氨蒸氣壓縮高溫?zé)岜孟到y(tǒng)研究現(xiàn)狀

寧?kù)o紅 劉華陽

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

目前，我國(guó)工業(yè)約占全國(guó)能源消耗總量的70%，而工業(yè)能源利用率低于世界平均水平，加工工業(yè)消耗的能源有50%以上轉(zhuǎn)變?yōu)閺U氣和廢水形式的余熱[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅有30%的廢熱得到再利用，這是能源利用率低的原因之一[2]。工商業(yè)領(lǐng)域存在大量用冷同時(shí)用熱的工藝，制冷系統(tǒng)的冷凝溫度通常較低，產(chǎn)生的冷凝熱屬于低品位熱能，很難滿足生活供熱及熱工藝的需求。若直接回收這些低品位能經(jīng)濟(jì)性差，故系統(tǒng)一般將高溫高壓的制冷劑蒸氣通過冷凝器或冷卻塔把熱量排至大氣或冷卻水中，不僅有熱損失還存在熱污染。在大型制冷工程中，若將冷凝廢熱通過高品位能或高溫補(bǔ)償?shù)确椒▽⒌推肺粺崮芴嵘秊楦咚?，并用于生活熱水、生產(chǎn)工藝用水、生活供暖等場(chǎng)所，則可以成為解決冷熱雙利用、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要方法。熱泵技術(shù)就是從低溫?zé)嵩传@得能量，通過消耗一定的高品位能為代價(jià)補(bǔ)償提升，將熱能由低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移至高溫?zé)嵩吹南到y(tǒng)[3]。隨著熱泵技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可和使用的增加，高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的選用逐漸成為研究的重點(diǎn)。氨作為自然工質(zhì)具有綠色環(huán)保、價(jià)格低、單位容積制熱量大、使用歷史悠久等特點(diǎn)。目前，氨在工業(yè)熱泵中被廣泛使用，對(duì)氨高溫?zé)岜玫难芯恳苍絹碓蕉唷?/p>

本文對(duì)常用高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的物性進(jìn)行了對(duì)比，并分析了工質(zhì)之間的制熱性能差異，綜述了氨蒸氣壓縮式高溫?zé)岜脦追N常用的基本形式，基于基本形式，提出利用平板太陽能集熱器加熱壓縮機(jī)排氣，通過提高排氣的過熱溫度，利用蒸氣顯熱制取高溫?zé)崴男滦吞柲茌o助高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，結(jié)合天津地區(qū)的太陽能輻射日照條件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了理論熱力性能分析，分析了太陽能補(bǔ)償用于氨高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的可行性及系統(tǒng)優(yōu)化潛力。

1 高溫?zé)岜霉べ|(zhì)對(duì)比分析

熱泵工質(zhì)通常受到壓縮機(jī)技術(shù)的限制，在制冷系統(tǒng)中使用的制冷劑大多數(shù)不適合高溫應(yīng)用。一些具有適當(dāng)性質(zhì)的合成工質(zhì)又受到基加利修正案的限制，這些合成工質(zhì)大多存在消耗臭氧潛值(ODP)或全球變暖潛值(GWP)較大，或具有潛在的有毒分解物，對(duì)環(huán)境存在潛在危害等問題。因此，高溫?zé)岜梦磥淼陌l(fā)展將集中在自然工質(zhì)[5]。

1.1 常用高溫?zé)岜霉べ|(zhì)

目前，商用高溫?zé)岜弥谐Ｓ玫墓べ|(zhì)有R245fa、R717、R744、R134a和R1234ze(E)等[4]，碳?xì)浠衔?、二氧化碳、水等自然工質(zhì)將是高溫?zé)岜玫难芯恐攸c(diǎn)[6-9]。O.Bamigbetan等[6]分別對(duì)比討論了熱泵工質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度、壓力、尺寸、壓比、COP的影響。R.Bergamini等[10]將單級(jí)壓縮高溫?zé)岜煤碗p級(jí)壓縮高溫?zé)岜门c鍋爐進(jìn)行了熱性能對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)岜迷谔娲仩t方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)得出氨在較高溫度下性能較好。表1所示為目前常用的商用高溫?zé)岜霉べ|(zhì)和部分自然工質(zhì)的主要熱物理性質(zhì)，通過對(duì)比物性參數(shù)發(fā)現(xiàn)，在常用熱泵工質(zhì)中氨和水的ODP和GWP均為0，高溫工況下氨的壓力較高，而工質(zhì)水對(duì)于壓力的要求更高，其臨界壓力約為氨的2倍，氨的分子質(zhì)量小，密度較小，在相同充注量條件下，系統(tǒng)運(yùn)行功耗少。

表1 常用高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的物性參數(shù)

通過物性軟件REFPROP9.0調(diào)取參數(shù)，對(duì)上述熱泵工質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的熱力循環(huán)性能計(jì)算。系統(tǒng)假設(shè)為簡(jiǎn)單的單級(jí)壓縮熱泵循環(huán)，壓縮和冷凝過程存在一定的過熱度和過冷度，取5 ℃；壓縮機(jī)的指示效率為0.8；節(jié)流過程為絕熱過程。由于R744的臨界溫度為31.10 ℃，當(dāng)冷凝溫度為85 ℃時(shí)屬于跨臨界循環(huán)，冷凝過程存在溫度滑移，不再進(jìn)行對(duì)比分析。不同高溫?zé)岜霉べ|(zhì)在蒸發(fā)溫度為25 ℃，冷凝溫度為80～95 ℃條件下熱泵制熱性能系數(shù)隨冷凝溫度的變化如圖1(a)所示；不同高溫?zé)岜霉べ|(zhì)冷凝溫度為85 ℃，蒸發(fā)溫度為15～25 ℃條件下熱泵制熱性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化如圖1(b)所示。由圖1可知，高溫工況下氨和水的熱力性質(zhì)相似，兩者的性能系數(shù)較大，隨著冷凝溫度的升高性能系數(shù)逐漸降低，溫度越高氨系統(tǒng)性能降低的越顯著，這是由于氨的絕熱指數(shù)較大(k=1.40)，在低蒸發(fā)溫度高冷凝溫度時(shí)，壓縮機(jī)壓比較大，排氣溫度較高，功耗增加較大。

圖1 熱泵工質(zhì)性能對(duì)比

采用自然工質(zhì)制取高溫時(shí)通常存在壓力較高的問題，高溫高壓狀態(tài)下存在爆炸的危險(xiǎn)，自然工質(zhì)熱泵最高溫度通常在85～95 ℃之間。通過分析發(fā)現(xiàn)在冷凝溫度為80～95 ℃高溫?zé)岜霉r下氨的綜合性能最佳。氨的臨界溫度較高，可在較高的熱源溫度和冷源溫度下實(shí)現(xiàn)亞臨界循環(huán)，適合作為冷熱聯(lián)供熱泵工質(zhì)，特別適合制取60～110 ℃的熱源溫度[10]。上述結(jié)果與李軍等[11]通過對(duì)比熱泵工質(zhì)在復(fù)疊式熱泵高溫級(jí)工況下的性能，得出氨熱泵性能系數(shù)最大，制熱量最多的結(jié)論一致；與S.S.Baakeem[12]對(duì)多級(jí)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行理論、能量和經(jīng)濟(jì)分析，使用性能參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)8種工質(zhì)進(jìn)行研究，得出氨為最佳選擇的結(jié)論相一致。

1.2 氨的物性分析

氨作為自然工質(zhì)，不僅適應(yīng)政策要求，熱力性質(zhì)也很好，氨的導(dǎo)熱系數(shù)較大，氣化潛熱大(-15 ℃時(shí)的氣化潛熱為R410A的5.5倍)，節(jié)流損失小，制熱系數(shù)高，可以減少壓縮機(jī)換熱器尺寸，節(jié)省材料[13]。氨也存在一定的危險(xiǎn)性，當(dāng)空氣中氨的濃度達(dá)到15.7%～27.4%時(shí)，遇到明火會(huì)發(fā)生爆炸，安全等級(jí)為B2。雖然我國(guó)發(fā)生過多起氨泄漏事故，但氨泄漏多數(shù)是由于人員操作不當(dāng)、設(shè)備老化、常年缺乏檢修導(dǎo)致，氨存在明顯的刺激氣味，且極易溶于水，一旦發(fā)生泄漏事故極易被發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，氨的分子質(zhì)量小，密度小于空氣，極易上升，當(dāng)氨發(fā)生泄漏事故可通過通風(fēng)排氣及噴淋灑水裝置及時(shí)除去存在空氣中的氨。通過對(duì)氨系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、操作規(guī)范，可以保證氨系統(tǒng)的安全性、可靠性[14-15]。

氨除了具有一定的危險(xiǎn)性外還有其它的問題。氨排氣溫度較高，容易造成潤(rùn)滑油碳化，必須采取相應(yīng)的冷凝措施。氨的臨界溫度(132.30 ℃)和臨界壓力(11.33 MPa)較高，在制取較高溫度的熱水時(shí)冷凝壓力較大，對(duì)壓縮機(jī)和系統(tǒng)的承壓能力要求較高。除了排氣溫度和壓力的限制外，氨系統(tǒng)在選用材料上也存在挑戰(zhàn)，氨與銅在有水的條件下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這限制了氨熱泵材料的選擇。目前，氨高溫?zé)岜猛ǔＳ袃煞N形式：氨蒸氣壓縮式高溫?zé)岜?；?水吸收式高溫?zé)岜肹2]。本文主要對(duì)氨蒸氣壓縮式高溫?zé)岜眠M(jìn)行討論。

2 氨蒸氣壓縮式高溫?zé)岜?/h2>

蒸氣壓縮制冷循環(huán)是最常用的制冷方式，若將冷凝溫度提高至更高的溫度則可同時(shí)用于供熱。目前，大多通過鍋爐或電加熱器來滿足高溫?zé)岬男枨?，鍋爐燃燒化石燃料存在排放溫室氣體的問題，電加熱系統(tǒng)則存在用電效率低等問題。據(jù)估計(jì)，在未來的發(fā)展中，高溫?zé)岜眉夹g(shù)可以提供150 ℃的熱源溫度[6]。在一定溫度區(qū)間內(nèi)，若采用高溫?zé)岜脛t可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供熱系統(tǒng)。

2.1 蒸氣壓縮熱泵系統(tǒng)的分類

蒸氣壓縮熱泵系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單的分為蒸氣壓縮式循環(huán)、蒸氣機(jī)械再壓縮式循環(huán)和熱蒸氣再壓縮式循環(huán)3種類型[2]。蒸氣壓縮式循環(huán)通常由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器及連接管路組合為一個(gè)閉合回路，工質(zhì)在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)制冷，冷凝器內(nèi)冷凝放熱，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供。蒸氣機(jī)械再壓縮循環(huán)則為蒸氣送入壓縮機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓縮升溫升壓后，在冷凝器內(nèi)冷凝放熱，與循環(huán)工藝(即封閉系統(tǒng))的壓縮熱泵相反，其中蒸氣來源廣泛作為開式系統(tǒng)來工作，常見的為半開式系統(tǒng)。熱蒸氣再壓縮循環(huán)則為利用噴射器增壓代替壓縮機(jī)，高溫高壓的蒸氣作為工作流體，經(jīng)蒸發(fā)器吸收低溫?zé)嵩吹恼魵庾鳛橐淞黧w，經(jīng)噴射器混合升壓后送至冷凝器內(nèi)冷凝放熱。與前兩種機(jī)械壓縮方式不同，該循環(huán)可由熱蒸氣驅(qū)動(dòng)。本文主要對(duì)可以滿足冷熱雙利用，實(shí)現(xiàn)冷凝熱回收的蒸氣壓縮式循環(huán)熱泵進(jìn)行討論。

2.2 蒸氣壓縮式循環(huán)熱泵系統(tǒng)

蒸氣壓縮循環(huán)分為3類：?jiǎn)渭?jí)壓縮、多級(jí)壓縮和增添其它輔助設(shè)備(如引射器、中間冷卻器、內(nèi)部換熱器等)的循環(huán)[2,7-8]。高溫?zé)岜玫难芯恐饕窃谶x擇合適的工質(zhì)和提高熱泵制熱效率方面。氨作為高溫?zé)岜霉べ|(zhì)具有較高的冷凝壓力，使用單級(jí)壓縮存在壓比大、容積效率低、排氣溫度高等問題。目前技術(shù)的限制，壓縮端的溫度不宜超過150 ℃，過高的排氣溫度會(huì)造成壓縮機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油碳化，對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)的熱管理和材料的選擇也帶來了挑戰(zhàn)[4]。故氨蒸氣壓縮式高溫?zé)岜孟到y(tǒng)一般采用多級(jí)壓縮逐級(jí)升溫的方法降低壓比，以達(dá)到所需的溫度。氨高溫?zé)岜糜须p級(jí)壓縮(多級(jí)壓縮)冷熱水系統(tǒng)、冷凝熱全回收系統(tǒng)、復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)等幾種常用的基本形式[16-20]。

氨雙級(jí)壓縮冷熱水系統(tǒng)如圖2(a)所示。氨雙級(jí)壓縮冷熱水系統(tǒng)的高、低壓級(jí)由中間冷卻器連接，高壓級(jí)、低壓級(jí)均為氨工質(zhì)，低壓級(jí)排氣經(jīng)中間冷卻器冷卻至中間壓力下的飽和狀態(tài)，進(jìn)入高壓級(jí)進(jìn)一步升溫升壓，高溫高壓的蒸氣在冷凝器內(nèi)冷凝與冷卻水換熱制取熱水。冷凝后的飽和液經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后進(jìn)入中間冷卻器，一部分用于冷卻低壓級(jí)的排氣和過冷盤管中的高壓氨液，另一部分經(jīng)蛇形盤管冷卻后再送至蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)完成循環(huán)。兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)可以降低壓比，提高系統(tǒng)的制熱量[21]。

圖2 氨雙級(jí)壓縮冷熱水系統(tǒng)原理及壓焓圖

陳孚江等[22]分析了低溫工況下的運(yùn)行參數(shù)對(duì)兩級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)性能的影響，得出蒸發(fā)溫度、冷凝溫度是主要影響因素，其中蒸發(fā)溫度越低對(duì)系統(tǒng)的影響越大。劉炳伸等[23]將準(zhǔn)兩級(jí)壓縮聯(lián)合過冷器的循環(huán)方式引入了熱泵系統(tǒng)，結(jié)果表明該方式提高了系統(tǒng)性能，降低了排氣溫度，增加了安全性能。

圖3所示為氨冷凝熱全回收系統(tǒng)原理與壓焓圖。該系統(tǒng)將制冷壓縮機(jī)的排氣通往中間冷卻器進(jìn)行洗滌，得到中間壓力下的飽和氨氣，經(jīng)熱泵壓縮機(jī)變成高溫高壓的氨氣，此時(shí)再經(jīng)冷凝器與循環(huán)水進(jìn)行熱交換，冷凝后的制冷劑節(jié)流降壓一部分送至中間冷卻器供洗滌排氣，另一部分節(jié)流后送至貯液器供系統(tǒng)制冷。該系統(tǒng)可同時(shí)設(shè)有冷凝器，可以控制通往熱泵壓縮機(jī)蒸氣流量，在不使用熱泵機(jī)組時(shí)可以關(guān)閉熱泵系統(tǒng)，圖3(a)中虛線部分表示熱泵系統(tǒng)，實(shí)線表示帶蒸發(fā)冷的制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)與氨雙級(jí)壓縮冷熱水系統(tǒng)相比少了一個(gè)制冷循環(huán)過程，節(jié)省了部分制冷設(shè)備的初投資，適用范圍也更加廣泛[18]。

圖3 氨冷凝熱全回收系統(tǒng)原理及壓焓圖

圖4所示為氨復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)原理與壓焓圖。系統(tǒng)分為高溫級(jí)和低溫級(jí)兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，自然工質(zhì)氨通常作為高溫級(jí)制冷劑，采用二氧化碳作為低溫級(jí)制冷劑，兩個(gè)系統(tǒng)通過冷凝蒸發(fā)器連接，高溫級(jí)吸收低溫級(jí)的冷凝熱作為高溫?zé)岜玫牡蜏責(zé)嵩?，低溫?jí)蒸發(fā)器則用來制取更低的低溫環(huán)境[24]。使用復(fù)疊系統(tǒng)可以降低壓縮機(jī)壓比，在制取高溫?zé)嵩磿r(shí)可同時(shí)提供更加低溫的冷源，但同時(shí)也使系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本更高。楊永安等[25]提出采用單一工質(zhì)復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)，并進(jìn)行熱力模型建立和實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果證明該系統(tǒng)可以降低壓縮機(jī)排氣溫度，滿足低溫下的供暖需求，擴(kuò)大了空氣源熱泵的應(yīng)用范圍。曲明璐等[26]在傳統(tǒng)復(fù)疊式空氣源熱泵中增設(shè)雙螺旋盤管蓄熱器，在滿足除霜問題的同時(shí)優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

圖4 氨復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)原理及壓焓圖

2.3 蒸氣壓縮式高溫?zé)岜玫陌l(fā)展限制

文獻(xiàn)中對(duì)于高溫?zé)岜玫臏囟确秶x各不相同，通常的溫度區(qū)間為80～100 ℃。一般來說，當(dāng)溫度高于80 ℃時(shí)，在食品、造紙和化學(xué)等工業(yè)中有很大的應(yīng)用潛力；當(dāng)溫度高達(dá)100 ℃時(shí)，則可用于殺菌消毒、蒸發(fā)蒸餾、干燥預(yù)熱等工藝。所達(dá)到的溫度越高應(yīng)用的范圍越廣，但同時(shí)對(duì)于技術(shù)和系統(tǒng)的效率要求也越來越高[6]?？梢酝ㄟ^增添輔助設(shè)備提高系統(tǒng)的效率，Luo Baojun等[8]研究了采用引射器、內(nèi)部換熱器、耦合循環(huán)等方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果證明幾種方式對(duì)系統(tǒng)均有不同的積極作用。目前只有20種已經(jīng)上市的型號(hào)可以提供150 ℃的冷凝溫度，但全部使用合成工質(zhì)，高溫?zé)岜玫闹饕拗七€是工質(zhì)，在全球變暖形勢(shì)下，急需在對(duì)環(huán)境影響較小的范圍內(nèi)尋找可用的制冷劑，在高溫高壓下運(yùn)行潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性和油密性會(huì)存在喪失現(xiàn)象，同時(shí)潤(rùn)滑油與材料的兼容性、壓縮機(jī)的冷卻及耐高溫等技術(shù)問題也限制高溫?zé)岜玫陌l(fā)展[4]。對(duì)于環(huán)境而言，自然工質(zhì)將是高溫?zé)岜弥评鋭┪磥戆l(fā)展更有希望的替代物，同時(shí)急需突破壓縮機(jī)在更高溫度和壓力下運(yùn)行的技術(shù)限制[5]。

3 采用太陽能補(bǔ)償?shù)陌备邷責(zé)岜孟到y(tǒng)

3.1 基本原理

我國(guó)大部分地區(qū)光照充足，約超過2/3的地區(qū)輻射總量超過5 016 MJ/m2[27]，太陽能是優(yōu)秀的天然可再生清潔能源，且太陽能利用技術(shù)也越來越成熟，考慮利用太陽能作為高溫?zé)岜醚a(bǔ)償熱源以達(dá)到高溫的目的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽能輔助空氣源熱泵進(jìn)行了大量的分析，系統(tǒng)一般可以分為兩類：一類為利用太陽能集熱器作為蒸發(fā)器以提高系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，工質(zhì)直膨式循環(huán)，為單純滿足供熱的熱泵系統(tǒng)；另一類為太陽能集熱器與空氣源熱泵共同加熱水，太陽能集熱器內(nèi)工質(zhì)為水、氣體或者防凍液，屬于非直膨式，該系統(tǒng)可以同時(shí)滿足制冷和供熱[28-29]。氨工質(zhì)常用于大中型制冷系統(tǒng)中，冷凝熱充足，考慮由太陽能集熱器直接加熱壓縮機(jī)的排氣，提高氨蒸氣的過熱度，滿足高溫供熱的需求。由于太陽能集熱器熱性能受光照條件的影響較大，晝夜存在極大差異，在光照條件不足時(shí)，增設(shè)一臺(tái)氨熱泵壓縮機(jī)代替太陽能集熱器工作，以滿足熱泵全天候的工作需求。按此提出利用太陽能集熱器補(bǔ)償和熱泵壓縮機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的高溫?zé)岜孟到y(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)流程

圖5為采用太陽能加熱補(bǔ)償?shù)陌闭魵鈮嚎s高溫?zé)岜孟到y(tǒng)原理及壓焓圖。該系統(tǒng)可分為太陽能輔助高溫?zé)岜煤屠淠裏崛厥崭邷責(zé)岜脙刹糠帧?/p>

圖5 太陽能輔助蒸氣壓縮高溫?zé)岜迷砑皦红蕡D

圖5中虛線代表太陽能輔助熱泵。壓縮機(jī)排氣由太陽能集熱器加熱提升過熱度，基本流程為：吸熱蒸發(fā)后的飽和氨蒸氣經(jīng)制冷壓縮機(jī)壓縮后達(dá)到高溫高壓狀態(tài)，后氨蒸氣進(jìn)入平板太陽能集熱器，經(jīng)太陽能集熱器升溫達(dá)到更高溫度狀態(tài)后，高溫高壓氨蒸氣進(jìn)入冷卻器內(nèi)冷卻加熱熱水。冷卻降溫后的氨蒸氣再經(jīng)冷凝器冷凝，后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)完成循環(huán)。其中冷卻水先經(jīng)冷凝器加熱升溫，升溫后的水分為兩部分，一部分送至冷卻器內(nèi)冷卻過熱氨蒸氣成為高溫水，另一部分溫水則可送至生活區(qū)或冷卻降溫后循環(huán)再利用。實(shí)線則代表冷凝熱全回收熱泵，由熱泵壓縮機(jī)補(bǔ)償提升單級(jí)壓縮排氣的溫度，系統(tǒng)基本流程為：吸熱蒸發(fā)的飽和氨蒸氣經(jīng)制冷壓縮機(jī)壓縮升溫升壓變?yōu)檫^熱蒸氣，后通入中間冷卻器洗滌冷卻至中間溫度(點(diǎn)6)下的飽和蒸氣狀態(tài)，飽和蒸氣經(jīng)熱泵壓縮機(jī)增壓為高溫高壓的過熱蒸氣，此時(shí)經(jīng)過壓縮補(bǔ)償升溫后的蒸氣再流入冷凝器內(nèi)冷凝放熱，加熱產(chǎn)生高溫?zé)崴?。?jīng)冷凝器冷凝后的飽和液分為兩路，一部分經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后送至中間冷卻器，用于洗滌冷卻制冷壓縮機(jī)的排氣，另一部分節(jié)流后送至蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)制冷完成循環(huán)[30]。

3.3 系統(tǒng)可行性分析

太陽能集熱器按結(jié)構(gòu)形式可分為真空管型和平板型；按照溫度區(qū)間可以分為高溫型、中溫型和低溫型集熱器。平板太陽能集熱器為低溫型太陽能集熱器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，一般由玻璃蓋板、吸熱板、保溫層、箱體外殼組成，具有耐久性強(qiáng)、質(zhì)量輕、效率高等特點(diǎn)。板內(nèi)溫度一般在200 ℃以下，在晴朗或少云天氣條件下，吸熱板可達(dá)到120 ℃以上的高溫，并可維持5～6 h，管內(nèi)溫度最高可達(dá)到160 ℃以上。平板型空氣集熱器具有采光面積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、無防凍等優(yōu)點(diǎn)[31-32]。氨單級(jí)壓縮排氣溫度不高、壓力不大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣加熱補(bǔ)償升溫。本系統(tǒng)采用平板太陽能集熱器直接對(duì)單級(jí)壓縮制冷循環(huán)的壓縮機(jī)的排氣進(jìn)行加熱，經(jīng)太陽能集熱器補(bǔ)償升溫后具有更高過熱度，利用過熱蒸氣冷卻過程釋放的顯熱，制取更高溫度的熱水。

圖6 太陽能集熱器局部原理

天津市屬于太陽能資源較為豐富的二類區(qū)域，全年日照輻射時(shí)長(zhǎng)大于3 000 h，全年太陽能輻射可利用率在60%以上，在冬季晴天室外溫度7 ℃條件下，平板太陽能集熱器平均集熱效率可維持在0.51以上，最高可達(dá)約0.6。一天中日照時(shí)長(zhǎng)大于6 h為可利用太陽能，天津平均各月可利用太陽能日為22 d。在太陽能可利用日，09:30—16:00管內(nèi)溫度可維持120 ℃以上，在此期間管內(nèi)溫度隨輻射強(qiáng)度增加逐漸升高，10:00—15:00輻射強(qiáng)度較大，管內(nèi)溫度可高達(dá)140 ℃以上。日平均輻射強(qiáng)度約為400 W/m2，一天中滿足加熱要求的集熱時(shí)間可達(dá)約5 h，總集熱量為1 020 W/m2。根據(jù)熱負(fù)荷大小、建筑可用安裝面積、太陽能保證率等因素選取太能集熱器數(shù)量。在熱泵模式下，太陽能集熱器可以保證提供循環(huán)工質(zhì)的補(bǔ)償熱量，具備作為補(bǔ)償熱源的潛力[33-37]。

4 結(jié)論

本文對(duì)比了目前常用的高溫?zé)岜霉べ|(zhì)，對(duì)氨蒸氣壓縮式高溫?zé)岜脦追N常用的系統(tǒng)進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)分析了氨作為高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的優(yōu)劣勢(shì)，歸納了氨蒸氣壓縮式高溫?zé)岜媚壳鞍l(fā)展所面臨的問題，最后提出了利用太陽能補(bǔ)償輔助的高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的改進(jìn)方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了可行性分析，得到如下結(jié)論：

1)氨的熱物理性質(zhì)、環(huán)保性、導(dǎo)熱系數(shù)等方面符合作為高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的要求，且在85～95 ℃溫度區(qū)間內(nèi)綜合性能最佳，具備作為高溫高壓熱泵工質(zhì)的良好潛力。

2)氨高溫?zé)岜么嬖谂艢鉁囟冗^高、壓力過大等問題，壓縮機(jī)排氣溫度、潤(rùn)滑油和材料的兼容性等條件限制了高溫?zé)岜冒l(fā)展至更高溫度，研發(fā)在更高溫和壓力下工作的壓縮機(jī)和尋找研發(fā)適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油是目前發(fā)展的主要任務(wù)。

3)氨單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)中增設(shè)太陽能補(bǔ)償系統(tǒng)，可以提高熱泵系統(tǒng)性能，降低供熱系統(tǒng)的能耗，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)冷凝廢熱的回收利用，提高冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，為高溫?zé)岜玫膬?yōu)化和發(fā)展提供了新思路和方向。

本文受天津市自然科學(xué)基金(18JCYBJC22200)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Tianjin Natural Science Foundation(No.18JCYBJC22200).)