李崇祥主编节能原理与技术第8章

第8章热泵技术

要求:

1、了解热泵的节能原理和基本形式。2、掌握热泵的结构。8.1热泵的基本原理热泵就是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统。8.1.1热泵的发展与现状

1824年卡诺发表了逆卡诺循环----第一个提出热泵理论。1852年开尔文描述了热量倍增的设想----第一个提出热泵装置。1927年英国安装全球第一台家用热泵装置----采暖和加热水。20世纪50年代，天津大学在实验室制成我国第一台热泵系统。1965年上海冰箱厂研制成功制热量为3720KW的CKT-3A型热泵型窗式空调机。8.1.2热泵的分类与系统基本型式1、热泵的分类：2、热泵系统基本型式：常用的热泵的基本型式有：(1)闭式蒸气压缩循环----常规的制冷循环。(2)开式蒸气压缩循环----充分利用工业装置中多余的低压蒸气。第8章热泵技术

蒸气压缩式热泵

热泵分类工作原理

热源/供热介质组合方式

热泵用途气体压缩式热泵

蒸气喷射式热泵吸收式热泵

吸附式热泵

热电式热泵

化学热泵

空气-空气热泵

空气-水热泵

水-水热泵

水-空气热泵

土壤-空气热泵

土壤-水热泵

住宅用热泵

商用热泵

工业用热泵

电动机驱动热泵

热驱动热泵

单元式热泵机组

驱动方式

分体式热泵机组

现场安装式热泵机组

驱动方式

(3)带有换热器的开式蒸气压缩循环----开式蒸气压缩循环后面加装换热器，降低出口高压蒸气的温度。第8章热泵技术

8.1.1热泵的发展与现状

1、热泵的热源：

热泵的热源----可以利用的自然界低品位能源以及生产和生活中和余热、废热等。热泵的作用----把这些能够利用的低品位热量提升为高品位的热量向用热对象提供。热泵的热源应满足的基本要求：(1)热源的温度尽可能地高。(2)热源的热容量尽可能地大。(3)热源工质要有良好的物理化学性能。常用的热泵热源----(1)自然能源；(2)生产和生活中的余热热源第8章热泵技术

2、热泵的驱动能源：热泵常用的驱动能源：①电力、②热能和③发动机动力。8.1.4热泵的经济性指标1、热泵的性能系数(COP)：热泵的制热量与其所消耗的电能、机械能或者热能的比值。对于压缩式热泵，其COP可用制热系数(ε)表示：制热量

消耗的功

由热力学第一定律可知，理想热泵的COP恒大于1

。对于吸收式或者吸附式热泵，其COP可用制热系数(ξ)表示：制热量

消耗的热能

由热力学第一定律可知，对于吸收式热泵的COP恒大于1，对于吸附式热泵的COP不一定大于1。第8章热泵技术

1、热泵的季节性能系数(HSPE)：定义：HSPE=供热季节总的制热量／供热季节总的输入能量热损失17%发动机余热48%发动机功35%输入能量100%热源热量70%有用热量153%48%+35%+70%其他热损失10%燃烧设备热损失30%有用热量60%输入能量100%燃料燃烧直接采暖能量流图发动机驱动热泵采暖能量流图100%-10%-30%第8章热泵技术

从以上两种不同采暖方式的能量流图中不难看出，使用热泵的能量利用情况比燃料燃烧直接采暖的能量利用率高得多。8.2热泵原理及其理论循环8.2.1理想热泵循环实现热泵功能的理想循环有：①逆卡诺循环、②洛仑兹循环。1、逆卡诺循环----两个恒温热源之间的理想热泵循环(图示)。T-s图(逆卡诺循环)(1)工质从状态1等熵压缩至状态2时，单位工质所消耗的功：(2)工质从状态2向用热对象等温放热至状态3时，单位工质所放热量：(3)工质从状态3等熵膨胀至状态4时，单位工质所消耗的功为：第8章热泵技术

(4)工质从状态4可逆等温放热至状态1时，单位工质所放热量为：循环所消耗的净功为：执照逆卡诺循环工作的热泵的性能系数为：2、洛仑兹循环----在热源温度变化的情况下，由两个与热源做无温差传热的多变过程及两个等熵过程组成的逆向可逆循环。洛仑兹循环是由两个可逆吸、放热过程和两个等熵过程组成的。T-s图(洛仑兹循环)第8章热泵技术

(1)工质在状态2向用热对象可逆放热至状态3的过程中，单位工质的放热量为：(2)工质在状态4从热源可逆放热至状态1的过程中，单位工质放热量为：采用平均吸放热温度概念，工质的平均吸热温度

：工质的平均放热温度：循环消耗的净功为：由此可得，按照逆卡诺循环工作的热泵的性能系数为：第8章热泵技术

机械压缩式热泵理想循环----消耗电动机、发动机等所做的功，将工质从低温低压状态压缩至高温高压状态。TH的升高和TL的降低,ε升高

8.2.2机械压缩式热泵循环机械压缩式热泵气体压缩式热泵蒸汽压缩式热泵逆布雷顿热泵逆斯特林热泵1、蒸汽压缩式热泵循环冷凝器压缩机蒸发器节流阀循环由两个等压过程、一个等熵过程和一个绝热节流过程组成。工作过程：气态工质→压缩机→高温高压气态工质→冷凝器放热→液态工质→气态液态高温高压气态节流阀→低温低压液态工质→蒸发器吸热→气态工质。第8章热泵技术

(1)在等压放热和等压吸热过程中，单位工质的换热量为：(2)在等熵压缩过程中，单位工质所消耗的功量(循环净功量)为：(3)在绝热节流过程中，有：由此可得，按照逆朗肯循环工作的理想热泵性能系数为：

同理可得，压缩蒸汽热泵实际循环的性能系数为：2、逆布雷顿循环逆布雷顿循环的工质在循环中一直处于气态。

第8章热泵技术

理想情况下，逆布雷顿循环由两个可逆等压过程和两个等熵过程组成。(1)在等压放热过程中，单位工质向用热对象供热量为：

电动机膨胀机压缩机低压换热器高压换热器(2)等压吸热过程中，单位工质吸热量为：因此单位工质所消耗的净功量为：由此可得，逆布雷顿热泵循环的性能系数为：逆布雷顿循环系统示意图第8章热泵技术

3、逆斯特林循环逆斯特林热泵由两个气缸和两个活塞形成的膨胀腔和压缩腔、回热器、两个换热器等部件组成。工作原理：①起始状态1时，压缩腔和膨胀腔的活塞均处于右死点。②压缩腔活塞向左移动，膨胀腔活塞不动，气体被等温压缩至状态2，压缩过程的热量向用热对象供热。③压缩腔和膨胀腔一起向左移动，气体的体积保持不变，进行等容放热至状态3，所放的热量被回热器中的填料吸收。④压缩腔活塞不动，膨胀腔活塞向左膨胀腔压缩腔换热器回热器Ⅰ1Ⅱ2Ⅲ3Ⅳ4继续移动，气体等温膨胀至状态4，膨胀过程吸收热源的热量。逆斯特林循环系统示意图第8章热泵技术

理想情况下，逆斯特林循环由两个可逆等温过程和两个不可逆等容过程组成，下图为其温熵图和压焓图。在等温放热过程中，单位工质向用热对象供热量为：在等温吸热过程中，单位工质吸热量为：

根据2-3和4-1等容过程的特征，有：所以，单位工质循环所消耗的净功量为：即：因此，逆斯特林热泵循环的性能系数为：

第8章热泵技术

主要是利用高温蒸汽、燃料燃烧或者余热等热能直接驱动热泵工作(几乎没有机械运动部件)。1、蒸汽喷射式热泵(右图）8.2.3热力压缩式热泵循环锅炉蒸发器冷凝器82

喷射系数(μ)----喷射器的工作性能。蒸气喷射式热泵单位工质的制热量：相对于此制热量所消耗的热量为：由此可得，蒸气压缩式热泵的性能系数为：第8章热泵技术

2、吸收式热泵发生器

理想情况下，第一类吸收式热泵的性能系数为：理想情况下，第一类吸收式热泵的性能系数为：比较：第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵的最大区别在于，驱动第一类吸收式热泵的热源温度必须高于用热对象的温度，而第二吸收式热泵的热源温度则低于用热对象的温度(由于系统流程不同)

。所以第一类和

冷凝器

吸收器

蒸发器

发生器

冷凝器

吸收器

蒸发器

第一类吸收式热泵装置示意图第二类吸收式热泵装置示意图第二类吸收式热泵又分别称为增压型和升温型吸收式热泵。第8章热泵技术

3、吸附式热泵发生︱吸附器利用一些固体表面能够吸附气体（或液体），在一定条件下解吸出制冷剂蒸气这一特性完成热泵循环的。吸附式热泵的性能系数为：冷凝器

储液器

吸附式热泵装置示意图1、热电式热泵----两种不同的导体组成一个闭合的电路，并将导体的接触点分别处于不同温度之下时，就会在电路中产生一定的温差电动势。热电式热泵的性能系数为：蒸发器

制热量消耗热量8.2.4其他型式热泵NS热电式热泵装置示意图第8章热泵技术

2、化学热泵利用化学变化的热现象构造的热泵。一般的化学反应吸、放热表示为：8.3热泵工质和主要设备8.3.1热泵工质利用化学反应过程和化学反应的可逆性，构成一个热泵循环。

A+B

A+B

C+D

C+D

化学热泵循环示意图1、热泵工质的基本要求热泵工质就是热泵系统的工件液体。热泵工质的六个基本要求：(1)在使用条件上，化学稳定性和热稳定性要好。(2)使用安全，不易燃、不易爆，且无毒性。第8章热泵技术

(3)价格便宜，来源广泛。(4)具有优良的热力性质。(5)具有优良的热物理性质。(6)对大气环境无害，不破坏臭氧层，具有尽量低的温室效应。2、常用热泵工质及替代工质传统的热泵工质主要有：R22、R717、R12、R502、R11、R142b、134a等。HCFC

氨CFC

HCFC

HFC

CFC

CFC

CFC--氯氟烃类，已禁止使用；HCFC--氢氯氟烃，2030年后禁止使用；HFC--氢氟烃类，臭氧层破坏系数为0。《蒙特利尔议定书》，全称为”蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书”，1987年9月16日签署，1989年1月1日起生效

。

8.3.2热泵压缩机1、热泵压缩机的分类：热泵压缩机可分为容积型和速度型两大类。(1)容积型压缩机：容积型压缩机的吸、排气是间隙进行的，工质的流动并非连续稳定。第8章热泵技术

(2)速度型压缩机：压缩过程是连续的流动是稳定的。制冷压缩机

速度型压缩机

容积型压缩机

往复式压缩机

回转式压缩机

单螺杆式压缩机

双螺杆式压缩机

涡旋式压缩机

滑片式压缩机

滚动转子式压缩机

2、往复式压缩机----结构简单，工作可靠，易损件少，排气温度低。3、滚子转子式压缩机----损件少，结构紧凑，适合变速运动。4、涡旋式压缩机----效率高，体积小，质量轻，噪音低，结构简单且运动平稳。5、螺杆式压缩机----结构简单，易损件少，排气温度低。6、离心式压缩机----流量大，易实现多级压缩多级供热，运动平稳，磨损件少，寿命长。第8章热泵技术

8.3.3热泵换热器换热器是用来使热量从热流体传递到冷流体的设备。1、翅片管式换热器热管用翅片管式换热器有绕片管、扎片管和套片管三种型式。应用场合：空气-空气、水-空气和空气-水热泵装置。2、套管式换热器可用于工质工质与水之间的传热。应用场合：只适用于换热量不大的场合。第8章热泵技术

3、壳管式换热器热泵工质与水进行换热时，应用最多的换热器形式。应用场合：用于大型的水-空气和空气-水热泵装置。4、板式换热器热泵工质与水进行换热时广泛采用的换热器。8.3.4热泵的节流元件节流元件作用：工质降温降压。节流元件类型：热力膨胀阀、毛细管和电子膨胀阀等。第8章热泵技术

1、热力膨胀阀作用：(1)节流降压；(2)控制蒸发器热泵工质的流量和过热度。分类：整体式和拼装式两种(1)整体式膨胀阀：优点是制造工艺比较简单，内部结构紧凑；其主要是缺点是调节范围不够大。(2)拼装式膨胀阀：安装维修方便，调节范围大，只需更换阀芯组件就可适应不同制热量机组的需要，非常适合热泵装置。2、毛细管特点：结构简单、成本低、工作可靠，被广泛应用于小型热泵装置(家用冰箱空调)。第8章热泵技术

热泵装置中的毛细管由一段内径为0.4～2mm的细紫铜管做成，其内径和长度根据运行工况确定。3、电子膨胀阀分类：电磁式和电动式两类，而电动式又分为直动型和减速型两种。第8章热泵技术

8.4热泵的应用8.4.1热泵在废热回收中的应用1、