1、Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University补充：热泵基本原理与技术补充：热泵基本原理与技术Fundamental principle and technology of heat pumpPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵（基本概念）热泵（基本概念）l 热泵：热泵：水泵（水泵（pump）把热能从低温热源输送到高温热源的热力机械。把热能从低温热源输送到高温热源的热力机械。本质上：热泵制冷机本质上：热泵制冷机 供
2、热供热 供冷供冷l 使用热泵的目的：使用热泵的目的：节能节能与与环保环保一次能源的利用率较低，而热泵能够提高一次能源的利用一次能源的利用率较低，而热泵能够提高一次能源的利用率，从而减小了一次能源的消耗，实现了节能和环保的目率，从而减小了一次能源的消耗，实现了节能和环保的目的。的。研究热泵（包括制冷）技术目标：研究热泵（包括制冷）技术目标：降低能耗；减小环境污降低能耗；减小环境污染（驱动能源的生产排放；制冷剂）染（驱动能源的生产排放；制冷剂）ehCOPHP高温热源高温热源低温热源低温热源WQhQr制热温度制热温度环境温度环境温度制冷温度制冷温度制冷制冷热泵热泵Power Engineering
3、and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵（基本概念）热泵（基本概念）l 分类分类热泵的基本种类与制冷机基本相同，不同点：热泵的基本种类与制冷机基本相同，不同点：1. 供热温度分：高温（供热温度分：高温（100），中温（），中温（40100），低温），低温（ 40）2. 低温热源形式分：地源热泵，水源热泵，太阳能热泵，空低温热源形式分：地源热泵，水源热泵，太阳能热泵，空气源热泵等。气源热泵等。l 性能指标性能指标1. 热泵性能系数热泵性能系数2. 能源利用系数：供热量与消耗的初级能源之比。能源利用系数：供热量与消耗的初级能源之比。3. 火
4、用效率火用效率 4. 热力完善度热力完善度净输入能量有效制热量hCOP消耗受益exPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵发展历史热泵发展历史n 1824年年 卡诺循环理论（卡诺循环理论（理论准备理论准备）n 1852年年 威廉提出了热泵设想威廉提出了热泵设想n 1854年年 开尔文提出冷冻装置也可以加热开尔文提出冷冻装置也可以加热n 1927年英苏格兰安装第一台家用热泵（年英苏格兰安装第一台家用热泵（家用家用）n 1930年美加利福尼亚安装大容量商用热泵（年美加利福尼亚安装大容量商用热泵（商用商用）
5、n 上世纪上世纪70年代迅速发展年代迅速发展n 到到1996年全世界热泵安装总数年全世界热泵安装总数9000万套，自万套，自1992年开始热年开始热泵使用年增长泵使用年增长15。 热泵承担总供热量的热泵承担总供热量的6，美国达到，美国达到8.4，日本，日本28.6。探索探索探索探索Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University空气源热泵：空气源热泵：n 应用广泛，受季节和地区影响大，供需矛盾大；空气热容应用广泛，受季节和地区影响大，供需矛盾大；空气热容小，与金属间的换热系数小，风量需求大；易出现小，与金属间的换
6、热系数小，风量需求大；易出现结霜结霜。 结霜与除霜：结霜与除霜：1. 结霜的危害：增大热阻，增大流通面积结霜的危害：增大热阻，增大流通面积2. 防止或减轻结霜的方法：防止或减轻结霜的方法：增大室外换热器面积（减小温增大室外换热器面积（减小温差）；增大空气流量；空气除湿；换热表面处理；滤去空差）；增大空气流量；空气除湿；换热表面处理；滤去空气中的杂质。气中的杂质。3. 除霜方法：除霜方法：空气除霜（压缩机停止，空气持续吹扫）；电空气除霜（压缩机停止，空气持续吹扫）；电加热除霜；热蒸汽除霜（逆循环；热蒸汽气旁通）加热除霜；热蒸汽除霜（逆循环；热蒸汽气旁通）4. 除霜的控制方法：除霜的控制方法：定时
7、控制；压差控制；温度控制。定时控制；压差控制；温度控制。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University地源与水源热泵：地源与水源热泵：n 受季节和地区影响小，性能系数高，但是工程量大，投资受季节和地区影响小，性能系数高，但是工程量大，投资高。高。 地源热泵：地源热泵：1. 包括土壤源和地下水源热泵包括土壤源和地下水源热泵2. 需要地下埋管或地下深井需要地下埋管或地下深井。水源热泵：水源热泵：1. 地表水：受环境和季节影响较大，对生态有影响。开采量地表水：受环境和季节影响较大，对生态有影响。开采量也受到限制。也受
8、到限制。2. 地下水：可划归为地源热泵。井水开采和回灌要求高。地下水：可划归为地源热泵。井水开采和回灌要求高。3. 海水：腐蚀问题（海军铜，钛金属）海水：腐蚀问题（海军铜，钛金属）4. 生活废水：防堵塞（多用二次换热）生活废水：防堵塞（多用二次换热）。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University太阳能热泵：太阳能热泵：n 廉价，无需除霜，随季节、时间和天气影响大，能量密度廉价，无需除霜，随季节、时间和天气影响大，能量密度小（夏天小（夏天1000W/m2左右，冬天左右，冬天200W/m2左右，可利用的左右，可利
9、用的仅占仅占50），通常作为辅助热源。），通常作为辅助热源。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵的应用：热泵的应用：n 供热（供暖供供热（供暖供热水）热水）n 热泵干燥热泵干燥n 蒸馏与浓缩蒸馏与浓缩n 工艺过程热回收工艺过程热回收n 海水淡化海水淡化热泵干燥装置热泵干燥装置带空气旁通的封闭式干燥装置带空气旁通的封闭式干燥装置Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵的应用：热泵的应用：蒸馏与浓缩蒸馏与浓缩
10、牛奶浓缩系统牛奶浓缩系统Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵的应用：热泵的应用：工艺过程热回收工艺过程热回收造纸厂废热回收系统方案造纸厂废热回收系统方案Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵的应用：热泵的应用：海水淡化海水淡化间接法冷冻间接法冷冻加热法海水淡化加热法海水淡化Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityH
11、eat Pump in Cooling Mode热泵制冷模式热泵制冷模式热泵通常具有制冷和制热两种功能热泵通常具有制冷和制热两种功能Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityHeat Pump in Heating Mode热泵制热模式热泵制热模式 Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University地源热泵（地源热泵（GSHP）与水源热泵（）与水源热泵（n 传统水源热泵传统水源热泵n 地源热泵：地温的变化地源热泵：地温的变化n
12、各种地源（水源）热泵各种地源（水源）热泵热泵举例：热泵举例：Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵通常具有制冷热泵通常具有制冷和制热两种功能和制热两种功能制制冷冷制制热热Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering The
13、rmophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityPower Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao Universityn No cooling tower 无冷却塔无冷却塔n No boiler 无锅炉无锅炉Instead: 替代物替代物n Geothermalheat
14、exchanger 地源热交换器地源热交换器GSHP System 地源热泵系统地源热泵系统Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao UniversityGeothermal heat exchanger地源热交换器地源热交换器Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University Loop Temperatures 回路温度回路温度Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao Unive
15、rsity地温变化地温变化日地温变化日地温变化年地温变化年地温变化在北半球中、高纬度地区在北半球中、高纬度地区 Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University地温变化地温变化外热层外热层（变温层）（变温层） 主要受太主要受太阳能影响，其温度随季节、昼阳能影响，其温度随季节、昼夜而变化，一般在夜而变化，一般在0.51.5m深，年变化影响深度达深，年变化影响深度达1015m。常温层常温层（恒温层）（恒温层） 受太阳能受太阳能和大地热流的综合作用，地球和大地热流的综合作用，地球内热与上层变温带影响达到平内热与上层变温
16、带影响达到平衡，温度基本不变。该层地温衡，温度基本不变。该层地温与当地年平均气温大致相当，与当地年平均气温大致相当，四季基本恒温（四季基本恒温（25）。）。增温层增温层（恒温层以下）（恒温层以下）深度深度每增加每增加1km，地温增值的，地温增值的梯度全球平均为梯度全球平均为2530/km。 Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University各种水源（地源）热泵：各种水源（地源）热泵： 地地下水系统（开式循环）下水系统（开式循环）以地以地球作为自然热源及冷源的应用已近球作为自然热源及冷源的应用已近40年了，地下水系统
17、吸取水井从地表土年了，地下水系统吸取水井从地表土壤层中吸取热量，与壤层中吸取热量，与FHP地热泵机组地热泵机组的热交换器中的制冷剂进行热交换，的热交换器中的制冷剂进行热交换，然后由回水井回到地表土壤层或按当然后由回水井回到地表土壤层或按当地规章简单排放。不管外界是热或冷，地规章简单排放。不管外界是热或冷，地下水的温度保持非常稳定（通常冬地下水的温度保持非常稳定（通常冬夏温差夏温差1C之内），所以之内），所以FHP机组会机组会保持极好的高效运行，不管外界气温保持极好的高效运行，不管外界气温如何。地下水系统很适用于已有水井如何。地下水系统很适用于已有水井的家庭或底下水源丰富的住家。当系的家庭或底下
18、水源丰富的住家。当系统可以利用地下水时，安装的费用将统可以利用地下水时，安装的费用将是最低的。是最低的。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University 垂直系统垂直系统（闭式循环闭式循环）通常，每冷吨水通常，每冷吨水的供暖空调，钻的供暖空调，钻入深度入深度30.5-91.5米，垂直系统适米，垂直系统适用于可供使用的用于可供使用的土地面积有限的土地面积有限的情形，与地下水情形，与地下水系统相似，不管系统相似，不管居住何处，不管居住何处，不管外界温度如何急外界温度如何急剧变化，垂直系剧变化，垂直系统可以提供舒适统可
19、以提供舒适环境。环境。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University水平系统（闭式循水平系统（闭式循环）环）也是利用地球丰富也是利用地球丰富的土壤热能，与垂直系的土壤热能，与垂直系统相似，水平系统通过统相似，水平系统通过埋在地下的密封、耐压埋在地下的密封、耐压的塑质闭式管路系统，的塑质闭式管路系统，水或防冻溶液在管路中水或防冻溶液在管路中循环，管路放置于水平循环，管路放置于水平沟渠中，而不是放置于沟渠中，而不是放置于垂直孔井中，深度为垂直孔井中，深度为1.2米米1.8米，每冷吨供暖米，每冷吨供暖及空调需长度为及
20、空调需长度为22.8-123米，最近的改良水米，最近的改良水平系统在造价及效率上平系统在造价及效率上具有较大的吸引力，水具有较大的吸引力，水平系统可以达到垂直系平系统可以达到垂直系统一样的节能效果。统一样的节能效果。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University湖湖/河系统（河系统（闭式循闭式循环环）节能，最经济的节能，最经济的闭环系统，这一系统闭环系统，这一系统利用附近的河或湖，利用附近的河或湖，与垂直系统及水平系与垂直系统及水平系统一样，水或防冻溶统一样，水或防冻溶液在密闭、耐压的塑液在密闭、耐压的塑质闭式
21、管路系统中循质闭式管路系统中循环，管路系统侵入河环，管路系统侵入河中或湖中，可以利用中或湖中，可以利用池水或湖水的稳定温池水或湖水的稳定温度而且具有显著的散度而且具有显著的散热性能，不需钻井，热性能，不需钻井，只需少量的沟渠，费只需少量的沟渠，费用降低。用降低。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University同时产生冷水及热水热泵热水系统同时产生冷水及热水热泵热水系统 垂直地耦管系统垂直地耦管系统水平地耦管系统水平地耦管系统湖江河浅表水系统湖江河浅表水系统地下水系统地下水系统 Power Engineering
22、and Engineering ThermophysicsQingdao University地源热泵系统地源热泵系统1kW的电的电3.9kW的的能源回收能源回收4.9kW的热量的热量用用1kW的电，可以提供多达的电，可以提供多达4.9kW的热量的热量 COP.1 : 4.9比空气源热泵节省能源比空气源热泵节省能源40%以上，比以上，比电采热节省能源电采热节省能源70%以上。以上。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University同时产生冷水及热水热泵热水系统同时产生冷水及热水热泵热水系统 1、热泵机组；、热泵机组
23、；2、室外冷热源系统室外冷热源系统(可以为冷却塔、可以为冷却塔、深井水系统或地埋深井水系统或地埋管系统管系统)；3、热水、热水储水箱；储水箱；4、热水、热水供应水泵；供应水泵；5、热、热水循环水泵；水循环水泵；6、冰水循环水泵；冰水循环水泵；7、膨胀水箱膨胀水箱K1、K2、K3、K4为转换阀，在春夏为转换阀，在春夏秋冬季节中根据机秋冬季节中根据机组运行模式组运行模式(供热、供热、制冷及卫生热水加制冷及卫生热水加热热)的不同，进行的不同，进行相应转换。相应转换。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University大型水
24、水水源热泵机组大型水水水源热泵机组 实际上是一个普通的水冷冷水机组实际上是一个普通的水冷冷水机组Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University热泵总结：热泵总结： n 热泵基本概念：热泵；热泵与制冷机的异同；热泵热泵基本概念：热泵；热泵与制冷机的异同；热泵分类；性能指标（掌握）分类；性能指标（掌握）n 热泵的发展历史（了解）热泵的发展历史（了解）n 空气源热泵（掌握）空气源热泵（掌握）n 水源水源/地源热泵（掌握）地源热泵（掌握）n 太阳能热泵（掌握）太阳能热泵（掌握）n 热泵技术的应用（掌握）热泵技术的应用（
25、掌握）n 热泵系统的运行过程认识热泵系统的运行过程认识Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University制冷原理与设备课程学习总结：制冷原理与设备课程学习总结：n 了解制冷发展历史，制冷及低温技术的基本概况、应用等了解制冷发展历史，制冷及低温技术的基本概况、应用等n 制冷性能参数的定义及表达式制冷性能参数的定义及表达式n 制冷方法：制冷方法：Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University制冷方法：制冷方法：n 固体相变固体相变 n
26、相变制冷相变制冷n 液体相变液体相变蒸汽压缩式蒸汽压缩式蒸汽吸收式蒸汽吸收式蒸汽喷射式蒸汽喷射式吸附式吸附式集密态转集密态转变为质稀变为质稀态态,潜热潜热汽液平衡汽液平衡压力改变压力改变应用最广泛应用最广泛Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University制冷方法：制冷方法：n 涡流管制冷涡流管制冷 n 气体制冷气体制冷n 气体膨胀气体膨胀绝热节流绝热节流等熵膨胀等熵膨胀定容回热定容回热法国人法国人Rauque,1933膨胀，温膨胀，温度降低度降低Linde循环循环Brayton cycleStirling cyc
27、le绝热放气绝热放气G-M Cycle焦耳焦耳-汤姆汤姆逊系数逊系数Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University制冷方法：制冷方法：n 热电制冷热电制冷 n 绿色制冷绿色制冷n 热声制冷热声制冷第一介质是气体，第二介第一介质是气体，第二介质是固体冷热端；声源质是固体冷热端；声源压缩机；声波膨胀机。压缩机；声波膨胀机。气体完成状态循环，与固气体完成状态循环，与固体间交换冷热量体间交换冷热量法国人帕尔法国人帕尔帖帖,1834研究热点研究热点热磁制冷热磁制冷1907，Langevin较为成熟较为成熟Power En
28、gineering and Engineering ThermophysicsQingdao University制冷低温工质总结：制冷低温工质总结：了解制冷剂的发展，知道早期常用的制冷剂了解制冷剂的发展，知道早期常用的制冷剂掌握制冷剂的选取原则，制冷剂的要求（明白掌握制冷剂的选取原则，制冷剂的要求（明白whywhy）熟练掌握制冷剂的命名方法熟练掌握制冷剂的命名方法了解常用制冷剂及其性能特点了解常用制冷剂及其性能特点低温工质：低温工质：了解常规气体的性质了解常规气体的性质掌握氢的主要性质，正氢与仲氢、平衡氢与正常氢，掌握氢的主要性质，正氢与仲氢、平衡氢与正常氢，正氢与仲氢及正氘与仲氘的转化正氢
29、与仲氢及正氘与仲氘的转化掌握氦的性质，氦掌握氦的性质，氦与氦与氦，相图，超流氦，相图，超流氦喷泉效应、爬行膜现象喷泉效应、爬行膜现象Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao Universityn 压缩式制冷的热力学原理压缩式制冷的热力学原理n逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环n劳伦茨循环劳伦茨循环n制冷量、循环净功、性能系数、循环效率的计算制冷量、循环净功、性能系数、循环效率的计算n 单级蒸气压缩式制冷循环计算单级蒸气压缩式制冷循环计算n 多级蒸气压缩式制冷循环计算多级蒸气压缩式制冷循环计算n 复叠式制冷计算复叠式制冷计算n CO
30、2跨临界循环跨临界循环蒸汽压缩式制冷蒸汽压缩式制冷：Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University蒸汽压缩式制冷蒸汽压缩式制冷：1）掌握各种蒸汽压缩式制冷循环的）掌握各种蒸汽压缩式制冷循环的基本原理基本原理和和循环过程循环过程2）掌握）掌握p-h图图和和T-s图图，并分析制冷循环过程和计算，并分析制冷循环过程和计算3）掌握各种蒸汽压缩式制冷循环分析与计算）掌握各种蒸汽压缩式制冷循环分析与计算压缩式制冷的热力学原理压缩式制冷的热力学原理逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环劳伦茨循环劳伦茨循环制冷量、循环净功、性能系数、循
31、环效率的计算制冷量、循环净功、性能系数、循环效率的计算单级蒸气压缩式制冷循环计算单级蒸气压缩式制冷循环计算多级蒸气压缩式制冷循环计算多级蒸气压缩式制冷循环计算复叠式制冷计算复叠式制冷计算4）掌握节流设别的特点及应用）掌握节流设别的特点及应用5）了解蒸汽压缩式制冷系统中的各种设备）了解蒸汽压缩式制冷系统中的各种设备6）了解）了解蒸汽压缩式制冷系统的运行控制方法蒸汽压缩式制冷系统的运行控制方法7）了解蒸汽压缩式制冷的应用）了解蒸汽压缩式制冷的应用Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University吸收式制冷：吸收式制冷：
32、1. 掌握两种典型吸收工质对的主要性质和特点。掌握两种典型吸收工质对的主要性质和特点。2. 掌握掌握h-w图，并能够熟练运用该图进行吸收式制冷循环的图，并能够熟练运用该图进行吸收式制冷循环的热力分析和计算。热力分析和计算。3. 掌握溴化锂制冷机的循环原理。掌握溴化锂制冷机的循环原理。4. 掌握单效、双效、串联、并联、直燃型溴化锂制冷机的系掌握单效、双效、串联、并联、直燃型溴化锂制冷机的系统组成及运行过程。统组成及运行过程。5. 掌握提高溴化锂吸收式制冷机性能的方法。掌握提高溴化锂吸收式制冷机性能的方法。6. 了解吸收式制冷剂的应用情况和最新发展。了解吸收式制冷剂的应用情况和最新发展。7. 掌握
33、氨水吸收式制冷循环过程及系统组成。掌握氨水吸收式制冷循环过程及系统组成。8. 了解吸收式制冷的分类方法。了解吸收式制冷的分类方法。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University气体液化及分离：气体液化及分离：1. 气体液化循环气体液化循环理想系统理想系统及性能参数的计算；及性能参数的计算；节流液化循环：节流液化循环：林德汉普逊循环林德汉普逊循环（简单、预（简单、预冷、双压）；冷、双压）；带膨胀机的液化循环：带膨胀机的液化循环：克劳特、考林斯、海兰克劳特、考林斯、海兰特、卡皮查、双压克劳特特、卡皮查、双压克劳特；
34、氢液化循环氢液化循环；天然气液化循环：天然气液化循环：复叠式、复叠式、混合制冷剂液化、直接混合制冷剂液化、直接膨胀机天然气液化循环。膨胀机天然气液化循环。Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University2. 认识认识气液相平衡，能够看懂会用气液相平衡，能够看懂会用气液相平衡图，几气液相平衡图，几个定律个定律3. 熟悉混合气体的分离方法熟悉混合气体的分离方法a. 第三介质介入方法：第三介质介入方法：膜分离技术、吸附膜分离技术、吸附、吸收、吸收b. 简单冷凝分离简单冷凝分离c. 精馏精馏4. 熟悉精馏设备和熟悉精馏设备和精馏原理精馏原理，会用图来，会用图来求解塔板数求解塔板数5. 了解各种气体分离系统，认识各个系统的工作过程了解各种气体分离系统，认识各个系统的工作过程6.掌握各种低温绝热方法，熟悉其特点掌握各种低温绝热方法，熟悉其特点气体液化及分离：气体液化及分离：Power Engineering and Engineering ThermophysicsQingdao University谢谢大家！谢谢大家！
