基于正逆循環(huán)的節(jié)能技術(shù)*

邵振華，鄭子輝，于文遠，胡永攀，徐安波，王 遠

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 上海理工大學制冷與低溫研究所，上海 200093；3. 西安交通大學，人居環(huán)境與建筑工程學院，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2?，胡永攀2，徐安波2，王 遠3

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 上海理工大學制冷與低溫研究所，上海 200093；3. 西安交通大學，人居環(huán)境與建筑工程學院，西安 710049）

能源是當今社會發(fā)展的三大支柱之一，是經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的重要基礎。近年來，由于人類對能源的需求越來越大，能源供應成為社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。在能源消耗不斷攀升從而帶來諸多社會和環(huán)境問題的現(xiàn)實背景下，節(jié)能減排已成為當今人類的共識。本文依次介紹了機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，基于有機朗肯循環(huán)及卡琳娜循環(huán)兩種動力循環(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)（有機朗肯循環(huán)或卡琳娜循環(huán)）熱功轉(zhuǎn)換實現(xiàn)發(fā)電及低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實現(xiàn)制冷。

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

0 前 言

自改革開放以來，我國的國民經(jīng)濟保持以8%的高增率迅猛增長[1]，以致能源的供給成為了經(jīng)濟增長的瓶頸，面對如此情況，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，推動膨脹機做功，由此介紹了低品位能借助正循環(huán)（有機朗肯循環(huán)或卡琳娜循環(huán)）熱功轉(zhuǎn)換實現(xiàn)發(fā)電及低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實現(xiàn)制冷兩種節(jié)能技術(shù)。

1 基于逆循環(huán)的機械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)[18]

機械蒸汽再壓縮（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，從而減少對外界能源的需求。機械蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)如圖1所示，新的料液借助進料泵進入蒸發(fā)器，被壓縮機壓縮提升的二次蒸汽加熱，形成氣液混合物進入分離器，氣液混合物在分離器進行分離，分離器上部的二次蒸汽進入壓縮機被壓縮以實現(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入蒸發(fā)器作為加熱蒸汽來加熱新的料液，分離器下部將得到濃縮料液。料液吸收了壓縮過的二次蒸汽的潛熱而產(chǎn)生的新蒸汽則繼續(xù)下一個循環(huán)過程，經(jīng)過壓縮機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的指示功與二次蒸汽的潛熱之和，經(jīng)壓縮機壓縮后，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，其潛熱無法回收用于加熱料液，從一定的程度上來講，機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較低?？諝饽苁且环N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熱源吸取熱量，使其在較高溫度下轉(zhuǎn)換為可以利用能源的裝置，或者說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、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個部件組成，并通過管道將各部件連接形成一個封閉的系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，壓縮機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，同時將制冷劑冷凝時放出的熱量傳給高溫環(huán)境，冷凝后的制冷劑液體通過節(jié)流閥后溫度降低，低溫低壓的制冷劑進入蒸發(fā)器中吸收低溫環(huán)境中的熱量汽化后回到壓縮機中完成一個循環(huán)。在整個循環(huán)過程中，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)過壓縮機的少量電能補償后，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第二定律，其能效比一般可達年均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埽鵁崃恐饕獊碜詿o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，有文獻認為，采用噴氣增焓技術(shù)的熱泵系統(tǒng)具有很強的低溫適應性，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（本文指渦旋壓縮機）、噴氣增焓技術(shù)、高效過冷卻器（也稱經(jīng)濟器或者節(jié)能器）組成的新型系統(tǒng)，高效過冷卻器有過冷器和閃發(fā)器兩種基本型式。按照高效過冷卻器的型式，噴氣增焓系統(tǒng)有帶過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]。

帶有過冷器的噴氣增焓系統(tǒng)為一級兩次節(jié)流經(jīng)濟器系統(tǒng)，圖3a是帶有過冷器的噴氣增焓系統(tǒng)圖，渦旋壓縮機由電能驅(qū)動產(chǎn)生機械動力，把低溫低壓有機工質(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，從冷凝器中出來的高壓制冷劑液體通過主循環(huán)回路和輔助回路以氣態(tài)的形式回到渦旋壓縮機。主循環(huán)回路流程如下：冷凝器中出來的高壓制冷劑液體直接進入過冷器進一步過冷后經(jīng)過第二節(jié)流閥節(jié)流進入蒸發(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通過吸氣口被渦旋壓縮機吸入。輔助回路流程如下：由冷凝器中出來的制冷劑液體經(jīng)過第一節(jié)流閥節(jié)流到某一中間壓力進入過冷器，過冷器當中產(chǎn)生的閃蒸氣體進入壓縮機。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入壓縮機接觸線密封后的吸氣腔中進一步被壓縮。過冷器在整個系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵性的兩方面作用：一方面對主循環(huán)回路冷媒進行節(jié)流前過冷，降低節(jié)流損失；另一方面，由于過冷器的增設，既減少了一級壓縮的工質(zhì)的流量，又降低了二級壓縮進口的蒸汽溫度和比容，從而降低了壓縮機功耗[2]。

帶有閃蒸器的噴氣增焓系統(tǒng)是兩級節(jié)流經(jīng)濟器系統(tǒng)，如圖3b所示。渦旋壓縮機由電能驅(qū)動產(chǎn)生機械動力，把低溫低壓有機工質(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，從冷凝器出來的高壓制冷劑液體經(jīng)第一節(jié)流閥后進入閃發(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。經(jīng)過閃發(fā)閃蒸器上部的氣體溫度升高，同時不斷閃發(fā)致使閃發(fā)器下部的液體過冷。主循環(huán)回路流程如下：過冷后的制冷劑液體經(jīng)過第二節(jié)流閥節(jié)流到蒸發(fā)壓力后進入蒸發(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通過吸氣口被渦旋壓縮機吸入。輔助回路流程如下：處于閃蒸器上部的閃發(fā)蒸汽通過輔助進氣口被壓縮機吸入。主循環(huán)回路當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入壓縮機接觸線密封后的吸氣腔中進一步被壓縮[22]。

從圖4中看出，由于采用了噴氣增焓技術(shù)，渦旋壓縮機排氣口（即經(jīng)過冷凝器）的流量為蒸發(fā)器流量m和輔助進口流量i之和，增強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，如太陽能、地熱能、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)境當中，造成了非常嚴重的能源浪費和環(huán)境污染，大量能源的浪費反過來又加劇了化石能源的消耗。太陽輻射能是地球上最主要的能量來源，太陽能分布廣泛，被認為是最具有前景的能源[25,26]。地熱能是可再生的清潔能源，按埋藏深度可以分為高溫地熱（T＞150℃）、中溫地熱（90℃＜T＜150℃）和低溫地熱（T＜90℃）[27]。目前地熱資源主要用于發(fā)電、采暖、制冷、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療保健等。我國地域遼闊，地熱能可利用量巨大，但目前缺少對中低溫地熱資源開發(fā)利用。

近年來，有機朗肯循環(huán)及卡琳娜循環(huán)的研究為低品位熱能（工業(yè)余熱、太陽能、地熱能等）的開發(fā)利用提供了發(fā)展機遇，在低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動膨脹機做功，有機朗肯循環(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]。有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)如圖5所示，整個循環(huán)由定壓冷卻、絕熱加壓、定壓加熱及絕熱膨脹4個熱力學過程組成，4個過程分別發(fā)生于凝汽器、工質(zhì)泵、發(fā)生器及膨脹機當中。經(jīng)過膨脹機膨脹后的較低溫度、較低壓力的有機工質(zhì)蒸汽，在凝汽器中與冷卻水循環(huán)當中的冷卻水進行換熱冷卻成過冷液體，換熱之后的過冷有機物工質(zhì)液體，在工質(zhì)泵中被加壓至高壓液體，進入蒸汽發(fā)生器進行加熱，蒸汽發(fā)生器中的高壓有機工質(zhì)液體被加熱，產(chǎn)生蒸汽，過熱蒸汽進入膨脹機，推動膨脹機，輸出機械功，經(jīng)過膨脹機之后的較低溫度、較低壓力的有機工質(zhì)蒸汽又回到凝汽器當中與冷卻水循環(huán)當中的冷卻水進行換熱冷卻，如此完成有機朗肯循環(huán)獲得機械功[28]。

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

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

圖6 有機朗肯循環(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，低品位熱能進入發(fā)生器，加熱發(fā)生器內(nèi)的氨水溶液，形成過熱氨水蒸汽進人膨脹機膨脹做功，做功后的低壓、低溫氨氣進入吸收器被發(fā)生器出來的稀溶液吸收，放出的熱量被冷卻水帶走，吸收器里面的氨水溶液經(jīng)過工質(zhì)泵加壓、預熱器升溫之后，進入發(fā)生器蒸發(fā)，完成一個循環(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)由三個子系統(tǒng)組成，分別是低品位能收集子系統(tǒng)、動力（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)收集的熱能通過發(fā)生器傳遞給動力（正）循環(huán)子系統(tǒng)，通過有機朗肯循環(huán)或者卡琳娜循環(huán)獲得較高的蒸汽壓力，推動膨脹機做功，獲得機械功，進而實現(xiàn)發(fā)電子系統(tǒng)的發(fā)電功能或者通過聯(lián)軸器連接制冷（逆）循環(huán)子系統(tǒng)當中的壓縮機，實現(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)。有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)可以利用太陽能、地熱能、工業(yè)余熱等一切低品位能。常規(guī)動力循環(huán)以水蒸汽作為循環(huán)工質(zhì)，對熱源溫度要求非常高，且設備體積龐大，而采用低沸點有機工質(zhì)的有機朗肯循環(huán)，非常適宜于低品位能的利用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更加簡單緊湊，如果選擇合適的有機工質(zhì)，甚至可以不設置過熱設備，就可以獲得較好系統(tǒng)性能，同時還降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性，實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換進行發(fā)電，且不消耗化石燃料，對環(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)的有機朗肯循環(huán)，適合變溫熱源，但其結(jié)構(gòu)復雜、換熱設備較多、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)換實現(xiàn)制冷

如圖8中的路徑2所示，利用低品位能（太陽能、地熱能、工業(yè)余熱等）驅(qū)動有機朗肯循環(huán)、卡琳娜循環(huán)產(chǎn)生的機械功來驅(qū)動制冷系統(tǒng)的研究日益受到關(guān)注，而不是直接發(fā)電。國內(nèi)外針一些學者對有機朗肯?蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)進行了的理論及試驗研究[6,11,13]，取得了一些成果。在北方地區(qū)，常規(guī)的單級蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)會因壓縮比過高而使運行經(jīng)濟性顯著降低，噴氣增焓技術(shù)可以很好地解決這一問題，基于此提出了太陽能驅(qū)動的有機朗肯?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)由三個子系統(tǒng)組成，分別是太陽能收集子系統(tǒng)、有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)及制冷循環(huán)子系統(tǒng)。太陽能驅(qū)動的有機朗肯?噴氣增焓（帶二次吸氣的增效）蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)運行時，太陽能集熱器將熱量傳遞至蓄熱器，再傳遞至發(fā)生器，有機工質(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)有機工質(zhì)進入膨脹機中進行膨脹，輸出機械功；從膨脹機中出來的有機工質(zhì)溫度已大大降低，進入凝汽器中被環(huán)境冷源凝結(jié)為液態(tài)工質(zhì)，之后經(jīng)過工質(zhì)泵加壓，最后進入發(fā)生器，如此往復循環(huán)，完成有機朗肯循環(huán)。膨脹機和噴氣增焓蒸汽壓縮制冷循環(huán)子系統(tǒng)的壓縮機為同軸結(jié)構(gòu)，通過聯(lián)軸器將機械功傳遞至壓縮機，把低溫低壓有機工質(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，從冷凝器中出來的制冷劑液體分兩部分，輔助回路部分制冷劑液體通過第一節(jié)流閥節(jié)流到某一中間壓力進入經(jīng)濟器，之后在經(jīng)濟器中借助熱交換形成閃蒸氣體，主回路部分制冷劑直接進入到經(jīng)濟器進一步過冷后通過第二節(jié)流閥節(jié)流進入蒸發(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中進行壓縮。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入壓縮機接觸線密封后的吸氣腔中進一步被壓縮，如此往復循環(huán)完成噴氣增焓蒸汽壓縮式制冷循環(huán)。

圖9 太陽能驅(qū)動的有機朗肯?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是太陽能驅(qū)動的有機朗肯?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中的等熵壓縮過程；8→9代表主回路的制冷劑在渦旋壓縮機中的實際壓縮過程；16→10s代表閃蒸氣體在渦旋壓縮機中的等熵壓縮過程；16→10代表閃蒸氣體在渦旋壓縮機中的實際壓縮過程；10→11代表制冷劑在冷凝器中的定壓放熱過程；11→14代表輔助回路制冷劑的節(jié)流過程；14→16代表制冷劑噴汽前自身的預熱過程；11→12代表主回路制冷劑閥前過冷過程；12→13代表主回路制冷劑的節(jié)流過程；13→8代表主回路制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程。

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)的單級蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)同樣會因壓縮比過高而使運行經(jīng)濟性顯著降低，而復疊式制冷系統(tǒng)可以解決這一問題，基于此提出了中溫地熱能驅(qū)動的有機朗肯?復疊式制冷系統(tǒng)的概念[31]。中溫地熱能驅(qū)動的有機朗肯?復疊式制冷系統(tǒng)流程圖如圖11所示，該系統(tǒng)由地熱能收集子系統(tǒng)、有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)和復疊式制冷循環(huán)子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)主要由發(fā)生器、膨脹機、凝汽器和工質(zhì)泵組成。系統(tǒng)的復疊式制冷循環(huán)子系統(tǒng)由高溫級和低溫級兩個制冷子單元組成。高溫級制冷子單元由高溫級壓縮機、高溫級冷凝器、高溫級節(jié)流閥和蒸發(fā)冷凝器組成；低溫級制冷子單元由低溫級壓縮機、蒸發(fā)冷凝器、低溫級節(jié)流閥和低溫級蒸發(fā)器組成。蒸發(fā)冷凝器既是高溫級制冷子單元的蒸發(fā)器，又是低溫級制冷子單元的冷凝器，蒸發(fā)冷凝器把兩個制冷子單元聯(lián)系在一起，高溫級制冷子單元采用中溫制冷劑，低溫級制冷子單元采用低溫制冷劑。

圖11 中溫地熱能驅(qū)動的有機朗肯?復疊式制冷系統(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)的有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)為復疊式制冷循環(huán)子系統(tǒng)的高溫級壓縮機提供動力，低溫級壓縮機則由電能驅(qū)動。圖12為復疊式制冷循環(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壓縮機中的等熵壓縮過程；8→9代表低溫制冷劑在低溫級壓縮機中的實際壓縮過程；9→11代表低溫制冷劑在蒸發(fā)冷凝器中的定壓放熱過程；11→12代表低溫制冷劑在低溫級節(jié)流閥中的等焓節(jié)流過程；12→8代表低溫制冷劑在低溫級蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程；14→15s代表中溫制冷劑在高溫級壓縮機中的等熵壓縮過程；14→15代表中溫制冷劑在高溫級壓縮機中的實際壓縮過程；15→17代表中溫制冷劑在高溫級冷凝器中的定壓放熱過程；17→18代表中溫制冷劑在高溫級節(jié)流閥中的等焓節(jié)流過程；18→14代表中溫制冷劑在蒸發(fā)冷凝器中的蒸發(fā)過程。

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)和動力（正）循環(huán)子系統(tǒng)，即可獲得循環(huán)產(chǎn)生的機械功用來發(fā)電或者驅(qū)動壓縮機實現(xiàn)制冷功能。

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

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

目前制冷系統(tǒng)主要以消耗電能來驅(qū)動制冷系統(tǒng)當中的壓縮機進而實現(xiàn)制冷，能效比較低，經(jīng)濟性不高，而使用的電能基本上來自火力發(fā)電，簡單地說就是燃燒燃料（煤等）放出的熱量加熱水，形成高溫高壓過熱蒸汽，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)輸出機械功，帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，發(fā)出電能。燃料（煤等）燃燒時除了排放CO2和熱量外，還會排放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。對于圖8當中的路徑2，低品位能（太陽能、地熱能、工業(yè)余熱等）驅(qū)動動力循環(huán)有機朗肯循環(huán)或者卡琳娜循環(huán)帶動膨脹機輸出機械功，制冷子系統(tǒng)中的壓縮機只需要通過聯(lián)軸器與膨脹機同軸連接就可以實現(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，起到保護環(huán)境的作用，另外，壓縮機與膨脹機轉(zhuǎn)速一致，減少了機械能轉(zhuǎn)化為電能及電能遠距離輸送到用戶所帶來的損失兩個環(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，而熱量主要來自于無法被利用的空氣中的低品位熱能。

（3）介紹了帶有過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)具有很強的低溫適應性，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，推動膨脹機做功，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)（有機朗肯循環(huán)或卡琳娜循環(huán)）熱功轉(zhuǎn)換實現(xiàn)發(fā)電及低品位能借助正循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換實現(xiàn)制冷。

[1] 朱祝林. 以能源節(jié)約為目標的軋輥熱處理過程中若干調(diào)度優(yōu)化方法研究[D]. 沈陽: 東北大學, 2011.

[2] 邵振華, 于文遠, 陳小嬌, 等. 太陽能驅(qū)動的有機朗肯?噴氣增焓(帶二次吸氣的增效)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)性能分析[J]. 新能源進展, 2014, 2(5): 373-379.

[3] 韓中合, 葉依林, 劉赟. 不同工質(zhì)對太陽能有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響[J]. 動力工程學報, 2012, 32(3): 229-234.

[4] 王輝濤, 王華, 龍恩深, 等. 低溫廢棄余熱驅(qū)動有機朗肯循環(huán)的優(yōu)化[J]. 太陽能學報, 2013, 34(7): 1183-1188.

[5] 劉懷亮, 何雅玲, 程澤東, 等. 槽式太陽能有機朗肯熱發(fā)電系統(tǒng)模擬[J]. 工程熱物理學報, 2010, 31(10): 1631-1634.

[6] 卜憲標, 李華山, 王令寶. 船舶余熱驅(qū)動的有機朗肯?蒸汽壓縮空調(diào)性能分析與工質(zhì)選擇[J]. 大連海事大學學報, 2013, 39(4): 99-106.

[7] 邵應娟, 金保昇, 鐘文琪, 等. 微型有機朗肯循環(huán)熱電系統(tǒng)建模與性能分析[J]. 東南大學學報, 2013, 43(4): 798-802.

[8] 劉廣林, 陳奇成, 張兵. 煙氣熱源有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)選擇[J]. 熱能與動力工程, 2013, 28(3): 241-245.

[9] 朱啟的, 孫志強, 周孑民. 工質(zhì)類型對回收中低溫余熱有機朗肯循環(huán)性能的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013, 44(3): 1215-1220.

[10] 韓中合, 葉依林, 劉赟. 不同工質(zhì)對太陽能有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響[J]. 動力工程學報, 2012, 32(3): 229-234.

[11] 曹園樹, 胡冰, 梁立鵬, 等. 中溫地熱能驅(qū)動的跨臨界有機朗肯?蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的性能分析[J]. 新能源進展, 2014, 2(3): 204-210.

[12] 梁立鵬, 曹園樹, 胡冰, 等. R1234yf有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱力學性能研究[J]. 新能源進展, 2014, 2(3): 197-203.

[13] 曹園樹, 孫雪萌, 馬志同, 等. 中溫地熱能驅(qū)動的跨臨界有機朗肯?蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的?分析[J]. 新能源進展, 2014, 2(6): 441-448.

[14] 王春莉, 戴軍, 郭佳, 等. 卡琳娜循環(huán)在火電廠節(jié)能降耗中的應用研究[J]. 自動化儀表, 2012, 33(7): 56-58, 62.

[15] 方鵬. 卡琳娜循環(huán)在燃煤電廠煙氣余熱回收利用中的應用分析[J]. 中國科技投資, 2013(Z2): 102-103.

[16] 周然, 韓吉田, 于澤庭. 基于太陽能卡琳娜循環(huán)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱力學分析[J]. 制冷技術(shù), 2013, 33(3): 13-15, 20.

[17] 陳效孺. 介紹一種新型的熱力循環(huán)(Kalina)循環(huán)[J]. 上海電力, 1995, 8(3): 8-10.

[18] 龐衛(wèi)科, 林文野, 戴群特, 等. 機械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)研究進展[J]. 節(jié)能技術(shù), 2012, 30(4): 312-315.

[19] 王如竹, 吳靜怡, 許煜雄. 高效節(jié)電的空氣能熱泵熱水器[J]. 上海電力, 2004(6): 500-502.

[20] 王文毅, 毛曉倩, 胡斌, 等. 中間補氣量對經(jīng)濟器熱泵系統(tǒng)性能的影響[J]. 制冷學報, 2013, 34(4): 40-46.

[21] 楊麗, 王文, 白云飛. 經(jīng)濟器對壓縮制冷循環(huán)影響分析[J]. 制冷學報, 2010, 31(4): 35-38.

[22] 趙會霞, 劉思光, 馬國遠, 等. 渦旋壓縮機閃發(fā)器熱泵系統(tǒng)的試驗研究[J]. 太陽能學報, 2006, 27(4): 377-381. [23] 陳鎮(zhèn)凱, 胡文舉, 江輝民, 等. 帶有閃發(fā)器的空氣源熱泵系統(tǒng)數(shù)學模型的研究[J]. 流體機械, 2011, 39(11): 81-87.

[24] 劉強, 樊水沖, 何珊. 噴氣增焓渦旋壓縮機在空氣源熱泵熱水器中的應用[J]. 流體機械, 2008, 36(9): 68-72.

[25] Quoilin S, Orosz M, Hemond H, et al. Performance and design optimization of a low-cost solar organic Rankine cycle for remote power generation, 2011, 85(5): 955-966.

[26] Wang M, Wang J F, Zhao Y Z, et al. Thermodynamic analysis and optimization of a solar-driven regenerative organic Rankine cycle (ORC) based on flat-plate solar collectors[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 816-825.

[27] 王小毅, 李漢明. 地熱能的利用與發(fā)展前景[J]. 節(jié)能科技, 2013(3): 43-48.

[28] 王汝金, 張秀平, 賈磊, 等. 有機朗肯循環(huán)技術(shù)在低品位余熱發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J]. 電力需求側(cè)管理, 2011(5): 25-28.

[29] 連紅奎, 李艷, 束光陽子, 等. 我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J]. 節(jié)能技術(shù), 2011(2): 123-128, 133.

[30] 馮惠生, 徐菲菲, 劉葉鳳, 等. 工業(yè)過程余熱回收利用技術(shù)研究進展[J]. 化學工業(yè)與工程, 2012, 29(1): 57-64.

[31] 邵振華, 于文遠. 中溫地熱能驅(qū)動的有機朗肯?復疊式制冷系統(tǒng)性能分析[J]. 可再生能源, 2015, 33(4): 579-585.

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

2015-03-05

2015-3-31

? 通信作者：于文遠，E-mail：yuwyn0212@163.com