氨蒸气压缩高温热泵系统研究现状

2021-04-17宁静红刘华阳

制冷学报 2021年2期

宁静红刘华阳

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室天津 300134)

目前，我国工业约占全国能源消耗总量的70%，而工业能源利用率低于世界平均水平，加工工业消耗的能源有50%以上转变为废气和废水形式的余热[1]。据统计，仅有30%的废热得到再利用，这是能源利用率低的原因之一[2]。工商业领域存在大量用冷同时用热的工艺，制冷系统的冷凝温度通常较低，产生的冷凝热属于低品位热能，很难满足生活供热及热工艺的需求。若直接回收这些低品位能经济性差，故系统一般将高温高压的制冷剂蒸气通过冷凝器或冷却塔把热量排至大气或冷却水中，不仅有热损失还存在热污染。在大型制冷工程中，若将冷凝废热通过高品位能或高温补偿等方法将低品位热能提升为更高水平，并用于生活热水、生产工艺用水、生活供暖等场所，则可以成为解决冷热双利用、实现节能减排的重要方法。热泵技术就是从低温热源获得能量，通过消耗一定的高品位能为代价补偿提升，将热能由低温热源转移至高温热源的系统[3]。随着热泵技术在世界范围内得到广泛认可和使用的增加，高温热泵工质的选用逐渐成为研究的重点。氨作为自然工质具有绿色环保、价格低、单位容积制热量大、使用历史悠久等特点。目前，氨在工业热泵中被广泛使用，对氨高温热泵的研究也越来越多。

本文对常用高温热泵工质的物性进行了对比，并分析了工质之间的制热性能差异，综述了氨蒸气压缩式高温热泵几种常用的基本形式，基于基本形式，提出利用平板太阳能集热器加热压缩机排气，通过提高排气的过热温度，利用蒸气显热制取高温热水的新型太阳能辅助高温热泵系统，结合天津地区的太阳能辐射日照条件，对系统进行了理论热力性能分析，分析了太阳能补偿用于氨高温热泵系统的可行性及系统优化潜力。

1 高温热泵工质对比分析

热泵工质通常受到压缩机技术的限制，在制冷系统中使用的制冷剂大多数不适合高温应用。一些具有适当性质的合成工质又受到基加利修正案的限制，这些合成工质大多存在消耗臭氧潜值(ODP)或全球变暖潜值(GWP)较大，或具有潜在的有毒分解物，对环境存在潜在危害等问题。因此，高温热泵未来的发展将集中在自然工质[5]。

1.1 常用高温热泵工质

目前，商用高温热泵中常用的工质有R245fa、R717、R744、R134a和R1234ze(E)等[4]，碳氢化合物、二氧化碳、水等自然工质将是高温热泵的研究重点[6-9]。O.Bamigbetan等[6]分别对比讨论了热泵工质对压缩机排气温度、压力、尺寸、压比、COP的影响。R.Bergamini等[10]将单级压缩高温热泵和双级压缩高温热泵与锅炉进行了热性能对比，发现高温热泵在替代锅炉方面具有竞争优势，同时得出氨在较高温度下性能较好。表1所示为目前常用的商用高温热泵工质和部分自然工质的主要热物理性质，通过对比物性参数发现，在常用热泵工质中氨和水的ODP和GWP均为0，高温工况下氨的压力较高，而工质水对于压力的要求更高，其临界压力约为氨的2倍，氨的分子质量小，密度较小，在相同充注量条件下，系统运行功耗少。

表1 常用高温热泵工质的物性参数

通过物性软件REFPROP9.0调取参数，对上述热泵工质进行简单的热力循环性能计算。系统假设为简单的单级压缩热泵循环，压缩和冷凝过程存在一定的过热度和过冷度，取5 ℃；压缩机的指示效率为0.8；节流过程为绝热过程。由于R744的临界温度为31.10 ℃，当冷凝温度为85 ℃时属于跨临界循环，冷凝过程存在温度滑移，不再进行对比分析。不同高温热泵工质在蒸发温度为25 ℃，冷凝温度为80～95 ℃条件下热泵制热性能系数随冷凝温度的变化如图1(a)所示；不同高温热泵工质冷凝温度为85 ℃，蒸发温度为15～25 ℃条件下热泵制热性能系数随蒸发温度的变化如图1(b)所示。由图1可知，高温工况下氨和水的热力性质相似，两者的性能系数较大，随着冷凝温度的升高性能系数逐渐降低，温度越高氨系统性能降低的越显著，这是由于氨的绝热指数较大(k=1.40)，在低蒸发温度高冷凝温度时，压缩机压比较大，排气温度较高，功耗增加较大。

图1 热泵工质性能对比

采用自然工质制取高温时通常存在压力较高的问题，高温高压状态下存在爆炸的危险，自然工质热泵最高温度通常在85～95 ℃之间。通过分析发现在冷凝温度为80～95 ℃高温热泵工况下氨的综合性能最佳。氨的临界温度较高，可在较高的热源温度和冷源温度下实现亚临界循环，适合作为冷热联供热泵工质，特别适合制取60～110 ℃的热源温度[10]。上述结果与李军等[11]通过对比热泵工质在复叠式热泵高温级工况下的性能，得出氨热泵性能系数最大，制热量最多的结论一致；与S.S.Baakeem[12]对多级蒸气压缩制冷系统的性能进行理论、能量和经济分析，使用性能参数和经验模型对8种工质进行研究，得出氨为最佳选择的结论相一致。

1.2 氨的物性分析

氨作为自然工质，不仅适应政策要求，热力性质也很好，氨的导热系数较大，气化潜热大(-15 ℃时的气化潜热为R410A的5.5倍)，节流损失小，制热系数高，可以减少压缩机换热器尺寸，节省材料[13]。氨也存在一定的危险性，当空气中氨的浓度达到15.7%～27.4%时，遇到明火会发生爆炸，安全等级为B2。虽然我国发生过多起氨泄漏事故，但氨泄漏多数是由于人员操作不当、设备老化、常年缺乏检修导致，氨存在明显的刺激气味，且极易溶于水，一旦发生泄漏事故极易被发现。同时，氨的分子质量小，密度小于空气，极易上升，当氨发生泄漏事故可通过通风排气及喷淋洒水装置及时除去存在空气中的氨。通过对氨系统进行设计、施工、操作规范，可以保证氨系统的安全性、可靠性[14-15]。

氨除了具有一定的危险性外还有其它的问题。氨排气温度较高，容易造成润滑油碳化，必须采取相应的冷凝措施。氨的临界温度(132.30 ℃)和临界压力(11.33 MPa)较高，在制取较高温度的热水时冷凝压力较大，对压缩机和系统的承压能力要求较高。除了排气温度和压力的限制外，氨系统在选用材料上也存在挑战，氨与铜在有水的条件下会发生化学反应，这限制了氨热泵材料的选择。目前，氨高温热泵通常有两种形式：氨蒸气压缩式高温热泵；氨-水吸收式高温热泵[2]。本文主要对氨蒸气压缩式高温热泵进行讨论。

2 氨蒸气压缩式高温热泵

蒸气压缩制冷循环是最常用的制冷方式，若将冷凝温度提高至更高的温度则可同时用于供热。目前，大多通过锅炉或电加热器来满足高温热的需求，锅炉燃烧化石燃料存在排放温室气体的问题，电加热系统则存在用电效率低等问题。据估计，在未来的发展中，高温热泵技术可以提供150 ℃的热源温度[6]。在一定温度区间内，若采用高温热泵则可以代替传统的供热系统。

2.1 蒸气压缩热泵系统的分类

蒸气压缩热泵系统可以简单的分为蒸气压缩式循环、蒸气机械再压缩式循环和热蒸气再压缩式循环3种类型[2]。蒸气压缩式循环通常由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器及连接管路组合为一个闭合回路，工质在系统中循环流动，在蒸发器内蒸发制冷，冷凝器内冷凝放热，该系统可以实现冷热联供。蒸气机械再压缩循环则为蒸气送入压缩机内进行压缩升温升压后，在冷凝器内冷凝放热，与循环工艺(即封闭系统)的压缩热泵相反，其中蒸气来源广泛作为开式系统来工作，常见的为半开式系统。热蒸气再压缩循环则为利用喷射器增压代替压缩机，高温高压的蒸气作为工作流体，经蒸发器吸收低温热源的蒸气作为引射流体，经喷射器混合升压后送至冷凝器内冷凝放热。与前两种机械压缩方式不同，该循环可由热蒸气驱动。本文主要对可以满足冷热双利用，实现冷凝热回收的蒸气压缩式循环热泵进行讨论。

2.2 蒸气压缩式循环热泵系统

蒸气压缩循环分为3类：单级压缩、多级压缩和增添其它辅助设备(如引射器、中间冷却器、内部换热器等)的循环[2,7-8]。高温热泵的研究主要是在选择合适的工质和提高热泵制热效率方面。氨作为高温热泵工质具有较高的冷凝压力，使用单级压缩存在压比大、容积效率低、排气温度高等问题。目前技术的限制，压缩端的温度不宜超过150 ℃，过高的排气温度会造成压缩机内部润滑油碳化，对压缩机电机的热管理和材料的选择也带来了挑战[4]。故氨蒸气压缩式高温热泵系统一般采用多级压缩逐级升温的方法降低压比，以达到所需的温度。氨高温热泵有双级压缩(多级压缩)冷热水系统、冷凝热全回收系统、复叠式热泵系统等几种常用的基本形式[16-20]。

氨双级压缩冷热水系统如图2(a)所示。氨双级压缩冷热水系统的高、低压级由中间冷却器连接，高压级、低压级均为氨工质，低压级排气经中间冷却器冷却至中间压力下的饱和状态，进入高压级进一步升温升压，高温高压的蒸气在冷凝器内冷凝与冷却水换热制取热水。冷凝后的饱和液经节流阀节流降压后进入中间冷却器，一部分用于冷却低压级的排气和过冷盘管中的高压氨液，另一部分经蛇形盘管冷却后再送至蒸发器吸热蒸发完成循环。两级压缩热泵系统可以降低压比，提高系统的制热量[21]。

图2 氨双级压缩冷热水系统原理及压焓图

陈孚江等[22]分析了低温工况下的运行参数对两级压缩空气源热泵系统性能的影响，得出蒸发温度、冷凝温度是主要影响因素，其中蒸发温度越低对系统的影响越大。刘炳伸等[23]将准两级压缩联合过冷器的循环方式引入了热泵系统，结果表明该方式提高了系统性能，降低了排气温度，增加了安全性能。

图3所示为氨冷凝热全回收系统原理与压焓图。该系统将制冷压缩机的排气通往中间冷却器进行洗涤，得到中间压力下的饱和氨气，经热泵压缩机变成高温高压的氨气，此时再经冷凝器与循环水进行热交换，冷凝后的制冷剂节流降压一部分送至中间冷却器供洗涤排气，另一部分节流后送至贮液器供系统制冷。该系统可同时设有冷凝器，可以控制通往热泵压缩机蒸气流量，在不使用热泵机组时可以关闭热泵系统，图3(a)中虚线部分表示热泵系统，实线表示带蒸发冷的制冷系统。该系统与氨双级压缩冷热水系统相比少了一个制冷循环过程，节省了部分制冷设备的初投资，适用范围也更加广泛[18]。

图3 氨冷凝热全回收系统原理及压焓图

图4所示为氨复叠式热泵系统原理与压焓图。系统分为高温级和低温级两个独立的系统，自然工质氨通常作为高温级制冷剂，采用二氧化碳作为低温级制冷剂，两个系统通过冷凝蒸发器连接，高温级吸收低温级的冷凝热作为高温热泵的低温热源，低温级蒸发器则用来制取更低的低温环境[24]。使用复叠系统可以降低压缩机压比，在制取高温热源时可同时提供更加低温的冷源，但同时也使系统更加复杂，成本更高。杨永安等[25]提出采用单一工质复叠式空气源热泵系统，并进行热力模型建立和实验分析，结果证明该系统可以降低压缩机排气温度，满足低温下的供暖需求，扩大了空气源热泵的应用范围。曲明璐等[26]在传统复叠式空气源热泵中增设双螺旋盘管蓄热器，在满足除霜问题的同时优化了系统性能。

图4 氨复叠式热泵系统原理及压焓图

2.3 蒸气压缩式高温热泵的发展限制

文献中对于高温热泵的温度范围定义各不相同，通常的温度区间为80～100 ℃。一般来说，当温度高于80 ℃时，在食品、造纸和化学等工业中有很大的应用潜力；当温度高达100 ℃时，则可用于杀菌消毒、蒸发蒸馏、干燥预热等工艺。所达到的温度越高应用的范围越广，但同时对于技术和系统的效率要求也越来越高[6]。可以通过增添辅助设备提高系统的效率，Luo Baojun等[8]研究了采用引射器、内部换热器、耦合循环等方式对系统性能的影响，结果证明几种方式对系统均有不同的积极作用。目前只有20种已经上市的型号可以提供150 ℃的冷凝温度，但全部使用合成工质，高温热泵的主要限制还是工质，在全球变暖形势下，急需在对环境影响较小的范围内寻找可用的制冷剂，在高温高压下运行润滑油的润滑性和油密性会存在丧失现象，同时润滑油与材料的兼容性、压缩机的冷却及耐高温等技术问题也限制高温热泵的发展[4]。对于环境而言，自然工质将是高温热泵制冷剂未来发展更有希望的替代物，同时急需突破压缩机在更高温度和压力下运行的技术限制[5]。

3 采用太阳能补偿的氨高温热泵系统

3.1 基本原理

我国大部分地区光照充足，约超过2/3的地区辐射总量超过5 016 MJ/m2[27]，太阳能是优秀的天然可再生清洁能源，且太阳能利用技术也越来越成熟，考虑利用太阳能作为高温热泵补偿热源以达到高温的目的。国内外学者对太阳能辅助空气源热泵进行了大量的分析，系统一般可以分为两类：一类为利用太阳能集热器作为蒸发器以提高系统的蒸发温度，工质直膨式循环，为单纯满足供热的热泵系统；另一类为太阳能集热器与空气源热泵共同加热水，太阳能集热器内工质为水、气体或者防冻液，属于非直膨式，该系统可以同时满足制冷和供热[28-29]。氨工质常用于大中型制冷系统中，冷凝热充足，考虑由太阳能集热器直接加热压缩机的排气，提高氨蒸气的过热度，满足高温供热的需求。由于太阳能集热器热性能受光照条件的影响较大，昼夜存在极大差异，在光照条件不足时，增设一台氨热泵压缩机代替太阳能集热器工作，以满足热泵全天候的工作需求。按此提出利用太阳能集热器补偿和热泵压缩机联合运行的高温热泵系统。

3.2 系统流程

图5为采用太阳能加热补偿的氨蒸气压缩高温热泵系统原理及压焓图。该系统可分为太阳能辅助高温热泵和冷凝热全回收高温热泵两部分。

图5 太阳能辅助蒸气压缩高温热泵原理及压焓图

图5中虚线代表太阳能辅助热泵。压缩机排气由太阳能集热器加热提升过热度，基本流程为：吸热蒸发后的饱和氨蒸气经制冷压缩机压缩后达到高温高压状态，后氨蒸气进入平板太阳能集热器，经太阳能集热器升温达到更高温度状态后，高温高压氨蒸气进入冷却器内冷却加热热水。冷却降温后的氨蒸气再经冷凝器冷凝，后经节流阀节流降压进入蒸发器内完成循环。其中冷却水先经冷凝器加热升温，升温后的水分为两部分，一部分送至冷却器内冷却过热氨蒸气成为高温水，另一部分温水则可送至生活区或冷却降温后循环再利用。实线则代表冷凝热全回收热泵，由热泵压缩机补偿提升单级压缩排气的温度，系统基本流程为：吸热蒸发的饱和氨蒸气经制冷压缩机压缩升温升压变为过热蒸气，后通入中间冷却器洗涤冷却至中间温度(点6)下的饱和蒸气状态，饱和蒸气经热泵压缩机增压为高温高压的过热蒸气，此时经过压缩补偿升温后的蒸气再流入冷凝器内冷凝放热，加热产生高温热水。经冷凝器冷凝后的饱和液分为两路，一部分经节流阀节流降压后送至中间冷却器，用于洗涤冷却制冷压缩机的排气，另一部分节流后送至蒸发器内蒸发制冷完成循环[30]。

3.3 系统可行性分析

太阳能集热器按结构形式可分为真空管型和平板型；按照温度区间可以分为高温型、中温型和低温型集热器。平板太阳能集热器为低温型太阳能集热器，内部结构如图6所示，一般由玻璃盖板、吸热板、保温层、箱体外壳组成，具有耐久性强、质量轻、效率高等特点。板内温度一般在200 ℃以下，在晴朗或少云天气条件下，吸热板可达到120 ℃以上的高温，并可维持5～6 h，管内温度最高可达到160 ℃以上。平板型空气集热器具有采光面积大、结构简单、维护方便、无防冻等优点[31-32]。氨单级压缩排气温度不高、压力不大，可以实现对排气加热补偿升温。本系统采用平板太阳能集热器直接对单级压缩制冷循环的压缩机的排气进行加热，经太阳能集热器补偿升温后具有更高过热度，利用过热蒸气冷却过程释放的显热，制取更高温度的热水。

图6 太阳能集热器局部原理

天津市属于太阳能资源较为丰富的二类区域，全年日照辐射时长大于3 000 h，全年太阳能辐射可利用率在60%以上，在冬季晴天室外温度7 ℃条件下，平板太阳能集热器平均集热效率可维持在0.51以上，最高可达约0.6。一天中日照时长大于6 h为可利用太阳能，天津平均各月可利用太阳能日为22 d。在太阳能可利用日，09:30—16:00管内温度可维持120 ℃以上，在此期间管内温度随辐射强度增加逐渐升高，10:00—15:00辐射强度较大，管内温度可高达140 ℃以上。日平均辐射强度约为400 W/m2，一天中满足加热要求的集热时间可达约5 h，总集热量为1 020 W/m2。根据热负荷大小、建筑可用安装面积、太阳能保证率等因素选取太能集热器数量。在热泵模式下，太阳能集热器可以保证提供循环工质的补偿热量，具备作为补偿热源的潜力[33-37]。