流体机械

类型	参考文献	闭式热泵制冷剂	闭式热泵压缩机	热源温度/℃	输出温度/℃
类型A	[7]	R245fa	螺杆	60	110
[8]	R1233zd(E)	螺杆	30~70	70~130
[9]	R141b	螺杆	45~70	100
[10]	R245fa	—	50	100~120
[11]	R245fa	—	60	109.2~125.2
[12-13]	—	—	80~85	184
[14]	R245fa	活塞	60~70	115~125
[15-16]	R245fa	—	65~80	130~136
[17-18]	R245fa	螺杆	25~65	100~120
[19]	R245fa	螺杆	65	115~135
[20]	R1234ze(E)/R1233zd(Z)	—	30~80	100~120
[21]	R404a/R245fa	螺杆	5~35	120
[22]	R1234ze(E)/R1336mzz(Z)	—	25~40	100~160
[23]	—	活塞	50~85	—
[24]	R600a	涡旋	—	110
类型B	[25]	R245fa	单螺杆	60~100	170
[26]	R245fa	螺杆	75~95	165
[27]	R717	—	20~90	150
[28]	R1336mzz(Z)	—	35~60	120~140
[29]	R1233zd(E)	涡轮	30	120
[30]	—	活塞	—	184
[31]	R744	—	—	280
类型C	[32]	—	螺杆	5~35	120
[33]	R134a/R245fa	螺杆	10~90	175

类型	参考文献	闭式热泵制冷剂	闭式热泵压缩机	热源温度/℃	输出温度/℃
类型A	[7]	R245fa	螺杆	60	110
[8]	R1233zd(E)	螺杆	30~70	70~130
[9]	R141b	螺杆	45~70	100
[10]	R245fa	—	50	100~120
[11]	R245fa	—	60	109.2~125.2
[12-13]	—	—	80~85	184
[14]	R245fa	活塞	60~70	115~125
[15-16]	R245fa	—	65~80	130~136
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类型B	[25]	R245fa	单螺杆	60~100	170
[26]	R245fa	螺杆	75~95	165
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[29]	R1233zd(E)	涡轮	30	120
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[31]	R744	—	—	280
类型C	[32]	—	螺杆	5~35	120
[33]	R134a/R245fa	螺杆	10~90	175

制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
R245fa	30~50	70~120	—	[47]
NBY-1	50~70	80~130	14.0~17.5	[48]
OKO1	50~60	100~130	250~400	[49]
ECO3	40~60	80~130	50~200	[50]
R1336mzz(Z)	80~118	100~160	9.2~12.3	[51]
BY3B/BY6	52~58	100~170	22.45	[41]
R1234ze(E)/P-1	5~30	90~120	11~14	[52]

制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
R245fa	30~50	70~120	—	[47]
NBY-1	50~70	80~130	14.0~17.5	[48]
OKO1	50~60	100~130	250~400	[49]
ECO3	40~60	80~130	50~200	[50]
R1336mzz(Z)	80~118	100~160	9.2~12.3	[51]
BY3B/BY6	52~58	100~170	22.45	[41]
R1234ze(E)/P-1	5~30	90~120	11~14	[52]

制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
R1336mzz(Z)	30~90	75~150	12	［58-59］
50~109	70~156	12	［60］
R245fa	45~55	100	—	［61］
R600	60	80~120	200	［62］
R600	50~80	90~110	50	［63］
R600	60~80	100~120	—	［64］
R1336mzz(Z)	30~80	70~150	5~10	［65，67-69］
R1233zd(E)	30~80	70~150	5~10	［66］
R1233zd(Z)	80~85	130~133	39.53	［70］
LG6	40~95	70~140	10	［71］
R290/R600	30	97~115	20	［72］

制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
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制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
R404a/R245fa	5~35	120	—	［21］
R245fa	25~65	—	380	［17-18］
R718	—	100~160	40~180	［80］
R718	75~85	111~150	143~285	［81］
R245fa/R1234ze	50~90	100~170	—	［82］
R1233zd(E)	30~70	70~130	—	［8］
R245fa	50~70	80~120	320~510	［34］

制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
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R245fa	50~70	80~120	320~510	［34］

类型	热源温度/℃	输出温度/℃	COP	制热量/kW
涡旋压缩机	30~118	70~170	1.72~5.18	14~400
活塞压缩机	30~109	70~170	1.9~5.8	10~200
螺杆压缩机	5~90	70~170	1.2~7.9	40~1 110

类型	热源温度/℃	输出温度/℃	COP	制热量/kW
涡旋压缩机	30~118	70~170	1.72~5.18	14~400
活塞压缩机	30~109	70~170	1.9~5.8	10~200
螺杆压缩机	5~90	70~170	1.2~7.9	40~1 110

类型	流量/（m³·min^-1）	压比	总效率/%
离心压缩机	100~10 000	1.1~4	58.9~85.0
罗茨压缩机	0.7~27.0	1.2~2.4	30~67
螺杆压缩机	0.34~600.00	1.2~9.0	21.0~83.7

类型	流量/（m³·min^-1）	压比	总效率/%
离心压缩机	100~10 000	1.1~4	58.9~85.0
罗茨压缩机	0.7~27.0	1.2~2.4	30~67
螺杆压缩机	0.34~600.00	1.2~9.0	21.0~83.7

热泵蒸汽机的研究现状及发展趋势

吴玉庭 ¹^,² , 马旭东 ¹^,² , 杜彦君 ¹^,² , 雷标 ¹^,² , 鹿院卫 ¹^,² , 张灿灿 ¹^,²

流体机械 | 技术进展 2025,53(5): 80-91

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流体机械 |技术进展 2025 , 53 (5) : 80 -91

热泵蒸汽机的研究现状及发展趋势

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吴玉庭¹^,², 马旭东¹^,², 杜彦君¹^,², 雷标¹^,², 鹿院卫¹^,², 张灿灿¹^,²

作者信息

¹北京工业大学传热与能源应用北京市重点实验室，北京 100124

²北京工业大学国家能源用户侧储能创新研发中心，北京 100124

通讯作者:

杜彦君（1994），女，博士，主要从事新型储能、热泵系统及制冷压缩机等方面研究，通信地址：100124北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学传热与能源应用北京市重点实验室，E-mail：duyanjun@bjut.edu.cn。

作者简介:

吴玉庭（1970），男，博士，研究员，主要从事高温传热蓄热、压缩机/膨胀机、热泵制冷与有机朗肯循环、可再生能源利用等方面研究，E-mail：wuyuting@bjut.edu.cn。

Research status and development trends of steam generation heat pumps

Yuting WU¹^,², Xudong MA¹^,², Yanjun DU¹^,², Biao LEI¹^,², Yuanwei LU¹^,², Cancan ZHANG¹^,²

Affiliations

¹Beijing Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China

²National User-Side Energy Storage Innovation Research and Development Center，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China

出版时间: 2025-05-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.011

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摘要

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工业脱碳是中国实现“双碳”目标面临的主要挑战，目前，关于工业脱碳的研究集中在供给侧，少有针对需求侧的研究，而需求侧生产工业蒸汽的能耗占总工业能耗近30%，是工业脱碳的有效着力点。热泵蒸汽机针对工业蒸汽需求，凭借其显著的能质提升能力，为工业脱碳提供了一种极具前景的替代方案。本文综述了国内外热泵蒸汽机的研究现状，分别从提高系统效率和提高输出温度两个方面提出了热泵蒸汽机未来的研究方向。结果表明，在制冷剂方面，使用人工智能和神经网络等方法预测高温混合制冷剂的性质将是工质的主要研究方向；在冷媒压缩机方面，对涡旋压缩机提出新的组合剖面、新的密封结构及设计新的轴向力平衡方法，对活塞压缩机使用梯形活塞和阶梯式混合排量活塞等创新密封方法，对螺杆压缩机的几何参数、运行条件、系统结构和驱动配置实施优化策略将是冷媒压缩机的主要研究方向；在水蒸气压缩机方面，对离心压缩机降低排气温度和开发廉价高性能叶片，对螺杆压缩机进行精确喷水控制和系统可靠性设计将是水蒸气压缩机的主要研究方向。

关键词

热泵蒸汽机 / 高温热泵 / 混合制冷剂 / 高温压缩机 / 水蒸气压缩机

Abstract

收起

Industrial decarbonization is a critical challenge for China as it strives to achieve the "carbon peak and carbon neutrality" goal.While current research efforts on industrial decarbonization primarily concentrate on the supply side，there is a notable scarcity of investigations on the demand side，despite it constituting nearly 30% of the total industrial energy consumption，specifically for producing industrial steam.This significant proportion underscores the importance of directing attention towards the demand side as a key aspect of industrial decarbonization endeavors.Steam generation heat pumps emerge as a promising alternative for achieving decarbonization in the industrial sector due to their ability to substantially enhance energy quality in meeting the demands for industrial steam.This study provides an overview of the existing research landscape on steam generation heat pumps both domestically and abroad.Furthermore，it puts forth recommendations for future research directions relating to improving system efficiency and raising output temperatures.The results show that the prediction of the properties of high‑temperature mixed refrigerants using artificial intelligence and neural networks will be a pivotal focus area.Additionally，enhancements to refrigerant compressors through innovations such as new profile combinations，sealing structures，as well as advancements in axial force balance mechanisms for scroll compressors and innovative sealing methods for piston compressors are suggested.Moreover，optimizing screw compressor geometrical parameters，operational conditions，system structures，and drive configurations will form the primary research trajectory for refrigerant compressors.In the realm of water vapor compressors，the proposed research endeavors entail reducing exhaust temperatures in centrifugal compressors，developing cost‑effective high‑performance blades，implementing precise water spray controls for screw compressors，and enhancing system reliability through design improvements.

Key words

steam generation heat pumps / high temperature heat pumps / mixed refrigerants / high temperature compressors / water vapor compressors

引用本文

吴玉庭, 马旭东, 杜彦君, 雷标, 鹿院卫, 张灿灿. 热泵蒸汽机的研究现状及发展趋势. 流体机械, 2025 , 53 (5) : 80 -91 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.011

Yuting WU, Xudong MA, Yanjun DU, Biao LEI, Yuanwei LU, Cancan ZHANG. Research status and development trends of steam generation heat pumps[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (5) : 80 -91 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.011

正文

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0　引言

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国际能源机构（IEA）报告称，中国2019年的一次能源消费和CO₂排放量均占全球总量的20%以上，已成为全球最大的能源消费国和碳排放国^［1］，其中，用于生产高温蒸汽的工业部门贡献最大^［2］。图1示出不同工业部门的蒸汽温度需求范围，可以看出，各工业部门对温度在100~160 ℃的蒸汽需求较大。目前，工业脱碳研究大多数集中在电网去碳化、零碳燃料等供给侧，基于需求侧脱碳的公开报道较少^［3］。热泵蒸汽机可以通过少量电力驱动，将低品位能源转化为高温蒸汽，从而助力工业需求侧脱碳^［2，4］。因此，近年来关于热泵蒸汽机的研究逐渐受到关注。然而，热泵蒸汽机的研究现状仅限于一些针对具体技术的分散性研究，且关于热泵蒸汽机的综述多为对其组成部分的概述，缺乏系统性的综述。因此，本文将分别从提高系统效率和提高输出温度两个方面针对热泵蒸汽机进行总结分类，概述最新的研究现状，并展望未来的发展趋势。

1　热泵蒸汽机概述

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1.1　蒸汽产生路径

蒸汽产生的本质是一个从液态到气态、低温低压到高温高压状态的能量升级过程^［5］，此过程实现路径有多种，但从初始常温水能量升级到蒸汽的所有路径需要的焓增量都相同。目前，热泵蒸汽机的常用路径如图2所示，路径A：液态水（常温常压）→液态水（加温加压）→饱和水（加温加压）→饱和蒸汽（加温加压）→过热蒸汽；路径B：液态水（常温常压）→液态水（加温常压）→饱和水（加温常压）→饱和蒸汽（加温常压）→过热蒸汽（加温加压）。在工业生产中，两种路径分别通过闪蒸罐和开式热泵实现。

1.2　热泵蒸汽机分类

根据上述蒸汽产生路径，热泵蒸汽机可以分为三类，如图3所示。3种类型的底部循环都是闭式热泵，其中类型A和类型B产生蒸汽的方式分别与上述蒸汽产生路径A和B相对应。类型C则是类型A的扩展，额外增加了一个开式热泵，以实现供应高温高压蒸汽的需求^［6］。

根据上述热泵分类，表1汇总了热泵蒸汽机的最新研究。表1中不同类型热泵蒸汽机的温度范围对比如图4所示。从图可以看出，类型B拥有最高的输出温度。尽管3种类型热泵蒸汽机的输出温度范围不同，但是其可利用热源温度范围差别很小。因此，针对3种类型的热泵蒸汽机，关键研究都可以归类为闭式热泵和开式热泵的研究。

2　关键要素研究现状

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关于闭式热泵的相关研究，主要围绕提高系统性能展开。大量研究人员对热泵蒸汽机闭式热泵的循环结构进行了改进，主要包括：增加过冷器^［19］、再热循环^［8，26］、双闪蒸罐^［10］、中间换热器^{［14，34］}、喷射器^［24］等，但上述措施对于系统性能的提升有限。热泵蒸汽机闭式热泵与常规热泵的区别在于输出温度的不同，因此，决定输出最高温度的制冷剂和系统动力来源的压缩机是关键要素。对于开式热泵，由于工质均为水，所以水蒸气压缩机是其关键研究要素。

2.1　高温制冷剂

图5示出制冷剂的发展历程^［35］，选择制冷剂首要考虑其安全性、实用性、材料兼容性等。对于高温制冷剂的选择，应综合考虑以下原则^［36］：（1）低全球变暖指数（GWP）；（2）零/低臭氧损耗指数（ODP）；（3）优良的热力学特性；（4）无毒、不易燃；（5）成本低；（6）临界温度高。高温制冷剂可分为纯制冷剂和混合制冷剂，目前，常用的制冷剂为天然制冷剂和HFOs制冷剂。但是欧洲化学品管理局最新的PFAS法规提案禁止使用大多数HFOs制冷剂^［37］。此外，符合高温闭式热泵的天然制冷剂R717的安全系数较低，导致其不易推广应用于高温高压环境，另一种天然制冷剂R718的高绝热指数、高蒸汽比热容和低分子量，导致使用R718的系统输出温度和压比升高^［38］。因此，迫切需要开发性能更优的高温制冷剂。

由于上述纯制冷剂均存在一定的缺点，混合制冷剂备受关注^［39］。MA等^［40］开发了BY系列混合高温制冷剂，该系列制冷剂虽然具有优良的热力学特性，但对环境影响也较大。例如，BY6制冷剂的临界温度为203.6 ℃，但其GWP值为670，ODP值为0.08^［41］。高温混合制冷剂仍有待开发，且目前的研究重点是计算和预测混合制冷剂的性能。传统的热力学方法依赖于既定的物理定律和数学模型，其适用性受限于模型的准确性和基本假设，而神经网络和机器学习不仅可以有效识别和理解数据中的复杂模式和关系，且能够准确预测新型混合制冷剂的性能，具有更高的灵活性^［35］。神经网络要实现高精度且高效处理非线性关系和复杂数据结构，必须依赖充足的训练数据和密集的优化过程，尤其是对于复杂的神经网络架构和大量的数据集。神经网络在混合制冷剂预测中表现出色，但也存在内部决策过程和参数可解释性较低的缺点，其通常被视为“黑箱”模型。这些方法已经对多种混合制冷剂性能进行了预测。ŞENCAN等^［42］利用人工神经网络预测了混合制冷剂的传热系数、动态黏度、密度和比热容等物理性质，简化了高温热泵的热力学分析。

综上所述，制冷剂是决定闭式热泵最高输出温度的关键因素，有必要寻找性能更优的替代品以克服天然制冷剂和HFOs制冷剂的缺点。混合制冷剂作为替代品具有广阔的应用前景，传统热力学方法预测其性能的效率受限于模型准确性和基本假设，利用人工智能和神经网络等工具将显著改善这一过程。

2.2　高温冷媒压缩机

由于高温闭式热泵的高输出温度和温差，压缩机必须满足大压比、大体积流量和高输出温度的要求。高温制冷剂的研究尚处于发展阶段，制冷剂、润滑油和压缩机的匹配机理尚不明确，对压缩机提出了更高的要求。目前，常用于高温闭式热泵的压缩机有涡旋式、活塞式和螺杆式三种。

2.2.1　涡旋压缩机

表2列出了使用涡旋压缩机的高温闭式热泵参数。可以看出，使用的制冷剂主要为R245fa和自主研发的制冷剂。涡旋压缩机体积小、重量轻、整机振动小、运行平稳、可靠性高，但由于需要保持一定的运动间隙来实现密封，其压缩量相对较小。因此，涡旋压缩机适用于变频、小功率的高温闭式热泵。为了减小高温对涡旋压缩机的影响，研究人员从型线^［43］、泄漏和密封^［44］、平衡设计^［45］和流动特性^［46］等方面对高温涡旋压缩机进行了设计和改进。

2.2.2　活塞压缩机

表3列出了使用活塞压缩机的高温闭式热泵参数，可以看出，使用的制冷剂主要为HFOs和HCs类。活塞压缩机的关键问题是活塞与气缸之间的密封。压缩机运行时，密封处的工作环境恶劣，降低了密封结构的使用寿命。传统的密封方式分为间隙密封、块状密封、迷宫密封和活塞环密封，目前，主要研究方向是迷宫密封^［53-55］和新型密封。VAN等^［56］提出了一种液体活塞概念，用黏性摩擦取代滑动密封摩擦来消除气体泄漏，与传统活塞压缩机相比，能耗降低了19%，总效率提高了13%。DENG等^［57］发明了一种新型柔性梯形活塞组件，该组件无需软密封部件即可运行，从而使大小活塞的径向运动和气体密封性能相互独立。

2.2.3　螺杆压缩机

表4列出了使用螺杆压缩机的高温闭式热泵参数，可以看出，使用的制冷剂主要为R718，R245fa和HFOs。影响螺杆压缩机效率的因素很多，主要包括几何参数^［73］、运行参数^［74］、系统结构形式^［75］和驱动形式^［76］。影响其性能的主要因素是高排气温度。HSIEH等^［77］研究了螺杆与制冷剂之间以及转子与吸气侧之间的传热对螺杆转子温度分布的影响。YIN等^［78］提出了一种双螺杆压缩机分析模型，研究发现，转子温度从入口到出口显著升高，并伴有不同程度的膨胀，对容积效率将产生不利影响。使用R718的螺杆压缩机降低排气温度的主要方法是喷水冷却^［79］，而使用其他制冷剂的螺杆压缩机降低排气温度的方法未公开报道。因此，开发降低使用不同制冷剂的螺杆压缩机排气温度的方法是未来研究高温闭式螺杆压缩机的主要方向。

2.2.4　小结

不同闭式热泵压缩机性能对比见表5。可以看出，涡旋压缩机适用于变频、小功率的闭式热泵。活塞压缩机适用于中小流量的闭式热泵。螺杆压缩机适用于移动式、高制热量、多相混合输送的闭式热泵。

2.3　水蒸气压缩机

2.3.1　离心压缩机

高温高压环境下，离心压缩机叶片对水雾颗粒敏感并且叶片容易腐蚀，因此，需要解决离心压缩机与高排气温度和高性能叶片成本问题。常用的降低排气温度的方法是喷水冷却。FABBRIZZI等^［83］发现，离心压缩机喷入少量水（质量分数≤10%）后，压缩比有所提高，但过量的喷水会降低压缩比。因此，有必要确定离心压缩机的喷水比。WU等^［84］通过Python和CFD模拟证实，通过减小液滴直径和增加喷水比可以降低压缩机的排气温度和功耗。这些结论为通过喷水改善压缩机性能提供参考。

对于离心压缩机的高性能叶片^［85］，需要考虑其耐腐蚀、耐磨、耐热和耐振动问题，常用材料为不锈钢、钛、铟、钼和铪合金等。此外，一些新材料也被用作离心压缩机叶片，BURANDT等^［86］设计了一种由轻质碳纤维材料制成的离心压缩机叶片。

2.3.2　罗茨压缩机

对于罗茨压缩机的研究，目前重点是解决转子间的摩擦和高排气温度问题。对于转子间的摩擦咬合，可以从材料和结构方面进行优化。罗茨压缩机的材料主要有：双相不锈钢、碳钢镀镍、非金属电镀材料、304不锈钢和碳钢^［87］。但是上述材料在机械强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等方面都存在一定的缺陷。同时，由于长期处于高温高压环境中，还会导致转子变形，最终出现摩擦咬合现象。因此，有必要开发更适合罗茨压缩机的材料，在保证性能的同时减少转子变形。另一个方向是结构优化，转子间摩擦闭塞的关键原因是转子间隙的减小，但增大间隙会降低压缩机的性能。

降低罗茨压缩机排气温度的方法有两种，分别是结构改进和喷水冷却。江远峰^［88］从结构上提出了一种轴向密封的罗茨压缩机。HONG等^［89］设计了蒸发量为100 kg/h的喷水冷却MVC系统。俞丽华等^［90］研究发现，喷水冷却可以降低罗茨压缩机排气温度和轴功率。

2.3.3　螺杆压缩机

目前，对于螺杆压缩机的研究重点是解决高排气温度问题。其中，双螺杆压缩机的研究重点为其在系统应用中的性能及压缩机内部的传热流动特性。SHEN等^［91］在双效MVC海水淡化系统中使用了自主研发的带有同步啮合齿轮的喷水双螺杆压缩机，该系统排气温度显著降低。对于内部传热流动特性，TIAN等^［92］建立了双螺杆压缩机的喷水冷却过程模型，研究发现，最佳注水比主要取决于压缩机转速和吸气压力，喷水量满足蒸汽饱和状态时，压缩机的轴功率最小，泄漏也会严重影响喷水螺杆压缩机的性能。

对于单螺杆压缩机的研究主要是减少啮合副的变形和喷水单螺杆压缩机的性能及其在系统中的表现，图6为单螺杆压缩机样机及内部结构。由于单螺杆压缩机啮合副（单螺杆星轮）的热变形会显著影响压缩机效率，ZHANG等^［93］使用有限元分析了单螺杆水蒸气压缩机啮合副热变形机制，提出设置保留间隙控制热变形的方法。WANG等^［94］使用新型热加工技术，分析了螺杆在热加工过程中的变形特征，为螺杆在加工过程中的预变形提供参考。对于喷水单螺杆压缩机的性能及其在系统中的表现，YANG等^［95］使用喷水单螺杆压缩机MVC系统，研究喷水量对其性能的影响，当喷水量为300 kg/h时，压缩比、蒸发率和比水分提取率分别比无喷水时提高了19.7%，14.8%和15.5 kg/（kW·h）。

2.3.4　小结

开式热泵的研究关键是水蒸气压缩机，主要类型包括离心式、罗茨式和螺杆式，3种水蒸气压缩机性能对比如表6所示。离心压缩机设计紧凑，适用于空间有限环境中，而且维护成本较低，适用于大流量、小压缩比的系统。但是其在低压工况下效率较低，在多变的运行条件下或处理较大的负载变化时稳定性较差。

罗茨压缩机内部没有运动零件接触，抗磨性较高，噪声和振动较小。相比于其他压缩机，罗茨压缩机效率较低，体积和重量较大，且性能随着压缩比的增加而明显下降，使其难以在高温高压的工作环境中推广。虽然蒸汽喷射技术可以降低罗茨压缩机的排气温度，但在喷射到高速转子表面的过程中液体很容易破坏转子表面，转子和泵体都容易发生类似气蚀的损坏，从而降低罗茨压缩机的使用寿命。

螺杆压缩机可靠性高、压比大、适应范围广且能进行多相压缩，但螺杆压缩机在高温高压下的性能会有所下降，且容积流量较小。因此，螺杆压缩机更适合中等流量和大压缩比的系统。由于螺杆压缩机的特殊结构，在高温高压下会出现排气温度高的问题，从而导致压缩机效率的降低。其中，单螺杆压缩机容易出现啮合副变形的情况，螺杆和星轮的磨损将降低单螺杆压缩机寿命。喷水降温可以显著提高螺杆压缩机的效率，但由于螺杆压缩机对喷水量特别敏感，过多或者过少的喷水量都会降低压缩机效率导致能耗增加，所以喷水控制系统需要实现精准控制，导致系统的复杂性。因此，螺杆压缩机在高温高压下的可靠性是下一步需要研究的重要问题。

3　发展趋势

收起

热泵蒸汽机主要功能是将低品位能量转化为高温水蒸气。具有运行条件苛刻、年平均运行时间长等特点。这些特点决定了系统的设计必须在性能和可靠性之间找到适当的平衡，以获得最大的经济效益。未来有关热泵蒸汽机的研究将重点关注以下主题。

（1）高温制冷剂。制冷剂的热力学性能是决定热泵能否获得高温输出的关键因素。选择制冷剂的主要标准包括低GWP，零ODP和高临界温度等。使用机器学习和神经网络等方法可以更好地厘清混合高温制冷剂分子间的相互作用，提高混合制冷剂预测和选择的效率和准确性。

（2）高温高压缩比压缩机。高温高压缩比压缩机主要包括三种类型：涡旋式、活塞式和螺杆式。在高温高压环境中，涡旋式压缩机的性能受到各种因素的显著影响，包括其外形、泄漏、密封和平衡设计。因此，未来的改进重点应放在提出一种新的组合剖面以改进现有剖面，提出一种新的密封结构以优化迷宫密封，以及为高温涡旋压缩机设计一种新的轴向力平衡方法。

活塞式压缩机在高温高压环境中运行时，需要解决的关键问题是活塞和气缸之间的密封。在压缩机运行期间，密封件面临着恶劣的条件，导致密封结构的使用寿命显著缩短。虽然迷宫密封法被认为是传统密封技术中的最优答案，但其效率仍无法满足要求。因此，灵活的梯形活塞和阶梯式混合排量活塞等创新密封方法有望成为未来发展的主要方向。

螺杆压缩机非常适合高温高压环境中对流动性或制热量要求高的场景。高温螺杆压缩机面临的主要挑战是降低排气温度。为有效解决这一问题，可针对螺杆压缩机的几何参数、运行条件、系统结构和驱动配置实施优化策略。

（3）水蒸气压缩机。常用的水蒸气压缩机主要有离心式、罗茨式和螺杆式。离心压缩机在高温高压中运行时，压缩机叶片容易受到水雾颗粒的腐蚀。因此，降低排气温度和开发更廉价的高性能叶片是离心压缩机未来研究的主要方向。

在高温高压环境中，罗茨压缩机的性能会随着压缩比的升高而显著降低。与其他类型的水蒸气压缩机相比，这一问题阻碍了罗茨压缩机在此类环境中的广泛应用。

高温高压环境中，螺杆压缩机对喷水量的反应非常灵敏，喷水量过多或过少都会导致压缩机效率降低，增加能耗。喷水系统必须精确控制喷水量，从而增加了系统的复杂性。因此，螺杆压缩机在高温高压环境中的可靠性是未来研究的重要方向。

参考文献

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2025年第53卷第5期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.011

接收时间：2024-07-03
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-05-30

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收稿日期：2024-07-03
修回日期：2025-01-26

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¹北京工业大学传热与能源应用北京市重点实验室，北京 100124

²北京工业大学国家能源用户侧储能创新研发中心，北京 100124

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

类型	参考文献	闭式热泵制冷剂	闭式热泵压缩机	热源温度/℃	输出温度/℃
类型A	[7]	R245fa	螺杆	60	110
[8]	R1233zd(E)	螺杆	30~70	70~130
[9]	R141b	螺杆	45~70	100
[10]	R245fa	—	50	100~120
[11]	R245fa	—	60	109.2~125.2
[12-13]	—	—	80~85	184
[14]	R245fa	活塞	60~70	115~125
[15-16]	R245fa	—	65~80	130~136
[17-18]	R245fa	螺杆	25~65	100~120
[19]	R245fa	螺杆	65	115~135
[20]	R1234ze(E)/R1233zd(Z)	—	30~80	100~120
[21]	R404a/R245fa	螺杆	5~35	120
[22]	R1234ze(E)/R1336mzz(Z)	—	25~40	100~160
[23]	—	活塞	50~85	—
[24]	R600a	涡旋	—	110
类型B	[25]	R245fa	单螺杆	60~100	170
[26]	R245fa	螺杆	75~95	165
[27]	R717	—	20~90	150
[28]	R1336mzz(Z)	—	35~60	120~140
[29]	R1233zd(E)	涡轮	30	120
[30]	—	活塞	—	184
[31]	R744	—	—	280
类型C	[32]	—	螺杆	5~35	120
[33]	R134a/R245fa	螺杆	10~90	175

类型

参考文献

闭式热泵制冷剂

闭式热泵压缩机

热源温度/℃

输出温度/℃

类型A

[7]

R245fa

螺杆

110

[8]

R1233zd(E)

螺杆

30~70

70~130

[9]

R141b

螺杆

45~70

100

[10]

R245fa

—

100~120

[11]

R245fa

—

109.2~125.2

[12-13]

—

80~85

184

[14]

R245fa

活塞

60~70

115~125

[15-16]

R245fa

—

65~80

130~136

[17-18]

R245fa

螺杆

25~65

100~120

[19]

R245fa

螺杆

115~135

[20]

R1234ze(E)/R1233zd(Z)

—

30~80

100~120

[21]

R404a/R245fa

螺杆

5~35

120

[22]

R1234ze(E)/R1336mzz(Z)

—

25~40

100~160

[23]

—

活塞

50~85

—

[24]

R600a

涡旋

—

110

类型B

[25]

R245fa

单螺杆

60~100

170

[26]

R245fa

螺杆

75~95

165

[27]

R717

—

20~90

150

[28]

R1336mzz(Z)

—

35~60

120~140

[29]

R1233zd(E)

涡轮

120

[30]

—

活塞

—

184

[31]

R744

—

280

类型C

[32]

—

螺杆

5~35

120

[33]

R134a/R245fa

螺杆

10~90

175

制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
R245fa	30~50	70~120	—	[47]
NBY-1	50~70	80~130	14.0~17.5	[48]
OKO1	50~60	100~130	250~400	[49]
ECO3	40~60	80~130	50~200	[50]
R1336mzz(Z)	80~118	100~160	9.2~12.3	[51]
BY3B/BY6	52~58	100~170	22.45	[41]
R1234ze(E)/P-1	5~30	90~120	11~14	[52]

制冷剂

热源温度/℃

输出温度/℃

制热量/kW

参考文献

R245fa

30~50

70~120

—

[47]

NBY-1

50~70

80~130

14.0~17.5

[48]

OKO1

50~60

100~130

250~400

[49]

ECO3

40~60

80~130

50~200

[50]

R1336mzz(Z)

80~118

100~160

9.2~12.3

[51]

BY3B/BY6

52~58

100~170

22.45

[41]

R1234ze(E)/P-1

5~30

90~120

11~14

[52]

制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
R1336mzz(Z)	30~90	75~150	12	［58-59］
50~109	70~156	12	［60］
R245fa	45~55	100	—	［61］
R600	60	80~120	200	［62］
R600	50~80	90~110	50	［63］
R600	60~80	100~120	—	［64］
R1336mzz(Z)	30~80	70~150	5~10	［65，67-69］
R1233zd(E)	30~80	70~150	5~10	［66］
R1233zd(Z)	80~85	130~133	39.53	［70］
LG6	40~95	70~140	10	［71］
R290/R600	30	97~115	20	［72］

制冷剂

热源温度/℃

输出温度/℃

制热量/kW

参考
文献

R1336mzz(Z)

30~90

75~150

［58-59］

50~109

70~156

［60］

R245fa

45~55

100

—

［61］

R600

80~120

200

［62］

R600

50~80

90~110

［63］

R600

60~80

100~120

—

［64］

R1336mzz(Z)

30~80

70~150

5~10

［65，67-69］

R1233zd(E)

30~80

70~150

5~10

［66］

R1233zd(Z)

80~85

130~133

39.53

［70］

LG6

40~95

70~140

［71］

R290/R600

97~115

［72］

制冷剂	热源温度/℃	输出温度/℃	制热量/kW	参考文献
R404a/R245fa	5~35	120	—	［21］
R245fa	25~65	—	380	［17-18］
R718	—	100~160	40~180	［80］
R718	75~85	111~150	143~285	［81］
R245fa/R1234ze	50~90	100~170	—	［82］
R1233zd(E)	30~70	70~130	—	［8］
R245fa	50~70	80~120	320~510	［34］

制冷剂

热源
温度/℃

输出
温度/℃

制热量/kW

参考
文献

R404a/R245fa

5~35

120

—

［21］

R245fa

25~65

—

380

［17-18］

R718

—

100~160

40~180

［80］

R718

75~85

111~150

143~285

［81］

R245fa/R1234ze

50~90

100~170

—

［82］

R1233zd(E)

30~70

70~130

—

［8］

R245fa

50~70

80~120

320~510

［34］

类型	热源温度/℃	输出温度/℃	COP	制热量/kW
涡旋压缩机	30~118	70~170	1.72~5.18	14~400
活塞压缩机	30~109	70~170	1.9~5.8	10~200
螺杆压缩机	5~90	70~170	1.2~7.9	40~1 110

类型

热源
温度/℃

输出
温度/℃

COP

制热量/kW

涡旋压缩机

30~118

70~170

1.72~5.18

14~400

活塞压缩机

30~109

70~170

1.9~5.8

10~200

螺杆压缩机

5~90

70~170

1.2~7.9

40~1 110

类型	流量/（m³·min^-1）	压比	总效率/%
离心压缩机	100~10 000	1.1~4	58.9~85.0
罗茨压缩机	0.7~27.0	1.2~2.4	30~67
螺杆压缩机	0.34~600.00	1.2~9.0	21.0~83.7

类型

流量/（m³·min^-1）

压比

总效率/%

离心压缩机

100~10 000

1.1~4

58.9~85.0

罗茨压缩机

0.7~27.0

1.2~2.4

30~67

螺杆压缩机

0.34~600.00

1.2~9.0

21.0~83.7