制冷循环与热泵

制冷循环与热泵要点1、制冷循环2、热泵3、热泵实例讲解4、发展趋势前言能量转换装置热能动力装置把热能转换成机械能供人们利用制冷装置和热泵消耗外部机械功（或其他形式能量），以实现热能由低温物体向高温物体转移，是一种逆向循环制冷循环与热泵区别制冷循环目的是从低温热源（如冷库）不断取走热量，以维持其低温热泵目的是向高温物体（如供暖建筑物）提供热量，以保持其高温制冷循环与热泵的热力学本质是相同的，都是使热量从低温物体传向高温物体。制冷与热泵循环的经济性指标1HNETLNETTQQ式中，热泵供暖系数（热泵工作性能系数COP）；制冷循环的制冷系数（制冷装置的工作性能系数COP）；QH供给室内空气的热量；QL取自环境介质的热量；NET供给系统的净功。一、制冷循环制冷系统的工作原理，制冷系统（压缩式制冷）一般由四部分组成压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为低温低压的液态制冷剂（例如氟利昂），首先在蒸发器（例如空调室内机）里从高温热源（例如常温空气）吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气体在冷凝器内被低温热源（例如冷却水）冷却凝结成高压液体。再经节流元件（毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等）节流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制冷循环。制冷循环分类消耗机械功压缩气体、压缩蒸气消耗热能吸收式消耗高压蒸气气流引射式消耗电能热电制冷（半导体）11、压缩空气制冷循环图中TC为冷库中需要保持的温度，TO为环境温度。从冷库出来的空气（状态1），T1TC；进入压气机后被绝热压缩到状态2，此时温度已高于TO；然后进入冷却器，在定压下将热量传给冷却水，达到状态3，T3TO；再导入膨胀机绝热膨胀到状态4，此时温度已低于TC；最后进入冷库，在定压下自冷库吸收热量，回到状态1，完成循环。12、吸收式制冷循环吸收式制冷循环利用制冷剂在溶液中不同温度下具有不同溶解度的特性，使制冷剂在较低的温度和压力下被吸收剂（即溶剂）吸收，同时又使它在较高的温度和压力下从溶液中蒸发，完成循环实现制冷目的。下面以溴化锂为吸收剂、水作制冷剂的吸收式制冷循环为例进行说明。从冷凝器流出的饱和水经节流阀降压降温，形成干度很小的湿饱和蒸汽。进入蒸发器从冷库吸热，定压汽化，成为干度很大的湿饱和蒸汽或干饱和蒸汽，送入吸收器。与此同时，蒸汽发生器中因水蒸发而浓度升高的溴化锂溶液经减压阀后也流入吸收器，吸收从蒸发器来的饱和水蒸气，生成稀溴化锂溶液，吸收过程中放出的热量由冷却水带走。稀溴化锂溶液由溶液泵加压送入蒸汽发生器并被加热。由于温度升高，水在溴化锂溶液中的溶解度降低，蒸汽逸出液面形成与溶液平衡的较高压力、较高温度的水蒸气。水蒸气进入冷凝器，放热凝结成饱和水，完成循环。二、热泵热泵HEATPUMP是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，也是全世界倍受关注的新能源技术。它不同于人们所熟悉的可以提高位能的机械设备“泵”；热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。通常热泵的供暖系数为34左右，也就是说，热泵能够将自身所需能量的3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体。所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取47倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。欧美日都在竞相开发新型的热泵。据报导新型的热泵的供暖系数可6到8。如果这一数值能够得到普及的话，这意味着能源将得到更有效的利用。热泵的分类如下按蒸发器中热源空气源热泵水源热泵地下水源热泵、地表水源热泵地源热泵土壤源热泵复合热泵太阳空气源、太阳水源、土壤水源按工作原理不同蒸气压缩式通过工质相变实现气体压缩式工质始终是气体，无相变吸收式水溴化锂、氨水蒸汽喷射式热电势化学热泵三、热泵循环实例31、回收循环水余热的热泵供热系统背景能源危机已逐渐成为全球所面临的重要问题。由于煤炭、石油、天然气等储量有限以及燃用这些能源所带来的环境问题，近年来人们越来越重视能量梯级利用及余热回收。我国北方城市季节性特征明显，采暖期一般为46个月，因此该地区采暖供热的需求较大，利用大型区域性热电厂进行集中供热，可节约能源、减少环境污染，具有较高的热经济性，成为我国北方地区冬季供热的主要方式。调节抽汽式供热机组已成为我国集中供热的主力机组。如图4所示，传统供热方式中，汽轮机抽汽直接进入热网加热器中，将热网水从55加热至130左右。从能量梯级利用角度来看，其存在的问题主要有直接利用汽轮机抽汽温度高达230在热网加热器中加热热网返回水，将热网返回水从55左右加热到130左右，热网加热器中换热温差大，存在很大的不可逆损失，抽汽的热能并没有得到高效利用；汽轮机排汽的潜热在凝汽器中被循环水带走，并最终散失于环境中，循环水的余热没有得到有效利用。为此引入热泵供热。如图5所示，在热泵供热方式中，先利用部分汽轮机抽汽驱动溴化锂吸收式热泵，将热网返回水从55加热至80，同时回收部分循环水余热，而后再利用汽轮机抽汽在峰载加热器中将热网水从80加热至130。吸收式热泵能够有效利用低品位热能，例如太阳能、地热能和工艺废热等，具有对环境污染小的优点。将电站循环水作为低温热源，利用吸收式热泵提高其品位，可实现向用户供热，一方面回收了循环水余热，提高供热系统的供热量，解决供热系统的供需矛盾；另一方面，进入热网加热器的热网水温度升高，热网加热器中的不可逆损失减少，抽汽热能得到了有效利用。溴化锂吸收式热泵是利用溴化锂溶液的吸收特性，实现热量从低温热源向高温热源的传递。如图6所示，利用汽轮机部分抽汽，将进入发生器G的溴化锂稀溶液11加热，水汽化后，溴化锂稀溶液变为浓溶液12。溴化锂浓溶液通过溶液热交换器预热进入发生器的稀溶液10，而后进入吸收器A，在其中吸收来自蒸发器E的水蒸气17而变成稀溶液9。在吸收过程中放出的热量用于加热热网水1，溴化锂稀溶液9被泵打入发生器，从而完成溶液的循环。发生器中受热汽化的水蒸气14则进入冷凝器C被冷凝成水，其放出的热量也被用于加热热网水。冷凝器内凝结形成的水15节流后进入蒸发器，在其中被循环水加热成饱和蒸汽17，而后进入吸收器，被从发生器来的浓溶液13吸收，如此反复循环。热网返回水则依次在吸收器、冷凝器和峰载加热器内吸热，而后给热用户供热。五个循环热网水循环1A2C341溴化锂溶液循环91011G1213A9蒸汽循环17A91011G14C1516E17循环水18E1918汽轮机抽汽5G65五个部件蒸发器利用循环水的余热将湿饱和蒸汽加热为干饱和蒸汽吸收器溴化锂浓溶液吸收水蒸气过程中放出的热量用于加热热网水蒸汽发生器利用汽轮机部分抽汽加热溴化锂溶液，使汽液分离溶液热交换器流出吸收器的稀溶液与流出发生器的浓溶液进行热交换冷凝器发生器产生的过热水蒸气在冷凝器中凝结，放出的热量用于加热热网水32、基于真空闪蒸闪凝热泵的发电厂深度节能、节水技术（通过脱硫浆液回收烟气余热）回收湿法脱硫后烟气中的水蒸气和潜热具有节能、节水和环保的多重效益。山东大学燃煤污染物减排国家工程实验室提出的真空闪蒸闪凝热泵技术（简称“FECHP”技术）克服了烟气余热回收的技术难题，最大限度地回收了了烟气余热和水。工艺系统图如图7所示，在湿法烟气脱硫系统的基础上附加一套浆液真空闪蒸闪凝装置（FEC）和热泵系统（HP），部分脱硫浆液被循环浆液泵抽出后进入真空闪蒸闪凝装置发生低温闪蒸，未发生闪蒸的冷浆液重新被喷入脱硫吸收塔与烟气接触换热，将烟气温度进一步降低，浆液吸收温度后继续进行下一步循环。在FEC装置中，发生闪蒸的水分蒸发得到闪蒸蒸汽，遇冷发生闪凝得到净化水，同时释放的凝结潜热被热泵系统的蒸发器吸收，经过热泵提温提质后可以用于预热空气、对外供热以及烟气再热。利用方式一集中供热，如图8所示。与31的区别是，循环水变成了脱硫浆液，分析方法是一样的。利用方式二前置式空气预热器，如图9所示。与31的区别是，热网水变成了空气，循环水变成了脱硫浆液，分析方法是一样的。33、热泵的其他应用1、烟气余热回收（吸收式热泵）2、钢铁企业炉渣余热利用（吸收式热泵）3、工业园区空调冷热源系统（地源热泵、水源热泵）4、建筑设计中暖通节能技术（暖通空调）5、水源热泵冰蓄冷系统作为独特的空调冷热源形式在商业建筑中的应用（水源热泵）6、基于地源热泵的铁路道岔融雪系统（地源热泵）7、太阳能光伏光热恒温泳池系统（空气源热泵）8、蓄热型太阳能热泵LPG气化系统在住宅小区的应用（太阳能热泵）9、矿井降温与热能利用一体化（某种热泵）10、典型纯电动汽车空调系统11、天然气和热泵替代燃煤供暖（空气源热泵）12、城市污水源热泵在建筑节能中的应用（污水源热泵）13、医院地源热泵空调系统（地源热泵）14、城市污水处理厂利用产出沼气驱动热泵以回收污水中余热（沼气机热泵）15、热泵节能型烤烟技术16、吸收式热泵在染纱厂废水余热回收中的应用（吸收式热泵）四、发展过程及趋势热泵技术是近年来在全世界非常受关注的新能源技术。“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。纵观热泵技术的历史发展状况，可以看出所有的热泵科技都与能源有着密不可分的联系，所以，一些自然资源十分缺少的地区（比如欧洲、日本）十分看重热泵技术的发展和研制，至今其技艺在世界仍旧数一数二。自1990年之后，热泵技术的研制便一直处于上升阶段，在21世纪时表现尤为明显，众多国家因为能源不足所带来的压力和本国经济发展的最终水平，成为研制热泵技术的最大动力。20世纪70年代以来，热泵工业进入了黄金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视。诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划。热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。相对世界热泵的发展，中国热泵的研究工作起步约晚2030年左右。新中国成立后，随着工业建设新高潮的到来，热泵技术才开始引入中国。进入21世纪后，由于中国沿海地区的快速城市化、人均GDP的增长等因素拉动了中国空调市场的发展，促进了热泵在中国的应用越来越广泛。经过多年的培育，中国热泵行业开始从导入期转入成长期。热泵行业快速发展，一方面得益于能源紧张使得热泵节能优势越来越明显，另一方面与多方力量的加入推动行业技术创新有很大关系。随着中央政府节能减排政策的推进和能源趋紧，尤其是电力短缺，全国各地方政府纷纷采取了许多积极有效的措施来应对，鼓励使用热泵产品就是其应对措施之一，这些积极的鼓励政策给热泵市场注入了活力，并在华东、华南、华北等地区形成了热泵经济带，热泵市场悄然升温。2009年7月28日，中国热泵产业联盟在上海宣告