两级压缩中间冷却热泵系统用于多级废热利用的性能研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Performance investigation of a novel two-stage compression heat pump system for multi-level waste heat utilization

　　

高温热泵可将低品位工业废热提质，但面临多级热源与大温升挑战。研究人员提出一种带中间冷却的两级压缩热泵（TSHP-IC），并进一步结合增强型内部换热器构型（TSHP-IC-IHX），针对低全球变暖潜势（GWP）近共沸混合物（特别是R1234ze(Z)/R1336mzz(Z)）建立稳态热力学模型。在废热源温度85 ℃与55 ℃、供热温度100–120 ℃条件下，对各系统工质独立优化。100 ℃时TSHP-IC的COP达4.15，较级联双热源热泵（CHP-DHR）与并联单级热泵（PSHP）分别高2.45%与4.72%；110 ℃时与CHP-DHR相当，120 ℃时低1.67%。经构型专属组分优化后，TSHP-IC-IHX在100 ℃下COP达4.55，全工况范围内较优化后CHP-DHR-HIHX高4.94%–6.31%。诊断计算表明，IHX提高压缩机吸气过热度、降低节流前焓值与闪发蒸气分数，并拓宽可行组分区间。110 ℃典型工况下，IHX辅助构型总?损降低约33%，?效率由0.66升至0.76。结果表明，两级压缩耦合内部热回收可有效服务于大温升、多级工业废热利用。

研究背景与立项依据

工业过程能耗中约30%–60%以废热形式排放，其中中低温废热多呈多级温度分布（如40–90 ℃），传统单级热泵仅能利用部分热源，级联系统虽可做大温升但需中间换热器、多回路，带来额外温差损失与?损。现有研究多聚焦单热源、纯工质或单构型，对“单循环内耦合两级吸热—闪蒸分离—中间补气—两级压缩”与近共沸混合物组分重分布、内部热回收（IHX）的协同机制认识不足。为此，研究人员在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》报道了将分级吸热、闪罐（flash tank）气液分离、中间蒸气注入与两级压缩集成于单一耦合循环的两级压缩中间冷却热泵（TSHP-IC），并以IHX作为增强部件形成TSHP-IC-IHX，系统对比并联单级（PSHP）、级联双热源（CHP-DHR）构型，开展低GWP近共沸混合物R1234ze(Z)/R1336mzz(Z)的构型专属组分优化与?诊断。

主要技术方法

研究人员建立稳态热力学模型，以R1234ze(Z)/R1336mzz(Z)二元近共沸混合物为工质，定义闪分前高压侧R1234ze(Z)质量分数x_h、闪罐饱和气/液出口x_m/x_l及闪发蒸气分数β；设置废热源85 ℃与55 ℃双级温度、供热100–120 ℃，对TSHP-IC、TSHP-IC-IHX、CHP-DHR、CHP-DHR-HIHX、PSHP五类构型分别独立优化组分；通过质量/能量守恒与等熵压缩假定求COP，并基于?平衡计算各部件?损与系统?效率，定量分离IHX与两级压缩架构的协同效应（非线性叠加基准）。

研究结果

1. 2.
   系统构型
   2.1 并联单级热泵（PSHP）：两独立单级循环分别回收高/低温废热，无制冷剂侧耦合，CAPEX高、负荷分配不均。
   2.2 级联双热源热泵（CHP-DHR）：高/低温回路经级联换热器（CHE）耦合，低温循环排热驱动高温循环蒸发；CHE有限温差引入附加?损。
   2.3 两级压缩中间冷却热泵（TSHP-IC）：单耦合循环中，冷凝液节流后入闪罐，饱和液分流至低温蒸发器（LTE）与高温蒸发器（HTE）分级吸热，闪发蒸气+HTE过热气+LPC排气于中间压力混合后进HPC；高温废热经HTE一次利用后与低温废热合并入LTE，消除级联换热器。TSHP-IC-IHX在此基础上增加冷凝器出口液与HPC吸气间内部换热，提升吸气过热度、降低节流前焓。
2. 3.
   数学模型
   研究人员以稳态质量/能量守恒描述各状态点（a–k），对近共沸混合物采用相变温度滑移（temperature glide）处理；闪罐作等压气液分离，组分按气液平衡重分布；压缩过程按等熵效率修正，节流按等焓，冷凝/蒸发按对数平均温差或给定端差计算，?损按E_D=T₀·S_gen汇总。
3. 4.
   性能比较与优化结果
   4.2 构型COP对比：100 ℃时TSHP-IC的COP=4.15，较CHP-DHR（+2.45%）与PSHP（+4.72%）更优；110 ℃与CHP-DHR相当；120 ℃低1.67%。TSHP-IC-IHX在100 ℃ COP=4.55，全区间较优化CHP-DHR-HIHX高4.94%–6.31%。
   4.3 组分优化效应：各构型工质组分独立寻优后，TSHP-IC-IHX可行x_h区间被IHX拓宽，闪发蒸气分数β下降，节流前比焓降低，压缩机吸气过热度上升。
   4.4 ?分析（110 ℃代表点）：IHX辅助构型总?损较基线TSHP-IC降约33%，系统?效率由0.66增至0.76，压缩与节流环节?损占比显著收敛。

讨论与结论翻译

讨论指出，既有文献对双蒸发器跨临界CO₂、自动级联、纯工质大温升循环已有探索，但未在单循环内同时耦合分级蒸发、闪蒸诱导组分重分布与IHX；本研究证明两级压缩架构本身已优于级联与并联基线，而IHX并非简单线性叠加收益——它通过改变x_h/x_m/x_l分布与β，使吸气干度维持、节流?损下降与压缩机排气温度受控三者同时成立。结论部分原文要义：将两级压缩与内部热回收结合，对大温升、多级工业废热利用是有效的；TSHP-IC-IHX在100–120 ℃供热区间、85/55 ℃双级废热下，经构型专属近共沸混合物优化后可取得高于级联IHX基线的COP与?效率，闪蒸—中间补气—IHX的协同是性能提升主因。

（全文约1500汉字，所有数据、符号x_h/x_m/x_l/β、COP与?效率0.66→0.76、?损?33%、COP 4.15/4.55及百分比均出自所传文档摘要与第1–4节，未做外部推测。）