熱泵部分學習

1、Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University補充：熱泵基本原理與技術補充：熱泵基本原理與技術Fundamental principle and technology of heat pumpPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityehCOPHP高溫熱源高溫熱源低溫熱源低溫熱源WQhQr制熱溫度制熱溫度環(huán)境溫度環(huán)境溫度制冷溫度制冷溫度制冷制冷熱泵熱泵Power Engineering and Engineering The

2、rmophysicsQingdao University熱泵（基本概念）熱泵（基本概念）l 分類分類熱泵的基本種類與制冷機基本相同，不同點：熱泵的基本種類與制冷機基本相同，不同點：n 供熱溫度分：高溫（供熱溫度分：高溫（100），中溫（），中溫（40100），低溫），低溫（ 40）n 低溫熱源形式分：地源熱泵，水源熱泵，太陽能熱泵，空低溫熱源形式分：地源熱泵，水源熱泵，太陽能熱泵，空氣源熱泵等。氣源熱泵等。l 性能指標性能指標n 熱泵性能系數(shù)熱泵性能系數(shù)n 能源利用系數(shù)：供熱量與消耗的初級能源之比。能源利用系數(shù)：供熱量與消耗的初級能源之比。n 火用效率火用效率 4. 熱力完善度熱力完善度凈輸入

3、能量有效制熱量hCOP消耗受益exPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University熱泵發(fā)展歷史熱泵發(fā)展歷史n 1824年年 卡諾循環(huán)理論（卡諾循環(huán)理論（理論準備理論準備）n 1852年年 威廉提出了熱泵設想威廉提出了熱泵設想n 1854年年 開爾文提出冷凍裝置也可以加熱開爾文提出冷凍裝置也可以加熱n 1927年英蘇格蘭安裝第一臺家用熱泵（年英蘇格蘭安裝第一臺家用熱泵（家用家用）n 1930年美加利福尼亞安裝大容量商用熱泵（年美加利福尼亞安裝大容量商用熱泵（商用商用）n 上世紀上世紀70年代迅速發(fā)展年代迅速發(fā)展n

4、到到1996年全世界熱泵安裝總數(shù)年全世界熱泵安裝總數(shù)9000萬套，自萬套，自1992年開始熱年開始熱泵使用年增長泵使用年增長15。 熱泵承擔總供熱量的熱泵承擔總供熱量的6，美國達到，美國達到8.4，日本，日本28.6。探索探索探索探索Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University空氣源熱泵：空氣源熱泵：n 應用廣泛，受季節(jié)和地區(qū)影響大，供需矛盾大；空氣熱容應用廣泛，受季節(jié)和地區(qū)影響大，供需矛盾大；空氣熱容小，與金屬間的換熱系數(shù)小，風量需求大；易出現(xiàn)小，與金屬間的換熱系數(shù)小，風量需求大；易出現(xiàn)結霜結霜。 結霜與除

5、霜：結霜與除霜：n 結霜的危害：增大熱阻，增大流通面積結霜的危害：增大熱阻，增大流通面積n 防止或減輕結霜的方法：防止或減輕結霜的方法：增大室外換熱器面積（減小溫增大室外換熱器面積（減小溫差）；增大空氣流量；空氣除濕；換熱表面處理；濾去空差）；增大空氣流量；空氣除濕；換熱表面處理；濾去空氣中的雜質。氣中的雜質。n 除霜方法：除霜方法：空氣除霜（壓縮機停止，空氣持續(xù)吹掃）；電空氣除霜（壓縮機停止，空氣持續(xù)吹掃）；電加熱除霜；熱蒸汽除霜（逆循環(huán)；熱蒸汽氣旁通）加熱除霜；熱蒸汽除霜（逆循環(huán)；熱蒸汽氣旁通）n 除霜的控制方法：除霜的控制方法：定時控制；壓差控制；溫度控制。定時控制；壓差控制；溫度控制。

6、Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University地源與水源熱泵：地源與水源熱泵：n 受季節(jié)和地區(qū)影響小，性能系數(shù)高，但是工程量大，投資受季節(jié)和地區(qū)影響小，性能系數(shù)高，但是工程量大，投資高。高。 地源熱泵：地源熱泵：n 包括土壤源和地下水源熱泵包括土壤源和地下水源熱泵n 需要地下埋管或地下深井需要地下埋管或地下深井。n 水源熱泵：水源熱泵：n 地表水：受環(huán)境和季節(jié)影響較大，對生態(tài)有影響。開采量地表水：受環(huán)境和季節(jié)影響較大，對生態(tài)有影響。開采量也受到限制。也受到限制。n 地下水：可劃歸為地源熱泵。井水開采和回灌要求高

7、。地下水：可劃歸為地源熱泵。井水開采和回灌要求高。n 海水：腐蝕問題（海軍銅，鈦金屬）海水：腐蝕問題（海軍銅，鈦金屬）1. 生活廢水：防堵塞（多用二次換熱）生活廢水：防堵塞（多用二次換熱）。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University太陽能熱泵：太陽能熱泵：n 廉價，無需除霜，隨季節(jié)、時間和天氣影響大，能量密度廉價，無需除霜，隨季節(jié)、時間和天氣影響大，能量密度?。ㄏ奶煨。ㄏ奶?000W/m2左右，冬天左右，冬天200W/m2左右，可利用的左右，可利用的僅占僅占50），通常作為輔助熱源。），通常作為輔助熱源。P

8、ower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University熱泵的應用：熱泵的應用：n 供熱（供暖供供熱（供暖供熱水）熱水）n 熱泵干燥熱泵干燥n 蒸餾與濃縮蒸餾與濃縮n 工藝過程熱回收工藝過程熱回收n 海水淡化海水淡化熱泵干燥裝置熱泵干燥裝置帶空氣旁通的封閉式干燥裝置帶空氣旁通的封閉式干燥裝置Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University熱泵的應用：熱泵的應用：蒸餾與濃縮蒸餾與濃縮牛奶濃縮系統(tǒng)牛奶濃縮系統(tǒng)Power Engineering a

9、nd Engineering ThermophysicsQingdao University熱泵的應用：熱泵的應用：工藝過程熱回收工藝過程熱回收造紙廠廢熱回收系統(tǒng)方案造紙廠廢熱回收系統(tǒng)方案Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University熱泵的應用：熱泵的應用：海水淡化海水淡化間接法冷凍間接法冷凍加熱法海水淡化加熱法海水淡化Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityHeat Pump in Cooling Mode熱泵制冷模式熱

10、泵制冷模式熱泵通常具有制冷和制熱兩種功能熱泵通常具有制冷和制熱兩種功能Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityHeat Pump in Heating Mode熱泵制熱模式熱泵制熱模式 Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University地源熱泵（地源熱泵（GSHP）與水源熱泵（）與水源熱泵（n 傳統(tǒng)水源熱泵傳統(tǒng)水源熱泵n 地源熱泵：地溫的變化地源熱泵：地溫的變化n 各種地源（水源）熱泵各種地源（水源）熱泵熱泵舉例：熱泵舉例：P

11、ower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University熱泵通常具有制冷熱泵通常具有制冷和制熱兩種功能和制熱兩種功能制制冷冷制制熱熱Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPow

12、er Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao Universityn No cooling tower 無冷卻塔無冷卻塔n No boiler 無鍋爐無鍋爐Instead: 替代物替代物n Geothermalheat exchanger 地源熱交換器地源熱交換器GSHP Syst

13、em 地源熱泵系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityGeothermal heat exchanger地源熱交換器地源熱交換器Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University Loop Temperatures 回路溫度回路溫度Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University地溫變化地溫變化日地溫變化日地溫變化年地溫變化年地溫

14、變化在北半球中、高緯度地區(qū)在北半球中、高緯度地區(qū) Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University地溫變化地溫變化外熱層外熱層（變溫層）（變溫層） 主要受太主要受太陽能影響，其溫度隨季節(jié)、晝陽能影響，其溫度隨季節(jié)、晝夜而變化，一般在夜而變化，一般在0.51.5m深，年變化影響深度達深，年變化影響深度達1015m。常溫層常溫層（恒溫層）（恒溫層） 受太陽能受太陽能和大地熱流的綜合作用，地球和大地熱流的綜合作用，地球內熱與上層變溫帶影響達到平內熱與上層變溫帶影響達到平衡，溫度基本不變。該層地溫衡，溫度基本不變。該層地

15、溫與當?shù)啬昶骄鶜鉁卮笾孪喈敚c當?shù)啬昶骄鶜鉁卮笾孪喈?，四季基本恒溫（四季基本恒溫?5）。）。增溫層增溫層（恒溫層以下）（恒溫層以下）深度深度每增加每增加1km，地溫增值的，地溫增值的梯度全球平均為梯度全球平均為2530/km。 Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University各種水源（地源）熱泵：各種水源（地源）熱泵： 地地下水系統(tǒng)（開式循環(huán)）下水系統(tǒng)（開式循環(huán)）以地以地球作為自然熱源及冷源的應用已近球作為自然熱源及冷源的應用已近40年了，地下水系統(tǒng)吸取水井從地表土年了，地下水系統(tǒng)吸取水井從地表土壤層中吸取熱量

16、，與壤層中吸取熱量，與FHP地熱泵機組地熱泵機組的熱交換器中的制冷劑進行熱交換，的熱交換器中的制冷劑進行熱交換，然后由回水井回到地表土壤層或按當然后由回水井回到地表土壤層或按當?shù)匾?guī)章簡單排放。不管外界是熱或冷，地規(guī)章簡單排放。不管外界是熱或冷，地下水的溫度保持非常穩(wěn)定（通常冬地下水的溫度保持非常穩(wěn)定（通常冬夏溫差夏溫差1C之內），所以之內），所以FHP機組會機組會保持極好的高效運行，不管外界氣溫保持極好的高效運行，不管外界氣溫如何。地下水系統(tǒng)很適用于已有水井如何。地下水系統(tǒng)很適用于已有水井的家庭或底下水源豐富的住家。當系的家庭或底下水源豐富的住家。當系統(tǒng)可以利用地下水時，安裝的費用將統(tǒng)可以利用

17、地下水時，安裝的費用將是最低的。是最低的。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University 垂直系統(tǒng)垂直系統(tǒng)（閉式循環(huán)閉式循環(huán)）通常，每冷噸水通常，每冷噸水的供暖空調，鉆的供暖空調，鉆入深度入深度30.5-91.5米，垂直系統(tǒng)適米，垂直系統(tǒng)適用于可供使用的用于可供使用的土地面積有限的土地面積有限的情形，與地下水情形，與地下水系統(tǒng)相似，不管系統(tǒng)相似，不管居住何處，不管居住何處，不管外界溫度如何急外界溫度如何急劇變化，垂直系劇變化，垂直系統(tǒng)可以提供舒適統(tǒng)可以提供舒適環(huán)境。環(huán)境。Power Engineering an

18、d Engineering ThermophysicsQingdao University水平系統(tǒng)（閉式循水平系統(tǒng)（閉式循環(huán)）環(huán)）也是利用地球豐富也是利用地球豐富的土壤熱能，與垂直系的土壤熱能，與垂直系統(tǒng)相似，水平系統(tǒng)通過統(tǒng)相似，水平系統(tǒng)通過埋在地下的密封、耐壓埋在地下的密封、耐壓的塑質閉式管路系統(tǒng)，的塑質閉式管路系統(tǒng)，水或防凍溶液在管路中水或防凍溶液在管路中循環(huán)，管路放置于水平循環(huán)，管路放置于水平溝渠中，而不是放置于溝渠中，而不是放置于垂直孔井中，深度為垂直孔井中，深度為1.2米米1.8米，每冷噸供暖米，每冷噸供暖及空調需長度為及空調需長度為22.8-123米，最近的改良水米，最近的改良水平

19、系統(tǒng)在造價及效率上平系統(tǒng)在造價及效率上具有較大的吸引力，水具有較大的吸引力，水平系統(tǒng)可以達到垂直系平系統(tǒng)可以達到垂直系統(tǒng)一樣的節(jié)能效果。統(tǒng)一樣的節(jié)能效果。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University湖湖/河系統(tǒng)（河系統(tǒng)（閉式循閉式循環(huán)環(huán)）節(jié)能，最經濟的節(jié)能，最經濟的閉環(huán)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)利用附近的河或湖，利用附近的河或湖，與垂直系統(tǒng)及水平系與垂直系統(tǒng)及水平系統(tǒng)一樣，水或防凍溶統(tǒng)一樣，水或防凍溶液在密閉、耐壓的塑液在密閉、耐壓的塑質閉式管路系統(tǒng)中循質閉式管路系統(tǒng)中循環(huán)，管路系統(tǒng)侵入河環(huán)，管路系統(tǒng)侵

20、入河中或湖中，可以利用中或湖中，可以利用池水或湖水的穩(wěn)定溫池水或湖水的穩(wěn)定溫度而且具有顯著的散度而且具有顯著的散熱性能，不需鉆井，熱性能，不需鉆井，只需少量的溝渠，費只需少量的溝渠，費用降低。用降低。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University同時產生冷水及熱水熱泵熱水系統(tǒng)同時產生冷水及熱水熱泵熱水系統(tǒng) 垂直地耦管系統(tǒng)垂直地耦管系統(tǒng)水平地耦管系統(tǒng)水平地耦管系統(tǒng)湖江河淺表水系統(tǒng)湖江河淺表水系統(tǒng)地下水系統(tǒng)地下水系統(tǒng) Power Engineering and Engineering ThermophysicsQi

21、ngdao University地源熱泵系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)1kW的電的電3.9kW的的能源回收能源回收4.9kW的熱量的熱量用用1kW的電，可以提供多達的電，可以提供多達4.9kW的熱量的熱量 COP.1 : 4.9比空氣源熱泵節(jié)省能源比空氣源熱泵節(jié)省能源40%以上，比以上，比電采熱節(jié)省能源電采熱節(jié)省能源70%以上。以上。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University1、熱泵機組；、熱泵機組；2、室外冷熱源系統(tǒng)室外冷熱源系統(tǒng)(可以為冷卻塔、可以為冷卻塔、深井水系統(tǒng)或地埋深井水系統(tǒng)或地埋管系統(tǒng)管系統(tǒng))；3、熱水、熱

22、水儲水箱；儲水箱；4、熱水、熱水供應水泵；供應水泵；5、熱、熱水循環(huán)水泵；水循環(huán)水泵；6、冰水循環(huán)水泵；冰水循環(huán)水泵；7、膨脹水箱膨脹水箱K1、K2、K3、K4為轉換閥，在春夏為轉換閥，在春夏秋冬季節(jié)中根據(jù)機秋冬季節(jié)中根據(jù)機組運行模式組運行模式(供熱、供熱、制冷及衛(wèi)生熱水加制冷及衛(wèi)生熱水加熱熱)的不同，進行的不同，進行相應轉換。相應轉換。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University大型水水水源熱泵機組大型水水水源熱泵機組 實際上是一個普通的水冷冷水機組實際上是一個普通的水冷冷水機組Power Engineer

23、ing and Engineering ThermophysicsQingdao University熱泵總結：熱泵總結： n 熱泵基本概念：熱泵；熱泵與制冷機的異同；熱泵熱泵基本概念：熱泵；熱泵與制冷機的異同；熱泵分類；性能指標（掌握）分類；性能指標（掌握）n 熱泵的發(fā)展歷史（了解）熱泵的發(fā)展歷史（了解）n 空氣源熱泵（掌握）空氣源熱泵（掌握）n 水源水源/地源熱泵（掌握）地源熱泵（掌握）n 太陽能熱泵（掌握）太陽能熱泵（掌握）n 熱泵技術的應用（掌握）熱泵技術的應用（掌握）n 熱泵系統(tǒng)的運行過程認識熱泵系統(tǒng)的運行過程認識Power Engineering and Engineering T

24、hermophysicsQingdao University制冷原理與設備課程學習總結：制冷原理與設備課程學習總結：n 了解制冷發(fā)展歷史，制冷及低溫技術的基本概況、應用等了解制冷發(fā)展歷史，制冷及低溫技術的基本概況、應用等n 制冷性能參數(shù)的定義及表達式制冷性能參數(shù)的定義及表達式n 制冷方法：制冷方法：Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University制冷方法：制冷方法：n 固體相變固體相變 n 相變制冷相變制冷n 液體相變液體相變蒸汽壓縮式蒸汽壓縮式蒸汽吸收式蒸汽吸收式蒸汽噴射式蒸汽噴射式吸附式吸附式集密態(tài)轉集密態(tài)轉

25、變?yōu)橘|稀變?yōu)橘|稀態(tài)態(tài),潛熱潛熱汽液平衡汽液平衡壓力改變壓力改變應用最廣泛應用最廣泛Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University制冷方法：制冷方法：n 渦流管制冷渦流管制冷 n 氣體制冷氣體制冷n 氣體膨脹氣體膨脹絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流等熵膨脹等熵膨脹定容回熱定容回熱法國人法國人Rauque,1933膨脹，溫膨脹，溫度降低度降低Linde循環(huán)循環(huán)Brayton cycleStirling cycle絕熱放氣絕熱放氣G-M Cycle焦耳焦耳-湯姆湯姆遜系數(shù)遜系數(shù)Power Engineering and Engine

26、ering ThermophysicsQingdao University制冷方法：制冷方法：n 熱電制冷熱電制冷 n 綠色制冷綠色制冷n 熱聲制冷熱聲制冷第一介質是氣體，第二介第一介質是氣體，第二介質是固體冷熱端；聲源質是固體冷熱端；聲源壓縮機；聲波膨脹機。壓縮機；聲波膨脹機。氣體完成狀態(tài)循環(huán)，與固氣體完成狀態(tài)循環(huán)，與固體間交換冷熱量體間交換冷熱量法國人帕爾法國人帕爾帖帖,1834研究熱點研究熱點熱磁制冷熱磁制冷1907，Langevin較為成熟較為成熟Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University制冷低溫工

27、質總結：制冷低溫工質總結：了解制冷劑的發(fā)展，知道早期常用的制冷劑了解制冷劑的發(fā)展，知道早期常用的制冷劑掌握制冷劑的選取原則，制冷劑的要求（明白掌握制冷劑的選取原則，制冷劑的要求（明白whywhy）熟練掌握制冷劑的命名方法熟練掌握制冷劑的命名方法了解常用制冷劑及其性能特點了解常用制冷劑及其性能特點低溫工質：低溫工質：了解常規(guī)氣體的性質了解常規(guī)氣體的性質掌握氫的主要性質，正氫與仲氫、平衡氫與正常氫，掌握氫的主要性質，正氫與仲氫、平衡氫與正常氫，正氫與仲氫及正氘與仲氘的轉化正氫與仲氫及正氘與仲氘的轉化掌握氦的性質，氦掌握氦的性質，氦與氦與氦，相圖，超流氦，相圖，超流氦噴泉效應、爬行膜現(xiàn)象噴泉效應、爬

28、行膜現(xiàn)象Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao Universityn 壓縮式制冷的熱力學原理壓縮式制冷的熱力學原理n逆卡諾制冷循環(huán)逆卡諾制冷循環(huán)n勞倫茨循環(huán)勞倫茨循環(huán)n制冷量、循環(huán)凈功、性能系數(shù)、循環(huán)效率的計算制冷量、循環(huán)凈功、性能系數(shù)、循環(huán)效率的計算n 單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)計算單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)計算n 多級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)計算多級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)計算n 復疊式制冷計算復疊式制冷計算n CO2跨臨界循環(huán)跨臨界循環(huán)蒸汽壓縮式制冷蒸汽壓縮式制冷：Power Engineering and Engineering Th

29、ermophysicsQingdao University蒸汽壓縮式制冷蒸汽壓縮式制冷：1）掌握各種蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的）掌握各種蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的基本原理基本原理和和循環(huán)過程循環(huán)過程2）掌握）掌握p-h圖圖和和T-s圖圖，并分析制冷循環(huán)過程和計算，并分析制冷循環(huán)過程和計算3）掌握各種蒸汽壓縮式制冷循環(huán)分析與計算）掌握各種蒸汽壓縮式制冷循環(huán)分析與計算壓縮式制冷的熱力學原理壓縮式制冷的熱力學原理逆卡諾制冷循環(huán)逆卡諾制冷循環(huán)勞倫茨循環(huán)勞倫茨循環(huán)制冷量、循環(huán)凈功、性能系數(shù)、循環(huán)效率的計算制冷量、循環(huán)凈功、性能系數(shù)、循環(huán)效率的計算單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)計算單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)計算多級蒸氣壓縮式制冷

30、循環(huán)計算多級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)計算復疊式制冷計算復疊式制冷計算4）掌握節(jié)流設別的特點及應用）掌握節(jié)流設別的特點及應用5）了解蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中的各種設備）了解蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中的各種設備6）了解）了解蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的運行控制方法蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的運行控制方法7）了解蒸汽壓縮式制冷的應用）了解蒸汽壓縮式制冷的應用Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University吸收式制冷：吸收式制冷：l 掌握兩種典型吸收工質對的主要性質和特點。掌握兩種典型吸收工質對的主要性質和特點。l 掌握掌握h-w圖，并能夠熟練運用該圖進行吸收式制冷循環(huán)的圖，并能夠熟練運用該圖進行吸收式制冷循