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1、35 热泵原理及应用 引言：19世纪提出热泵基本原理，20世纪20年代末付诸使用，20世纪40年代开始用于空调，70年代后，因能源和环境污染问题日趋严重，才进一步受到重视 热泵的作用是从环境中吸取热量，并把它传递给被加热对象(温度较高的工质)，其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，不同的是工作温度范围。 热泵技术第一个特点：它能长期地、大规模地利用江河湖海、城市污水、工业污水、土壤或空气中低温热能。广泛应用于供热、制冷、加热或其它工业领域。 热泵技术第二个特点：是目前世界上最节省一次能源(即煤、石油、天然气等)的供热系统。它能用少量不可再生的能源(如电能)将大量的低温热能升为高温热
2、能。例如，电热采暖消耗lkWh的电，最多只能提供认1W.h的热；而一般设计施工好的热泵系统，消耗1kW.h的电，就可提供4kW.h的热。例如：同样提供10kW.h的热，采用电阻式采暖，就需消耗34kW.h的一次能源(其中包括24kW11的发电与输配电损失)；采用高效率的燃油、燃气锅炉采暖，如不计算管道的热损耗，还需消耗29比Wh的一次能源；而采用电热泵采暖只需消耗2.7kW.h的电能，再加上发电与输配电损失3.3kWh，总计只消耗6kWh的一次能源。热泵技术所消耗的一次能源仅是前两种供热方式的l5或近16。 热泵技术第三个特点：定条件下可以逆向使用，既可供热，也可用以制冷。 热泵定义：是一种将
3、低温物体中的热能传递至高温物体中的装置。应用热泵，可以把那些不能直接利用的低温热能变为有用热能，提高能量利用率，节省燃料。,351 热泵原理 热泵是利用载热工质，从低温处吸取热量，并在高温处放出热量。所以其工作原理和系统组成与制冷系统完全相同，只不过制冷着眼于从低温处吸热，将低温物体的温度再降低，而热泵的目的是向高温处放热，将高温物体的温度升得更高，从而使本来难以回收的低温余热得到重新利用。 分类：常用的热泵有压缩式、吸收式、蒸汽喷射式和第二类吸收式热泵 。 3511 压缩式热泵 压缩式热泵组成：主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成。 工作原理：通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中热量
4、)-压缩-冷凝(放出热量)-节流一再蒸发的热力循环过程，将环境里的热量转移到工质中。热泵在工作时，将环境介质中储存的热量Q2在蒸发器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即压缩机电功W ；通过工质循环系统在冷凝器中进行放热Q1，Q1Q2+W。热泵输出的热量为压缩机做功W和热泵从环境中吸收热量Q2之和。 从热力学原理知，将热能从低温处传至高温处，必须消耗一定的能量(热能或机械功)。热泵传给高温处的热量Q1为从低温处吸取的热量Q2与所消耗能量W之和。,热泵“供热系数（工作系数或性能系数）COP (Coefficient of Performance)定义： 高温介质获得热量与消耗能量之比。,在理论上逆
5、卡诺循环工作时，若以温度来表示，,讨论：温差T1-T2越小， 越大， 热泵消耗能量越小。,3512 吸收式热泵 吸收式热泵是热泵的另一种主要形式，也是吸收式制冷机的另一种应用。吸收式热泵和压缩机热泵的区别在于，它是利用吸收剂在加热和冷却时对载热工质的吸收和放出，使工质溶液浓度发生变化，从而改变载热工质的压力，以此来取代压缩机。因此在载热工质将热量从低温热源转移到高温物体的过程中，可不消耗机械能，但需消耗一部分高温驱动热量。 3512 吸收式热泵 吸收式热泵是热泵的另一种主要形式，也是吸收式制冷机的另一种应用。吸收式热泵和压缩机热泵的区别在于，它是利用吸收剂在加热和冷却时对载热工质的吸收和放出，
6、使工质溶液浓度发生变化，从而改变载热工质的压力，以此来取代压缩机。因此在载热工质将热量从低温热源转移到高温物体的过程中，可不消耗机械能，但需消耗一部分高温驱动热量。 目前生产的吸收式热泵分为两类：第一类吸收式热泵是消耗少量高温的驱动热能(蒸汽或燃料)，从低温热源中吸取热量，制备高温热水(热水的温度低于驱动热源温度)；第二类吸收式热泵不需要专门的高温驱动热源，其消耗的驱动热量直接取自低温热源。,第一类吸收式热泵组成：由吸收器、发生器、蒸发器和冷凝器四个基本部分组成。工作原理如图3-8所示。通常用溴化锂作为吸收剂，用水作为载热工质。溶液中LiBr约占60。当LiBr-H2O溶液在发生器中被驱动热源
7、(水蒸气、高温热水或燃料烟气)加热升温后，水就以水蒸气形式从溶液中逸出。于是发生器中压力升高，蒸汽进入冷凝器中凝结，放出汽化潜热将流经冷凝器的高温热水进一步加热供用户使用。冷凝后的水经节流阀导人低压蒸发器。与此同时，发生器中的溶液由于水蒸气逸出，浓度增加，并靠本身重力溢流至吸收器中。浓溶液在吸收器中与来自蒸发器的水蒸气相遇，将水蒸气吸收，成为稀溶液后，由溶液泵又送回发生器。溶液在吸收水蒸气的过程中，使吸收器内的压力下降，并放出吸收热，将流往吸收器的低温热水加热。也就是低温热水先在吸收器中加热，再流至冷凝器进一步加热，从这两处各吸收一部分热量。吸收器与蒸发器是相通的，二者的工作压力相同，都低于大
8、气压力。所以当冷凝器中的冷凝水经节流阀进入蒸发器后，由于压力突然下降，立即闪蒸生汽，在汽化过程中因需吸收汽化潜热而降温。此温度将低于流经蒸发器的低温热源水，从而可从低温热源水中吸取热量。通常是将发生器和冷凝器放在一个圆筒容器中，将吸收器和蒸发器放在另一个容器中，称为双筒式结构也有全置于一个容器中的，称为单筒型的。 如果以Qa表示在吸收器内放出的热量，Qb为发生器中供给的热量，Qc为冷凝热量，Qe为蒸发器自低温热源的吸热量，在理想的情况下可认为Qa十QcQb十Qe，则这种吸收式热泵的工作系数为,352 热泵在节能领域应用和展望 热泵的COP=27。节能效果明显，现已广泛应用工夫木材、食品(茶和水
9、果)、陶瓷、造纸、印刷、石油和化工等工业生产过程中。例如，目前大约有400台热泵式木材干燥机正在运行，年处理能力约为20万立方米。 例如，设室内采暖温度为18。C，室外温度为-9，e=0.6时，如直接用电炉取暖，每消耗1kWh电能，可得热量3600kJ。若用热泵从室外冷室气吸取热量来取暖，需要的能量是多少？,临界热绝缘置径,某窑炉侧墙厚500 mm，开有直径150 mm 的观察孔，炉内温度为1700 ，环境温度为27。设“零压面”位于窑底，观察孔中线至窑底距离为1000 mm，小孔的流量系数为0.62，窑内烟气标准状态的密度为 1.30 Kg/Bm3,，烟气比热为Cp =1.43 KJ/Kg，
10、求小孔一昼夜的散热损失(包含呼吸现象显热损失和辐射热损失)。 (1) 观察孔辐射热损失计算： 绘制电热网络图如下所示：,(1) 观察孔辐射热损失计算： 绘制电热网络图如下所示：, 角系数的计算：,根据角系数完整性和自见性：,同理：, 小孔面积,41 热管换热器 411 热管结构 由三个基本部分组成：(1)密闭管壳，为一两头封闭的金属因管；(2)管芯，为起毛细作用的多孔结构物(多孔金属，金属丝网，烧结的多孔陶瓷材料等)；(3)工质，管内充有一定量的工质，用以传递热能。按其工作作用分为三段：吸收热量的蒸发段，输送工作介质的绝热段，放出热量的冷凝段。,412热管工作原理 (1)蒸发段工质的蒸发。热管
11、的蒸发段与热流体接触，管芯内的工作液体受热后蒸发，从热流体（如锅炉尾排烟气）吸取潜热；(2)绝热段工质蒸汽的流动。蒸汽在中心通道从蒸发段经绝热段流向冷凝段，(3)冷凝段蒸汽冷凝。热管冷凝段与冷流体相接触，工质向冷流体（如锅炉省煤气的锅炉给水或预热器中的助燃空气）放热并冷凝，冷凝液在吸液芯毛细力或重力作用下返回热管蒸发段管。,413热管分类 1、热管种类 有重力热管、吸液芯热管、旋转式热管。重力热管结构简单，可在与水平成1090倾角内有效工作，但凝结液流易分布不均，易出现蒸汽带水冲刷内壁等，影响热管工作性能。若在热管内壁沿轴向开槽，则可使凝结液分布均匀，并可使槽顶液膜减薄，使传热增强，加上内壁表
12、面积增加，可使热管换热量增大。旋转式热管，有一定锥度，工质随壳体一起旋转，冷凝凝结液受离心分力作用返回蒸发段，旋转热管可不设吸液芯。由于离心力作用，冷凝液分布均匀，传热增强。,2、热管特性 (1)传热性能好。利用工质蒸发与冷凝相变传送热量，传热热阻小。热管内高度真空，工质受热后极易蒸发而产生压差，向冷凝段传输基本上不存在阻力，使热管近于等温传热。在热管换热器中，冷流体和热流体都是横向掠过管束，热管加热段和冷却段外表面均能设置肋片，热管换热器总传热系数大。 (2)适用温度范围广。热管的工作温度是由工质和内外换热条件决定，而工质可选用不同种类的液体，因此可在-2702300之间工作，目前技术上成熟
13、的热管换热器主要工作在-20400的范围。而且热管的热源不受限制，可以是火焰、烟气、水蒸气、电加热、日光辐射或其他热源。 (3)结构简单，热流密度可调。热管元件可独立安装，结构简单，热管元件的数量可根据换热量增减，同时还可单独进行更换。由于冷热流体相互隔离，可完全避免冷热流体之间的相互泄漏与污染。热管换热器中加上隔板可形成不同的通道，因而可用一种热流体加热两种冷流体或者相反。此外，改变冷凝段和蒸发段长度的比例，可调节热流密度。,41 4 热管工作特性 在正常情况下，蒸发段和冷凝段之间的温差不超过510，若温差过大，则表示热管工作不正常。这种不正常现象若发生在低热流下，则说明热管元件的质量不好；
14、若发生在高热流下，则表示热管已达到其工作极限。热管的热流极限与工作温度、倾斜角等有关。对吸液芯热管，一般存在四种极限。 (1声速极限 热管蒸汽腔内的流动与缩放喷管中气体的流动十分类似。在圆柱形热管内，沿蒸发段的整个长度，蒸汽量不断增加，由于截面不变，蒸气被不断加速，压力不断降低，这类似于缩放喷管中的收缩段。在蒸发段出口处，流速达到最大值，压力降为最低值。而在冷凝段中，情况正好相反，沿着冷凝段，蒸汽不断凝结，流速不断减小，压力逐渐回升，这类似于缩放喷管中的渐扩段。蒸发段末端相当于喷管的喉部，以声速为正常工作极限。当热管达到声速极限时，便出现流动阻塞现象。此时即使进一步减小冷凝段与冷源之间的热阻，
15、也只能使冷凝段的温度降低，热流量将不再增加，并且冷凝段的温度降低对蒸发段的温度不产生影响，因为在声速条件下，冷凝段温度的变化不能向上游传递。此时，热管沿轴向温度变化很大，传输能力迅速降低。由于通过热管传输的热量与蒸气流速成正比，而声速是与绝对温度的0.5次方成正比，因此，在热流与温度的坐标图上(图44中的曲线)，只有在较低温度下，声速极限才可能成为传热的一个限制。,(2)携带极限 在热管内，蒸汽和回流液体的运动方向是相反的，因此在蒸汽和液体的交界面上产生剪切力。当热管中蒸汽流速足够高时，就可能把液体从吸液芯表面撕下来由蒸汽流所突带。这样，凝结液返回量减少，当携带量足够多时，返回蒸发段的液体的量
16、不能满足蒸发段的需要。于是，蒸发段的吸液芯会出现干涸，达到携带极限。蒸汽流中携带的凝结液量与蒸汽和液体之间的密度差有关。热管的工作温度越高，蒸汽与液体的密度差越小，蒸汽所携带的凝结液越少，携带极限所对应的允许最大热流值也相应增大，如图44中曲线2所示。热管的携带极限还与吸液芯材料表面毛细孔尺寸及形状、工质的表面张力、热管的尺寸及放置的角度有关。当达到携带极限时，会引起工质对热管端部的追击。此时，可以听见携带的液滴撞击冷凝段端部的声音，而继续增大热流时，蒸发段壁温度明显增高。 (3)毛细极限 热管内工质的循环是靠吸液芯的毛细作用。毛细作用的抽吸压力(即毛细压头) PB必须大于或等于蒸汽从加热段沈向冷却段的压力降PV、冷凝液体从冷却段回流到蒸发段的压力降PL以及重力压差Pg, PB PV+PL+Pg,，一般随热负荷的增大面增大，而PB则是由吸液芯的结构形式决定的。 当蒸发段内蒸发的液体超过了毛细作用所能提
