热泵技术135010041.doc

热泵技术热泵机组由于其具有节能、环保及冷暖联供等优点，目前在国内广泛应用。是以消耗一部分低品位能源（机械能、电能或高温热能）为补偿，使热能从低温热源向高温热源传递的装置。其实质是借助降低一定量的功的品位，提供品位较低而数量更多的能量。由于热泵能将低温热能转换为高温热能，提高能源的有效利用率，因此是回收低温余热、利用环境介质（地下水、地表水、土壤和室外空气等）中储存的能量的重要途径。1. 热泵技术的工作原理热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。通常用于热泵装置的低温热源是我们周围的介质空气、河水、海水，或者是从工业生产设备中排出助工质，这些工质常与周围介质具有相接近的温度。热泵装置的工作原理与压缩式制冷机是一致的；在小型空调器中，为了充分发挥它的效能，在夏季空调降温或在冬季取暖，都是使用同一套设备来完成的。在冬季取暖时，将空温器中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作，在夏季空调降温时，按制冷工况运行，由压缩机排出的高压蒸汽，经换向阀(又称四通阀)进入冷凝器，制冷剂蒸汽被冷凝成液体，经节流装置进入蒸发器，并在蒸发器中吸热，将室内空气冷却，蒸发后的制冷剂蒸汽，经换向阀后被压缩机吸入，这样周而复始，实现制冷循环。在冬季取暖时，先将换向阀转向热泵工作位置，于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽，经换向阀后流入室内蒸发器(作冷凝器用)，制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热，将室内空气加热，达到室内取暖目的，冷凝后的液态制冷剂，从反向流过节流装置进入冷凝器(作蒸发器用)，吸收外界热量而蒸发，蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入，完成制热循环。这样，将外界空气(或循环水)中的热量“泵”入温度较高的室内，故称为“热泵”。2. 热泵的分类现在我国主要利用的热泵技术，按低位热源分：水源（海水、污水、地下水、地表水等）热泵，地源（包括土壤、地下水）热泵，以及空气源热泵。2.1 水源热泵水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源，进行转换的空调技术。 水源热泵可分为地源热泵和水环热泵。地源热泵包括地下水热泵、地表水（江、河、湖、海）热泵、土壤源热泵；利用自来水的水源热泵习惯上被称为水环热泵。地球表面浅层水源（一般在1000 米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。2.2 地源热泵地源热泵是利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太阳能和地热能，并采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。 其中地源热泵机主要有两种形式：水水式或水空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。2.3 空气源热泵热泵则是消耗一定的机械能，将空气中低温热能“泵送”到高温位来供应热量需求的设备叫“空气源热泵”。一台完整的空气能热泵包含2个主要部分：制造冷气部分和加热热水部分。但其实这两个部分又是紧密的联系在一起的，密不可分，必须同时工作。即在加热热水的同时，给厨房制冷。或者说在给厨房制冷的同时也在加热热水。其内部结构主要由四个核心部件：压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器组成。其工作流程是这样的：压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量。同时，在风扇的作用下，大量的空气流过蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气排进厨房。随后吸收了一定能量的冷媒回流到压缩机，进入下一个循环。3. 各种热泵技术的开发3.1 压缩武热泵压缩式热泵按驱动源来分，可分为电动型和动力型两种。电动型蒸气压缩式热泵是依靠马达(电动机)驱动的；而动力型蒸气压缩式热泵是直接由柴油机、煤气机驱动的。它由电动型热泵发展而成。动力型热泵的性能系数比电动型的大，同时还具有能量较大、调节简单、部分负荷性能良好等优点。目前，国内外研究开发工业上用的高温蒸气压缩式热泵重点放在选择和改进现有的制冷机和制冷剂上，对于制热量较小的热泵系统通常选用往复式压缩机，以及在一定工作压力下提高换热器的换热性能。此外，还研制用气体来润滑的压缩机组，选择性能良好的制冷剂等。3.2 吸收式热泵吸收式热泵是单纯以热能为补偿热能，在吸收式制冷循环基础上发展起来的。常用的制冷剂是溴化锂水溶液。它又分为两种类型：I型吸收式热泵它是借消耗一部分高温热量将低温热量的温度提高到可以利用的中温程度的一种热泵，其性能系数大于1；型吸收式热泵不需要消耗高温热能就能使低温热量的温度提高，性能系数小于1。吸收式热泵的特点是能量大，主要用于宾馆、大楼、医院、游泳池以及工厂等。目前，世界上在运行的吸收式热泵主要是I型吸收式热泵，但型吸收式热泵应用前景更为广泛。3.3 化学热泵化学热泵是利用物质化学反应时产生的吸热和放热来组成热力循环的一种热泵，它可用于加热、制冷及提高能量的品位，具有其它类型热泵所没有的优点，即当化学反应停止时，它具有蓄能的功能。在80年代初，化学式热泵还处于实验阶段，近年来发展很快。能把废热提高到165oC的化学热泵已在美国、日本、俄罗斯和一些欧洲国家商品化，美国火箭研究所工业化学热泵公司研制成了44kW的硫酸水溶液化学热泵，而瑞典则研制了称之为“TEPIDUS”硫化钠水溶液化学热泵国内近年来尽管已开展了对化学热泵的研究。但由于已开发工质的化学性能不很稳定，且腐蚀性较强，对热泵系统材料要求较高，增加了热泵的投资费用，故至今实例化例子不多。3.4 吸附式热泵吸附式热泵的原理与吸附式制冷循环相同其工质由具有良好的吸附、解吸性能的固体微孔吸附剂和作为制冷剂的吸附介质组成，利用吸附和解吸的温度不同来组成热力循环、吸附介质在被吸附剂吸附时放出热量，解吸时则吸收热量。其热源可直接利用矿物燃料，也可利用太阳能等，国内外对吸附式热泵的研究较多，其发展和生产已有60多年。固体吸附式热泵噪声小、维护方便、寿命长，几乎不受地点限制，广泛用于工厂、农村、牧场、渔场、山区和民用设施的空调系统，对电力不足的地区尤为适用，固体吸附式制冷系统的非氯氟工质选择余地大，因此，这一技术成为近年来各国竞相研究开发的热点课题。由于节能的需要，吸附式热泵得到了迅速发展，在欧洲、日本和美国已进人了商品化生产阶段。4. 热泵技术在工业上的应用有些热泵每年在推广应用, 它们拥有下述的一些优点：、冷却水量减少。、同时供冷和供热, 从而减少安装和运行费用。、有好的控制性能, 从而保证产品的质量良好。、可在工业排放的废物中回收有市场价值的东西。如浓缩废液以削减送到回收中心的运输量。、改善工作条件。4.1 热泵技术用于静电涂漆预处理图1 用于静电涂漆预处理的排风热回收热泵图1表示一个用于静电涂漆预处理的热泵系统。热泵将清洗室中产生的蒸汽再压缩后冷凝，热泵的输出热使清洗水槽保持50oC的温度。大部分排放的蒸汽被回收和循环利用。结果，可以减少一半补给水量。同时，工作条件大大改善了。原先充满蒸汽的清洗室没有了蒸汽。此外，热泵系统还回收被蒸汽带走的清洗用的化学试剂，使其耗量减少30%。4.2 热泵系统用于印染厂图2用于印染厂的吸收式热泵系统图2是一个用于印染厂的吸收式热泵系统, 可以节省用水和能耗。热泵输出80oC热水用于印染机的加热。热泵的热源是40oC的高频干燥机的冷却水。吸收式热泵的驱动热源是由锅炉提供的0.7MPa蒸汽。使用热泵系统可节省印染用水20%, 减少印染用汽40%。高频干燥机的冷却热量 Qo=(40-25)10103=150103kcal/h=174.4kW印染机的加热量 Qh=(80-40)9.4103=376103kcal/h=437.2kW热泵性能系数 Eh=Qh/(Qh-Qo)=1.661.72, 因为有一部分输出热用于锅炉给水的加热。4.3 热泵应用于制酒厂图3应用于酒厂的燕汽再压缩热泵图3表示一个用于蒸煮麦芽的蒸汽再压缩热泵系统。制酒时, 麦芽经过粉碎, 与热水混合。在糖化过程中, 酶把淀粉的颗粒转化成发酵糖。麦芽汁与颗粒分离后进入蒸锅。煮沸的麦芽汁再进入发酵锅。在发酵过程中糖分转变成酒精和二氧化碳。这个过程不能用多效蒸发器来减少汽耗。因为只有在100oC以上, 香味才不致破坏。因此, 需要大量的热能和冷却水。这也是一个在酒厂应用热泵改善产品质量的例子。从麦芽蒸锅出来的蒸汽被压缩到压力0.16MPa,温度225oC。用喷水的办法使蒸汽冷却不致损坏麦芽汁。蒸汽进入压缩机前的过热可以防止叶轮由于喘振而产生点蚀。假设麦芽蒸锅前后麦芽汁的焓差为564.2kcal/kg(2361.8kJ/kg), 这个热泵系统的性能系数为Eh=10.4103564.2/(732860)=9.32因此, 麦芽蒸锅耗用热能减少到用蒸汽加热时的1/9, 并且不需要冷却水。此外, 这个热泵系统不需要专设冷凝器和蒸发器。麦芽蒸锅起了蒸发器冷凝器的作用。因此, 蒸汽再压缩热泵系统可以经济地用于浓缩各种溶液。4.4 废热蒸汽回收及换热网络某大型石油化工企业2PE装置在生产过程中耗用P=0.5MPa、1.3MPa、3.0MPa三种压力等级的蒸汽，在化工生产过程中，每小时连续排放低压付生蒸汽约3t/h，排放压力P=0.40-0.55 MPa。 2PE装置排放的付生蒸汽通过专门设置的废热蒸汽管线，除采暖季节供给采暖用户外，其它季节均排放到环境中去。 该企业PP装置耗用的P=0.65MPa，t=172过热蒸汽，其蒸汽来源于本公司热电厂,在本厂热力入口将P= 1.30MPa，t=230的蒸汽减压至0.75MPa，再通过设在PP装置内的过热蒸汽减压减温设备,由0.75MPa减至0.65MPa,由温度220减温至172（过热度为5）,供给PP装置工艺设备用汽。建立一个新的热泵供热系统回收2PE装置排放的二次蒸发汽，采用热泵将其增压后，供给满足PP装置所要求的压力、温度和数量的蒸汽。首先2PE装置付生蒸汽排放压力和原来对外排放工况相同，仍保持在0.45-0.55MPa之间。热泵供热系统适应付生蒸汽压力和流量变化的影响，少则少收，多则多收。当付生蒸汽压力波动及流量变化时，热泵供出的蒸汽压力、温度及流量均能满足PP装置的生产要求。 其次，下游PP装置供热系统可靠，热泵系统投运和退出均无扰动；再次，该热泵系统控制回路简便，投运和退出方便，付生蒸汽流量采用自动控制和调节，就是在2PE装置紧急停车时,付生蒸汽突然下降，蒸汽喷射式热泵压力调节系统仍会根据热泵出口压力参数值进行自动调节，保证PP装置生产供汽系统安全可靠。最后，该蒸汽喷射式热泵本身没有运转设备，热泵的关键部位喷嘴等均采用合金材质经特殊加工而成，耐磨损、耐高温、耐腐蚀，不需检修。符合不间断供汽要求，热泵运转状态良好。4.5 钢铁冶金焦化蒸氨塔热泵供热某化工有限公司煤气精制厂蒸氨塔工艺从国外引进。蒸氨塔釜采用P0.7MPa t210的过热蒸汽在加热氨水溶液的过程中，只利用了蒸汽汽化潜热，在加热过程中由于供热及用热两者能级相差较大，蒸汽能量的品位没有得到合理匹配，蒸汽能量品位产生了贬值，同时由蒸氨塔釜排出的含氨汽水混合物夹带着蒸汽，能量的数量也没有得到充分的回收利用。利用热力管网供给的新蒸汽和蒸氨塔用热的能量差做为热泵的动力，建立可调式蒸汽喷射式热泵系统，回收由塔釜排出的含氨汽水混合物中夹带的二次蒸发汽，采用喷射式热泵将其增压后，同新蒸汽一并做为供给氨蒸发塔釜加热用蒸汽，从而降低氨蒸发塔生产汽耗。采用蒸汽喷射式热泵替代蒸汽节流减压，回收二次蒸发汽，同时又将废水中的含氨蒸汽做为资源回收至蒸氨塔，减少了废水中含氨量，生产运行实例证明，本热泵供热系统起到了节能、环保、废物资源化等多重效益。5. 我国热泵利用的展望面向未来，热泵及其应用系统会被越来越广泛地采用。究其原因可认为有以下几点：(1)由于燃烧常规能源(石油、煤、天燃气等)而产生的烟灰、氧化物等有害物质对环境的污染已成为严重的问题，必须着手限制。(2)能源价格的上涨与常规能源数量的减少，要求人们必须节能 热泵所具有的用能效率高，运行的自动化和安全性，将会更多地满足人们的节能要求。(3)热泵具有利用以前不能利用的自然能源和排热能源这一优点。所有这些因素决定了今后热泵技术发展总趋势是发展高效率的供热、供冷热泵和超级热泵系统。具体就机械压缩式热泵来说，主要包括制冷剂侧的热泵控制、压缩机能