高溫熱泵的流體篩分

造紙行業是能源消耗最高的行業之一。高溫熱泵在約130°C的要求溫度下變得越來越可行，具備高效脫碳的潛力。然而，熱泵的效率高度依賴于循環配置和制冷劑選擇。因此，我們對亞臨界和跨臨界熱泵循環中低總重量壓力制冷劑進行了篩選，評估了標準和增強型蒸氣注入循環配置。我們的結果顯示，大多數考慮的制冷劑在性能系數（COP）和體積加熱能力（VHC）方面均優于常用的傳統制冷劑R245fa。

介紹

工業制造業仍與顯著的二氧化碳排放相關，鋼鐵、化工和造紙行業是能源密集度最高的行業[1]。在造紙行業中，許多工藝步驟需要高溫熱泵（HTHPs）可達的溫度，這為減少化石燃料依賴和排放提供了機會。

造紙生產過程包括五個主要階段[2]：

1. 稀釋段：稀釋后的果漿均勻分布在電線上，形成均勻的薄片。

2. 鋼絲段：水在纖維相互咬合時排出，形成連續的紙網。

3. 印刷部分：紙張網通過機械壓制去除水分并增加密度。

4. 烘干部分：加熱的圓筒蒸發紙張中剩余的水分。

5. 校正部分：在卷成大卷前，先將紙張表面打磨平滑。

干燥和打月階段是能量消耗最大的步驟[3]，約占造紙工藝總能耗的60%至70%。干燥過程中，紙網會經過50到100個蒸汽加熱的圓筒，具體取決于機器尺寸。該工藝的具體能耗約為每噸紙張1245千瓦時[4]。在隨后的日歷過程中，紙張會根據產品需求和紙張類型，經過加熱至80-400°C的卷筒。常用高溫或高壓蒸汽，溫度可達120°C，能量需求約為每噸紙220千瓦時[4]。

目前，這兩種工藝主要由燃氣鍋爐供給。高溫熱泵是這些應用中一個有前景的替代方案。它們可以在所需的溫度水平下供熱，同時顯著減少化石燃料的使用和碳排放。因此，將此類系統整合進造紙制造工藝，可能在行業向氣候中和轉型中發揮重要作用。

在此分析中，我們將HTHP的目標熱匯溫度（T匯）設定為130°C，旨在取代歐洲造紙廠普遍采用的5巴以下壓力下基于化石燃料的蒸汽產生[5]。這一選擇進一步受到HTHP快速發展和現有市場準備狀態的推動，HTHP被定義為提供100°C以上熱匯溫度的系統[6]， [7]：

• 商業可得性：已有多種商業產品在該領域運行。基準測試顯示，配備螺旋壓縮機的特定HTHP機組能夠提供高達130°C的溫度[6]。

• 脫碳潛力：通過提供130°C的熱量，HTHP可以直接替代燃氣鍋爐供熱的干燥過程，這大約占100°C至200°C區間工業過程總熱需求的27%[7]。

為了在該溫度下高效運行HTHPs，需要足夠高品位的熱源。

我們建議在我們的 情景 中利用現場低溫廢熱或區域供熱（DH），溫度為70°C。更高的源溫導致溫度提升降低，從而提高COP。在我們的情況下，所需的溫度升程相對適中，約為60 K。這完全符合現代HTHP的高效率作窗口，其升降時的COP通常在95K至40K之間為2.4至5.8[6]。然而，實現高效率是工業熱泵經濟可行性的關鍵。雖然可實現，但需要復雜的循環設計和制冷劑選擇。

循環配置

標準的單級蒸汽壓縮循環主要用于低溫升程（約30 K[7]）。在高溫升升時，會出現關鍵挑戰：

1. 效率下降：隨著溫度升高，COP顯著下降[8]。然而，多級循環可以提升整體效率[9]、[10]。

2. 高放電溫度：這導致潤滑溫度較高[8]。高溫威脅制冷劑-潤滑劑混合物的熱穩定性[10]。這可能導致潤滑劑劣化、潤滑流失以及壓縮機內部材料問題[8]，限制其工作范圍和耐用性[11]。

盡管標準循環的最大溫度升程可達80 K[7]，但根據我們的應用需求，在60 K升程下運行會使系統承受較大壓力。對簡單熱泵流表的改進有助于克服性能和可靠性的限制[10]。這些改進旨在減少壓縮功，緩解高放電溫度問題，從而延長工作極限[12]。

高溫升力應用中最有效且廣泛采用的概念之一是帶蒸汽注入的準兩級循環[10]。該技術通過以中壓注入制冷劑蒸汽來中冷部分壓縮的蒸汽，從而從根本上改變了壓縮過程（見圖1）[11]。

圖1：蒸汽注入循環流程圖，配備節能器以控制注入蒸汽的溫度和壓力。

因此，我們將作為基線的簡單單級標準循環與蒸汽注入循環的性能進行比較。該比較使我們能夠定量展示流表修改如何解決根據所選制冷媒實現高COP和VHC的核心挑戰。

制冷劑的選擇對效率和體積加熱能力至關重要

流體篩選針對預先從REFPROP數據庫中選定的制冷劑進行，以符合歐盟氟化溫室氣體法規[13]，該法規要求流體的臭氧消耗潛能（ODP）為0，全球變暖潛勢（GWP）低于150[14]。在制冷劑選擇過程中，易燃性和毒性不受限制，我們考慮的工業應用系統將由專業人員嚴格監控和作。

實施了兩種篩選工藝：一種用于亞臨界過程，另一種用于跨臨界過程。為避免空氣泄漏進入系統，最低允許蒸發壓力設定為1.1巴。對于亞臨界過程，冷凝壓力限制在臨界壓力的90%內，而對于跨臨界過程，臨界溫度必須位于源溫和匯溫之間。

應用這些標準后，剩余20種適合的制冷劑。其中，13種制冷劑允許亞臨界過程，7種制冷劑則實現超臨界作。圖2比較了它們在標準循環和蒸氣注入循環中的COP和VHC性能。

COP是衡量循環效率的指標，因此也反映了電力使用和運營成本。而VHC則量化單位體積的有用熱量輸出。因此，更高的VHC意味著更小的組件和更低的投資成本[15]。對于高溫熱泵，運行成本通常主導熱量平整成本[16]，表明COP在最佳制冷劑選擇中更為重要。

圖2：簡單（左）和蒸汽注入（右）循環的體積加熱能力（VHC）與性能系數（COP）的比較。

在兩個模擬中，出現了三個制冷劑簇：

1. 左下角有一個集群，COPs接近1.5，VHC低于1MJ/m3，但由于效率低，不適合我們的應用。

2. 第二個集群主要包含在COPs處處于亞臨界運行狀態的制冷劑，3.5至5，VHC為2.4 MJ/m，3至5.5 MJ/m。值得注意的是，含有四碳原子的天然制冷劑，如丁烷、丁烯和丁烯，在效率和體積加熱能力方面與高碳制冷劑如R1234ze（Z）相似。

3. 第三個群組，COPs超過5。這些制冷劑在研究條件下需要跨臨界作。超臨界循環采用氣冷器而非冷凝器，設計控制架構時面臨更大難度，因為壓力和溫度不再通過兩相區域內的相變耦合，必須獨立控制。

第二和第三組的幾乎所有研究制冷劑都優于參考流體R245fa，這是一種高溫熱泵常用的HFC，其總水溫壓力為858[18]。

第三個團簇中的大多數制冷劑含有雙鍵（SO2）或三鍵（丙烷）或碳環（RC270）。這些化合物能量含量高，但化學上可能不穩定[18]。這在高溫下尤其令人擔憂。二氧化硫（SO2）是個例外，因為它在研究的運行條件下表現良好，同時保持亞臨界狀態。然而，它對銅具有腐蝕性，因此需要更昂貴的不銹鋼管道。

高級流程表進一步提升

更復雜的循環配置有望帶來效率提升[18]。圖3比較了蒸汽注入循環結果與基線標準循環結果。

圖3：從簡單制冷循環切換到帶有節能器的蒸氣注入循環時，COP和VHC的相對改善。

R1233zd（E）實現了最大的VHC改進之一，Frate等人[15]也將該制冷劑視為有前景的制冷劑，他們在類似我們的作條件下篩選了考慮COP和VHC的制冷劑。R600的COP改善幅度最大，這與H?ges等人[14]的發現一致。

結果明確表明，蒸汽注入制冷劑循環在高效和能量密度方面更優于高溫熱泵。先進的循環配置使COP性能提升超過10%，VHC提升超過25%。VHC的顯著提升得益于壓縮過程中注入高密度流體，限制了壓縮機的最大溫度并提高了質量通量。

局限性

本研究聚焦于純流體。另一種方法是使用沸轉混合物實現溫度滑移匹配。混合物組成的選擇使非等溫相變的斜率與次級流體相差相匹配。這最大限度地減少了熱交換器的溫差，從而減少了抗能損失。然而，正如Roskosch等人[19]指出的，所用壓縮機模型必須準確反映沸轉混合氣的流體相關效率，才能實現理論上的COP改進。Widmaier等人[20]利用Roskosch壓縮機模型探索利用制冷劑混合物提升HTHP領域標準化的可能性。

本研究中提出的方法論未來工作可能會以類似方式進行擴展。類似于Mersch等人[21]開發的優化算法可用于納入成本相關性，而非僅基于COP和VHC進行篩選。利用如PC-SAFT等群貢獻理論，優化甚至可以深入分子層面，以識別全新的制冷劑[22]。

結論

本研究通過高溫熱泵研究造紙廠干燥和計量過程的脫碳效果。我們篩查了REFPROP數據庫中符合現行歐盟法規的制冷劑。分析考慮了亞臨界和跨臨界過程，并使用節能器比較標準制冷劑循環與蒸氣注入循環的結果。主要發現如下：

• 制冷劑的選擇對效率和能量密度都有重大影響，從而影響運營和投資成本。

• 低總干量和合成制冷劑即使采用標準循環，也能優于傳統制冷劑如R245fa。

• 使用蒸汽注入循環可使可達的COP提升15%，VHC提升最多32%。

• 該工作可作為未來關于制冷劑與流板最優組合的經濟和生態優化研究的基礎。

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