)向蒸發(fā)器供熱，從而減少對(duì)外界能源的需求。機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)如圖1所示，新的料液借助進(jìn)料泵進(jìn)入蒸發(fā)器，被壓縮機(jī)壓縮提升的二次蒸汽加熱，形成氣液混合物進(jìn)入分離器，氣液混合物在分離器進(jìn)行分離，分離器上部的二次蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮以實(shí)現(xiàn)其熱力品質(zhì)的提升，壓力和溫度提高的二次蒸汽再重新進(jìn)入蒸發(fā)器作為加熱蒸汽來(lái)加熱新的料液，分離器下部將得到濃縮料液。料液吸收了壓縮過(guò)的二次蒸汽的潛熱而產(chǎn)生的新蒸汽則繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)過(guò)程，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮的二次蒸汽釋放冷凝潛熱之后冷凝成冷凝水。由于在蒸發(fā)器中，獲得的加熱量為輸入壓縮機(jī)的指示功與二次蒸汽的潛熱之和，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，二次蒸汽的潛熱品位得以提高，便于回收利用。而在傳統(tǒng)的蒸發(fā)器中，由于二次蒸汽的溫度、壓力較低，其潛熱無(wú)法回收用于加熱料液，從一定的程度上來(lái)講，機(jī)械蒸汽再壓縮降低了一次能源的消耗，具有一定的節(jié)能效果。

圖1 機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)圖[18]Fig. 1 System diagram of Mechanical Vapor Recompression Heat Pump

2 基于逆循環(huán)的空氣能熱泵技術(shù)

我們周圍的空氣是有熱量的。夏天溫度高，空氣的熱量也高；冬天溫度低，空氣所含的能量也相對(duì)較低。空氣能是一種廣泛存在、可隨意利用的低品位能源。熱泵是一種可以從低溫?zé)嵩次崃?，使其在較高溫度下轉(zhuǎn)換為可以利用能源的裝置，或者說(shuō)是一種可以利用低品位熱能的系統(tǒng)。

空氣能熱泵系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個(gè)部件組成，并通過(guò)管道將各部件連接形成一個(gè)封閉的系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，壓縮機(jī)將低壓制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體排出，排出的制冷劑氣體在冷凝器中等壓冷凝成液體，同時(shí)將制冷劑冷凝時(shí)放出的熱量傳給高溫環(huán)境，冷凝后的制冷劑液體通過(guò)節(jié)流閥后溫度降低，低溫低壓的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器中吸收低溫環(huán)境中的熱量汽化后回到壓縮機(jī)中完成一個(gè)循環(huán)。在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收低溫環(huán)境的低品位熱量（即空氣能），經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的少量電能補(bǔ)償后，在冷凝器中將熱量轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境中去。

圖2 空氣能熱泵系統(tǒng)圖Fig. 2 System diagram of Air-source Heat Pump

空氣能熱泵遵循能量守恒定律和熱力學(xué)第二定律，其能效比一般可達(dá)年均4.0，即空氣能熱泵以1份電能從環(huán)境空氣中吸收3份熱能，向用戶供應(yīng)4份熱能，相比直接用電供熱方式，空氣能熱泵更加節(jié)能[19]?？諝饽軣岜弥挥昧松倭侩娔?，而熱量主要來(lái)自無(wú)法被利用的空氣中的低品位熱能，因此，其節(jié)能效果顯著。

3 基于逆循環(huán)的噴氣增焓技術(shù)

北方的冬季由于環(huán)境溫度很低，普通蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)面臨低溫環(huán)境的制約，其制熱系數(shù)受循環(huán)特性的限制，有文獻(xiàn)認(rèn)為，采用噴氣增焓技術(shù)的熱泵系統(tǒng)具有很強(qiáng)的低溫適應(yīng)性，且環(huán)境溫度越低，節(jié)能效果越明顯[20,21]。噴氣增焓系統(tǒng)是由噴氣增焓壓縮機(jī)（本文指渦旋壓縮機(jī)）、噴氣增焓技術(shù)、高效過(guò)冷卻器（也稱經(jīng)濟(jì)器或者節(jié)能器）組成的新型系統(tǒng)，高效過(guò)冷卻器有過(guò)冷器和閃發(fā)器兩種基本型式。按照高效過(guò)冷卻器的型式，噴氣增焓系統(tǒng)有帶過(guò)冷器的噴氣增焓系統(tǒng)及帶閃蒸器的噴氣增焓系統(tǒng)[22,23]。

帶有過(guò)冷器的噴氣增焓系統(tǒng)為一級(jí)兩次節(jié)流經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)，圖3a是帶有過(guò)冷器的噴氣增焓系統(tǒng)圖，渦旋壓縮機(jī)由電能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力，把低溫低壓有機(jī)工質(zhì)蒸汽壓縮成高溫高壓的蒸汽，在冷凝器中高溫高壓的蒸汽被冷凝成高壓液體，從冷凝器中出來(lái)的高壓制冷劑液體通過(guò)主循環(huán)回路和輔助回路以氣態(tài)的形式回到渦旋壓縮機(jī)。主循環(huán)回路流程如下：冷凝器中出來(lái)的高壓制冷劑液體直接進(jìn)入過(guò)冷器進(jìn)一步過(guò)冷后經(jīng)過(guò)第二節(jié)流閥節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器的制冷劑吸收低溫環(huán)境中的熱量而變?yōu)榈蛪簹怏w通過(guò)吸氣口被渦旋壓縮機(jī)吸入。輔助回路流程如下：由冷凝器中出來(lái)的制冷劑液體經(jīng)過(guò)第一節(jié)流閥節(jié)流到某一中間壓力進(jìn)入過(guò)冷器，過(guò)冷器當(dāng)中產(chǎn)生的閃蒸氣體進(jìn)入壓縮機(jī)。主循環(huán)回路中制冷劑氣體壓縮到一定壓力，與輔助回路吸入的制冷劑氣體進(jìn)入壓縮機(jī)接觸線密封后的吸氣腔中進(jìn)一步被壓縮。過(guò)冷器在整個(gè)系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵性的兩方面作用：一方面對(duì)主循環(huán)回路冷媒進(jìn)行節(jié)流前過(guò)冷，降低節(jié)流損失；另一方面，由于過(guò)冷器的增設(shè)，既減少了一級(jí)壓縮的工質(zhì)的流量，又降低了二級(jí)壓縮進(jìn)口的蒸汽溫度和比容，從而降低了壓縮機(jī)功耗[2]。

帶有閃蒸器的噴氣增焓系統(tǒng)是兩級(jí)節(jié)流經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)，如圖3b所示。渦旋壓縮機(jī)由電能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力，把低溫低壓有機(jī)工質(zhì)蒸汽壓縮成高溫高壓的蒸汽，在冷凝器中高溫高壓的蒸汽被冷凝成高壓液體，從冷凝器出來(lái)的高壓制冷劑液體經(jīng)第一節(jié)流閥后進(jìn)入閃發(fā)器形成中間壓力的氣液混合物，氣液混合物將通過(guò)主循環(huán)回路和輔助回路以氣態(tài)的形式回到渦旋壓縮機(jī)。經(jīng)過(guò)閃發(fā)閃蒸器上部的氣體溫度升高，同時(shí)不斷閃發(fā)致使閃發(fā)器下部的液體過(guò)冷。主循環(huán)回路流程如下：過(guò)冷后的制冷劑液體經(jīng)過(guò)第二節(jié)流閥節(jié)流到蒸發(fā)壓力后進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器的制冷劑吸收低溫環(huán)境中的熱量而變?yōu)榈蛪簹怏w通過(guò)吸氣口被渦旋壓縮機(jī)吸入。輔助回路流程如下：處于閃蒸器上部的閃發(fā)蒸汽通過(guò)輔助進(jìn)氣口被壓縮機(jī)吸入。主循環(huán)回路當(dāng)中制冷劑氣體壓縮到一定壓力后與輔助回路吸入的制冷劑氣體進(jìn)入壓縮機(jī)接觸線密封后的吸氣腔中進(jìn)一步被壓縮[22]。

從圖4中看出，由于采用了噴氣增焓技術(shù)，渦旋壓縮機(jī)排氣口（即經(jīng)過(guò)冷凝器）的流量為蒸發(fā)器流量m和輔助進(jìn)口流量i之和，增強(qiáng)了冷凝器的換熱效率[24]。

圖3 噴氣增焓流程圖Fig. 3 Flow diagram of Enhanced Vapor Injection

圖4 噴氣增焓系統(tǒng)lnP-h圖[24]Fig. 4 lnP-hof Enhanced Vapor Injection

4 基于正逆循環(huán)（耦合）的低品位能利用技術(shù)

低品位熱能在自然界以及人類生活中大量存在，如太陽(yáng)能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱、市政污水余熱等。余熱都伴隨著廢水、廢氣排放到環(huán)境當(dāng)中，造成了非常嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，大量能源的浪費(fèi)反過(guò)來(lái)又加劇了化石能源的消耗。太陽(yáng)輻射能是地球上最主要的能量來(lái)源，太陽(yáng)能分布廣泛，被認(rèn)為是最具有前景的能源[25,26]。地?zé)崮苁强稍偕那鍧嵞茉?，按埋藏深度可以分為高溫地?zé)幔═＞150℃）、中溫地?zé)幔?0℃＜T＜150℃）和低溫地?zé)幔═＜90℃）[27]。目前地?zé)豳Y源主要用于發(fā)電、采暖、制冷、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療保健等。我國(guó)地域遼闊，地?zé)崮芸衫昧烤薮螅壳叭鄙賹?duì)中低溫地?zé)豳Y源開發(fā)利用。

近年來(lái)，有機(jī)朗肯循環(huán)及卡琳娜循環(huán)的研究為低品位熱能（工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿龋┑拈_發(fā)利用提供了發(fā)展機(jī)遇，在低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動(dòng)膨脹機(jī)做功，有機(jī)朗肯循環(huán)及卡琳娜循環(huán)是回收低品位熱能的有效技術(shù)手段[2-17]。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)如圖5所示，整個(gè)循環(huán)由定壓冷卻、絕熱加壓、定壓加熱及絕熱膨脹4個(gè)熱力學(xué)過(guò)程組成，4個(gè)過(guò)程分別發(fā)生于凝汽器、工質(zhì)泵、發(fā)生器及膨脹機(jī)當(dāng)中。經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)膨脹后的較低溫度、較低壓力的有機(jī)工質(zhì)蒸汽，在凝汽器中與冷卻水循環(huán)當(dāng)中的冷卻水進(jìn)行換熱冷卻成過(guò)冷液體，換熱之后的過(guò)冷有機(jī)物工質(zhì)液體，在工質(zhì)泵中被加壓至高壓液體，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器進(jìn)行加熱，蒸汽發(fā)生器中的高壓有機(jī)工質(zhì)液體被加熱，產(chǎn)生蒸汽，過(guò)熱蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)，推動(dòng)膨脹機(jī)，輸出機(jī)械功，經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)之后的較低溫度、較低壓力的有機(jī)工質(zhì)蒸汽又回到凝汽器當(dāng)中與冷卻水循環(huán)當(dāng)中的冷卻水進(jìn)行換熱冷卻，如此完成有機(jī)朗肯循環(huán)獲得機(jī)械功[28]。

圖6為有機(jī)朗肯循環(huán)典型工況的溫熵圖（T-s圖），理論循環(huán)包括以下基本過(guò)程：1→2s→3→4→5s→6→1。其中：1→2s代表工質(zhì)在膨脹機(jī)中的等熵膨脹過(guò)程；4→5s代表工質(zhì)在工質(zhì)泵中等熵壓縮過(guò)程；1→2代表工質(zhì)在膨脹機(jī)中的實(shí)際膨脹過(guò)程；2→4代表有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)定壓放熱過(guò)程；4→5代表工質(zhì)在工質(zhì)泵中實(shí)際壓縮過(guò)程；5→1代表工質(zhì)在發(fā)生器中定壓加熱過(guò)程。

圖5 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)圖Fig. 5 System diagram of Organic Rankine cycle

圖6 有機(jī)朗肯循環(huán)T-s圖Fig. 6T-sof Organic Rankine cycle

卡琳娜循環(huán)[29,30]是以氨水混合物為工質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)，如圖7所示，低品位熱能進(jìn)入發(fā)生器，加熱發(fā)生器內(nèi)的氨水溶液，形成過(guò)熱氨水蒸汽進(jìn)人膨脹機(jī)膨脹做功，做功后的低壓、低溫氨氣進(jìn)入吸收器被發(fā)生器出來(lái)的稀溶液吸收，放出的熱量被冷卻水帶走，吸收器里面的氨水溶液經(jīng)過(guò)工質(zhì)泵加壓、預(yù)熱器升溫之后，進(jìn)入發(fā)生器蒸發(fā)，完成一個(gè)循環(huán)。

圖7 卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)圖Fig. 7 System diagram of Kalina cycle

如圖8所示，基于正逆循環(huán)（耦合）的低品位能利用系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是低品位能收集子系統(tǒng)、動(dòng)力（正）循環(huán)子系統(tǒng)及發(fā)電子系統(tǒng)或制冷（逆）循環(huán)子系統(tǒng)。低品位能收集子系統(tǒng)收集的熱能通過(guò)發(fā)生器傳遞給動(dòng)力（正）循環(huán)子系統(tǒng)，通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)或者卡琳娜循環(huán)獲得較高的蒸汽壓力，推動(dòng)膨脹機(jī)做功，獲得機(jī)械功，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電子系統(tǒng)的發(fā)電功能或者通過(guò)聯(lián)軸器連接制冷（逆）循環(huán)子系統(tǒng)當(dāng)中的壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)子系統(tǒng)的制冷功能。

圖8 基于正逆循環(huán)（耦合）的低品位能利用示意圖Fig. 8 Sketch diagram of low grade energy utilization based on the coupling with positive Cycle (Organic Rankine cycle and Kalina cycle) and inverse cycle

4.1 低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)電

如圖8中的路徑1所示，低品位能發(fā)電技術(shù)有有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)和卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)可以利用太陽(yáng)能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱等一切低品位能。常規(guī)動(dòng)力循環(huán)以水蒸汽作為循環(huán)工質(zhì)，對(duì)熱源溫度要求非常高，且設(shè)備體積龐大，而采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)，非常適宜于低品位能的利用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更加簡(jiǎn)單緊湊，如果選擇合適的有機(jī)工質(zhì)，甚至可以不設(shè)置過(guò)熱設(shè)備，就可以獲得較好系統(tǒng)性能，同時(shí)還降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換進(jìn)行發(fā)電，且不消耗化石燃料，對(duì)環(huán)境污染很小，效率更高，因而日益得到重視。相比其他利用方式，卡琳娜循環(huán)是一種混合工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)，適合變溫?zé)嵩?，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換熱設(shè)備較多、制造成本較高，不利于推廣[3-17]。

4.2 低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷

如圖8中的路徑2所示，利用低品位能（太陽(yáng)能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱等）驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)、卡琳娜循環(huán)產(chǎn)生的機(jī)械功來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)的研究日益受到關(guān)注，而不是直接發(fā)電。國(guó)內(nèi)外針一些學(xué)者對(duì)有機(jī)朗肯?蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了的理論及試驗(yàn)研究[6,11,13]，取得了一些成果。在北方地區(qū)，常規(guī)的單級(jí)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)會(huì)因壓縮比過(guò)高而使運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著降低，噴氣增焓技術(shù)可以很好地解決這一問題，基于此提出了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯?噴氣增焓（帶二次吸氣的增效）蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)[2]的概念，系統(tǒng)的流程圖如圖9所示。制冷系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是太陽(yáng)能收集子系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)及制冷循環(huán)子系統(tǒng)。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯?噴氣增焓（帶二次吸氣的增效）蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)能集熱器將熱量傳遞至蓄熱器，再傳遞至發(fā)生器，有機(jī)工質(zhì)在發(fā)生器中吸收熱量蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)；之后高溫高壓的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)中進(jìn)行膨脹，輸出機(jī)械功；從膨脹機(jī)中出來(lái)的有機(jī)工質(zhì)溫度已大大降低，進(jìn)入凝汽器中被環(huán)境冷源凝結(jié)為液態(tài)工質(zhì)，之后經(jīng)過(guò)工質(zhì)泵加壓，最后進(jìn)入發(fā)生器，如此往復(fù)循環(huán)，完成有機(jī)朗肯循環(huán)。膨脹機(jī)和噴氣增焓蒸汽壓縮制冷循環(huán)子系統(tǒng)的壓縮機(jī)為同軸結(jié)構(gòu)，通過(guò)聯(lián)軸器將機(jī)械功傳遞至壓縮機(jī)，把低溫低壓有機(jī)工質(zhì)蒸汽壓縮成高溫高壓的蒸汽，在冷凝器中高溫高壓的蒸汽被冷凝成高壓液體，從冷凝器中出來(lái)的制冷劑液體分兩部分，輔助回路部分制冷劑液體通過(guò)第一節(jié)流閥節(jié)流到某一中間壓力進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，之后在經(jīng)濟(jì)器中借助熱交換形成閃蒸氣體，主回路部分制冷劑直接進(jìn)入到經(jīng)濟(jì)器進(jìn)一步過(guò)冷后通過(guò)第二節(jié)流閥節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收環(huán)境中的熱量汽化后形成氣體回到壓縮機(jī)中進(jìn)行壓縮。主回路中制冷劑氣體壓縮到一定壓力后與輔助回路吸入的閃蒸制冷劑氣體進(jìn)入壓縮機(jī)接觸線密封后的吸氣腔中進(jìn)一步被壓縮，如此往復(fù)循環(huán)完成噴氣增焓蒸汽壓縮式制冷循環(huán)。

圖9 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯?噴氣增焓（帶二次吸氣的增效）蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 9 Structure diagram of organic Rankine-Enhanced Vapor Injection (with efficiency by secondary suction) Vapor Compression Refrigeration system powered by solar energy

圖10是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯?噴氣增焓（帶二次吸氣的增效）蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的噴氣增焓蒸汽壓縮式制冷的熱力學(xué)循環(huán)壓焓圖（lgP-h圖）。其中：8→9s代表主回路的制冷劑在渦旋壓縮機(jī)中的等熵壓縮過(guò)程；8→9代表主回路的制冷劑在渦旋壓縮機(jī)中的實(shí)際壓縮過(guò)程；16→10s代表閃蒸氣體在渦旋壓縮機(jī)中的等熵壓縮過(guò)程；16→10代表閃蒸氣體在渦旋壓縮機(jī)中的實(shí)際壓縮過(guò)程；10→11代表制冷劑在冷凝器中的定壓放熱過(guò)程；11→14代表輔助回路制冷劑的節(jié)流過(guò)程；14→16代表制冷劑噴汽前自身的預(yù)熱過(guò)程；11→12代表主回路制冷劑閥前過(guò)冷過(guò)程；12→13代表主回路制冷劑的節(jié)流過(guò)程；13→8代表主回路制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過(guò)程。

圖10 噴氣增焓（帶二次吸氣的增效）蒸汽壓縮制冷循環(huán)lnP-h圖[2]Fig. 10 lnP-hof Enhanced Vapor Injection (with efficiency by secondary suction) Vapor Compression Refrigeration cycle

一些特殊行業(yè)，特別是食品冷凍冷藏或醫(yī)療等行業(yè)所需要的溫度通常很低，常規(guī)的單級(jí)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)同樣會(huì)因壓縮比過(guò)高而使運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著降低，而復(fù)疊式制冷系統(tǒng)可以解決這一問題，基于此提出了中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯?復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的概念[31]。中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯?復(fù)疊式制冷系統(tǒng)流程圖如圖11所示，該系統(tǒng)由地?zé)崮苁占酉到y(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷循環(huán)子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)主要由發(fā)生器、膨脹機(jī)、凝汽器和工質(zhì)泵組成。系統(tǒng)的復(fù)疊式制冷循環(huán)子系統(tǒng)由高溫級(jí)和低溫級(jí)兩個(gè)制冷子單元組成。高溫級(jí)制冷子單元由高溫級(jí)壓縮機(jī)、高溫級(jí)冷凝器、高溫級(jí)節(jié)流閥和蒸發(fā)冷凝器組成；低溫級(jí)制冷子單元由低溫級(jí)壓縮機(jī)、蒸發(fā)冷凝器、低溫級(jí)節(jié)流閥和低溫級(jí)蒸發(fā)器組成。蒸發(fā)冷凝器既是高溫級(jí)制冷子單元的蒸發(fā)器，又是低溫級(jí)制冷子單元的冷凝器，蒸發(fā)冷凝器把兩個(gè)制冷子單元聯(lián)系在一起，高溫級(jí)制冷子單元采用中溫制冷劑，低溫級(jí)制冷子單元采用低溫制冷劑。

圖11 中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯?復(fù)疊式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[31]Fig. 11 Structure diagram of Organic Rankine-Cascade Refrigeration system Powered by Medium-grade Geothermal Energy

系統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)為復(fù)疊式制冷循環(huán)子系統(tǒng)的高溫級(jí)壓縮機(jī)提供動(dòng)力，低溫級(jí)壓縮機(jī)則由電能驅(qū)動(dòng)。圖12為復(fù)疊式制冷循環(huán)子系統(tǒng)的壓焓圖（lgP-h圖）。其中：8→9s代表低溫制冷劑在低溫級(jí)壓縮機(jī)中的等熵壓縮過(guò)程；8→9代表低溫制冷劑在低溫級(jí)壓縮機(jī)中的實(shí)際壓縮過(guò)程；9→11代表低溫制冷劑在蒸發(fā)冷凝器中的定壓放熱過(guò)程；11→12代表低溫制冷劑在低溫級(jí)節(jié)流閥中的等焓節(jié)流過(guò)程；12→8代表低溫制冷劑在低溫級(jí)蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過(guò)程；14→15s代表中溫制冷劑在高溫級(jí)壓縮機(jī)中的等熵壓縮過(guò)程；14→15代表中溫制冷劑在高溫級(jí)壓縮機(jī)中的實(shí)際壓縮過(guò)程；15→17代表中溫制冷劑在高溫級(jí)冷凝器中的定壓放熱過(guò)程；17→18代表中溫制冷劑在高溫級(jí)節(jié)流閥中的等焓節(jié)流過(guò)程；18→14代表中溫制冷劑在蒸發(fā)冷凝器中的蒸發(fā)過(guò)程。

如圖8所示，基于正逆循環(huán)（耦合）的低品位能利用技術(shù)只需增加低品位能收集子系統(tǒng)和動(dòng)力（正）循環(huán)子系統(tǒng)，即可獲得循環(huán)產(chǎn)生的機(jī)械功用來(lái)發(fā)電或者驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)制冷功能。

4.3 低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷與傳統(tǒng)制冷的對(duì)比

圖12 復(fù)疊式制冷循環(huán)lnP-h圖[31]Fig. 12 lnP-hof Cascade Refrigeration cycle

目前制冷系統(tǒng)主要以消耗電能來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)當(dāng)中的壓縮機(jī)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷，能效比較低，經(jīng)濟(jì)性不高，而使用的電能基本上來(lái)自火力發(fā)電，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是燃燒燃料（煤等）放出的熱量加熱水，形成高溫高壓過(guò)熱蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)械功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)出電能。燃料（煤等）燃燒時(shí)除了排放CO2和熱量外，還會(huì)排放SO2、H2S等多種有害氣體，其中CO2是溫室氣體，CO2的排放增加了地球的溫室效應(yīng)。對(duì)于圖8當(dāng)中的路徑2，低品位能（太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒐I(yè)余熱等）驅(qū)動(dòng)動(dòng)力循環(huán)有機(jī)朗肯循環(huán)或者卡琳娜循環(huán)帶動(dòng)膨脹機(jī)輸出機(jī)械功，制冷子系統(tǒng)中的壓縮機(jī)只需要通過(guò)聯(lián)軸器與膨脹機(jī)同軸連接就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的制冷功能。路徑2充分利用了低品位能，一定程度上講節(jié)約了大量的化石能源，起到保護(hù)環(huán)境的作用，另外，壓縮機(jī)與膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速一致，減少了機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能及電能遠(yuǎn)距離輸送到用戶所帶來(lái)的損失兩個(gè)環(huán)節(jié)，一方面提高了能源利用效率，另一方面使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。

5 總 結(jié)

（1）介紹了機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）熱泵技術(shù)，該技術(shù)可以回收利用物料蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽的潛熱。

（2）介紹了空氣能熱泵技術(shù)，該技術(shù)只用了少量電能，而熱量主要來(lái)自于無(wú)法被利用的空氣中的低品位熱能。

（3）介紹了帶有過(guò)冷器的噴氣增焓技術(shù)及帶有閃蒸器的噴氣增焓技術(shù)，采用噴氣增焓技術(shù)的熱泵系統(tǒng)具有很強(qiáng)的低溫適應(yīng)性，適用于北方冬季，且環(huán)境溫度越低，節(jié)能效果越明顯。

（4）有機(jī)朗肯循環(huán)及卡琳娜循環(huán)是回收低品位熱能的有效技術(shù)手段，在低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動(dòng)膨脹機(jī)做功，由此介紹了低品位能兩種利用技術(shù)：低品位能借助正循環(huán)（有機(jī)朗肯循環(huán)或卡琳娜循環(huán)）熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)電及低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷。

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Energy-saving Technologies Based on Positive and Inverse Cycle

SHAO Zhen-hua1, ZHENG Zi-hui1, YU Wen-yuan2, HU Yong-pan2, XU An-bo2, WANG Yuan3
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 3. Xi’an Jiaotong University, School of Human Settlement and Civil Engineering, Xi’an 710049, China)

Energy is one of the pillars of the social development, and it is an important factor in the economic development and social progress of human society. In recent years, for the energy demand is more and more huge, the energy supply has become a bottleneck problem. In the real background of social and environmental problems induced by increasing energy consumption, saving energy has become a consensus. This paper introduces three kinds of energy-saving technologies, which are Mechanical Vapor Recompression Heat Pump, Air-source Heat Pump, and Enhanced Vapor Injection technology respectively. Making full use of low grade energy can save energy to a certain extent. Therefore, two technologies of low grade energy utilization were introduced based on Organic Rankine cycle and Kalina cycle: one is that low grade energy is changed into mechanical work to generate power by using the positive cycle (Organic Rankine cycle or Kalina cycle), and the other is that low grade energy is changed into mechanical work to realize refrigeration by using the positive cycle.

energy-saving technologies; Mechanical Vapor Recompression Heat Pump; Air-source Heat Pump; Enhanced Vapor Injection; Organic Rankine cycle; Kalina cycle

TK5

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.04.007

2095-560X（2015）04-0280-09

邵振華（1988-），男，碩士研究生，主要從事新能源技術(shù)方面的研究。

鄭子輝（1991-），男，碩士研究生，主要從事微尺度燃燒方面的研究。

于文遠(yuǎn)（1988-），男，碩士研究生，主要從事制冷裝置測(cè)試技術(shù)與自動(dòng)化方面的研究。

2015-03-05

2015-3-31

? 通信作者：于文遠(yuǎn)，E-mail：yuwyn0212@163.com