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熱泵的應(yīng)用發(fā)展及技術(shù)特點分析(一)
來源:  作者:  發(fā)布于:2013/4/17 9:51:30  點擊量:
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熱泵作為提供熱量的主要設(shè)備之一,以其對環(huán)境友善及節(jié)約能源等特點,在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在以后的文章中會陸續(xù)提到冷凝器、壓縮機等制冷設(shè)備相關(guān)的核心組件,在小型冷水機、冷凍干燥機、超低溫冰箱等設(shè)備中應(yīng)用廣泛,期待您的關(guān)注。在本文中。作用首先回顧了熱泵的發(fā)展歷史,介紹了熱泵的種類、特點、使用場合及條件,對幾種主要熱泵在應(yīng)用過程中存在的問題進行了討論,分析了熱泵技術(shù)的研究進展、應(yīng)用現(xiàn)狀及相關(guān)新技術(shù)。

      1 熱泵與制冷機

      熱泵是一種以冷凝器放出的熱量對被調(diào)節(jié)環(huán)境進行供熱的一種制冷系統(tǒng)。就熱泵系統(tǒng)的熱物理過程而言,從工作原理或熱力學(xué)的角度看,它是制冷機的一種特殊使用型式。它與一般制冷機的主要區(qū)別在于:

      ①使用的目的不同。熱泵的目的在于制熱,研究的著眼點是工質(zhì)在系統(tǒng)高壓側(cè)通過換熱器與外界環(huán)境之間的熱量交換;制冷機的目的在于制冷或低溫,研究的著眼點是工質(zhì)在系統(tǒng)低壓側(cè)通過換熱器與外界之間的換熱;

      ②系統(tǒng)工作的溫度區(qū)域不同。熱泵是將環(huán)境溫度作為低溫?zé)嵩,將被調(diào)節(jié)對象作為高溫?zé)嵩;制冷機則是將環(huán)境溫度作為高溫?zé)嵩矗瑢⒈徽{(diào)節(jié)對象作為低溫?zé)嵩。因而,?dāng)環(huán)境條件相當(dāng)時,熱泵系統(tǒng)的工作溫度高于制冷系統(tǒng)的工作溫度。

      2 熱泵的由來及主要應(yīng)用型式

      2.1 熱泵的由來

      隨著工業(yè)革命的發(fā)展,19世紀(jì)初,人們對能否將熱量從溫度較低的介質(zhì)“泵”送到溫度較高的介質(zhì)中這一問題發(fā)生了濃厚的興趣。英國物理學(xué)家J.P.Joule提出了“通過改變可壓縮流體的壓力就能夠使其溫度發(fā)生變化”的原理。1854年,W.Thomson教授(即大家熟知的Lord Kelvin勛爵)發(fā)表論文,提出了熱量倍增器(Heat Multiplier)的概念,首次描述了熱泵的設(shè)想。

      當(dāng)時,熱泵供暖的對象主要是民用,供暖需求總量小,特別是對由于采暖方式及其對環(huán)境的影響尚沒有足夠的意識。人們采暖的方式主要是燃煤和木材,因而,熱泵的發(fā)展長期明顯滯后于制冷機的發(fā)展。

      上世紀(jì)30年代,隨著氟利昂制冷機的發(fā)展,熱泵有了較快的發(fā)展。特別是二戰(zhàn)以后,工業(yè)經(jīng)濟的長足發(fā)展帶來的對供熱的大量需求及相對能源短缺,促進了大型供熱及工業(yè)用熱泵的發(fā)展。1973年的全球性能源危機,進一步促進了熱泵在全世界范圍內(nèi)的發(fā)展。

      2.2 熱泵的主要應(yīng)用型式

      按照熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)型式,通常將熱泵分為如下六類:

      ①蒸氣壓縮式熱泵

      與制冷機一樣,蒸氣壓縮式系統(tǒng)也是熱泵最主要的應(yīng)用型式。按照低溫?zé)嵩磁c供熱介質(zhì)的組合方式不同,蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)又分為空氣——空氣熱泵、空氣——水熱泵、水——水熱泵、水——空氣熱泵、地?zé)?mdash;—空氣熱源熱泵和土壤熱源——水熱泵等幾種主要應(yīng)用型式。

      ②吸收式熱泵

      吸收式熱泵是一種利用低品位熱源實現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩幢盟拖蚋邷責(zé)嵩吹难h(huán)系統(tǒng)。常用的工質(zhì)對是“水-溴化鋰(其中,以溴化鋰稀溶液為工質(zhì),以溴化鋰濃溶液為吸收劑)”、“氨-水(其中,以氨為工質(zhì),以水吸收劑)”、“水-氯化鈣(其中,以鋁化鈣稀溶液為工質(zhì),以氯化鈣濃溶液為吸收劑)”。

      ③熱電式熱泵

      熱電式熱泵又稱為溫差電熱泵。它是利用Peltier效應(yīng),即當(dāng)直流電通過了兩種不同導(dǎo)體組成的回路時,就會在回路的兩個連接端產(chǎn)生溫差現(xiàn)象。

      熱電式熱泵具有無運動部件,工作可靠,壽命長,控制調(diào)節(jié)方便,振動小,噪聲低,對環(huán)境污染小等特點,但熱電堆的成本較高而且效率較低,因而主要用于一些特殊場合。
      ④太陽能熱泵

      這種熱泵以太陽能集熱器作為熱源。圖3所示的是其中一種方案的太陽能熱泵流程。

      除上述幾種熱泵外,還有化學(xué)熱泵和吸附式熱泵、渦流管熱泵等其它主要用于一些特殊場合的其它形式的熱泵。

      ⑤氣體壓縮式熱泵

      與蒸氣壓縮式系統(tǒng)熱泵不同的是,在這類熱泵系統(tǒng)中,工作介質(zhì)的工作區(qū)域為過熱區(qū)。對于氣體壓縮式熱泵系統(tǒng),目前主要以二氧化碳、濕空氣作為工作介質(zhì)的熱泵系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù),是相關(guān)領(lǐng)域研究的兩類熱點課題。使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)及裝置,以往主要用于航天方面,例如作為飛機客艙的空氣調(diào)節(jié)用冷、熱源設(shè)備。對于使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)在普通工業(yè)或民用建筑環(huán)境調(diào)節(jié)應(yīng)用的可能性,作者曾經(jīng)作文探討。

      ⑥蒸氣噴射式熱泵

      蒸氣噴射式熱泵的工作與原理與蒸氣壓縮式熱泵基本相同,只是由蒸氣噴射器代替壓縮機。這種熱泵主要用于熱電廠綜合熱能利用中,與吸收式熱泵相比,這種熱泵效率較低,目前較少采用。

     熱泵具有悠久的歷史,它與水泵、冷凝器、壓縮機等核心組件聯(lián)系緊密,是熱水器、烘干機、制冰機、冷凍干燥機、冷水機等制熱制冷設(shè)備的重要組成部分。

 
 


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