李帥旗，何世輝，宋文吉，馮自平

（1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系，安徽合肥230026；2 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州510640；3 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東廣州510640；4 廣東省新能源與可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東廣州510640）

隨著科技的進步和時代的發(fā)展，環(huán)境污染以及能源浪費成為主要的社會問題之一。能源作為國家綜合實力和經(jīng)濟水平的象征，是世界各國共同關(guān)注的焦點問題。而我國作為世界第一大能源消耗體，節(jié)能潛力大，環(huán)保壓力重，能源消費升級和技術(shù)革新是我國實現(xiàn)工業(yè)4.0的重要措施。目前，在工業(yè)領(lǐng)域，回收利用的熱能尚不足所有可回收熱能的30%，大量余熱浪費反而導(dǎo)致熱污染[1]。其中，很大一部分原因是因為工業(yè)余熱回收技術(shù)的不足和限制，在余熱廢水的工廠，往往不需要高溫?zé)崴?，反而存在蒸汽的需求[2-4]，因此開發(fā)一種回收工業(yè)余熱來制取飽和蒸汽的技術(shù)具有極大的經(jīng)濟價值和應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)外關(guān)于熱泵蒸汽機的研究主要集中在工質(zhì)的篩選及新型高溫工質(zhì)的開發(fā)、系統(tǒng)的優(yōu)化改進和關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)等方面。Bamigbetan 等[5]和劉炳伸等[6]對幾種高溫?zé)岜糜霉べ|(zhì)進行性能評價，表明R600 和R1233zd(E)具有較好的應(yīng)用前景；方一波等[7]對R1336mzz(Z)與R123 在熱泵工況下的循環(huán)性能進行了對比分析，表明R1336mzz(Z)具有更好的綜合性能；Yu 等[8]分析了跨臨界R32/R290 高溫?zé)岜玫墓ぷ魈匦?，并證明與CO2相比，跨臨界熱泵具有更高的COP；吳迪等[9]提出了采用自然工質(zhì)水的高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，在80℃蒸發(fā)溫度條件下，壓縮機的排氣溫度接近120℃，系統(tǒng)的能效系數(shù)（COP）接近于5.0。在高溫?zé)岜谜羝麢C方面，日本神戶制鋼公司開發(fā)了以R245fa 作為循環(huán)工質(zhì)，采用兩級螺桿壓縮式高溫?zé)岜谜羝麢C組SGH165，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，再利用蒸汽壓縮機提升到更高的壓力[10]。趙兆瑞等[11]設(shè)計了一種采用R245fa 為工質(zhì)的高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，通過節(jié)流氣化制取常壓飽和蒸汽。

在以上研究基礎(chǔ)上，本文結(jié)合蒸汽壓縮技術(shù)[12-14]和高溫?zé)岜眉夹g(shù)提出一種無閃蒸循環(huán)的高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)，以改善系統(tǒng)閃蒸壓降帶來的能量損失，系統(tǒng)通過兩級冷凝直接制取低壓飽和蒸汽，再利用蒸汽壓縮機升溫升壓來制取中低壓飽和蒸汽，相比燃煤、燃氣鍋爐具有明顯的節(jié)能效果，并且不產(chǎn)生CO2和NOx，具有良好的環(huán)保效益，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 循環(huán)系統(tǒng)

基于蒸汽壓縮的熱泵蒸汽系統(tǒng)流程如圖1 所示，主要包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、回?zé)崞鳌⒔?jīng)濟器、二級冷凝器、一級冷凝器、承壓水罐、冷媒壓縮機、蒸汽壓縮機、進水泵及減壓閥等。由于R245fa 具有零ODP 和較低的GWP 值，并且在120℃下的冷凝壓力僅為1.83MPa，非常適合高溫冷媒循環(huán)，其循環(huán)回路和水循環(huán)回路的熱力過程如圖2 所示。常溫潔凈水從供水點（狀態(tài)點1）進入系統(tǒng)，經(jīng)預(yù)熱器加熱后（狀態(tài)點3）分出一股支路進入蒸汽壓縮機噴液冷卻口（狀態(tài)點17），其中主回路熱水進入二級冷凝器內(nèi)繼續(xù)加熱升溫（狀態(tài)點4），升溫后的熱水經(jīng)噴嘴進入承壓水罐，進而被內(nèi)置的一級冷凝器加熱沸騰生成飽和蒸汽（狀態(tài)點5），飽和蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮機進一步升溫升壓后排出系統(tǒng)（狀態(tài)點16）。冷媒壓縮機、一級冷凝器、二級冷凝器、經(jīng)濟器、蒸發(fā)器、回?zé)崞?、預(yù)熱器和減壓閥等組成R245fa 熱泵系統(tǒng)，利于兩級冷凝直接制取低壓飽和蒸汽。冷媒壓縮機出口高溫高壓冷媒（狀態(tài)點15）先后進入一級冷凝器、二級冷凝器降溫冷凝后（狀態(tài)點7），其中一股支路經(jīng)減壓閥降壓后（狀態(tài)點8）進入經(jīng)濟器相變蒸發(fā)，然后通過壓縮機噴氣口（狀態(tài)點9）進入冷媒壓縮機，其中主回路冷媒同樣進入經(jīng)濟器放熱降溫（狀態(tài)點10），經(jīng)過回?zé)崞鬟M入蒸發(fā)器完成吸熱蒸發(fā)過程，其出口（狀態(tài)點13）經(jīng)過回?zé)崞鳎顟B(tài)點14）回到壓縮機入口完成循環(huán)過程。而熱源廢水（狀態(tài)點18）先后進入蒸發(fā)器和預(yù)熱器，放出熱量后（狀態(tài)點20）排出系統(tǒng)。

圖1 超高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)

圖2 熱泵蒸汽系統(tǒng)的T-S曲線

2 數(shù)值模型

本文基于EES軟件建立熱力學(xué)模型，分析冷凝溫度Tcond、蒸發(fā)溫度Tevap、經(jīng)濟器溫度Tecon和噴氣率βg對冷媒壓縮機功耗Wrefc、蒸汽壓縮機功耗Wvapc和系統(tǒng)COP 的影響情況，為新型熱泵蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用提供依據(jù)。

為簡化模型，對模型作出以下假設(shè)[15-16]：①系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；②忽略管路熱損失和壓力損失；③忽略換熱器的壓力損失；④壓縮機為絕熱壓縮過程；⑤不考慮水泵的功耗。

2.1 質(zhì)量守衡及能量守衡

系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)下，質(zhì)量守衡包括系統(tǒng)水制取蒸汽、余熱廢水和冷媒循環(huán)的質(zhì)量守衡，見式(1)～式(3)。

系統(tǒng)的能量守恒包括進口常溫水、進口余熱廢水、冷媒壓縮機功耗、蒸汽壓縮機功耗、出口蒸汽和出口余熱廢水的能量守恒，見式(4)。

（1）預(yù)熱器 預(yù)熱器用于加熱常溫的進口自來水，同時進一步降低排出系統(tǒng)的熱源廢水溫度，其換熱量見式(5)、式(6)。

（2）蒸發(fā)器 蒸發(fā)器內(nèi)冷媒完成相變蒸發(fā)過程，吸收余熱廢水的熱量為系統(tǒng)提供外部輸入熱量，其換熱量見式(7)、式(8)。

（3）冷凝器 本套系統(tǒng)采用直接加熱的方式制取蒸汽，無閃蒸壓降，能效系數(shù)高。設(shè)置兩級冷凝有效減小主冷凝器的換熱面積，減小承壓水罐的體積。冷凝器的換熱參數(shù)及換熱量對熱泵循環(huán)的性能有重要影響，其換熱量見式(9)～式(12)。

（4）經(jīng)濟器 壓比大是高溫?zé)岜糜美涿綁嚎s機的主要特點，系統(tǒng)設(shè)置經(jīng)濟器一方面回收部分冷媒熱量，降低節(jié)流閥前冷媒溫度，同時采用中間噴氣的方式提高壓縮機的壓縮效率，非常適合于高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，其換熱量見式(13)、式(14)。

（5）回?zé)崞?回?zé)崞饔脕砑訜徇M入壓縮機的冷媒，提高進入壓縮機的冷媒溫度，維持其具有一定的過熱度，避免冷媒攜帶液滴進入壓縮機造成液擊損傷，其換熱量見式(15)、式(16)。

（6）壓縮機 本文提出的熱泵蒸汽系統(tǒng)包括冷媒壓縮機和蒸汽壓縮機，其中冷媒壓縮機為R245fa 專用壓縮機，一般為螺桿壓縮機或轉(zhuǎn)子壓縮機等，其壓縮效率和功耗是影響熱泵循環(huán)性能的主要因素。

壓縮機的增壓比定義為壓縮機出口壓力與進口壓力之比，見式(17)。

壓縮機的出口焓值和功耗可由式(18)計算得出[17-19]。

假設(shè)中間噴氣混合點為狀態(tài)點21，其焓值見式(19)、式(20)。

則壓縮機功耗見式(21)、式(22)。

蒸汽壓縮機一般采用螺桿壓縮機，用來提高蒸汽的溫度和壓力，利用級后噴液的方式保證出口處于飽和狀態(tài)，其功耗和出口焓值由式(23)、式(24)計算得出。

2.2 系統(tǒng)模型評價參數(shù)

本文提出的蒸汽壓縮的熱泵蒸汽系統(tǒng)的主要性能評價參數(shù)為系統(tǒng)能效系數(shù)COP 和單位蒸汽耗功Wper，計算表達式見式(25)、式(26)。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型計算與典型工況性能

建立以上數(shù)值模型，并通過EES軟件進行編程建模，以系統(tǒng)COP 最大值為目標，利用變尺度（variable metric method）優(yōu)化算法進行計算。計算過程中設(shè)定的已知參數(shù)為：進水流量min、溫度Tin和壓力pin，熱源水入口溫度twast和壓力pwast，出口蒸汽壓力pout和溫度Tout，熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度Tevap、冷凝溫度Tcond、經(jīng)濟器溫度Tecon，冷媒壓縮機效率ηrefc、蒸汽壓縮機效率ηvapc等參數(shù)，見表1。

表1 模型典型工況輸入?yún)?shù)

3.2 冷凝溫度的影響分析

圖3 給出了系統(tǒng)冷凝溫度Tcond與系統(tǒng)COP 和冷媒壓縮機功耗Wrefc、蒸汽壓縮機功耗Wvapc的變化關(guān)系。從圖3 可以看出，隨著Tcond的升高，Wrefc逐漸升高，Wvapc逐漸下降，系統(tǒng)COP呈現(xiàn)先升后降的變化關(guān)系。冷凝溫度Tcond的升高對應(yīng)的冷凝壓力pcond升高，壓縮機排氣壓力pdisc同樣變大，壓縮機壓比值πrefc增大，冷媒壓縮機功耗Wrefc逐漸增大；而冷凝溫度Tcond升高會引起承壓水罐內(nèi)蒸氣壓力升高，即進入蒸氣壓縮機的氣體壓力增大，在系統(tǒng)出口蒸氣溫度Tout和壓力pout不變的情況下，蒸氣壓縮機壓比值πvapc相應(yīng)減小，壓縮機功耗Wvapc逐漸降低。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和系統(tǒng)能效系數(shù)COP的定義可以得出，COP隨冷凝溫度Tcond的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其最大值出現(xiàn)在Tcond為93℃時，系統(tǒng)COP 為2.988。

圖3 冷凝溫度與系統(tǒng)COP和壓縮機功耗的變化關(guān)系

圖4 給出了系統(tǒng)冷凝溫度Tcond與經(jīng)濟器溫度Tecon和壓縮機噴氣率βg的變化關(guān)系。從圖4 可以看出，隨著Tcond的升高，Tecon和βg逐漸增大。蒸發(fā)溫度Tevap不變的情況下，隨著Tcond的升高，壓縮機壓比πrefc相應(yīng)增大，為保證維持壓縮機的高效率運轉(zhuǎn)，噴氣壓力p9相應(yīng)升高，即經(jīng)濟器內(nèi)壓力pecon和溫度Tecon升高；通過查詢R245fa工質(zhì)物性可知，冷媒潛熱值隨溫度的升高而降低，隨著Tcond的升高，單位質(zhì)量的冷媒蒸發(fā)換熱量降低，為保證主回路冷媒具有一定的過冷度，因此增加中間噴氣回路流量來保證經(jīng)濟器的換熱量Qecon基本不變，即βg逐漸變大。系統(tǒng)冷凝溫度Tcond從80℃上升至100℃的情況下，Tecon上升18.4%，βg上升133%。

圖4 冷凝溫度與經(jīng)濟器溫度和壓縮機噴氣率的變化關(guān)系

3.3 經(jīng)濟器溫度的影響分析

圖5 給出了經(jīng)濟器溫度Tecon與冷媒壓縮機噴氣率βg和系統(tǒng)COP的變化關(guān)系。從圖5可以看出，隨著Tecon的升高，βg逐漸下降，系統(tǒng)COP 呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。系統(tǒng)冷凝溫度Tcond和蒸發(fā)溫度Tevap不變的情況下，隨著Tecon的升高，經(jīng)濟器冷熱側(cè)換熱溫差下降，主回路單位質(zhì)量冷媒的換熱能力降低，為保證經(jīng)濟器蒸發(fā)側(cè)冷媒完全汽化，主回路冷媒質(zhì)量流量升高，中間噴氣回路冷媒流量降低，即噴氣率βg下降。經(jīng)濟器溫度Tecon的升高引起噴氣壓力升高，噴氣回路功耗降低，但是噴氣率βg下降會引起冷媒主回路流量增加，主回路壓縮過程功耗增大，導(dǎo)致冷媒壓縮機功耗Wrefc隨Tecon的變化呈現(xiàn)先升后降的趨勢，而蒸汽壓縮機功耗Wvapc保持不變，根據(jù)系統(tǒng)能效系數(shù)COP的定義可以得出，COP隨冷凝溫度Tecon的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其最大值出現(xiàn)在Tecon為65℃時，系統(tǒng)COP 為2.996。

圖5 經(jīng)濟器溫度與系統(tǒng)COP和噴氣率的變化關(guān)系

3.4 蒸發(fā)溫度的影響分析

從之前的分析數(shù)據(jù)得出，系統(tǒng)存在最佳的冷凝溫度Tcond和經(jīng)濟器溫度Tecon使COP 最大，因此對系統(tǒng)進行不同蒸發(fā)溫度下的最優(yōu)化計算，計算結(jié)果如圖6 和圖7 所示，從圖中可以看出，隨著Tevap的升高，Tcond和Tecon逐漸增大，βg逐漸減??；Wrefc和Wvapc逐漸降低，系統(tǒng)COP 逐漸升高。蒸發(fā)溫度Tevap從50℃上升至70℃的情況下，Tcond上升11.1%、Tecon上升23.9%、βg下降33.8%、Wvapc下降14.5%、Wrefc下降28.3%、COP上升23.4%。

圖6 蒸發(fā)溫度與冷凝溫度、經(jīng)濟器溫度和噴氣率的變化關(guān)系

圖7 蒸發(fā)溫度與系統(tǒng)COP和功耗的變化關(guān)系

在系統(tǒng)出口蒸氣溫度Tout不變的情況下，隨著Tevap的升高，冷媒壓縮機和蒸汽壓縮機的壓比需求相應(yīng)降低，相應(yīng)功耗Wvapc和Wrefc降低，系統(tǒng)COP升高；蒸汽壓縮機壓比需求的減小意味著入口壓力升高，承壓水罐內(nèi)蒸汽溫度升高，冷凝器內(nèi)冷媒冷凝溫度Tcond升高，冷媒壓縮機的排氣壓力pdisr升高，噴氣壓力升高，對應(yīng)的經(jīng)濟器溫度Tecon升高；冷媒壓縮機壓比減小，相應(yīng)的中間級壓比同樣減小，即噴氣口壓力和排氣口壓力差值減小，噴氣率βg相應(yīng)降低。

3.5 噴氣率的影響分析

圖8 給出了冷媒壓縮機噴氣率βg與經(jīng)濟器溫度Tecon和冷媒壓縮機排氣溫度Tdisc的變化關(guān)系。從圖8可以看出，隨著βg的升高，Tecon逐漸降低，Tdisc呈現(xiàn)先升高后降低的變化關(guān)系。在蒸發(fā)溫度Tevap和冷凝溫度Tcond不變的情況下，隨著βg的升高，經(jīng)濟器的換熱量增大，主回路側(cè)冷媒溫降變大，經(jīng)濟器蒸發(fā)溫度即Tecon逐漸降低；冷媒壓縮機的排氣溫度Tdisc主要與噴氣口的壓力和流量有關(guān)，隨著βg的升高，主回路冷媒流量減小引起Tdisc減小，而經(jīng)濟器溫度Tecon也逐漸降低，中間級壓縮比增大，引起Tdisc增大，因此Tdisc呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最大值出現(xiàn)在βg為0.1 時，其最大值為94.93℃。

圖8 噴氣率與經(jīng)濟器溫度和壓縮機排氣溫度的變化關(guān)系

圖9給出了冷媒壓縮機噴氣率βg與系統(tǒng)COP和冷媒壓縮機功耗Wrefc的變化關(guān)系。從圖9 中可以看出，隨著βg的升高，Wrefc先降后升，系統(tǒng)COP 呈現(xiàn)先升后降的變化關(guān)系。冷媒壓縮機功耗Wrefc包括主回路功耗和中間壓縮回路功耗，隨著βg的升高，壓縮機噴氣量增大，主回路冷媒量減小，導(dǎo)致主回路功耗降低，中間壓縮回路功耗升高，同時Tecon的降低也會引起中間壓縮回路功耗的升高，而βg的升高也意味著中間壓縮回路在整個壓縮過程中所占比重升高，最終Wrefc呈現(xiàn)出先降后升的變化趨勢；根據(jù)系統(tǒng)能效系數(shù)COP 的定義可以得出，COP 隨冷凝溫度βg的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其最大值出現(xiàn)在βg為0.13時，系統(tǒng)COP為2.996。

圖9 噴氣率與冷媒壓縮機功耗和系統(tǒng)COP的變化關(guān)系

4 結(jié)論

熱泵蒸汽系統(tǒng)采用電力驅(qū)動制取蒸汽，相比傳統(tǒng)的電蒸汽鍋爐節(jié)能率高，相比燃煤、燃氣鍋爐不產(chǎn)生CO2和NOx，符合我國節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略發(fā)展，具有良好的市場前景。本文以提出的基于蒸汽壓縮技術(shù)的熱泵蒸汽系統(tǒng)為研究對象，針對冷凝溫度Tcond、經(jīng)濟器溫度Tecon、蒸發(fā)溫度Tevap、噴氣率βg對冷媒壓縮機功耗Wrefri、蒸汽壓縮機功耗Wvapor和系統(tǒng)COP的影響開展了一系列的模擬分析，結(jié)論如下。

（1）基于蒸汽壓縮的熱泵蒸汽系統(tǒng)，制取165℃的飽和蒸汽，在蒸發(fā)溫度Tevap為50℃、經(jīng)濟器溫度Tecon為65℃、冷凝溫度Tcond為93℃時，系統(tǒng)能效系數(shù)COP 為2.996，制取1t 蒸汽消耗功率僅為247kW·h，相比電鍋爐具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

（2）冷凝溫度Tcond的升高導(dǎo)致冷媒壓縮機功耗Wrefc增加，蒸汽壓縮機功耗Wvapc減小，系統(tǒng)COP 隨Tcond的升高呈現(xiàn)先升后降的變化關(guān)系，在Tcond為93℃時出現(xiàn)最大值。

（3）系統(tǒng)COP隨Tevap的升高逐漸增大，但是Tevap的升高需要更高的熱源溫度，不利于實際推廣應(yīng)用。

（4）系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度不變的條件下，設(shè)置經(jīng)濟器可以有效增大系統(tǒng)的制熱量，提高壓縮機壓縮效率，進而提高系統(tǒng)COP，但存在最佳經(jīng)濟器溫度Tecon和噴氣率βg，當(dāng)蒸發(fā)溫度Tevap為50℃，冷凝溫度Tcond為93℃時，最佳經(jīng)濟器溫度Tecon為65℃，最佳噴氣率βg為0.13。

符號說明

COP——能效系數(shù)

Hi——各狀態(tài)點比焓，kJ/kg

mi——各狀態(tài)點的質(zhì)量流量，kg/s

pi——各狀態(tài)點的壓力，kPa

Qi——各單元的換熱量，kW

si——各狀態(tài)點的比熵，kJ/(kg·℃)

Ti——各狀態(tài)點溫度，℃

νi——各狀態(tài)點的比體積，m3/kg

Wi——各單元輸入功率，kW

β——噴氣率

η——壓縮效率

π——壓比值

ρi——各狀態(tài)點的密度，kg/m3

下角標

cond,mai——一級冷凝器

cond,sub——二級冷凝器

disr——冷媒壓縮機排氣

econ——經(jīng)濟器

in——各單元進口

out——各單元出口

preh——預(yù)熱器

refc——冷媒壓縮機

regh——回?zé)崞?/p>

vapc——蒸汽壓縮機

0——系統(tǒng)入口