作为集中与区域供热领域的新兴节能技术,大温差换热技术能够降低一次网回水温度,提升管网输热能力,具有换热效能高,经济优势明显的特点。本文围绕大温差换热技术所涉及的能量转换机理及高效系统构建的科学问题,对大温差换热过程的换热极限、能量转化机理、构建原则、高效喷射器的优化设计方法、新型高效喷射式大温差换热系统构建与实验验证等方面开展了研究。理想模型分析是掌握系统基本规律的重要途径。本文提出广义换热过程、大温差换热过程、理想广义换热过程的概念,指出理想广义换热过程才是两介质换热系统真正的换热极限。通过对该理想过程解析模型的分析,得到了理想广义换热函数,明确了理想广义换热过程的换热量、两介质出口温度与热容比、两介质进口温度的数量关系。研究了理想广义换热过程的热力特性,明确了关键参数对过程换热特性的影响规律,指出两介质的进口温度相差越大、两介质的介质热容比热容比值偏离1越远,换热过程将具有更高的理想广义温度效率,大温差换热过程更容易实现。以理想广义换热过程的换热性能为基准,提出了换热完善度、广义温度效率、温度跨越系数、单位换热量?失等评价指标,用于统一评价常规换热器换热系统、广义换热系统、实际大温差换热系统等两介质换热系统的换热性能,并为大温差换热系统能量转换规律与构建原则的研究提供理论基础。在正逆循环耦合换热系统模型的基础上,结合热力学第二定律确立大温差换热过程能否实现的判据。依据对正逆循环耦合换热系统模型换热特性与规律的分析,得出设定适宜的热机循环高位热源温度、较高的换热器温度效率、较低的热力循环不可逆程度能够提升正逆循环耦合换热系统的换热效果。以正逆循环耦合换热系统的过程特性为基准,发现并联逆流调温换热器的构型效果更佳。对喷射式大温差换热系统进行了解构,分析实际大温差换热系统中的能量转换与传递规律,发现了实际大温差换热系统与正逆循环耦合换热系统的等效性,明确了喷射式热泵循环构建大温差换热系统的可能性,指出热力驱动热泵较高的热力系数是实现大温差换热过程的关键。总结了大温差换热系统的构建原则。为了提高喷射器的喷射系数,保障喷射式大温差换热系统能够实现,本文提出了一种新的高效喷射器结构尺寸与型线设计方法,该新方法充分考虑了实际工质气体与理想气体的区别,并增设了采用等压混合模型设计的混合室,基于工质气体流动摩擦的耗散特性确定扩散段的平均绝热效率与水平轴线最优夹角。新方法下设计的喷射器在大温差换热系统的工况下,其喷射系数能够达到普通等压混合方法喷射器的2.5倍,普通等动量混合方法喷射器的2.1倍,且具有内部工质混合均匀,静压变化平缓,激波影响程度低,极限背压值高,工作稳定性强的优点,是高效喷射式大温差换热机组构建的技术保障。在正逆耦合循环换热系统的研究成果基础上,提出了喷射式大温差换热系统的基本结构,以技术制约为条件,以换热效果为目标,优选了氟利昂R141b作为喷射式热泵的循环工质,选定了并联外部调温换热器的方案为系统构型的最优方案。针对基本结构喷射式大温差换热系统的缺陷,根据大温差换热系统的构建原则,从提升内部循环热力系数与能量梯级利用两个层面出发,通过增设工质回热器、工质预热器、介质预热器,提出了新型双段喷射式大温差换热系统,该新型系统在一次水供水温度为130℃的条件下,能够将一次水温度降至28.3℃,达到了溴化锂吸收式大温差换热机组的性能水平。对系统内部参数影响换热性能的规律进行了研究,为系统的优化提供了依据。首次设计并制造了一台双段喷射式大温差换热系统实验样机(额定换热量为200kW),搭建了大温差换热机组性能测试实验平台。通过实验平台完成了以下工作:(1)分析、总结了双段喷射式大温差换热机组的启停特性,表明双段喷射式大温差换热机组具有快速、稳定的启机与停机响应;(2)单、双段系统额定性能的测定与对比,发现双段系统较单段系统提高了13.6%的换热量。(3)测定了不同方法设计的喷射器的性能,采用本文新方法设计的两台喷射器较普通CPM喷射器的喷射系数分别提升了1.86倍与0.5倍,系统整体的换热效果提升了25%。(4)研究了一次水入口温度、流量,二次水入口温度、流量分配比影响下的机组变工况特性,为后期实际工程应用中的调试、控制与优化运行奠定了基础。本文的研究对促进大温差换热过程的理论发展与技术创新,推动大温差换热技术的工程应用,提高能源的利用效率,指导我国供热技术的长足进步具有重要的意义。