开运网站登录入口 推荐文章丨工业高温热泵发展现状与展望

话题

工业高温热泵的发展现状及前景

作者

胡斌1,2蒋家同1,2吴迪1,2蔡宏1王如珠1

单元

1 上海交通大学制冷与低温工程研究所

2 上海诺通新能源科技有限公司

概括

目前，我国能源结构仍以煤炭为主，难以替代。非化石能源发展面临多重制约。行业高能耗、高排放、低能效并存。绿色低碳技术亟待加强。工业过程加热占能源消耗的50%kaiyun下载app下载安装手机版，因此工业过程加热低碳化是实现碳中和的重要组成部分。为了达到工业过程加热所需的容积和温度，高温/蒸汽热泵需要深入研究和广泛推广。本文基于国内外工业热泵技术的现状，对工业热泵常用的系统循环型式、制冷剂压缩技术、水蒸气压缩技术进行了分析。结合第四代低温室效应制冷剂的发展现状，给出了一种环保型工业热泵。合适的制冷剂；提出了工业热泵技术的发展前景，最后基于双碳目标的实现和工业锅炉替代市场的分析，对工业热泵应用场景进行了拓展分析。

关键词 工业热泵；高温热泵；蒸汽热泵；低 GWP 制冷剂

图解指南

工业热泵作为一种主动热回收装置，可以利用外部能源，将工业过程中的废热温度提高到较高温度，以用于同一工艺或其他工艺的热需要。工业热泵的价值在于利用低碳电力减少供暖碳排放，具有提供大规模、灵活热能的潜力，降低用户平衡电力系统和消耗热能的成本结尾。因此，工业热泵可用于热电脱碳。

本文将回顾国内外工业热泵的发展现状Kaiyu体育官网app注册入口，分析高温/蒸汽热泵及其在工业领域的应用潜力，估算节能和碳减排潜力，为工业热泵的进一步发展提供依据。高温/蒸汽热泵技术及其工业应用。为该领域的应用开发提供指导。

01 工业热泵技术现状

·系统循环

蒸汽压缩热泵系统基于逆卡诺循环，并通过理想等熵压缩和等熵膨胀进行修改。最常见的循环是单级压缩循环，包括原来的单级、采用空气增焓或喷射器提高循环性能的单级循环以及配备省煤器和中间换热器的单级循环。多级系统使用多次压缩来实现更高的输出温度，但代价是机械能消耗。级联热泵系统耦合两种或多种工作流体的循环，以实现更大的温升。混合热泵系统将蒸汽压缩热泵与其他热系统（例如吸收式热泵、吸附式热泵、太阳能热泵或化学热泵）集成在一起。

·热水（热风）制备循环

加热、干燥、洗涤、消毒等过程需要大量的热水，通常由工业锅炉供给。锅炉以煤、石油或天然气为燃料，生产过程中产生的废热由冷却塔冷却。热泵技术用于生产热水（热空气）。根据温升的不同，可采用单级压缩、两级压缩、复叠压缩等循环方式。当热源温度较低时，可采用跨临界CO2循环。循环流程如图1至图3所示。

·蒸汽准备循环

微压蒸汽热泵机组应用于低品位回收领域。可回收废热水、废蒸汽、废气等余热，产生微压蒸汽。微压蒸汽的制备依靠温升的差异，采用单级压缩、两级压缩、复叠压缩等与闪蒸罐相结合的循环方式。循环流程如图4至图6所示。

在120~175℃的温度范围内，低压蒸汽热泵机组进一步扩大了高温热泵的使用范围，可以扩展到过去不接触的领域（如消毒灭菌等）。医药食品、化工行业的分离、造纸行业的干燥）。低压蒸汽的制备依靠温升的差异，采用单级压缩、两级压缩、复叠压缩等与闪蒸罐相结合的循环方式。循环流程如图7至图9所示。

· 制冷压缩机技术

热泵机组是制冷剂、结构和部件的集成体，对热泵的性能具有决定性的影响。压缩机是热泵机组的核心部件。本节总结了目前适用于工业热泵的主要压缩机类型。

·往复式压缩机

·涡旋压缩机

·双螺杆压缩机

·单螺杆压缩机

·透平压缩机

（具体分析见原文）

·水蒸气压缩机技术

由于水蒸气的特殊物理性质，机械压缩机应满足以下技术要求： 1）由于水蒸气比容高，体积流量大； 2）特殊材料，避免腐蚀和侵蚀； 3）严格的轴封要求，保证压缩蒸汽的纯度； 4）压力比高，使压缩蒸汽的饱和温升高，足以替代锅炉蒸汽； 5）压力高时，排出蒸汽温度低或压缩蒸汽过热度低； 6）效率高，成本合理。

与开式循环中的机械蒸汽压缩技术不同，高温热泵中使用的水蒸汽压缩机在系统中运行在更高的温度和更大的压力比下。适用于温升较低的罗茨水蒸气压缩机和单级压缩机。透平蒸汽压缩机已经不能胜任，带有注水功能的多级透平压缩机和双螺杆压缩机开始进入人们的视野。

·多级涡轮压缩机

·双螺杆压缩机

（详细分析见原文）

02 低GWP制冷剂技术

制冷剂的选择在蒸汽压缩热泵中起着关键作用。制冷剂的物理特性决定了蒸汽压缩热泵的性能。目前制冷剂选择原则优先考虑制冷剂的全球变暖潜值和臭氧层破坏潜值，以保护环境。优选 ODP 为 0 且 GWP 小于 150 的制冷剂。基于上述要求，天然制冷剂、碳氢化合物（HC）、氢氟烯烃（HFO）和氢氯氟烃（HCFO）等低全球升温潜能值（GWP）最近在蒸汽压缩热泵中得到了广泛的应用和研究。

·重油

适用于高温热泵的HFO工质有R1336mmz(Z)、R1336mmz(E)、R1234ze(Z)、R1234ze(E)。在HFO制冷剂中，R1336mmz(Z)可以在相对较低的压力（2 900 kPa）下提供171.3 ℃的较高临界温度。该制冷剂不易燃（安全等级A1），ODP为0，GWP为2，大气寿命为22天。 R1336mmz(Z) 在 250°C 以下稳定，适合余热回收、ORC 和蒸汽发生等应用。 （其他制冷剂分析参见原文）

·HCFO

适用于高温热泵的HCFO工质包括R1233zd(E)和R1224yd(Z)。在可用的 HCFO 中，R1233zd(E) 被认为是适合高温热泵的制冷剂。其ODP为0.0034，GWP为1，临界温度为166.5℃，临界压力为3620kPa，安全类别为A1。已被证明在高温热泵中使用时具有优异的性能。 （其他制冷剂分析参见原文）

·天然工质

适用于高温热泵的天然制冷剂有水（R718）、二氧化碳（R744）、氨（R717）、碳氢化合物（HCs）等。

·水

·二氧化碳

·氨

·碳氢化合物

（具体分析见原文）

03 工业热泵技术发展前景

·大容量半封闭高温制冷压缩机

电机与压缩机采用封闭式结构连接为一体，安装在同一机体内，共用一根主轴。因此，可以取消开式压缩机中的轴封装置，避免由此产生的泄漏。半封闭式压缩机在制冷循环和传统热泵循环中的应用已经成熟，但其在高温热泵中的使用仍然面临一些限制。

·高温蒸汽压缩机

在现有的低GWP制冷剂中，R1336mzz(Z)的临界温度为164.1℃，且不易燃、无毒，将高温热泵的加热温度推至155℃。当高温热泵供热温度的目标值为175℃或更高时，使用水作为制冷剂是目前的最佳选择，因此需要开发适应这一要求的高温蒸汽压缩机。综合考虑压缩机的工作原理、结构特点和运行特性，双螺杆蒸汽压缩机和离心式蒸汽压缩机成为高温蒸汽压缩机的两种选择。

·跨临界CO2高温热泵

20世纪90年代，跨临界二氧化碳热泵首先在日本实现商业化。通过使用工作压力超过10MPa的高压往复式压缩机，CO2热泵成功用于生活热水制备，并进一步扩展到工业领域的热空气制备。热水和热风的温度可达120℃。德国将过程离心机技术引入跨临界二氧化碳压缩，从而实现了大规模的冷、热、电三重储能解决方案。

·具有储能功能的高温热泵

热泵与热能存储的结合可以在一定程度上实现大型热泵机组的连续运行，避免热泵压缩机频繁启停时容易出现的可靠性问题。储能功能甚至可以替代热泵机组的调频，让热泵压缩机工频运行，这对于拓展高可靠离心式热泵压缩机在高低温领域的应用极为有利。温度热泵。

04 工业热泵应用场景拓展分析

·空气源与可再生能源耦合的集中供热系统

工业现场加热温度较高（一般大于80℃）。分布式空气源热泵用于为工业设备提供热量，如图10所示。目前，仍存在以下局限性： 1）空气源热泵的热源侧为环境空气。供暖与热源温差较大，且随季节和昼夜温差波动较大，这使得空气源热泵的COP相对较低，环境温度的波动必然导致运行工况波动，降低热泵机组的可靠性； 2）空气源热泵高温热泵采用工业电力驱动。由于工业电价较高，高温热泵机组的运行成本明显高于天然气锅炉； 3）工业领域余热资源较为丰富。在利用余热资源的前提下，利用环境空气作为热源并不是一种选择。经济的选择。

·基于工业循环水余热回收的集中供热系统

在大型应用场景（如企业或工业园区），大多数工业设备的余热是通过循环冷却水带走的。冷却水通过大型冷却塔收集和冷却，然后返回工业设备进行循环利用。循环水温度随季节变化在25～45℃之间，且在一定时间跨度内波动较小。循环水经过大型冷却塔后释放的热量非常大。如果利用循环水的热量进行制备，80℃以上的高温热水形成集中供热系统，为企业或园区内的设备提供热量，如图11所示，可显着减少化石燃料的消耗燃料。

·高温热泵与DAC耦合的分布式碳捕集装置

采用高温热泵将工业余热产生100~120℃蒸汽kaiyun登录入口(中国)官方网站，用于DAC设备中吸附剂的再生和净化，如图12所示。开发新型高温工业热泵与基于吸附的DAC系统耦合技术，可降低DAC技术的总能耗，直接从空气中捕获CO2的运行成本将显着降低。

05 总结

面对2030年碳达峰的阶段性目标，工业能源消费转型迫在眉睫。工业热泵技术是高耗能工业锅炉理想的替代技术。本文分析了当前典型工业热泵、高温/蒸汽热泵、关键制冷压缩的系统循环形式。对机械技术和水蒸气压缩技术进行了总结，得出以下结论：

1）基加利修正案生效后，第四代低GWP制冷剂的开发得到重点关注，工业热泵也需要进一步开发使用低GWP制冷剂作为工质的系统。

2）基于目前工业热泵的技术现状，结合工业锅炉的替代应用场景，本文提出工业热泵技术在大容量半封闭高温制冷压缩机、高温蒸汽等方面的应用压缩机、CO2高温热泵、具有储能功能的高温热泵。未来还会有进一步的发展。

3）结合未来工业热泵技术进一步拓展的方向，分析拓展的应用场景，工业热泵将进一步拓展到民用集中供热结合可再生能源、工业集中供热结合余热回收等领域以及碳捕获余热回收过程。中间。

（扫描二维码获取全文）