【摘 要】
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随着碳达峰、碳中和期限的临近,诸多高能耗的工业用户越来越重视余热的回收利用,迫切需要通过切实可行的余热回收技术提高能源的综合利用率。热泵提质并转移热量的技术可对工业余热进行梯级利用,减少化石燃料的消耗及温室气体的排放,提高整个生产过程中的能源利用率并降低成本,成为解决中低温余热回收利用的重要方式。但目前单级高温热泵在提升温度超过65℃时,不具备经济效益,可推广性较差。为了扩展低温余热的回收再利用范
【基金项目】
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天津市技术创新引导专项（基金）:变速恒频ORC低温发电系统开发与最优转速追踪机制研究（21YDTPJC00930）； 天津市自然科学基金:太阳能高温热泵供暖及有机朗肯循环低温发电复合系统关键技术研究（18JCYBJC90500）； 天津市技术创新引导专项 （基金）:集成发电热泵一体化机组的研制（20YDTPJC01150）；
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随着碳达峰、碳中和期限的临近,诸多高能耗的工业用户越来越重视余热的回收利用,迫切需要通过切实可行的余热回收技术提高能源的综合利用率。热泵提质并转移热量的技术可对工业余热进行梯级利用,减少化石燃料的消耗及温室气体的排放,提高整个生产过程中的能源利用率并降低成本,成为解决中低温余热回收利用的重要方式。但目前单级高温热泵在提升温度超过65℃时,不具备经济效益,可推广性较差。为了扩展低温余热的回收再利用范围,提高复叠式高温热泵性能,本文对水源复叠式高温热泵开展理论及实验研究,为其在工业低温余热回收中的推广运用提供指导,研究内容与结论如下:构建了复叠式高温热泵系统性能的热力学循环计算模型,基于本课题研究的工业余热温度范围,选择了用作高温级、低温级循环混合工质的基础工质及添加组元。采用基于最小熵增法的混合工质组分的优选方法,分别建立低温蒸发器、高温冷凝器中由温差传热产生的熵增模型,理论分析各工况下低温蒸发器、高温冷凝器内由于传热温差产生的相对额外熵增,由此确定了各工况下非共沸混合工质最优组分配比。搭建了水源复叠式高温热泵系统的实验测试台,设定实验工况并确定高温级、低温级循环工质及实验方案,在热源温度为20-50℃时最高制备出150℃的高温热水,证明了将该系统应用于低温工业余热利用领域的可行性。在低温级循环采用R134a、R134a/R245fa（9:1、8:2、7:3、6:4）、高温级循环采用R245fa、热源温度分别为20、30、40℃、循环温升最高为90℃的条件下进行实验;在低温级循环采用R142b、高温级循环采用R365mfc/R245fa（9:1、8:2、7:3）、热源温度分别为20、30、40、50℃、循环温升最高为100℃的条件下进行实验;并对实验结果进行分析,研究系统在不同工况下,低温级、高温级分别采用非共沸混合工质对水源复叠式高温热泵系统性能的影响:COP随制热温度的升高呈下降趋势,制热量随制热温度升高的变化趋势与高温级循环工质潜热的降低比率与质量流量的增加比率有关,压缩机输入功率随制热温度升高的变化趋势与压缩机输气系数及工质密度的变化比率有关,压缩机排气压力随制热温度的升高呈上升趋势,合适配比的低温级、高温级混合工质可提高系统COP、降低压缩机排气压力、降低压缩机输入功率。通过对实验数据进行分析,从COP和制热量来分析高、低温级循环采用混合工质在不同设定工况运行时系统的循环性能,根据实验数据结合非线性温焓关系进行实验值相对额外熵增的分析计算,研究了非共沸混合工质组分的变化对换热器内工质温度分布的影响,并与理论计算结果进行对比,验证了基于最小熵增法的低温级、高温级混合工质优选方法的适用性,为非共沸混合工质的选择评价提供参考。
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