各類熱泵的原理特點(diǎn)及高效應(yīng)用技術(shù)研究

郭偉杰 閆 廣

河北華熱工程設(shè)計(jì)有限公司 河北 石家莊 050000

1 概述

工程項(xiàng)目中常見的熱泵有兩種,分別為以各種低沸點(diǎn)氟利昂為載熱質(zhì)的壓縮式熱泵[1]和以溴化鋰-水、氨-水等二元工質(zhì)對為載熱質(zhì)的吸收式熱泵[2]。壓縮式熱泵空調(diào)是冬季采暖、夏季供冷的高能效中大型空調(diào)機(jī),溴化鋰-水為工質(zhì)對的吸收式熱泵常作為供熱管網(wǎng)中的大溫差機(jī)組,氨-水為工質(zhì)對的吸收式熱泵常見于燃?xì)馕帐焦嵊脽岜?、夏季余熱源供冷空調(diào)以及冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中。除此之外還有三類設(shè)備也可以視為熱泵,即第二類吸收式熱泵[3]、半導(dǎo)體制冷片[4]和渦流管[5]。由于結(jié)構(gòu)簡單、溫差大等特點(diǎn),使半導(dǎo)體制冷片和渦流管用于較為特殊場合的制熱制冷。

1 各類熱泵的原理

熱泵是通過消耗一定能量實(shí)現(xiàn)將低品位熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺粺崃康脑O(shè)備,根據(jù)原理可將熱泵分為以下5類:

(1)壓縮式熱泵:壓縮式熱泵通過機(jī)械壓縮的方式促使氟利昂等載熱流體的低溫蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏旱囊簯B(tài),同時(shí)蒸汽焓轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷仫@熱在冷凝器中釋放熱量,然后高壓液態(tài)的氟利昂由減壓閥減壓并在蒸發(fā)器中吸收低溫?zé)嵩吹臒崃恐匦抡舭l(fā)成低溫飽和蒸汽完成一次循環(huán)。

圖1-1 機(jī)械壓縮式熱泵原理圖

(2)第一類吸收式熱泵:第一階段通過消耗少量的高溫?zé)崮茉谡麴s器中對原溶液進(jìn)行蒸餾,原溶液分離成高溫過熱汽態(tài)的制冷劑和顯熱狀態(tài)的吸收劑,然后通過熱力網(wǎng)冷卻過熱蒸汽態(tài)的制冷劑成液態(tài)。顯熱狀態(tài)的吸收劑在回?zé)崞髦蓄A(yù)熱原溶液后冷卻。第二階段通過吸收劑的吸收作用在吸收塔中制造高真空,液態(tài)制冷劑在高度真空下吸收低溫?zé)嵩吹臒崃恐匦抡舭l(fā)成低溫飽和蒸汽,制冷劑被吸收進(jìn)入吸收劑溶液時(shí)釋放相變潛熱使生成的原溶液溫度顯著升高,這樣就將低溫?zé)嵩吹臒崃哭D(zhuǎn)變?yōu)楦邷責(zé)崃抗嵊脩羰褂?。重新生成的原溶液?jīng)原溶液泵升壓后經(jīng)過顯熱態(tài)吸收劑的加熱重新回到蒸餾器中完成一次循環(huán)。

圖1-2 第一類吸收式熱泵原理圖

(3)第二類吸收式熱泵:第二類吸收式熱泵是消耗大量的低溫?zé)崮苌a(chǎn)少量的高溫?zé)崮?第一階段采用低溫?zé)崮芗訜嵩芤?并在冷卻塔高提供的高真空下進(jìn)行低溫蒸餾,分離出吸收劑和液態(tài)的制冷劑。第二階段分別加熱吸收劑和制冷劑,使其在吸收劑泵和制冷劑泵加壓的情況下進(jìn)行重吸收,制冷劑蒸發(fā)吸收的熱源為低溫?zé)嵩?加熱吸收劑的熱源為回?zé)崞鲀?nèi)有一定顯熱的原溶液。由于制冷劑蒸發(fā)采用的是低溫?zé)嵩?因此在重吸收之后的原溶液溫度就可以超過低溫?zé)嵩吹臏囟取崃拷?jīng)換熱器引出供熱,重吸收生成的原溶液經(jīng)回?zé)崞骼鋮s、減壓閥減壓后回到蒸餾器完成一次循環(huán)。

圖1-3 第二類吸收式熱泵原理圖

(4)半導(dǎo)體制冷片:也叫熱電制冷片,由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。N型半導(dǎo)體材料有多余的電子,有負(fù)溫差電勢。P型半導(dǎo)體材料電子不足,有正溫差電勢;當(dāng)電子從P型穿過結(jié)點(diǎn)至N型時(shí),結(jié)點(diǎn)的溫度降低,其能量必然增加,而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。相反,當(dāng)電子從N型流至P型材料時(shí),結(jié)點(diǎn)的溫度就會升高。通電后在半導(dǎo)體回路內(nèi)部形成電流并迅速產(chǎn)生溫度差,同時(shí)伴隨著兩種半導(dǎo)體表面的吸熱和放熱,因此在放熱面除釋放本身的電阻熱量外,還實(shí)現(xiàn)了從低溫?zé)嵩次找欢崃坎⑾蚋邷責(zé)嵩捶艧岬倪^程。當(dāng)電壓反置時(shí),半導(dǎo)體回路的制熱制冷效果也會同樣反置。

圖1-4 半導(dǎo)體制冷片原理圖

(5)渦流管:全名為蘭克-赫爾胥渦流管,由噴嘴、渦流室、分離孔板、管子和控制閥組成。渦流室居中,將管子分為冷、熱兩段。噴嘴沿渦流室切向布置,即引導(dǎo)高壓氣流切線方向進(jìn)入渦流室。經(jīng)過壓縮并冷卻到常溫的氣體進(jìn)入噴嘴,在噴嘴中膨脹并加速,從切線方向射入渦流室,形成自由渦流。渦流的旋轉(zhuǎn)使溫度均衡的氣流形成溫度梯度的氣體旋流,熱層在渦流管的外層旋轉(zhuǎn)流動,冷流在渦流管的中心流動。由于熱段的末端有控制閥,閥體在管道中心安裝使冷流無法流出而向反向流動,從孔板中心孔向冷段流動并最終從末端流出,只有熱流從熱段的出口流出。通過調(diào)節(jié)控制閥,可以調(diào)節(jié)冷熱兩股氣流的流量和溫度。渦流管在室溫下可實(shí)現(xiàn)制冷最低-46℃,制熱最高126℃。除了可以將氣體進(jìn)行冷熱分流外,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)渦流管也可以將不可壓縮的液體進(jìn)行冷熱分流[6]。

圖1-5 渦流管冷熱分離原理圖

2 各類熱泵的特點(diǎn)和應(yīng)用場景

無論熱泵按照何種理論設(shè)計(jì)制造,以及其采用何種載熱工質(zhì),熱泵的工作過程都是遵循熱力學(xué)兩大定律的設(shè)備,即其能量過程遵循熱力學(xué)第一定律“能量守恒”和熱力學(xué)第二定律“熵增定律”,因此有

Sin≥Sout或Exin≤Exout

(1)對于壓縮式熱泵的循環(huán)過程有:

壓縮式熱泵特點(diǎn):可以利用的氟利昂種類多,因此其熱力性能普適性強(qiáng),并且有機(jī)氟利昂較高的混溶特性可以實(shí)現(xiàn)熱力性能更加調(diào)和的混合型氟利昂。高效的相變式換熱也使壓縮式熱泵擁有很高的熱流量,其1.8～6.0的cop是各類熱泵中最高的,也是變化最大的。根據(jù)熱源的不同可分為土壤源、水源、空氣源等諸多類型,可生產(chǎn)熱水、熱風(fēng)。因此壓縮式熱泵特別適合供冷、供熱等大熱量傳遞的應(yīng)用場景,也是在公民建筑暖通空調(diào)和工農(nóng)業(yè)供熱中最常見的熱機(jī)。

(2)對于第一類吸收式熱泵的循環(huán)過程有:

(3)對于第二類吸收式熱泵的循環(huán)過程有:

第二類吸收式熱泵是以上幾類熱泵中唯一“以總量換品質(zhì)”的熱泵,也是唯一制熱需要配置冷卻塔的熱泵。由于真空低溫蒸餾過程中驅(qū)動熱量最終在冷卻塔散失,因此其整體cop低于1,約為0.5左右。該類熱泵特別適合有大量低品位余熱的工業(yè)企業(yè)用于生產(chǎn)溫度更高的工藝用熱。

(4)對于半導(dǎo)體制冷片的電-熱過程有:

半導(dǎo)體制冷片屬于電子元件,因此無機(jī)械傳動,可微型化、巨型化、異型化,不受安裝空間的限制。直流電驅(qū)的特點(diǎn)使其可以無變頻連續(xù)調(diào)負(fù)荷,電壓翻轉(zhuǎn)時(shí)制冷制熱效果就隨之反轉(zhuǎn),但是PN正向和反向的效率有一定的差別。內(nèi)部采用電子為載熱工質(zhì)因此無氟利昂泄露污染的風(fēng)險(xiǎn)。串聯(lián)可以在最冷-50～-70℃的超低溫度下制熱。

但是制熱溫度會受半導(dǎo)體材料的影響,一般在50℃左右比較適宜,達(dá)到70℃～80℃及以上溫度時(shí)會導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的熱損壞。半導(dǎo)體熱泵在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)吸收或放出的熱量與電流密度及溫度梯度成正比,因此其綜合制熱cop較低,在1.6左右且不會超過2.0。因而制冷效果較差,其EER約0.6～0.8,僅適合在特定情況下作為制冷元件。

綜合以上特點(diǎn),半導(dǎo)體熱泵屬于小熱流量,高溫差的類型,不適宜小溫差、大熱流的應(yīng)用。

(5)對于渦流管的冷熱分離過程有:

渦流管本身沒有機(jī)械部件,因此其整體結(jié)構(gòu)簡單小巧,制造成本低廉,拆卸維護(hù)方便。理論cop約為2.0～2.5左右,但是目前其熱力性能較弱,在實(shí)際應(yīng)用中其熱力能效cop約1.1～1.3左右,存在較大的改良空間。多用于大型工程機(jī)械的軸冷風(fēng)、石化生產(chǎn)線的冷卻風(fēng)、空調(diào)衣等設(shè)備。

根據(jù)以上分析可得出提高各種熱泵的綜合特性,見下表

表2-1 各種熱泵的主要特性

3 熱泵高效應(yīng)用技術(shù)

按照卡諾定理,卡諾可逆熱機(jī)的最高熱-功轉(zhuǎn)換有:

逆卡諾循環(huán)熱泵即為熱泵的最高熱-功轉(zhuǎn)換有:

則逆卡諾循環(huán)熱泵的最高能效有:

在實(shí)際運(yùn)行中,熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器均存在傳熱溫差,即蒸發(fā)器的溫度要顯著低于低溫?zé)嵩礈囟炔趴梢晕盏蜏責(zé)嵩吹臒崃?同樣,冷凝器的溫度要顯著高于熱網(wǎng)的供水溫度才可以使冷凝器內(nèi)的工質(zhì)冷凝放熱。熱泵內(nèi)部的機(jī)械傳動存在損耗,即載熱質(zhì)在熱泵中的流動存在摩阻損耗(制冷片內(nèi)部存在電阻),且壓縮機(jī)的機(jī)械效率不可能達(dá)到100%。膨脹閥的節(jié)流件也造成了機(jī)械能的損耗。因此與逆卡諾循環(huán)相比,實(shí)際熱泵(壓縮機(jī)熱泵)的工作有以上兩點(diǎn)顯著的不可逆過程。最終導(dǎo)致了實(shí)際運(yùn)行的熱泵遠(yuǎn)達(dá)不到可逆循環(huán)所能達(dá)到的能效,即

ηΣ即熱泵的實(shí)際機(jī)械總效率:

由計(jì)算可知,當(dāng)高溫?zé)嵩吹臏囟萒1升高或者高低溫?zé)嵩吹臏夭顢U(kuò)大時(shí),熱泵的發(fā)熱量和能效均會下降,且熱泵對高溫?zé)嵩吹臏囟萒1升高更加敏感。根據(jù)以上分析可得出提高熱泵能效及提高運(yùn)行效率的途徑,即熱泵設(shè)計(jì)和制造應(yīng)使熱泵更加貼近逆卡諾循環(huán),盡可能減少傳熱溫差、提高機(jī)械傳動效率。提高熱泵發(fā)熱量的途徑有以下幾種:

降低換熱面?zhèn)鳠釡夭畹募夹g(shù)有:

(1)增加有效換熱面積,采用表面涂覆、機(jī)械除霜除垢減小傳熱熱阻;

(2)采用噴氣增焓技術(shù)減少熱泵內(nèi)部的熱量無效傳遞,變相擴(kuò)大了蒸發(fā)器換熱面積[7];

圖3-1 壓縮式熱泵的噴液增焓原理圖

(3)采用更高效的相變傳熱替換或者強(qiáng)化換熱面的對流換熱;

提高機(jī)械傳動的技術(shù)有:

(1)磁懸浮軸承[8]:利用由永久磁鐵和電磁鐵組成的徑向軸承和軸向軸承組成數(shù)控磁軸承系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的運(yùn)動部件懸浮在磁襯上無摩擦的運(yùn)動,極大地減少了機(jī)械磨損造成的電功耗,與同類中央空調(diào)系統(tǒng)相比,節(jié)能約60%;

圖3-2 磁懸浮軸承原理圖

(2)渦輪減壓閥:采用微型渦輪替換孔板、毛細(xì)管等依靠摩阻降低氟利昂的減壓閥,在降低壓力的同時(shí)可以將氟利昂膨脹時(shí)的機(jī)械功回收為動力,依靠機(jī)械傳動回饋給壓縮機(jī)可有效降低系統(tǒng)對機(jī)械功的消耗。

高效運(yùn)行技術(shù)主要有:

(1)保障風(fēng)道通暢、機(jī)群疏散布置,消除冷空氣團(tuán)的堆積形成的“冷島效應(yīng)”和熱泵之間的相互影響;通風(fēng)不暢還會導(dǎo)致低溫?zé)嵩吹臏囟冉档?擴(kuò)大了熱泵工作溫度區(qū)間;冷空氣團(tuán)在熱用戶附近時(shí),還會提高建筑的能耗,提高對供水溫度的要求,增加電功耗[9];

(2)采暖設(shè)備采用高效散熱器可有效降低對熱水的溫度需求,例如高密度排列的地板散熱管和新型散熱暖氣;

(3)熱泵與熱用戶之間取消板式換熱器等溫差傳熱設(shè)備,可有效降低熱泵的出水溫度;

(4)熱源調(diào)負(fù)荷時(shí)優(yōu)先采用質(zhì)調(diào)節(jié)的方式,降低供水溫度;

(5)熱泵優(yōu)先選用變頻機(jī),機(jī)群變頻啟動有助于降低供水溫度,削弱局部冷空氣堆積;

(6)工頻機(jī)組在調(diào)負(fù)荷時(shí),采用離散啟停的方式,啟動的熱泵分散開有助于削弱冷空氣堆積。

(7)在低溫?zé)嵩吹臏囟群碗娏﹄妰r(jià)有周期性變化的系統(tǒng)中增加采用蓄熱設(shè)施[10],盡可能利用低溫?zé)嵩吹母邷貢r(shí)段供能。

4 結(jié)論

本文歸納總結(jié)了目前行業(yè)技術(shù)中現(xiàn)有的5種原理不同的熱泵,并通過原理介紹與分析總結(jié)了各種熱泵的性能與特性。通過卡諾循環(huán)效率對影響熱泵能效的因素進(jìn)行分析,對熱泵的制造、設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提出了意見和建議,研究結(jié)論可為設(shè)備廠家在新產(chǎn)品研發(fā)和已有產(chǎn)品的優(yōu)化制造、對相關(guān)熱力項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱力公司的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行提供參考。