一种采用水注入技术的准饱和压缩高温热泵系统的性能研究

《Energy》：Performance investigation of a quasi-saturated compression high-temperature heat pump system with water-injection

水蒸气高温热泵通过水喷射冷却技术实现准饱和压缩过程，有效降低排气过热度并提升系统性能。实验表明，增加水喷射次数可显著提高COP（20次时达12.05-19.27%），但超过5次后性能提升趋缓。在80℃蒸发、125℃冷凝条件下，系统COP为3.5，能稳定运行并延长设备寿命。

　　

Fudong Xin|Di Wu|Shengong Mei|Qinghong Zhao|Bin Hu|Wenyi Chen|Chaohe Fang|Bo Xiong|Shejiao Wang|R.Z. Wang

上海交通大学新能源科技有限公司，中国上海，200241

摘要

水蒸气高温热泵（HTHP）结合了天然水的环保特性和热泵的节能优势，充分发挥了水作为工作介质在高温热泵领域的性能优势。将雾化水或低焓气液混合物注入压缩腔不仅可以有效降低压缩末端的排气温度和过热度，还有助于提升系统的整体性能。本文对注水冷却对系统性能的影响进行了理论分析和实验研究，结果表明增加注水量有利于系统性能的提升。然而，当注水量超过5时，系统性能的提升速度会变得非常缓慢。当注水量达到20时，COP（性能系数）比不注水的情况下提高了12.05-19.27%。实验结果还表明，注水可以实现准饱和压缩过程，有助于降低排气过热度并确保水蒸气高温热泵的长期安全运行。在蒸发温度为80°C、冷凝温度为125°C的条件下，当系统运行稳定时，逐渐减小注水流量（从90L?h^?1开始），系统的能耗为49 kW，加热能力为172 kW，COP为3.5。

引言

基于回收低品位废热，蒸汽压缩热泵是一种有吸引力的能源转换技术[1,2]。为了减少一次能源消耗和碳排放，它已被广泛应用于世界各地的工业过程中[[3], [4], [5]]。由于应用需求的不同，热泵的热源和输出温度也各不相同。因此，热泵被分为四种类型，这些类型严格根据输出温度来定义，而热源温度则作为参考指标[6]。在这种新的分类体系中，水的正常沸点100°C被定义为高温热泵（HTHP）的最低加热温度；而正常工业蒸汽温度160°C则被定义为HTHP和超高温热泵（UHTHP）的边界温度。加热温度高于100°C的HTHP在造纸、食品、饮料、金属、化工等行业具有广泛的应用市场和技术需求[[7], [8], [9]]。

热泵的工作介质是压缩热泵系统的核心[10]。热泵的节能和环保性能不仅取决于设备技术的发展，还取决于工作介质的特性[[11], [12], [13]]。随着《基加利修正案》的实施，限制了高全球变暖潜能值（GWP）制冷剂的使用，低GWP制冷剂在HTHP中的应用受到了越来越多的关注[[14], [15], [16], [17]]。目前，关于低GWP HTHP系统的研究主要集中在碳氢化合物（HCs）[[18], [19], [20]]、氢氟烯烃（HFOs）[[21], [22], [23]]、氯氟烯烃（HCFOs）[[24], [25], [26]]以及水[27,28]上。其中，水作为一种天然工作介质的代表，在高温热泵领域因其良好的环保性能和优异的性能而受到广泛关注。

水是最便宜且最安全的天然制冷剂，没有毒性和易燃性[29]。其高临界温度（374.15°C）表明水在HTHP和UHTHP应用中具有巨大潜力[28]。早在1986年，Eisa等人[30]就对以水为制冷剂的热泵系统进行了模拟研究，发现当蒸发温度为130°C、冷凝温度为200°C时，该热泵系统的理论性能系数（COP）为5。2014年，Madsboell等人[31]设计了一种离心式水蒸气压缩机，用于工业热泵中提供90-110°C的热水，其最大容量为500 kW，单级最大温升为30°C。Shen等人[32]在水蒸气热泵系统中使用了喷射式螺杆压缩机，通过喷水来降低排气过热度，使排气蒸汽达到饱和状态。当蒸发温度为75°C、温升为55°C时，系统的计算COP为6。Chamoun等人[33], [34], [35]提出了一种新的水蒸气热泵系统并展示了该系统的原型，他们的模拟结果显示，在源热温度为94°C、体积流量为72 m³ h^?1的条件下，系统的加热能力达到390 kW，COP为5.5。Wu等人[36]也提出了一种使用双螺杆压缩机的水蒸气HTHP系统，用于从80-90°C的热源回收废热，以供应120-130°C的热水，并尝试将冷凝温度提高到150°C，温升为65°C[37]。他们的实验研究表明，注入压缩腔的水可以降低排气过热度，确保设备的长期安全稳定运行。与传统工作介质（R245fa）、碳氢化合物（R600和R601）以及新型HFOs（R1234ze(Z)和R1336mzz(Z)相比，水作为工作介质在HTHP中具有最佳潜力[38]。

综上所述，以水为制冷剂的HTHP是一个研究热点。尽管Chamoun等人[33], [34], [35]和Wu等人[27,38]对水蒸气HTHP进行了实验研究，但他们并未探讨注水过程对其动态性能的影响。为填补这一研究空白，本文从注水对水蒸气HTHP系统性能的影响出发，讨论了水蒸气准饱和压缩的实现过程，并进行了实验验证。

小节片段

准饱和压缩过程

在水蒸气压缩过程中，通过分层压缩和中间冷却技术，可以将压缩过程分解为无数微小步骤，使得每一级压缩后的排气气体在排气压力下完全冷却至饱和温度。然后压缩过程沿着饱和蒸汽线进行，如图1所示，这被称为准饱和压缩过程[39]。

系统描述

对于水蒸气的准饱和压缩过程，注水量会影响压缩过程。为了确定注水对系统循环的具体影响，图2展示了基于压缩腔内注水的单级压缩理想热泵循环。不同注水量的情况下，系统的理论性能也进行了分析。

系统仿真

对于准饱和压缩过程，吸气

实验装置

为了实现准饱和压缩过程并研究不同工作条件下水蒸气HTHP的实际动态性能，上海交通大学在企业工厂建立了一个带有三路注水功能的水蒸气HTHP原型，如图8所示。除了热泵系统的基本设备（蒸发器、冷凝器、液收集器和压缩机）外，还配备了注水等相关设备。

实验性能

研究了水蒸气HTHP在启动和停止过程中的动态性能，以及注水过程对其动态性能的影响。实验结果如下所示。

结论

水蒸气HTHP结合了天然水的环保特性和热泵的节能优势，充分发挥了水作为工作介质在高温热泵领域的性能优势。然而，过高的排气温度不仅会导致能量损失，还会影响HTHP的性能，更不利于其长期的安全稳定运行。双螺杆水蒸气压缩机对液击不敏感，可以

作者贡献声明

Fudong Xin：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据整理。Di Wu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。Shengong Mei：撰写 – 初稿，软件开发。Qinghong Zhao：数据验证，监督。Bin Hu：项目管理，方法论研究，资金筹集。Wenyi Chen：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。Chaohe Fang：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。Bo Xiong：资源协调，资金筹集。Shejiao Wang：项目统筹。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52306019）的支持，同时得到了上海上升之星计划（编号24QB2704400）和“大零湾”科技创新源功能区发展专项基金（编号202511-kw-4.4-011）的资助。