蒸汽压缩式中高温热泵系统性能优化研究

摘要

在COP(性能系数)有保证的前提下,热泵供热技术较之传统的燃烧化石燃料供热方式节能。中高温热泵技术研究旨在通过开展高效化和高温化研究,将热泵技术的应用空间拓展到较高温度范围,从而提供一种中低温工业余热回收利用技术手段、并以更高的热输出温度水平满足过程加热需求。本文在对两类主要的热泵形式—蒸汽压缩式与吸收式热泵进行性能对比分析的基础上,对蒸汽压缩式中高温热泵开展了单级循环系统性能优化和两级循环方式优化对比研究。
　　蒸汽压缩式与吸收式热泵的性能对比分析表明,两类热泵在一次能源利用率、高温化潜力、系统造价、循环动力源方面各有优点,均可通过高效化和高温化技术研究拓展应用到中高温工况,分别用于以电能(机械能)和低品位热能作为循环驱动力的情形。制约蒸汽压缩式热泵高温化水平的主要因素是着眼于润滑油热稳定性的压缩机允许排气温度上限、和着眼于封闭式压缩机之电机线圈热安全的允许吸气温度上限;有助于高温化的技术措施包括:采用干流体类工质,湿流体类工质情形下采用恰当干度的湿吸气,回转式压缩机情形下采用湿压缩过程,采用开启式压缩机、无油压缩机,采用多级循环等。
　　在改进的实验系统上,对单级循环蒸汽压缩式中高温热泵系统,开展了压缩机性能对比实验研究。对象压缩机为开启式活塞压缩机和全封闭式涡旋压缩机,实验工质为HFC245fa,实验工况范围为冷凝温度分别为75、85、95℃,循环温升分别为45℃、35℃。结果表明:相同工况下,开启式活塞压缩机的排气温度低于全封闭式涡旋压缩机;开启式活塞压缩机定熵效率高于全封闭式涡旋压缩机,但综合效率低于全封闭式涡旋压缩机。提示开启式活塞压缩机更适用于中高温工况,其优化方向为改进传动效率、结合压缩机负荷优化机电匹配关系。
　　采用改进的理论循环性能计算方法,以HFC245fa为工质,在冷凝温度70-130℃、循环温升40-65℃的工况范围,优化并对比了4种两级循环方式的理论循环性能。结果表明:两级循环方式的COP明显高于单级循环,其中两级节流中间不完全冷却方式给出的COP最高;对于以湿流体为工质的情形,采用两级循环方式可明显降低(较之单级循环)压缩机排气温度,而对于以定熵流体、干流体为工质的情形,两级循环方式降低排温的作用有限。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2热泵技术的节能和环境效益

1.3热泵高温化研究的意义

1.4中高温热泵技术的研究现状及存在的问题

1.5本文的主要研究内容

第二章 蒸汽压缩式热泵和吸收式热泵性能对比研究

2.1吸收式热泵

2.2蒸汽压缩式热泵与吸收式热泵性能对比

2.3其他方式

2.4蒸汽压缩式热泵高温化的限制因素及措施

2.5小结

第三章 中高温热泵工况压缩机性能实验研究

3.1实验系统介绍

3.2实验台存在问题及改进措施

3.3实验参数测量及循环性能计算方法

3.4实验方案

3.5实验结果与分析

3.6小结

第四章 中高温热泵两级循环性能理论分析

4.1中高温热泵循环方式考察重点

4.2两级循环方式介绍

4.3工质的干湿性的计算方法

4.4两级循环算例

4.5两级循环在不同冷凝温度、变循环温升下的循环性能

4.6小结

第五章 结论与建议

5.1结论

5.2建议

参考文献

符号表

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢