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化工热力学论文

论文题目：

热泵的原理及应用

专业：

化学工程与工艺

班级：

09

姓名：

宋勤学

指导教师：

宋世理

完成日期：

2011年5月23日

摘要

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。

关键词：

水源热泵地源热泵海水源热泵太阳源热泵热泵空调与冰箱复合系统污水源热泵GARDNER热泵跨临界CO2热泵工作原理应用与发展状况

热泵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。

热泵主要有蒸汽压缩式热泵与吸收式热泵两类

水源热泵根据对水源的利用方式的不同,可以分为闭式系统和开式系统两种。

闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热套管,该组套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中,通过与土坡或海水换热来实现能转移。

其中埋于土坡中的系统又称土城薄热泵,

埋于海水中的系统又称海水源热泵。

开式系统是指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系统。

热泵技术的发展动态

1各种热泵技术的开发

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

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；Ⅱ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Ⅱ型吸收式热泵应用前景更为广泛

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8o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165'E的化学热泵已在美国、Et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

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、Et本和美国已进人了商品化生产阶段。

美国沸石动力公司近几年正致力于高效能的吸附式制冷机和热泵的研究。

经济分析表明，吸附式制冷机和热泵的运行费用比电动压缩式热泵低得多，且前者的制造成本与后者不相上下国内华南理工大学、西安交通大学等单位对沸石／水吸附式热泵进行了变工况模拟优化设计，取得了较好结果。

5太阳能热泵系统和地（土）源热泵

以太阳能为热源或补充热源，提高储热介质的温度，既能使热泵的蒸发器吸热量比较稳定，又能提高热泵的性能系数COP。

当前，许多国家和地区都在加紧进行太阳能空调热泵的研究，例如意大利、西班牙、德国、美国、日本、新加坡、香港韩国等，而且技术比较成熟，如在澳大利亚、日本美国等，已有了相应的系列产品，澳大利亚的量子

能源系统有限公司还于1998年在中国申请了专利（一种改进型的热水器）。

但这些产品多数是大型或较大型太阳能热水型热泵，原因是系统越大太阳能集热面积越大，热性能系数COP就越高国内一些科研单位已开展了对太阳能热泵系统的研究，并取得了一定的成就，但实例化的例子并不多见。

2O世纪80年代，由中科院广州能源研究所研制的第一套热泵一太阳能联合加热系统的节能型游泳馆座落于广东省东莞市，取得了满意的

效果。

地源热泵是以大地为热源的热泵技术。

大地表层温度一般在15～20℃左右，因此可降低夏季制冷、冬季供暖的能耗。

并且地源热泵不占用地面，节省建筑空间，是一种节能、对环境无害的绿色设备，受到国内外的广泛关注。

近年来，欧美等国对地源热泵采取了极大的重视，目前已经进入了商业实用阶段。

截止到1998年年底，在美国投人实际运行的大型地源热泵装置系统就有leO0多台但在国内，在这方面开展的研究工作尚属起步阶段，设计研究人员及业主还缺乏有关地源热泵的性能和节能潜力的一些基础性数据，而且造价昂贵，因而发展比较缓慢。

目前真正的实际工程应用仅有一例。

3热泵的应用范围

从热泵应用范围看，目前国内外生产的热泵主要用于住宅和商业建筑的空调。

在产业上应用

还不普遍，主要用于低温干燥，如木材、食品等行业。

具体应用范围见表2。

4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、压缩机能量消耗控制、压缩机的工艺设计以及新工质技术。

吸收式热泵可利用工业余热作为热源，几乎不消耗高品位的电能，应该进一步大力发展。

但吸收式热泵效率较低、系统复杂、体积庞大限制了在民用及商用空调上推广。

吸收式热泵与压缩式热泵结合起来是一种新型高效节能技术，该循环将热驱动与机械驱动有机结合在一起，利用热驱动原理回收压缩过程的耗散热，降低了循环中最主要的耗能过程能量损失，同时实现了与变温冷热源相匹配的劳伦兹一焦耳循环，从而显著提高了效率，因而它应该是一个大发展方向。

热泵系统只有在工农业生产中获得广泛应用，才能真正发挥热泵的优势。

工业生产中，常需要高温热水或高温蒸汽，所以今后发展高温热

泵也是一大趋势。

从长远的观点来说，热泵的热源应采用可再生能源。

太阳能是取之不尽的，用它作为人类所需能源供给可以部分解决能源危机。

目前就太阳能热泵应用情况来说效率并不高，特别是小型太阳能热泵系统，效率更低。

我国农村人口占全国人口比重大，居住比较分散，为满足农民不断提高的生活水平，有必要发展适合农村家庭，用于供

热、洗澡等用途的小型家用热水型热泵，最好是利用太阳能和空气作为热泵热源。

因而将来太阳能热泵的发展应该进一步寻求热泵系统与太阳能系统的更好结合，而且应该大力发展面向农村的小型热水型热泵。

当然，随着城市化进程的推进，为充分回收工业生产和城市居民生活中的低温余热资源，可以学习一些工业发达国家、考虑把热管技术等纳人总体的供能系统工程中，从而形成“热电站——热泵站——热管网”的综合系统，整个系统通过计算机控制该系统不但能发电、集中供热、集中空调，而且可利用各种余热，经转换后向工业、农业、商业、居民等提供不同温度的热源，有可能替代或部分替代大量使用的热水锅炉、低压蒸汽锅炉以及其它低温供热装置，同时可大大降低城市大气污染程度。

热泵技术的发展与应用张勇，刘群生，李云苍（云南师范大学太阳能研究所，云南昆明650092）中图分类号：

TK1文献标识码：

D文章编号：

1004—3950（9~301）04一∞强一04

水源热泵制约因素

水源热泵机组由于工况稳定所以可以设计简单的系统,部件较少,机组运行简单可靠,

维护费用低自动控制程度高,使用寿命长可达到巧年以上。

当然,象任何事物一样,水源热泵也不是十全十美的,其应用也会受到制约可利用的水源条件限制水源热泵理论上可以利用一切的水资源,其实在实际工程中,不同的水资源利用的成本差异是相当大的。

所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。

目前的水源热泵利用方式中,

闭式系统一般成本较高。

而开式系统,能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。

水层的地理结构的限制对于从地下抽水回灌的使用,必须考虑到使用地的地质的结构,确保可以在经济条件下打井找到合适的水源,同时还应当考虑当地的地质和土坡的条件,保证用后尾水的回灌可以实现。

投资的经济性由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、

燃料价格的影响,水源的基本条件的不同,一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。

所以在不同地区不同需求的条件下,水源热泵的投资经济性会有所不同。

利用水派热泵技术应注意的问题

水源地温热泵利用地表水作为冷热源,夏季水体温度比环境空气温度低,所以制冷的冷凝温度降低,使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式,冬季水体温度比环境空气溢度高,热泵循环的蒸发温度提高,能效比也提高不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

在利用水源地热热泵时应注意以下几个方面：

在采用水源热泵技术时,前期的水文分析尤为重要,必须根据地下水源实际情况,进行可行性的研究分析。

适用的原则：

水里充足、水温适当、水质良好、供水稳定、回灌可靠。

因此,前期的认真、科学的水文地质勘探工作是非常必要的。

水浑热泵中央空调主机是冷热源的核心,它的质好坏直接影响整个系统的可靠性和使用效果。

建议选用国内外有良好信誉的厂家,尤其是技术质优、生产历史久、售后服务好的知名品牌。

水源热泵的关键技术在于水井。

水井的成井工艺极为重要,必须要求是大口径钢制管井。

法国在水井方面有独到的技术和经验,在实际使用时可比传统方式节省部分井水用盆,并能够成功实现同抽同滋。

由于水源热泵中央空调系统使用率极高因此对设备的性能、质要求也比较高,各种辅助设备和材料的合理匹配也是获得良好效果的基础。

中央空调系统是一项长期使用、可靠性要求高的工程,必须可以长期可靠运行,保证使用效果。

水源热泵技术的原理及应用王晓燕,史啥光水源热泵的工作原理及特点（南华豫正大工程咨询有限公司,河南郑州朽洲〕郑州市人防管理处,河南郑州‘”〕

水源热泵工作原理

地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。

地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。

冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。

同时，它还可供应生活用水，是一种有效的能源利用方式。

地源热泵系统包括3种不同的系统：

以土壤作为冷热源的土壤源热泵；以地下水为冷热源的地下水热泵系统；以地表水为冷热源的地表水热泵系统。

目前，张掖地区的地源热泵工程均以地下水为冷热源，因此，本文下述地源热泵，皆指水源热泵。

水源热泵系统冬天制热原理如图1所示（夏天制冷时热交换系统工作情况相反）。

水源热泵的特点

①节能环保。

水源热泵技术属可再生能源利用技术，它不消耗一次能源。

与燃煤、燃油、燃气锅炉相比，它没有燃烧过程，避免了排放任何烟尘及有害物质，环保效益显著。

②节水省地。

水源热泵以地下水为源体，向其吸收或放出能量，既不消耗水资源，也不会对其造成污染。

其次，水源热泵系统可以建在地下，其上可以用于绿化等用途，节省了锅炉房、煤厂、渣场等建设用地。

③安全可靠。

无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。

系统设备自动化程度高，无需专业人员操作。

机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响，即使在寒冷的

冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑。

④用途广泛。

从严寒地区到热带地区均可适用。

可广泛用于办公楼、宾馆饭店、医院、学校、住宅小区等行业领域。

⑤高效经济。

能源利用效率高，消耗1kW的电能，即可从无需任何其他费用的地下水中提取4~6kW能量，效率为燃煤、燃油、燃气锅炉以及电锅炉等传统方式的3~4倍。

设计安装良好的水源热泵，平均可以节省30%~40%的运行费用。

LUShuang，CHENGHongThedevelopmentstatusandpromotionprospectsofwatersourceheatpumpinGansuZhangyeregion（ZhangyeElectricPowerSupplyCompany,Zhangye734000,China）文章编号：

1009-1831（2009）02-0039-03Vol.11，No.2Mar.，2009POWERDSM|39

稠油油井进行吞吐及汽驱开采过程中会产生大量的油田污水,污水温度一般在52_左右,携带有大量的热量。

污水源热泵机组的工作原理

污水源热泵机组的工作原理如图1所示。

机组工作原理是以稠油处理后的污水为热源,利用热泵技术,通过少量的电能输入,实现低温位热能向高温位热能转移的技术。

污水源热泵系统包括热水源系统、热水源热泵机组系统和室内散热系统。

2_2_热泵机组制热量计算及效果分析

（1）制热量计算及分析。

2006年12月下旬开始热泵机组试运行,温度可实现在线监测。

冷凝器热水源换热进水温度为52、_8_,出水温度为47、7_;冷凝器末端采暖出水温度81、3_,进水温度为75_、8_,水的比热容为4_187kJ/（kg#_）。

则蒸发器在1t污水源中吸收的热量为

至今,濮阳地区已有多项办公楼、宾馆、小区住宅等工程相继使用该项技术,均取得了满意的运行效果。

水源热泵空调系统的运行特点

（1）环保。

水源热泵空调机组采用HFC-134a为制冷剂,对大气臭氧层无害。

水源热泵以水为载体,吸收或向其释放热量,从而达到供热或制冷的作用,既不消耗水资源也不对其造成污染。

水源热泵不产生任何对环境有害的物质。

（2）节能。

消耗1kW的电能,能产生4kW以上的热能或冷量。

（3）一机多用,适用范围广。

水源热泵空调可实现冬季供热、夏季供冷和生活热水供应。

（4）自动化程度高。

运行工况稳定,系统简单,设备少,机组运行可靠,能实现无人操作,使用寿命可长达15年以上。

（5）运行费用低。

其运行费用冬季每平方米为13元,夏季为8元。

（6）占地面积小。

与燃煤锅炉房相比,不需要煤场、渣场和复杂的水处理设备。

（7）投资省。

由于系统简单且冬季、夏季共用一套系统,一次性投资仅是传统供热和供冷综合投资的60%。

（8）机组效率高。

水源热泵机组可利用的水体温度冬季为8_~22_,水体温度比环境空气温度高,所以热泵循环的蒸发温度提高;而夏季水体温度为18_~35_,水体温度比环境空气温度低,所以制冷的冷凝温度降低,使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式机组,水源热泵性能系数达4以上。

（9）运行稳定。

水体的温度一年四季相对稳定,其波动范围远远小于空气温度的波动,使得热泵机组运行更可靠、稳定。

（10）噪音低。

水源热泵空调与锅炉房相比,没有鼓、引风机和燃煤破碎机,没有产生大噪音的设备。

张荷玲（中原油田设计院）杜绪联（中原石化工程有限公司）张丽娜_杨春（中国石油西南油气田分公司）水源热泵空调技术在油田的推广和应用_油气田地面工程第28卷第3期（2009_3）

1热泵原理

热泵系统的工作原理（见图2）是：

压缩机排出的高温高压的制冷剂气体，在换热器中冷凝成液体，同时放出大量的冷凝热，冷凝热排放到高温热源，使得高温热源的温度得以升高，制冷剂液体经过膨胀阀节流降压，在蒸发器中吸热蒸发，蒸发器向低温热源吸收热量，全部蒸发完毕的低压制冷剂气体被压缩机吸入，通过压缩机工作后，变成了高温高压的制冷剂气体，重新由压缩机排气口排出，如此往复循环。

根据热源形式的不同，热泵可分为空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵和太阳能热泵等。

根据热力学第一定律，有：

QH=QL+E；根据热力学第二定律，压缩机所消耗的电功，使得制冷剂能够不断地从低温环境吸热（QL），并向高温环境放热（QH），周而复始地进行循环。

因此，压缩机的能耗是一个重要的技术经济指标，一般用性能系数（简称）来衡量装置的能量效率，其定义为：

COP=QH/E=（QL+E）/E=I+QL/E。

显然，热泵永远大于1。

即输入较小的代价，就可以得到较大的收益，因此，可以说热泵是一种高效节能装置。

3.2太阳能热泵定义与分类

太阳能热泵，一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热

泵系统，它把热泵技术和太阳能热利用技术有机地结合起来，

可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。

太阳能是地球上一切能的主要来源，是无穷无尽无公害

的洁净的可再生能源。

我国地域辽阔，年日照时间大于2000

h的地区，约占全国国土面积的2/3，处于利用太阳能较有利的

太阳能是地球上一切能的主要来源，是无穷无尽无公害的洁净的可再生能源。

我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区，约占全国国土面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内。

太阳能热泵技术，是太阳能热利用技术和热泵技术有机的结合，具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广等特点，太阳能热泵技术将在太阳能利用中占有重要地位，有着广阔的发展前景。

2太阳能热泵定义与分类

太阳能热泵，一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热

泵系统，它把热泵技术和太阳能热利用技术有机地结合起来，

可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。

太阳能热利用技术与热泵技术的系统形式，一般可分为太阳能驱动热泵和太阳能辅助热泵两大类。

（1）太阳能驱动热泵，主要是指太阳能光电或热电驱动的压缩式热泵以及以太阳能辐射热直接驱动的吸收式、吸附式、喷射式和化学热泵等。

这类热泵大多以实现太阳能制冷空调为主要目的，普遍存在体积大、成本高、效率低等问题，较难实现小型化和商业化发展。

（2）太阳能辅助热泵，通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。

这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高。

根据集热介质的不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。

直膨式系统极具小型化和商品化发展潜力，但是由于太阳能辐射条件受各种复杂气象因素的影响，而随时处于变化中，必将导致系统性能的波动。

非直膨式系统中，又可分为串联式、并联式和双热源式三种基本形式。

太阳能热利用技术与热泵技术的系统形式，一般可分为太阳能驱动热泵和太阳能辅助热泵两大类。

（1）太阳能驱动热泵，主要是指太阳能光电或热电驱动的压缩式热泵以及以太阳能辐射热直接驱动的吸收式、吸附式、喷射式和化学热泵等。

这类热泵大多以实现太阳能制冷空调为主要目的，普遍存在体积大、成本高、效率低等问题，较难实现小型化和商业化发展。

（2）太阳能辅助热泵，通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。

这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高。

根据集热介质的不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。

直膨式系统极具小型化和商品化发展潜力，但是由于太阳能辐射条件受各种复杂气象因素的影响，而随时处于变化中，必将导致系统性能的波动。

非直膨式系统中，又可分为串联式、并联式和双热源式三种基本形式。

（3）太阳能热泵具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广等优点，但太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等缺点，如采用电加热或燃气加热为辅助热源，弥补间歇性和不稳定性，但又容易引发安全问题，且消耗了大量优质能源。

3.3太阳能在建筑应用的意义

近年来，“太阳能与建筑一体化”已成为我国太阳能热利用的重要议题。

就是把太阳能产品作为建筑部件安装，使其符合建筑美学要求，并尽可能地利用太阳能等新能源和可再生能源替代常规能源，以减少建筑能耗对常规能源的依赖。

太阳能与建筑一体化有着重要的意义：

（1）替代常规能源。

人类社会日前消费的常规的化石燃料能源，终究是要枯竭的。

开发利用太阳能等可再生能源，是一条可持续发展的道路。

（2）减少环境污染。

人类对化石燃料的大量开采与利用，以及建筑物在使用化石燃料的过程中，会排放出污染物。

太阳能利用不会排放任何有害物，是与生态环境相协调的清洁能源、绿色能源。

（3）提高人民生活质量。

在建筑中安装太阳热水器，省电省气，使用简单，安全可靠。

也可利用太阳能解决冬季采暖问题。

（4）解决边远地区的用能问题。

利用太阳能为农村提供生活热水及采暖，可使边远偏僻地区农村的缺能状况得到缓解，可使滥砍乱伐树木、破坏草原植被的不良现象得到遏制，使广大农村的生态环境得到保护。

4太阳能热泵系统设计要点

4.1集热器的设计

集热器的性能，对整个系统的运行成败起着决定性作用。

为此，常在10～20℃