造紙行業(yè)是能源消耗最高的行業(yè)之一。高溫?zé)岜迷诩s130°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(huán)配置和制冷劑選擇。因此，我們對亞臨界和跨臨界熱泵循環(huán)中低總重量壓力制冷劑進行了篩選，評估了標(biāo)準(zhǔn)和增強型蒸氣注入循環(huán)配置。我們的結(jié)果顯示，大多數(shù)考慮的制冷劑在性能系數(shù)（COP）和體積加熱能力（VHC）方面均優(yōu)于常用的傳統(tǒng)制冷劑R245fa。

介紹

工業(yè)制造業(yè)仍與顯著的二氧化碳排放相關(guān)，鋼鐵、化工和造紙行業(yè)是能源密集度最高的行業(yè)[1]。在造紙行業(yè)中，許多工藝步驟需要高溫?zé)岜茫℉THPs）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(chǎn)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(xù)的紙網(wǎng)。

3. 印刷部分：紙張網(wǎng)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(fā)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(wǎng)會經(jīng)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(jù)產(chǎn)品需求和紙張類型，經(jīng)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?xì)忮仩t供給。高溫?zé)岜檬沁@些應(yīng)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(tǒng)整合進造紙制造工藝，可能在行業(yè)向氣候中和轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。

在此分析中，我們將HTHP的目標(biāo)熱匯溫度（T匯）設(shè)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(chǎn)生[5]。這一選擇進一步受到HTHP快速發(fā)展和現(xiàn)有市場準(zhǔn)備狀態(tài)的推動，HTHP被定義為提供100°C以上熱匯溫度的系統(tǒng)[6]， [7]：

• 商業(yè)可得性：已有多種商業(yè)產(chǎn)品在該領(lǐng)域運行?；鶞?zhǔn)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?xì)忮仩t供熱的干燥過程，這大約占100°C至200°C區(qū)間工業(yè)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(xiàn)場低溫廢熱或區(qū)域供熱（DH），溫度為70°C。更高的源溫導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)高效率是工業(yè)熱泵經(jīng)濟可行性的關(guān)鍵。雖然可實現(xiàn)，但需要復(fù)雜的循環(huán)設(shè)計和制冷劑選擇。

循環(huán)配置

標(biāo)準(zhǔn)的單級蒸汽壓縮循環(huán)主要用于低溫升程（約30 K[7]）。在高溫升升時，會出現(xiàn)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

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

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

盡管標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的最大溫度升程可達80 K[7]，但根據(jù)我們的應(yīng)用需求，在60 K升程下運行會使系統(tǒng)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(yīng)用中最有效且廣泛采用的概念之一是帶蒸汽注入的準(zhǔn)兩級循環(huán)[10]。該技術(shù)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(huán)流程圖，配備節(jié)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(biāo)準(zhǔn)循環(huán)與蒸汽注入循環(huán)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(jù)所選制冷媒實現(xiàn)高COP和VHC的核心挑戰(zhàn)。

制冷劑的選擇對效率和體積加熱能力至關(guān)重要

流體篩選針對預(yù)先從REFPROP數(shù)據(jù)庫中選定的制冷劑進行，以符合歐盟氟化溫室氣體法規(guī)[13]，該法規(guī)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(yè)應(yīng)用系統(tǒng)將由專業(yè)人員嚴(yán)格監(jiān)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(tǒng)，最低允許蒸發(fā)壓力設(shè)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(nèi)，而對于跨臨界過程，臨界溫度必須位于源溫和匯溫之間。

應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)超臨界作。圖2比較了它們在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)和蒸氣注入循環(huán)中的COP和VHC性能。

COP是衡量循環(huán)效率的指標(biāo)，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?zé)岜?，運行成本通常主導(dǎo)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(huán)的體積加熱能力（VHC）與性能系數(shù)（COP）的比較。

在兩個模擬中，出現(xiàn)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(yīng)用。

2. 第二個集群主要包含在COPs處處于亞臨界運行狀態(tài)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(huán)采用氣冷器而非冷凝器，設(shè)計控制架構(gòu)時面臨更大難度，因為壓力和溫度不再通過兩相區(qū)域內(nèi)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(yōu)于參考流體R245fa，這是一種高溫?zé)岜贸Ｓ玫腍FC，其總水溫壓力為858[18]。

第三個團簇中的大多數(shù)制冷劑含有雙鍵（SO2）或三鍵（丙烷）或碳環(huán)（RC270）。這些化合物能量含量高，但化學(xué)上可能不穩(wěn)定[18]。這在高溫下尤其令人擔(dān)憂。二氧化硫（SO2）是個例外，因為它在研究的運行條件下表現(xiàn)良好，同時保持亞臨界狀態(tài)。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(fù)雜的循環(huán)配置有望帶來效率提升[18]。圖3比較了蒸汽注入循環(huán)結(jié)果與基線標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)結(jié)果。

圖3：從簡單制冷循環(huán)切換到帶有節(jié)能器的蒸氣注入循環(huán)時，COP和VHC的相對改善。

R1233zd（E）實現(xiàn)了最大的VHC改進之一，F(xiàn)rate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(fā)現(xiàn)一致。

結(jié)果明確表明，蒸汽注入制冷劑循環(huán)在高效和能量密度方面更優(yōu)于高溫?zé)岜?。先進的循環(huán)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(zhì)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(zhuǎn)混合物實現(xiàn)溫度滑移匹配?；旌衔锝M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(zhǔn)確反映沸轉(zhuǎn)混合氣的流體相關(guān)效率，才能實現(xiàn)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(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)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(fā)的優(yōu)化算法可用于納入成本相關(guān)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(yōu)化甚至可以深入分子層面，以識別全新的制冷劑[22]。

結(jié)論

本研究通過高溫?zé)岜醚芯吭旒垙S干燥和計量過程的脫碳效果。我們篩查了REFPROP數(shù)據(jù)庫中符合現(xiàn)行歐盟法規(guī)的制冷劑。分析考慮了亞臨界和跨臨界過程，并使用節(jié)能器比較標(biāo)準(zhǔn)制冷劑循環(huán)與蒸氣注入循環(huán)的結(jié)果。主要發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，也能優(yōu)于傳統(tǒng)制冷劑如R245fa。

• 使用蒸汽注入循環(huán)可使可達的COP提升15%，VHC提升最多32%。

• 該工作可作為未來關(guān)于制冷劑與流板最優(yōu)組合的經(jīng)濟和生態(tài)優(yōu)化研究的基礎(chǔ)。

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