李崇祥主編節(jié)能原理與技術(shù)第8章

第8章熱泵技術(shù)

要求:

1、了解熱泵的節(jié)能原理和基本形式。2、掌握熱泵的結(jié)構(gòu)。8.1熱泵的基本原理熱泵就是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)。8.1.1熱泵的發(fā)展與現(xiàn)狀

1824年卡諾發(fā)表了逆卡諾循環(huán)----第一個(gè)提出熱泵理論。1852年開爾文描述了熱量倍增的設(shè)想----第一個(gè)提出熱泵裝置。1927年英國安裝全球第一臺家用熱泵裝置----采暖和加熱水。20世紀(jì)50年代，天津大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室制成我國第一臺熱泵系統(tǒng)。1965年上海冰箱廠研制成功制熱量為3720KW的CKT-3A型熱泵型窗式空調(diào)機(jī)。8.1.2熱泵的分類與系統(tǒng)基本型式1、熱泵的分類：2、熱泵系統(tǒng)基本型式：常用的熱泵的基本型式有：(1)閉式蒸氣壓縮循環(huán)----常規(guī)的制冷循環(huán)。(2)開式蒸氣壓縮循環(huán)----充分利用工業(yè)裝置中多余的低壓蒸氣。第8章熱泵技術(shù)

蒸氣壓縮式熱泵

熱泵分類工作原理

熱源/供熱介質(zhì)組合方式

熱泵用途氣體壓縮式熱泵

蒸氣噴射式熱泵吸收式熱泵

吸附式熱泵

熱電式熱泵

化學(xué)熱泵

空氣-空氣熱泵

空氣-水熱泵

水-水熱泵

水-空氣熱泵

土壤-空氣熱泵

土壤-水熱泵

住宅用熱泵

商用熱泵

工業(yè)用熱泵

電動機(jī)驅(qū)動熱泵

熱驅(qū)動熱泵

單元式熱泵機(jī)組

驅(qū)動方式

分體式熱泵機(jī)組

現(xiàn)場安裝式熱泵機(jī)組

驅(qū)動方式

(3)帶有換熱器的開式蒸氣壓縮循環(huán)----開式蒸氣壓縮循環(huán)后面加裝換熱器，降低出口高壓蒸氣的溫度。第8章熱泵技術(shù)

8.1.1熱泵的發(fā)展與現(xiàn)狀

1、熱泵的熱源：

熱泵的熱源----可以利用的自然界低品位能源以及生產(chǎn)和生活中和余熱、廢熱等。熱泵的作用----把這些能夠利用的低品位熱量提升為高品位的熱量向用熱對象提供。熱泵的熱源應(yīng)滿足的基本要求：(1)熱源的溫度盡可能地高。(2)熱源的熱容量盡可能地大。(3)熱源工質(zhì)要有良好的物理化學(xué)性能。常用的熱泵熱源----(1)自然能源；(2)生產(chǎn)和生活中的余熱熱源第8章熱泵技術(shù)

2、熱泵的驅(qū)動能源：熱泵常用的驅(qū)動能源：①電力、②熱能和③發(fā)動機(jī)動力。8.1.4熱泵的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)1、熱泵的性能系數(shù)(COP)：熱泵的制熱量與其所消耗的電能、機(jī)械能或者熱能的比值。對于壓縮式熱泵，其COP可用制熱系數(shù)(ε)表示：制熱量

消耗的功

由熱力學(xué)第一定律可知，理想熱泵的COP恒大于1

。對于吸收式或者吸附式熱泵，其COP可用制熱系數(shù)(ξ)表示：制熱量

消耗的熱能

由熱力學(xué)第一定律可知，對于吸收式熱泵的COP恒大于1，對于吸附式熱泵的COP不一定大于1。第8章熱泵技術(shù)

1、熱泵的季節(jié)性能系數(shù)(HSPE)：定義：HSPE=供熱季節(jié)總的制熱量／供熱季節(jié)總的輸入能量熱損失17%發(fā)動機(jī)余熱48%發(fā)動機(jī)功35%輸入能量100%熱源熱量70%有用熱量153%48%+35%+70%其他熱損失10%燃燒設(shè)備熱損失30%有用熱量60%輸入能量100%燃料燃燒直接采暖能量流圖發(fā)動機(jī)驅(qū)動熱泵采暖能量流圖100%-10%-30%第8章熱泵技術(shù)

從以上兩種不同采暖方式的能量流圖中不難看出，使用熱泵的能量利用情況比燃料燃燒直接采暖的能量利用率高得多。8.2熱泵原理及其理論循環(huán)8.2.1理想熱泵循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱泵功能的理想循環(huán)有：①逆卡諾循環(huán)、②洛侖茲循環(huán)。1、逆卡諾循環(huán)----兩個(gè)恒溫?zé)嵩粗g的理想熱泵循環(huán)(圖示)。T-s圖(逆卡諾循環(huán))(1)工質(zhì)從狀態(tài)1等熵壓縮至狀態(tài)2時(shí)，單位工質(zhì)所消耗的功：(2)工質(zhì)從狀態(tài)2向用熱對象等溫放熱至狀態(tài)3時(shí)，單位工質(zhì)所放熱量：(3)工質(zhì)從狀態(tài)3等熵膨脹至狀態(tài)4時(shí)，單位工質(zhì)所消耗的功為：第8章熱泵技術(shù)

(4)工質(zhì)從狀態(tài)4可逆等溫放熱至狀態(tài)1時(shí)，單位工質(zhì)所放熱量為：循環(huán)所消耗的凈功為：執(zhí)照逆卡諾循環(huán)工作的熱泵的性能系數(shù)為：2、洛侖茲循環(huán)----在熱源溫度變化的情況下，由兩個(gè)與熱源做無溫差傳熱的多變過程及兩個(gè)等熵過程組成的逆向可逆循環(huán)。洛侖茲循環(huán)是由兩個(gè)可逆吸、放熱過程和兩個(gè)等熵過程組成的。T-s圖(洛侖茲循環(huán))第8章熱泵技術(shù)

(1)工質(zhì)在狀態(tài)2向用熱對象可逆放熱至狀態(tài)3的過程中，單位工質(zhì)的放熱量為：(2)工質(zhì)在狀態(tài)4從熱源可逆放熱至狀態(tài)1的過程中，單位工質(zhì)放熱量為：采用平均吸放熱溫度概念，工質(zhì)的平均吸熱溫度

：工質(zhì)的平均放熱溫度：循環(huán)消耗的凈功為：由此可得，按照逆卡諾循環(huán)工作的熱泵的性能系數(shù)為：第8章熱泵技術(shù)

機(jī)械壓縮式熱泵理想循環(huán)----消耗電動機(jī)、發(fā)動機(jī)等所做的功，將工質(zhì)從低溫低壓狀態(tài)壓縮至高溫高壓狀態(tài)。TH的升高和TL的降低,ε升高

8.2.2機(jī)械壓縮式熱泵循環(huán)機(jī)械壓縮式熱泵氣體壓縮式熱泵蒸汽壓縮式熱泵逆布雷頓熱泵逆斯特林熱泵1、蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)冷凝器壓縮機(jī)蒸發(fā)器節(jié)流閥循環(huán)由兩個(gè)等壓過程、一個(gè)等熵過程和一個(gè)絕熱節(jié)流過程組成。工作過程：氣態(tài)工質(zhì)→壓縮機(jī)→高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)→冷凝器放熱→液態(tài)工質(zhì)→氣態(tài)液態(tài)高溫高壓氣態(tài)節(jié)流閥→低溫低壓液態(tài)工質(zhì)→蒸發(fā)器吸熱→氣態(tài)工質(zhì)。第8章熱泵技術(shù)

(1)在等壓放熱和等壓吸熱過程中，單位工質(zhì)的換熱量為：(2)在等熵壓縮過程中，單位工質(zhì)所消耗的功量(循環(huán)凈功量)為：(3)在絕熱節(jié)流過程中，有：由此可得，按照逆朗肯循環(huán)工作的理想熱泵性能系數(shù)為：

同理可得，壓縮蒸汽熱泵實(shí)際循環(huán)的性能系數(shù)為：2、逆布雷頓循環(huán)逆布雷頓循環(huán)的工質(zhì)在循環(huán)中一直處于氣態(tài)。

第8章熱泵技術(shù)

理想情況下，逆布雷頓循環(huán)由兩個(gè)可逆等壓過程和兩個(gè)等熵過程組成。(1)在等壓放熱過程中，單位工質(zhì)向用熱對象供熱量為：

電動機(jī)膨脹機(jī)壓縮機(jī)低壓換熱器高壓換熱器(2)等壓吸熱過程中，單位工質(zhì)吸熱量為：因此單位工質(zhì)所消耗的凈功量為：由此可得，逆布雷頓熱泵循環(huán)的性能系數(shù)為：逆布雷頓循環(huán)系統(tǒng)示意圖第8章熱泵技術(shù)

3、逆斯特林循環(huán)逆斯特林熱泵由兩個(gè)氣缸和兩個(gè)活塞形成的膨脹腔和壓縮腔、回?zé)崞?、兩個(gè)換熱器等部件組成。工作原理：①起始狀態(tài)1時(shí)，壓縮腔和膨脹腔的活塞均處于右死點(diǎn)。②壓縮腔活塞向左移動，膨脹腔活塞不動，氣體被等溫壓縮至狀態(tài)2，壓縮過程的熱量向用熱對象供熱。③壓縮腔和膨脹腔一起向左移動，氣體的體積保持不變，進(jìn)行等容放熱至狀態(tài)3，所放的熱量被回?zé)崞髦械奶盍衔?。④壓縮腔活塞不動，膨脹腔活塞向左膨脹腔壓縮腔換熱器回?zé)崞鳍?Ⅱ2Ⅲ3Ⅳ4繼續(xù)移動，氣體等溫膨脹至狀態(tài)4，膨脹過程吸收熱源的熱量。逆斯特林循環(huán)系統(tǒng)示意圖第8章熱泵技術(shù)

理想情況下，逆斯特林循環(huán)由兩個(gè)可逆等溫過程和兩個(gè)不可逆等容過程組成，下圖為其溫熵圖和壓焓圖。在等溫放熱過程中，單位工質(zhì)向用熱對象供熱量為：在等溫吸熱過程中，單位工質(zhì)吸熱量為：

根據(jù)2-3和4-1等容過程的特征，有：所以，單位工質(zhì)循環(huán)所消耗的凈功量為：即：因此，逆斯特林熱泵循環(huán)的性能系數(shù)為：

第8章熱泵技術(shù)

主要是利用高溫蒸汽、燃料燃燒或者余熱等熱能直接驅(qū)動熱泵工作(幾乎沒有機(jī)械運(yùn)動部件)。1、蒸汽噴射式熱泵(右圖）8.2.3熱力壓縮式熱泵循環(huán)鍋爐蒸發(fā)器冷凝器82

噴射系數(shù)(μ)----噴射器的工作性能。蒸氣噴射式熱泵單位工質(zhì)的制熱量：相對于此制熱量所消耗的熱量為：由此可得，蒸氣壓縮式熱泵的性能系數(shù)為：第8章熱泵技術(shù)

2、吸收式熱泵發(fā)生器

理想情況下，第一類吸收式熱泵的性能系數(shù)為：理想情況下，第一類吸收式熱泵的性能系數(shù)為：比較：第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵的最大區(qū)別在于，驅(qū)動第一類吸收式熱泵的熱源溫度必須高于用熱對象的溫度，而第二吸收式熱泵的熱源溫度則低于用熱對象的溫度(由于系統(tǒng)流程不同)

。所以第一類和

冷凝器

吸收器

蒸發(fā)器

發(fā)生器

冷凝器

吸收器

蒸發(fā)器

第一類吸收式熱泵裝置示意圖第二類吸收式熱泵裝置示意圖第二類吸收式熱泵又分別稱為增壓型和升溫型吸收式熱泵。第8章熱泵技術(shù)

3、吸附式熱泵發(fā)生︱吸附器利用一些固體表面能夠吸附氣體（或液體），在一定條件下解吸出制冷劑蒸氣這一特性完成熱泵循環(huán)的。吸附式熱泵的性能系數(shù)為：冷凝器

儲液器

吸附式熱泵裝置示意圖1、熱電式熱泵----兩種不同的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合的電路，并將導(dǎo)體的接觸點(diǎn)分別處于不同溫度之下時(shí)，就會在電路中產(chǎn)生一定的溫差電動勢。熱電式熱泵的性能系數(shù)為：蒸發(fā)器

制熱量消耗熱量8.2.4其他型式熱泵NS熱電式熱泵裝置示意圖第8章熱泵技術(shù)

2、化學(xué)熱泵利用化學(xué)變化的熱現(xiàn)象構(gòu)造的熱泵。一般的化學(xué)反應(yīng)吸、放熱表示為：8.3熱泵工質(zhì)和主要設(shè)備8.3.1熱泵工質(zhì)利用化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)的可逆性，構(gòu)成一個(gè)熱泵循環(huán)。

A+B

A+B

C+D

C+D

化學(xué)熱泵循環(huán)示意圖1、熱泵工質(zhì)的基本要求熱泵工質(zhì)就是熱泵系統(tǒng)的工件液體。熱泵工質(zhì)的六個(gè)基本要求：(1)在使用條件上，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要好。(2)使用安全，不易燃、不易爆，且無毒性。第8章熱泵技術(shù)

(3)價(jià)格便宜，來源廣泛。(4)具有優(yōu)良的熱力性質(zhì)。(5)具有優(yōu)良的熱物理性質(zhì)。(6)對大氣環(huán)境無害，不破壞臭氧層，具有盡量低的溫室效應(yīng)。2、常用熱泵工質(zhì)及替代工質(zhì)傳統(tǒng)的熱泵工質(zhì)主要有：R22、R717、R12、R502、R11、R142b、134a等。HCFC

氨CFC

HCFC

HFC

CFC

CFC

CFC--氯氟烴類，已禁止使用；HCFC--氫氯氟烴，2030年后禁止使用；HFC--氫氟烴類，臭氧層破壞系數(shù)為0?！睹商乩麪栕h定書》，全稱為”蒙特利爾破壞臭氧層物質(zhì)管制議定書”，1987年9月16日簽署，1989年1月1日起生效

。

8.3.2熱泵壓縮機(jī)1、熱泵壓縮機(jī)的分類：熱泵壓縮機(jī)可分為容積型和速度型兩大類。(1)容積型壓縮機(jī)：容積型壓縮機(jī)的吸、排氣是間隙進(jìn)行的，工質(zhì)的流動并非連續(xù)穩(wěn)定。第8章熱泵技術(shù)

(2)速度型壓縮機(jī)：壓縮過程是連續(xù)的流動是穩(wěn)定的。制冷壓縮機(jī)

速度型壓縮機(jī)

容積型壓縮機(jī)

往復(fù)式壓縮機(jī)

回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)

單螺桿式壓縮機(jī)

雙螺桿式壓縮機(jī)

渦旋式壓縮機(jī)

滑片式壓縮機(jī)

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)

2、往復(fù)式壓縮機(jī)----結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，易損件少，排氣溫度低。3、滾子轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)----損件少，結(jié)構(gòu)緊湊，適合變速運(yùn)動。4、渦旋式壓縮機(jī)----效率高，體積小，質(zhì)量輕，噪音低，結(jié)構(gòu)簡單且運(yùn)動平穩(wěn)。5、螺桿式壓縮機(jī)----結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，排氣溫度低。6、離心式壓縮機(jī)----流量大，易實(shí)現(xiàn)多級壓縮多級供熱，運(yùn)動平穩(wěn)，磨損件少，壽命長。第8章熱泵技術(shù)

8.3.3熱泵換熱器換熱器是用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備。1、翅片管式換熱器熱管用翅片管式換熱器有繞片管、扎片管和套片管三種型式。應(yīng)用場合：空氣-空氣、水-空氣和空氣-水熱泵裝置。2、套管式換熱器可用于工質(zhì)工質(zhì)與水之間的傳熱。應(yīng)用場合：只適用于換熱量不大的場合。第8章熱泵技術(shù)

3、殼管式換熱器熱泵工質(zhì)與水進(jìn)行換熱時(shí)，應(yīng)用最多的換熱器形式。應(yīng)用場合：用于大型的水-空氣和空氣-水熱泵裝置。4、板式換熱器熱泵工質(zhì)與水進(jìn)行換熱時(shí)廣泛采用的換熱器。8.3.4熱泵的節(jié)流元件節(jié)流元件作用：工質(zhì)降溫降壓。節(jié)流元件類型：熱力膨脹閥、毛細(xì)管和電子膨脹閥等。第8章熱泵技術(shù)

1、熱力膨脹閥作用：(1)節(jié)流降壓；(2)控制蒸發(fā)器熱泵工質(zhì)的流量和過熱度。分類：整體式和拼裝式兩種(1)整體式膨脹閥：優(yōu)點(diǎn)是制造工藝比較簡單，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊；其主要是缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍不夠大。(2)拼裝式膨脹閥：安裝維修方便，調(diào)節(jié)范圍大，只需更換閥芯組件就可適應(yīng)不同制熱量機(jī)組的需要，非常適合熱泵裝置。2、毛細(xì)管特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠，被廣泛應(yīng)用于小型熱泵裝置(家用冰箱空調(diào))。第8章熱泵技術(shù)

熱泵裝置中的毛細(xì)管由一段內(nèi)徑為0.4～2mm的細(xì)紫銅管做成，其內(nèi)徑和長度根據(jù)運(yùn)行工況確定。3、電子膨脹閥分類：電磁式和電動式兩類，而電動式又分為直動型和減速型兩種。第8章熱泵技術(shù)

8.4熱泵的應(yīng)用8.4.1熱泵在廢熱回收中的應(yīng)用1、