高溫水源熱泵研究與發(fā)展趨勢

1、 高溫水源熱泵研究與發(fā)展趨勢 簡介：本文介紹了高溫水源熱泵的概念和工作原理，并詳細介紹了高溫水源熱泵的工質(zhì)研究和近年來高溫水源熱泵在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，包括高溫制冷劑的研究以及高溫熱泵系統(tǒng)性能的研究并討論了高溫水源熱泵的應(yīng)用情況以及在我國發(fā)展的趨勢。 關(guān)鍵字：高溫水源熱泵 工質(zhì) 節(jié)能 環(huán)保1前言隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，如何高效地使用能源、回收各種余熱和減小對環(huán)境的污染成為人們關(guān)注的焦點。水源熱泵就是一種用來解決能源和環(huán)境方面問題的極為有效的技術(shù)。熱泵是以消耗一部分高質(zhì)能(機械能、電能等)或高溫位能為代價，通過熱力循環(huán)，把熱能由低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用系統(tǒng)。高溫水源熱泵是高

2、溫熱泵的一類，它利用各類工業(yè)和生活廢水中的余熱來制取7090高溫熱水，可以直接用于供暖和普通工業(yè)加熱。從美國ASHRAE對北美地區(qū)的調(diào)查來看高溫熱泵應(yīng)用于工業(yè)的前景是非常樂觀的1(見下表1)。圖1是工業(yè)用的高溫熱泵在主要發(fā)達國家中的應(yīng)用比例。表1各工業(yè)部門所須的溫度范圍2行 業(yè) 需求溫度 183 食品煙草 2.5 62.5 16.6 18.4 纖維工業(yè) O.4 50.3 49.3 0.O 木材工業(yè) 1.1 9.3 6.6 83.0 紙漿加工 0.0 85.9 4.1 O.0 化學(xué)工業(yè) 4.8 26.9 50.O 18.3 橡膠制品 0.0 26.3 53.4 20.4 皮革制品 O.O 100

3、.0 0.0 O.O 陶瓷工業(yè) 0.O 85.6 14.4 O.0由于高溫熱泵有良好應(yīng)用前景，使其成為近年國際熱泵研究的一個基本方向。在日本的超級熱泵項目，美國IEA熱泵中心和IIR熱泵發(fā)展計劃及歐洲的大型熱泵研究計劃中，高溫熱泵均是其中的重點研究內(nèi)容之一3。2 高溫水源熱泵工質(zhì)的研究目前高溫熱泵的研究主要針對的是高溫水源熱泵，大量研究工作集中在適宜工質(zhì)的選擇和進一步提高系統(tǒng)制熱效率方面。相對于常溫熱泵，高溫熱泵很難找到一種很適用的工質(zhì)。對于高溫工質(zhì)的選擇有兩種趨勢，一種是使用自然工質(zhì)(C02、NH3及碳氫化合物等)，另一種是使用HCFC、HFC、HFE及它們的混合物。自然工質(zhì)一般壓力較高或者

4、循環(huán)進入超臨界區(qū)，有些還具有較高的爆炸性危險，因此相應(yīng)的系統(tǒng)一般都有特殊的要求，因此目前大多數(shù)研究傾向于人造工質(zhì)的選擇。高溫熱泵對工質(zhì)的要求主要有以下幾個方面4：(1)冷凝壓力在2.4MPa以下，以使目前大多數(shù)系統(tǒng)部件可以承受；(2)蒸發(fā)壓力在0.1MPa以上，以免在系統(tǒng)中形成負壓；(3)容積制冷量一般應(yīng)大于2.5Jcm3，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：(5)對環(huán)境危害小，無毒、不可燃；(6)具有高的COP。2.1 南非等國對高溫熱泵工質(zhì)的研究國內(nèi)外的研究者已經(jīng)對現(xiàn)有的各種工質(zhì)進行了大量的理論計算和部分實驗驗證。南非Josua PMeyer教授和他的學(xué)生對以混合工質(zhì)R22

5、R142b作為制冷劑的高溫熱泵型熱水器進行理論研究5。研究結(jié)果表明，隨著R142b在混合物中組分的增加，熱泵供水溫度升高，COP值有所增加；在冷凝器面積不變的條件下，熱水器供熱容量隨R142b組分增加而增大。他指出R142b的熱力性能良好，但環(huán)境指標較高，屬于受限工質(zhì)，且易燃易爆，通常與其他工質(zhì)混合使用，適用于木材干燥等小型熱泵裝置中。Gianfranco在他的文章中比較了幾種工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)R-236fa的臨界溫度較高，適用于在高溫熱泵中使用，但目前正處于不斷的實驗階段6。圖1是R-236fa的熱力循環(huán)圖，表2為幾種高溫工質(zhì)的熱力參數(shù)比較。圖1 R-236fa熱力循環(huán)表2 幾種高溫工質(zhì)的熱力參數(shù)比

6、較工質(zhì)代號 分子式 標準沸點 臨界溫度 臨界壓力 bar HFC-23 CHF3 -82.1 24.3 48.7 HFC-143a CH3CF3 -47.4 73.6 38.3 HFC-227ca CF3CHFCF3 一18.3 103,5 29.5 HFC一236fa CF3CH2CF3 1.1 130.7 31.8 HFC-245fa CF3CH2CHF2 15.3 157.6 36.42.2 日本近年來對高溫水源熱泵的研究日本神戶制鋼在所承擔開發(fā)高效冷熱兼用型熱泵中，以河水、空氣作為熱源，采用兩級螺桿式壓縮機，工質(zhì)為R22R142b組成的非共沸混合物，制熱效率COP值達到6，供水溫度可以

7、達到85以上7。由日本茬原制作所開發(fā)的高效升溫型熱泵，采用三級離心式壓縮機，采用工質(zhì)R123，供水溫度達到85以上8。R1231臨界溫度較高，性能系數(shù)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14年。因此，R123作為過渡期的替代工質(zhì)是適合中高溫熱泵供熱的工質(zhì)。日本超級熱泵計劃中的高效升溫熱泵采用R123和R124b的混合工質(zhì)可以達到出水溫度為85，作為過渡期的替代工質(zhì)是適合中高溫熱泵供熱的使用，這種熱泵已經(jīng)在國外得到應(yīng)用9。 日本從1994年到2001年，進一步實施了名為“新制冷劑和其他物質(zhì)研究開發(fā)”(Development for the New Refrig

8、erant and Other Substances Research)的國家項目，此項研究歷經(jīng)8年，于2002年3月完成。日本國內(nèi)的8家著名化工企業(yè)，一些高校(如慶應(yīng)大學(xué)，神戶大學(xué)等)以及國立研究院所和實驗室也都參與了此項研究工作。根據(jù)此項研究的最終報告(2002年)，有望成為新制冷劑的候補化合物主要有兩種氫氟醚(HFE)物質(zhì)10，其中替代高溫熱泵工質(zhì)CFC-114的物質(zhì)為HFE-245mc(CF3CF2OCH3)，表3給出了物性。表3 HFE-245mc的基本物性物性 HFE-245mc CFC-114 臨界溫度 133.75 145.59 臨界壓力 MPa 2.887 3.248 臨界密

9、度 Kgm3 499 576 偏心因子 0.353 0.252 25飽和氣壓力 MPa 0.206 0.213 25飽和液密度 g/cm3 1.266 1.456 25汽化潛熱 kJkg 166.0 128.4 日本慶應(yīng)大學(xué)對這種高溫熱泵制冷劑進行了研究，并在30低溫熱源和8590出水條件下的熱泵機組試驗已連續(xù)運轉(zhuǎn)了約7000小時，迄今未發(fā)現(xiàn)異常。試驗用壓縮機采用HFC-134a的渦旋式壓縮機，潤滑油采用酯類油11。壓縮機在使用12400小時后解體檢查，也未發(fā)現(xiàn)異常。此外，熱泵型熱水機組的試驗也表明，經(jīng)過單級壓縮，可以得到8590熱水，COP比CO2機組的低0.50.7，工作壓力在l MPa以

10、下，比CO2(10MPa)低很多，可直接使用現(xiàn)有的低廉的配管材料，因而他們認為HFE-245mc有望成為替代CFC-114的新一代制冷劑，可用于低品位余熱回收的熱泵系統(tǒng)。 目前，HFC-134aHFC-245fa或HC-600aHFC-245fa組成的混合物性能的研究也是一個重點內(nèi)容，表5為HFC-245fa的性能參數(shù)。表5 HFC-245fa(CF3CH2CHF2)的性能參數(shù)12標準沸點 臨界溫度 臨界壓力 MPa 摩爾質(zhì)量 gmol 凝固點 15.3 157.6 3.64 134.05 -1602.3 高溫熱泵自然工質(zhì)的研究在歐洲熱泵協(xié)會中，現(xiàn)今討論的熱點問題是如何用自然工質(zhì)來取代HFCs

11、等傳統(tǒng)工質(zhì)在熱泵中的應(yīng)用。在挪威等國二氧化碳已經(jīng)作為高溫工質(zhì)在高溫熱泵實驗中開始使用，與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)相比，C02跨臨界循環(huán)的運行壓力相對較高，系統(tǒng)的設(shè)備，部件，管路都要重新設(shè)計和計算，從理論上來講，壓縮機的出口溫度可以達到110，足可以滿足工業(yè)加熱和供暖所需。國外如日本已經(jīng)開始CO2應(yīng)用于熱泵熱水器并大量投入生產(chǎn)，國內(nèi)的這方面研究也剛剛開始，相信在不久的將來，二氧化碳作為新型的制冷工質(zhì)將在高溫熱泵中間廣泛使用。除此之外，R717(氨)在歐洲的一些國家開始被用于熱泵系統(tǒng)中，在瑞典的熱泵產(chǎn)品中，丙烷已經(jīng)取代R22應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)中(The Newsletter of the European Hea

12、t Pump Concerted Action Issue 3，November 1999 )因此在熱泵工質(zhì)研究中，自然工質(zhì)的使用是對現(xiàn)在，更是向未來的挑戰(zhàn)。國內(nèi)方面，隨著世界能源形式的日益緊張高溫水源熱泵越來越受到科研院校及生產(chǎn)廠家的關(guān)注。清華大學(xué)申報了命名為“HTR01”和“HTR02”的混合工質(zhì)專利13，上海交通大學(xué)利用混合工質(zhì)R22R141b將冷凝水從70加熱到80，并針對壓縮機頻率和COP的關(guān)系進行了初步的研究。天津大學(xué)利用R22R142bR21和R290R600aR123等混合工質(zhì)，進行了相關(guān)研究14總之，高溫熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)研究方面的相關(guān)文獻還不多，還處在探索階段，未找到為大家公認

13、的有效高溫工質(zhì)。就巳公布的資料來看，由于自然工質(zhì)(R717、R744及碳氫化合物)壓力過高或者易燃易爆，因而工質(zhì)選擇工作集中在對已有系統(tǒng)部件改動要求不大的人造工質(zhì)的尋找和近共沸混合物的篩選上。3 高溫水源熱泵系統(tǒng)的研究針對使用工質(zhì)的不同，高溫熱泵系統(tǒng)的形式也各異。目前已有的使用自然工質(zhì)的系統(tǒng)，為了達到特殊要求的高溫同時具有較高的COP，一般采用多級壓縮、逐級升溫的方案。此外還有其它一些特殊的循環(huán)方案的提出，如圖2是瑞士一家研究機構(gòu)提出的改進熱泵循環(huán)，改進后可以提高熱泵的出水溫度到70以上。 圖2改進的熱泵循環(huán)對于自然工質(zhì)系統(tǒng)的研究目前工作集中在系統(tǒng)各組成部件的開發(fā)和性能提高上。其它工質(zhì)的系統(tǒng)研

14、究工作主要是在系統(tǒng)循環(huán)的優(yōu)化、換熱器內(nèi)換熱的強化及系統(tǒng)智能控制幾個方面。系統(tǒng)循環(huán)的優(yōu)劣主要歸結(jié)到三個方面：(1)工質(zhì)熱物性對循環(huán)系統(tǒng)的影響；(2)系統(tǒng)自身匹配性能；(3)系統(tǒng)的控制策略高溫熱泵系統(tǒng)所使用的壓縮機目前大多數(shù)為半封閉雙螺桿式和半封閉活塞式壓縮機，另外也有離心式。高溫水源熱泵系統(tǒng)中采用多路獨立制冷循環(huán)系統(tǒng)，共用一個水循環(huán)系統(tǒng)，可以降低設(shè)備的冷凝工作壓力，增加系統(tǒng)的可靠性，延長系統(tǒng)和壓縮機的壽命。在系統(tǒng)中一般需要設(shè)置經(jīng)濟器，以增加運行時的穩(wěn)定性。系統(tǒng)性能匹配方面主要進行了如下工作：(1) 壓縮機轉(zhuǎn)速、頻率與系統(tǒng)COP的關(guān)系目前研究的熱點主要是不同壓縮機轉(zhuǎn)速下，冷凝器進口溫度不同時，系統(tǒng)

15、的COP性能系數(shù)與壓縮機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。研究表明，冷凝溫度的提高造成冷凝壓力的升高，此時若壓縮機在低頻運行，會造成工質(zhì)的回流，掩蓋COP值的改善。(2) 非共沸工質(zhì)最佳流量和油溶性的研究非共沸工質(zhì)系統(tǒng)中COP的值存在一個最佳流量，當流量超過這個最佳值時，系統(tǒng)的COP將下降，這是由于非共沸工質(zhì)在相變時發(fā)生溫度滑移的結(jié)果。此外工質(zhì)的充灌量和油溶性會對熱泵的循環(huán)參數(shù)造成很大的影響，也成為了目前國內(nèi)外的研究熱點。(3)熱泵兩器的匹配研究高溫熱泵蒸發(fā)器和冷凝器在使用非共沸混合工質(zhì)時，如何使其換熱面積最佳，與系統(tǒng)很好的匹配從而達到最大的能效比，一直是一個重要課題。由于目前已公布的高溫熱泵系統(tǒng)中使用的工質(zhì)多為非

16、共沸混合物，因此系統(tǒng)中的冷凝器和蒸發(fā)器的換熱機理、與系統(tǒng)的匹配參數(shù)采集和控制就成為了人們關(guān)注的焦點。另外，非共沸混合工質(zhì)在高溫熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器中處于非完全相變時換熱機理以及非完全相變和高溫熱泵系統(tǒng)各循環(huán)參數(shù)之間的關(guān)系也很復(fù)雜。目前這方面的研究工作還很少。此外，國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者對熱泵系統(tǒng)的智能控制進行了大量的研究，這些研究的目標就是通過合理的采集和控制方法使得系統(tǒng)更可靠、效率更高。但是，研究的前提是必須要有針對性的工質(zhì)。4 高溫熱泵的應(yīng)用及發(fā)展趨勢4.1原油加熱 高溫水源熱泵的應(yīng)用首先就是在油田的原油加熱中，油田的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的高溫含油污水。含油污水的溫度一般在3642。利用高

17、溫水源熱泵技術(shù)回收這部分的余熱一部分用來供暖，另外一部分則用來加熱稠油而進行外輸。這種應(yīng)用不僅可以提高能源的利用率，也可以保護環(huán)境，避免造成環(huán)境污染。熱泵機組的兩器(蒸發(fā)器和冷凝器)采用特殊設(shè)計，蒸發(fā)器能耐腐蝕，含油污水可直接進入蒸發(fā)器，而原油可以直接進入冷凝器，取消了原來的油一水換熱器和污水一水換熱器，同時取消了相應(yīng)的水泵及補水系統(tǒng)，使原油加熱熱泵系統(tǒng)大大簡化。但該種系統(tǒng)需要特殊設(shè)計，同時需要國內(nèi)外專業(yè)生產(chǎn)換熱器的廠家配合。4.2地熱+高溫水源供暖系統(tǒng) 這種系統(tǒng)是要求在一些有地下熱水井的地區(qū)，地熱水排放溫度高，以及作為輔助熱源的燃油鍋爐運行費用高昂的現(xiàn)狀，利用高溫水源熱泵機組回收排放出的高溫

18、地熱水中的熱量供暖從而達到“節(jié)能、環(huán)保”，節(jié)約運行費用的目的。因為要想提高供熱系統(tǒng)經(jīng)濟性，只能盡可能多的利用地熱水熱量，降低地熱尾水的排放溫度；通過減少原供熱系統(tǒng)循環(huán)水的流量，增大供水、回水溫差以及對管網(wǎng)阻力進行調(diào)整，就可以使系統(tǒng)運行在一個比較理想的工況上，從而達到降低地熱水排放溫度、減少燃油鍋爐的調(diào)峰量、提高供熱系統(tǒng)經(jīng)濟性的目的。4.3污水的回收利用 利用高溫水源熱泵可以回收工業(yè)廢水和城市污水排放中污水中所含的熱量。 對于城市污水水源熱泵的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單；渠道中的二級出水與管道中的熱泵工質(zhì)直接換熱，效率較高。然而它的缺點是，主機的機房必須設(shè)置在二級出水渠道旁。如果空調(diào)服務(wù)區(qū)離渠道較遠，就需要

19、埋設(shè)較長的冷熱循環(huán)水(內(nèi)循環(huán))管道，這樣會造成在輸送過程中的能量損失。因此，這種熱泵只適用于中小型污水處理廠自身的冷暖空調(diào)服務(wù)15。也可以滿足污水處理廠附近的住宅小區(qū)的供暖情況。 工業(yè)廢水的出水溫度往往比較高，回收鍋爐等能量轉(zhuǎn)化設(shè)備產(chǎn)生大量的低溫余熱，提高其溫度用于直接供熱，既可解決除塵污水循環(huán)利用需要降溫的問題，避免余熱直接排放到周圍環(huán)境造成的熱污染；又可以把低溫余熱提高到可直接供熱的溫度，提高能源的利用率。這樣，在增加供熱面積的同時又可以顯著地降低能耗，且不會對環(huán)境造成進一步的污染。因此可以利用高溫水源熱泵回收污水中的熱量，回收后的能量用于冬季供暖或生產(chǎn)工藝并逐漸應(yīng)用于石油、化工、冶金、紡

20、織、食品等各行業(yè)。圖3為意大利的一家食品企業(yè)的高溫熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為56，冷凝溫度為119，COP可以達到3.5。5 結(jié)語 總之，對高溫熱泵系統(tǒng)的研究滯后于對高溫熱泵工質(zhì)的研究，目前對于高溫熱泵系統(tǒng)的研究的前提是必須針對某一種工質(zhì)，因此與相對于高溫熱泵工質(zhì)的尋找相比，對一種純高溫熱泵工質(zhì)來進行壓縮機和熱泵系統(tǒng)的研究是比較容易進行的。如何在排氣溫度和冷凝溫度過高時，熱泵系統(tǒng)還有很高的COP性能系數(shù)是一項重要的研究課題以及在很大壓比時如何保證壓縮機在長時間的可靠運行也是決定高溫熱泵系統(tǒng)性能的很重要是指標。圖3意大利一食品廠的工業(yè)高溫熱泵系統(tǒng)參考文獻1Cane R， Clems， Forgas DHeating-recovery heat pump operating experiencesJASHRAE Trans，1994，100(2)：165-1722李新國中高溫熱泵及其用壓縮式制冷機的研究D天津：天津大學(xué)