高温热泵与节能回收

螺杆压缩机及膨胀机在高温热泵

与能量回收系统中的应用

赵兆瑞 唐昊 沈九兵 邢子文

(西安交通大学能源动力与工程学院，西安 710049)

摘要随着节能减排、提高能效的需求增大，高温热泵与能量回收系统的研究及应用日益深入广泛。其中，高温热泵主要有两种类型,一种是使用R245fa等高温工质的高温热泵,另一种是采用水蒸汽介质的高温热泵;能量回收系统也有两种形式,即ORC余热回收以及采用水蒸汽膨胀的回收系统。螺杆压缩机及膨胀机作为此类系统的核心部件，对系统的性能有着重要的影响。本文介绍了螺杆压缩机及膨胀机在这类系统中的应用情况，并给出了一些研究进展和应用案例。

关键词：螺杆 压缩机 膨胀机 高温热泵 能量回收

Applications of Twin Screw Compressor and Expander in Heat Pumps

and Energy Recovery Systems

Zhao Zhaorui Tang Hao Shen Jiubing Xing Ziwen

(College of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University,Xi’an,710049) Abstract The demanding of energy saving becomes greater and greater nowadays , so that further investigations and applications are being conducted on high-temperature heat pumps and energy recovery system .The high-temperature heat pumps includes mainly two kinds of system : heat pumps using R245fa as working medium and those adopting water as working fluid .The energy recovery system also has two forms of application .That is ORC and water vapor expanding system .In such systems , twin screw compressors and expanders act as key parts so that influence the performance significantly .This paper introduces the application of twin screw compressors and expanders in these systems and provides research progress and application cases on them.

Keywords Twin Screw Compressor Expander Heat Pump Heat Recovery

基金项目：国家自然科学基金：双螺杆水蒸汽压缩机工作过程喷水降温特性研究（51276134）

作者简介：赵兆瑞（1990-），男，硕士研究生，西安交通大学压缩机研究所，主要从事双螺杆压缩机的研究工作

0 引言

近年来,能源成本越来越高,这不仅体现在燃料价格的大幅上升,更由于对CO2排放量越发严苛的要求,都使得节能以及能源回收利用的价值体现越发明显。作为用能大户的工业系统，如热电厂、冶金、印染、食品工业中，有大量的废热随废水、废气放出，其中蕴含80℃-300℃的大量热能被废弃掉，造成热损失，降低热效率。余热回收对节能减排，提高能效的前景极佳

在各种类型的余热回收方式中，螺杆压缩机及膨胀机起到了“心脏”的作用，并且由于其高效、稳定等特点被广泛研究。主要领域包括高温热泵、ORC系统余热发电及低温热能发电等，本文将做逐一分析。

1 高温螺杆热泵

在节能减排之中，工业余热的回收利用不仅可以产生能源回收利用的节能效果，又由于其弱化工业热污染以及减小对水资源的需求量而对环境保护起到明显的作用，显得尤为重要。

在许多工业领域内，往往存在有温度范围80℃—90℃的废热，而这些领域内需要的热源温度为110℃—130℃。因此，回收低品位热能转化为较高温度热能提供给工业系统可以很好解决这一问题，其中高温热泵的优势不言而喻。然而目前高温热泵所能达到的温度范围局限在80℃—90℃。因而，为有

效利用高温废热，通过热泵实现必要的温升，达到系统所需要的温度，研究新型的高温热泵，采用合适的工质是热泵余热回收系统有待研究的。

由于其高温工况、大流量、高热负荷等特点，与传统热泵不同，寻找最为合适的工质往往是工业余热回收热泵研究的先决条件，而之后则需要设计相应的压缩机以保证热泵循环的稳定高效运行。针对这一情况，工质的选择需要着重考虑如下几个问题：工作环境，安全性，运行效率，热力学特性以及化学特性。在传统热泵用合成制冷剂（R134a，R1234yf,R245fa等）中，目前较为成功的选择为R245fa，并已有应用到实际工业系统中的案例。在日本神户制钢开发出了蒸汽供应温度可达120℃、COP达3.2的

高效蒸汽供应系统——蒸汽强化热泵120（SGH120）和可提供最高温度为165℃蒸汽的热泵系统——蒸汽强化热泵165（SGH165）。

下图给出了R245fa工质高温螺杆热泵系统图。

图 1 R245fa工质高温螺杆热泵系统图

图示为一利用R245fa工质的高温热泵。通过吸收废水的热量，使其降温，热泵冷凝器制热量用于生产压力的饱和水蒸汽，饱和水蒸汽先在热回收换热器中吸收热量，具有一定的过热度后，再通过水蒸汽压缩机将其压缩升压至165℃、7bar的蒸汽状态。采用板式换热器进一步回收部分的废水热量，用于加热原水，使原水温度先升温，再进入热泵冷凝器。

该高温螺杆热泵系统可广泛应用于印染厂、造纸厂及食品加工等领域，解决高温废热水的回收利用问题。

2 螺杆水蒸汽压缩机

在高温热泵的工质选择中，传统合成制冷剂由于其较低的临界温度，往往无法满足在较高温度下冷凝的需求；同时，由于工业高温热泵往往需要较大规模，制冷剂大充灌量导致的环境问题也不容忽视。目前，越来越多的研究尝试使用自然工质替代传统工质来进行高温工业热泵的设计，其中水蒸汽被视为具有更为合适的热力学特质。

水是自然工质，ODP为0，GWP小于1，廉价，无毒，稳定等特质使其在新一代热泵及制冷系统工质替代研究中得到重视。由于其潜热大，系统的理论COP都较传统的合成工质系统的COP高，特别是在蒸发温度较高的场合，这也得益于水具有较高的临界温度（374.2℃）。然而，实际应用中，以水为介质的系统受限于其压缩机技术。因为水的比容较大，100℃以下系统负压，对应的压缩机压比及排气温度会较高，压缩机容积流量大。

近年来，各种形式的压缩机均被应用到水蒸汽压缩机的设计研发尝试中来，而国内外的大量研究表明：

（1） 风机可以保证足够的流量，然而压比较低（相对温升在5-7℃）；如采

用多级风机布置，可将温升提高至

10-12℃，但这仍然无法满足大部分

工业需求；

（2） 多级离心压缩机最大可将温升提高至40℃，但这建立在大型化机械的

基础上，需要巨大的成本投入；同

时，高转速高压比的离心水蒸汽压

缩机中轴承及密封可靠性较差；

（3） 单螺杆压缩机相对流量较小，温升

也可达到20℃左右，但表现出的绝

热效率较低；

因此，压缩机选型设计是一个巨大问题。一

个合适的高温热泵水蒸汽压缩机需要同时

满足如下特点：高压比（温升40℃），足够

的容积流量，以及较高的绝热效率。

综上所述，双螺杆压缩机是最适宜的

水蒸汽压缩机，利用压缩过程喷水冷却，能

有效降低排气温度，提高压缩机压比。喷入

的水能在增加压缩机容积流量的同时，使排

气温度饱和，这样可以有效利用水的潜热，

应用于热泵系统，能有效提高系统的性能。

此外，螺杆压缩机本身具有运行特性稳定，

操作方便等优点。

W

3

Q

1

,s

333

,,

m h s ,

m h

图3 闭式水蒸汽热泵循环

以水为介质的热泵系统可分为开启式

和闭式循环两种。开启式压缩机所压缩的水

蒸汽直接是工业废汽，压缩后的高温蒸汽在

冷凝器中作为热源使用，同时自身被冷凝后

排出，为工业领域常用的机械蒸汽再压缩（MVR）。由于许多工业场合的可利用余热

并非来源于水蒸汽，或因为蒸汽品质问题不

能直接用于压缩，所以热泵系统也会应用到

闭式循环。采用闭式循环的另一好处是工质

水的品质能得到保障，这样有利于压缩机性

能的稳定和换热器的可靠换热。

图3所示用喷水螺杆水蒸汽压缩机的闭

式水蒸汽高温热泵循环的简图。其工作过程

为：从蒸发器出来的蒸汽进入螺杆压缩机压

缩，压缩过程中进行喷水冷却；水蒸发出来