熱泵
熱泵(Heater pump)它是一種能從低溫物體向高溫物體提取熱量的能源利用裝置。熱泵一詞借鑒于“水泵”自然界的水是從高處流向低處的，水泵可以把水從低處送到高處。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量總是自發(fā)地從高溫物體流向低溫物體，具有向溫度更高的物體輸送熱量功能的設(shè)備被形象地稱(chēng)為熱泵。
熱泵的誕生可以追溯到19世紀(jì)20年代，卡諾循環(huán)的發(fā)現(xiàn)為熱泵研究奠定了理論基礎(chǔ)。第一個(gè)熱泵系統(tǒng)是由湯姆森于1852年提出的(Tomoen)經(jīng)過(guò)曲折的發(fā)展，它終于在1930年由霍爾丹開(kāi)發(fā)出來(lái)(Haldane)開(kāi)發(fā)了實(shí)用可行的熱泵設(shè)備。這種裝置也被認(rèn)為是現(xiàn)代蒸汽壓縮熱泵的原型，它主要由壓縮機(jī)組成、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器由四個(gè)部分和輔助部分組成。隨著后來(lái)的發(fā)展，熱泵的結(jié)構(gòu)不斷豐富和改進(jìn)，出現(xiàn)了以溶液環(huán)路和噴射泵代替壓縮機(jī)的吸收式熱泵和蒸汽噴射熱泵。熱泵的應(yīng)用范圍也涵蓋了工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的干燥海水淡化化學(xué)蒸發(fā)和蒸餾等從早期的加熱。
結(jié)構(gòu)功能
熱泵一般由壓縮機(jī)組成、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器和輔助部件。
壓縮機(jī)
功能：從蒸發(fā)器吸入高溫低壓的工作介質(zhì)并將其壓縮成高溫高壓的工作介質(zhì)。
類(lèi)型：根據(jù)工作原理分為容積式和離心式；按密封類(lèi)型可分為全封閉半封閉和開(kāi)放式壓縮機(jī)。
特點(diǎn)：壓縮機(jī)僅在壓縮熱泵系統(tǒng)中需要在吸收式熱泵和蒸汽噴射熱泵中，可以分別用溶液回路或噴射泵代替。
冷凝器
功能：通常在供熱端，它是熱泵向用戶(hù)傳遞熱量的直接裝置。它從壓縮機(jī)接收高溫高壓的工作介質(zhì)，利用熱載體介質(zhì)將熱量釋放到加熱端，并將工作介質(zhì)冷凝成液體。
類(lèi)型：按結(jié)構(gòu)可分為管殼式冷凝器套管式冷凝器板式冷凝器和螺旋板式冷凝器；
特點(diǎn)：冷凝器的本質(zhì)是熱交換器，其傳熱介質(zhì)可以是液體，也可以是氣體。以液體為熱載體的冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊，但容易結(jié)垢；以液體為熱載體的冷凝器易于安裝和使用，但體積龐大且占用空間，因此不適用于大型熱泵系統(tǒng)。
節(jié)流部件
功能：一方面，節(jié)流部分在熱泵系統(tǒng)中用作阻力元件，以降低從冷凝器出來(lái)的低溫高壓工質(zhì)的壓力；另一方面，它充當(dāng)流量調(diào)節(jié)元件，從而增加壓縮機(jī)的吸入能力、冷凝器排熱量、蒸發(fā)器負(fù)載匹配。
類(lèi)型：通常有毛細(xì)管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥。
特點(diǎn)：毛細(xì)管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但調(diào)節(jié)能力弱，容易堵塞；熱力膨脹閥調(diào)節(jié)范圍大，價(jià)格低，但缺乏流量補(bǔ)償能力；電子膨脹閥最大的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)能力出色，但價(jià)格昂貴。
蒸發(fā)器
功能：從低溫?zé)嵩次諢崃恳哉舭l(fā)通過(guò)節(jié)流部分的低溫低壓工作介質(zhì)；
類(lèi)型：按結(jié)構(gòu)可分為管殼式蒸發(fā)器套管式蒸發(fā)器板式蒸發(fā)器和螺旋板式蒸發(fā)器；
特點(diǎn)：它本質(zhì)上也是一個(gè)熱交換器。因此，它類(lèi)似于冷凝器，但由于它處于低溫端，因此需要一些防凍措施。
輔助部件
四通換向閥：在壓縮機(jī)、冷凝器、切換蒸發(fā)器的管道，使熱泵同時(shí)具有空調(diào)和制冷功能。
干燥過(guò)濾器：用于去除熱泵中的水的干燥器和用于去除雜質(zhì)的過(guò)濾器結(jié)合在一起。
氣液分離器：從蒸發(fā)器出來(lái)的工作流體不一定“干氣”，可能與液滴混合，這對(duì)壓縮機(jī)會(huì)有很大影響。通常在蒸發(fā)器和壓縮機(jī)之間。
油分離器：壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油可以與工作介質(zhì)蒸汽混合。通常安裝在壓縮機(jī)后面或冷凝器前面。
儲(chǔ)液器：它通常布置在冷凝器后面，以?xún)?chǔ)存來(lái)自冷凝器的液態(tài)工質(zhì)，以適應(yīng)工況的變化。
電磁閥：它布置在節(jié)流元件的前面，防止壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)大量液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器，導(dǎo)致壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)生液擊。
高低壓控制器：它串聯(lián)在壓縮機(jī)控制回路中，防止壓縮機(jī)工作壓力過(guò)低或過(guò)高造成安全隱患。
工作原理
熱泵裝置和制冷裝置的工作原理沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，但它們都是反向工作的熱機(jī)，都遵守?zé)崃W(xué)基本定律。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)向熱泵輸入一定的驅(qū)動(dòng)能量W時(shí)，熱泵可以通過(guò)熱力學(xué)循環(huán)從低溫物體中提取一部分熱量并將其傳遞給高溫物體。這三個(gè)符合能量守恒定律，即。熱泵的熱力循環(huán)過(guò)程通常用逆卡諾循環(huán)和洛倫茲循環(huán)來(lái)表示。
熱泵種類(lèi)
壓縮式熱泵
構(gòu)成：壓縮式熱泵一般由壓縮機(jī)組成、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器由四部分組成。
驅(qū)動(dòng)方式：壓縮式熱泵的驅(qū)動(dòng)方式主要是壓縮機(jī)，利用壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)蒸汽的加壓驅(qū)動(dòng)。具體工作過(guò)程為：蒸發(fā)器從低溫端吸熱產(chǎn)生高溫低壓蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮形成高溫高壓蒸汽，并在冷凝器中進(jìn)一步向加熱端放熱產(chǎn)生的低溫高壓廢氣經(jīng)過(guò)節(jié)流部分后返回蒸發(fā)器，工質(zhì)在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。
特點(diǎn)：根據(jù)工作介質(zhì)，壓縮式熱泵可分為蒸汽壓縮式和空氣壓縮式兩者的區(qū)別在于，蒸汽壓縮式利用冷凝過(guò)程進(jìn)行熱交換，可以實(shí)現(xiàn)更大的功率。
吸收式熱泵
構(gòu)成：吸收式熱泵類(lèi)似于壓縮式熱泵，用一個(gè)溶液回路代替壓縮機(jī)，溶液回路由吸收器溶液泵組成、發(fā)電機(jī)和溶液節(jié)流閥。
驅(qū)動(dòng)方式：它通過(guò)消耗溶液回路中的熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)蒸汽的壓縮，具體過(guò)程如下：溶液回路的蒸發(fā)器吸收來(lái)自蒸發(fā)器的高溫蒸汽，由溶液泵送至發(fā)生器，發(fā)生器吸收外界熱量使工質(zhì)蒸汽沸騰形成高溫高壓蒸汽。其余的熱過(guò)程與壓縮熱泵一致。
特點(diǎn)：低溫?zé)嵩?，如工廠的廢蒸汽和廢熱可用作熱源，旋轉(zhuǎn)部件少，耗電少，無(wú)噪音；但熱效率低。
蒸汽噴射式
構(gòu)成：用噴射泵代替壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作，噴射泵由噴嘴組成、混合室、擴(kuò)壓管組成。
驅(qū)動(dòng)方式：熱泵工作時(shí)，來(lái)自鍋爐等蒸汽發(fā)生器的高壓蒸汽通過(guò)噴嘴減壓獲得高速，高速蒸汽吸入蒸發(fā)器中的工質(zhì)蒸汽使其高速流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工質(zhì)的壓縮。其余過(guò)程與壓縮熱泵相同。
特點(diǎn)：通過(guò)消耗熱能提取低位熱源中的熱量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、幾乎沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、價(jià)格低廉、操作方便、耐用，但熱泵性能系數(shù)較低。
其他驅(qū)動(dòng)方式
熱電式熱泵：它使用帕爾貼效應(yīng)——，即當(dāng)直流電施加于由兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的回路時(shí)，它在一個(gè)節(jié)點(diǎn)變冷，在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)變熱；熱能通過(guò)電流從低位熱源傳遞到高位熱源。
化學(xué)熱泵：基于某些化學(xué)效應(yīng)可以吸收和釋放熱量的原理，它首先將低級(jí)熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存，然后將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高級(jí)熱能。
熱源種類(lèi)
空氣源熱泵：以空氣為低位熱源的熱泵
優(yōu)點(diǎn)：空氣取之不盡用之不竭，空氣熱源熱泵裝置的安裝和使用也很方便。
缺點(diǎn)：不穩(wěn)定——受室外溫度影響較大，室外溫度較低時(shí)，熱泵產(chǎn)生的熱量較少；
制熱性能和可靠性差——當(dāng)室外溫度過(guò)低時(shí)，熱交換器的表面可能會(huì)結(jié)霜，從而影響熱泵的可靠性和制熱能力；該設(shè)備規(guī)模大且噪音大空氣的比熱小，需要大規(guī)模的風(fēng)扇來(lái)提供足夠的空氣，因此該裝置規(guī)模大且噪音大。
水熱源熱泵：利用地表水、地下水、以工業(yè)廢熱水為熱源的熱泵。
優(yōu)點(diǎn)：水的熱容量大，傳熱性能好，因此換熱設(shè)備緊湊；水溫相對(duì)穩(wěn)定，使熱泵的運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定。
缺點(diǎn)：熱泵裝置必須靠近水源或配備一定的儲(chǔ)水裝置；其次，對(duì)水質(zhì)有一定的要求，水質(zhì)分析后應(yīng)采用合適的換熱器材料，以防止腐蝕問(wèn)題。
土壤熱源熱泵：以土壤為低溫?zé)嵩吹臒岜?div id="baplmswg" class="img img_r" style="width:300px;" id="wrap-img-0">
熱泵
優(yōu)點(diǎn)：土壤溫度變化不大，有一定的儲(chǔ)熱功能熱交換器基本不需要除霜，以土壤為熱源的熱泵裝置不需要風(fēng)機(jī)降低噪音。地?zé)嵩礋岜玫墓r與土壤的性質(zhì)有關(guān)，土壤的性質(zhì)隨地區(qū)和季節(jié)的不同而變化。全年地溫波動(dòng)較小，冬季土壤溫度高于氣溫，因此熱泵的制熱性能系數(shù)較高。
由于土壤溫度波動(dòng)小，且具有一定的蓄熱功能，熱泵具有較高的制熱性能系數(shù)。另外，當(dāng)以土壤為熱源時(shí)，風(fēng)扇可以不使用，幾乎不產(chǎn)生噪音。
缺點(diǎn)：①由于土壤傳熱系數(shù)小，需要消耗大量金屬來(lái)增加傳熱面積，提高與土壤的傳熱。②土壤會(huì)腐蝕金屬換熱管，因此需要額外的防銹處理。
太陽(yáng)能熱泵：以太陽(yáng)能為熱源的熱泵
優(yōu)點(diǎn)：太陽(yáng)能是取之不盡的、無(wú)污染、清潔的優(yōu)點(diǎn)；而且太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)不需要除霜裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，收集率高。
缺點(diǎn)：投資大。
其他分類(lèi)
根據(jù)設(shè)備的集中程度：中央系統(tǒng)——是一個(gè)熱泵，通過(guò)熱泵站向該區(qū)域集中供熱；分布式系統(tǒng)——是用于單個(gè)房間或樓層供暖的熱泵，其機(jī)組通常放置在房間內(nèi)。
按用途分類(lèi)：熱泵可分為民用熱泵、工業(yè)用熱泵、農(nóng)業(yè)用熱泵等。
按供熱溫度分類(lèi)：熱泵可分為低溫?zé)岜煤透邷責(zé)岜谩?br />
按能源品位分類(lèi)：熱泵可以分為第一種類(lèi)型、第二類(lèi)熱泵。
按功能分類(lèi)：熱泵可分為僅用于加熱的熱泵、冷熱交替熱泵、同時(shí)制冷和制熱的熱泵。
按壓縮機(jī)分類(lèi)：熱泵可分為活塞式、渦旋式、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式、螺桿式、離心式熱泵。
應(yīng)用范圍
采暖和供熱水
熱泵最常見(jiàn)的應(yīng)用之一是用于居民、商業(yè)建筑提供熱泵，為了提高熱泵的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，通常采用兼具供熱和制冷功能的熱泵系統(tǒng)。
農(nóng)產(chǎn)干燥領(lǐng)域
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常有許多濕物料（如木材，紙張、谷物、茶葉、魚(yú)類(lèi)）需要烘干通常在生產(chǎn)過(guò)程中，采用加熱空氣和強(qiáng)制通風(fēng)來(lái)加速干燥過(guò)程，干燥過(guò)程的能耗巨大。使用熱泵干燥系統(tǒng)可以節(jié)省大量能耗，還可以進(jìn)行低溫干燥。
海水淡化
在沒(méi)有天然淡水的地方，海水淡化技術(shù)非常重要海水淡化不僅需要消耗大量的熱量來(lái)加熱和蒸發(fā)水，還需要冷凍過(guò)程來(lái)分離鹽水和冰。利用開(kāi)式熱泵循環(huán)，一方面可以保持冷凍室的負(fù)壓以形成鹽水和冰，另一方面也可以提供熱量以加熱和形成水蒸氣。
化工蒸發(fā)蒸餾
制鹽、制糖、牛奶濃縮、化工母液蒸發(fā)等工藝都是靠加熱來(lái)蒸發(fā)水分，消耗的能量非常巨大。這些過(guò)程可以與熱泵循環(huán)很好地結(jié)合起來(lái)，并發(fā)揮出極高的性能和優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性。