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摘要：部分工业节能场景需要的热量温度很高，超出常规热泵的产热范围。超高温热泵采用多种流程组合，突破单一模式热泵的温升范围，大幅度提高了产热温度，满足大部分工业余热利用场景的需求。 余热提温的热泵有两种常见形式：压缩式热泵和第二类吸收式热泵。第一类吸收式热泵利用高温热驱动，产生中温热，热量增加、温度降低，不在本文讨论之列。 压缩式热泵压缩制冷剂蒸汽，使内部产生高压和低压两个区域，实现蒸发吸热和冷凝放热过程。此外，直接压缩水蒸气实现提温提压，也可以认为是一种压缩式热泵。 第二类吸收式热泵（简称“二类热泵”）利用中温余热驱动，一部分热量降温排放，另外一部分热量升温，产生可用热。与压缩式热泵相比，二类热泵基本不消耗其他能源，但是高温热转化率在50%以下。 两种余热制高温的热泵有各自的适用范围。 压缩式热泵受制冷剂特性的限制。不同制冷剂有各自的适用范围，如氨气适用于低温冷冻，R134a等适用于舒适性空调，水蒸气则适用于高温工况。如果超范围使用，会出现容器超压、制冷剂变性等严重的问题。目前市场上常见的制冷剂，最高能够产生120℃的温度。 二类热泵受溴化锂溶液的物性限制。溴化锂溶液超过165℃后腐蚀性急剧增加，因此供热温度一般在此之下。此外，二类热泵提温的驱动力，本质上来源于余热和低温热之间的温差；低温热一般为冷却水，受室外湿球温度限制，其提温能力也受到限制。 工业余热回收领域，很多场景需要的热量温度较高，而余热温度偏低，这就需要余热回收热泵具备足够的大温升和高温特性。 大温升指的是余热和产热之间的温升足够大，高温指的是产热温度足够高。很多工业场景的要求超过了单一热泵的能力范围，因此，将上述几种制热原理相结合、根据外部参数定制的超高温热泵应运而生。 超高温热泵的组合方式多种多样，可根据外部参数和热泵流程的特点进行个性化搭配。这种组合并不是多台独立热泵通过管道串/并联在一起，而是将几种设备有机结合起来，合并冗余部件，优化内部流程，构成一体化热泵。 下面介绍几种组合方法： 1、复叠压缩式热泵：如果余热温度处于低温制冷剂的适用范围，而产热温度处于高温制冷剂的适用范围，可以将两种制冷剂循环复叠应用。因为使用了两种不同的制冷剂，不能混和，需要用换热器隔离。这个换热器既是低温循环的冷凝器，又是高温循环的蒸发器。
2、多级压缩式热泵：如果余热和产热温度处于一种制冷剂的使用范围，仅仅因为单台压缩机无法实现足够大的压缩比，可以使用多级压缩机串联结构。其系统流程与上图类似，因为采用单一制冷剂，无需隔离，蒸发冷凝器改为气液分离器即可。目前单一制冷剂的温升幅度不够大，严格来说这种设备并不属于本文讨论的范围，仅作一般说明。 （补充说明：出现上述情况，主要原因在于压缩机，特别是离心式压缩机，是按照制冷工况设计的，压缩比普遍不高，且重新设计难度较大，根据项目参数个性化设计困难。这也是压缩式热泵在供热领域应用的一个绊脚石。这方面的情况后续会进行一次单独论述。） 3、压缩式热泵+水蒸气压缩机：这也是一种复叠热泵。如果热泵高温介质为水蒸气，为了避免多次换热带来的损失，可以将复叠热泵的高温循环改为水蒸气压缩。水蒸气压缩部分可以多级压缩，产生压力足够大的蒸汽，适用性更广泛。
4、压缩式热泵+第二类吸收式热泵：二类热泵的中温余热与产热之间的温差受外部参数限制。为了突破极限，可以用压缩式热泵提高二类热泵的内部参数，实现更大的温升、更高的热效率。这种高温热泵仍以吸收式循环为基础，产热温度不超过165℃，但热效率可突破50%。该组合的形式多样，就不附图说明了。 5、第二类吸收式热泵+水蒸气压缩机：二类热泵的制冷工质是水蒸气，在合适的范围内，可以使用水蒸气压缩机提升机组性能。水蒸气压缩机可以在二类热泵的出口使用，突破165℃的温度限制；也可以用在内部水蒸汽的加压，提高二类热泵的产汽量和热效率，突破50%的热效率。 上述超高温热泵只是列举了两级组合的方式。实际应用中，还可以三级或多级组合。需要说明的是，级数越多，设备越贵、能耗越大。为了降低造价和运行费用，还应仔细分析工艺流程，找到合适的余热点和用热点，避免最低温取热、最高温供热的尴尬。 综合而言，在低碳能源的大环境下，余热制热/制蒸汽是工业热能供应的重要方式之一。合理搭配流程形成的个性化超高温热泵，拥有广阔的市场前景。 |
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