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工业生产如食品的干燥、杀菌、热处理,造纸中的干燥,石油开采等,存在大量30~60℃的余热资源。如果能把这些余热加以利用,不但能够提高能源利用率,还能极大的减少能源浪费和环境污染。热泵作为能源回收的一种重要手段,目前已被广泛用于制取60℃以下的常温热源,但在追求更高温度的中高温热泵的研究上尚未有突破性的进展,随着R11、R114、R142b等CFCs和HCFCs类高温工质相继被禁用,R134a、R152a等常见HFC类工质最高热输出温度又不足,使得以R245fa为主要成分的纯工质或混合工质成为高温热泵技术发展的重点。本文建立了高温水源热泵理论计算模型,基于REFPROP热物性计算软件中物性参数的调用,利用MATLAB编制计算程序,并根据高温热泵工质筛选原则确立了理论计算的对象——R134a、R245fa、R1234ze、R134a/R245fa以及新提出的环保混合工质R1234ze/R245fa。通过对上述几种纯工质及混合工质的综合对比,纯工质R245fa在同一冷凝温度下具有更低的排气压力和排气温度,且具有较高的制热COP,但是其单位容积制热量较低,为了弥补这方面的不足,我们对R1234ze和R245fa进行混合,混合后的新工质在安全、环保、高温工况下的热力性能方面均具有优异的表现。为进一步拓展以R245fa为主的纯工质和混合工质在高温热泵领域的应用上限,同时提升高温热泵机组的热力性能,我们对高温热泵膨胀阀控制系统进行了优化。对不同制冷剂过热度、膨胀阀开度等的控制采用新的算法,并写入新的电子膨胀阀控制系统,可以实现对任一配比的新型纯工质或混合工质的过热度精确控制。在完成理论计算及实验台优化的基础上,我们对以R245fa为工质的高温热泵实验台进行了充灌量实验、过热度实验。实验找到了机组的最佳充灌量、最佳过热度,并提升了以R245fa为工质的高温水源热泵出水温度——在目前实验条件下,出水温度达到了105.8℃。实验表明,优化后的膨胀阀控制方法可以提升热泵机组的出水温度、制热量及制热COP等循环性能。基于R245fa为主要组分的高温热泵系统,具有提升最高出水温度的潜力,具有广阔的应用前景。