各類熱泵的原理特點及高效應用技術研究

郭偉杰 閆 廣

河北華熱工程設計有限公司 河北 石家莊 050000

1 概述

工程項目中常見的熱泵有兩種,分別為以各種低沸點氟利昂為載熱質的壓縮式熱泵[1]和以溴化鋰-水、氨-水等二元工質對為載熱質的吸收式熱泵[2]。壓縮式熱泵空調是冬季采暖、夏季供冷的高能效中大型空調機,溴化鋰-水為工質對的吸收式熱泵常作為供熱管網中的大溫差機組,氨-水為工質對的吸收式熱泵常見于燃氣吸收式供熱用熱泵、夏季余熱源供冷空調以及冷熱電三聯供系統中。除此之外還有三類設備也可以視為熱泵,即第二類吸收式熱泵[3]、半導體制冷片[4]和渦流管[5]。由于結構簡單、溫差大等特點,使半導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現將低品位熱量轉變為高品位熱量的設備,根據原理可將熱泵分為以下5類:

(1)壓縮式熱泵:壓縮式熱泵通過機械壓縮的方式促使氟利昂等載熱流體的低溫蒸汽轉變為高壓的液態,同時蒸汽焓轉變為高溫顯熱在冷凝器中釋放熱量,然后高壓液態的氟利昂由減壓閥減壓并在蒸發器中吸收低溫熱源的熱量重新蒸發成低溫飽和蒸汽完成一次循環。

圖1-1 機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熱能在蒸餾器中對原溶液進行蒸餾,原溶液分離成高溫過熱汽態的制冷劑和顯熱狀態的吸收劑,然后通過熱力網冷卻過熱蒸汽態的制冷劑成液態。顯熱狀態的吸收劑在回熱器中預熱原溶液后冷卻。第二階段通過吸收劑的吸收作用在吸收塔中制造高真空,液態制冷劑在高度真空下吸收低溫熱源的熱量重新蒸發成低溫飽和蒸汽,制冷劑被吸收進入吸收劑溶液時釋放相變潛熱使生成的原溶液溫度顯著升高,這樣就將低溫熱源的熱量轉變為高溫熱量供熱用戶使用。重新生成的原溶液經原溶液泵升壓后經過顯熱態吸收劑的加熱重新回到蒸餾器中完成一次循環。

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熱能生產少量的高溫熱能,第一階段采用低溫熱能加熱原溶液,并在冷卻塔高提供的高真空下進行低溫蒸餾,分離出吸收劑和液態的制冷劑。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行重吸收,制冷劑蒸發吸收的熱源為低溫熱源,加熱吸收劑的熱源為回熱器內有一定顯熱的原溶液。由于制冷劑蒸發采用的是低溫熱源,因此在重吸收之后的原溶液溫度就可以超過低溫熱源的溫度。熱量經換熱器引出供熱,重吸收生成的原溶液經回熱器冷卻、減壓閥減壓后回到蒸餾器完成一次循環。

圖1-3 第二類吸收式熱泵原理圖

(4)半導體制冷片:也叫熱電制冷片,由N型半導體和P型半導體組成。N型半導體材料有多余的電子,有負溫差電勢。P型半導體材料電子不足,有正溫差電勢;當電子從P型穿過結點至N型時,結點的溫度降低,其能量必然增加,而且增加的能量相當于結點所消耗的能量。相反,當電子從N型流至P型材料時,結點的溫度就會升高。通電后在半導體回路內部形成電流并迅速產生溫度差,同時伴隨著兩種半導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,還實現了從低溫熱源吸收一定熱量并向高溫熱源放熱的過程。當電壓反置時,半導體回路的制熱制冷效果也會同樣反置。

圖1-4 半導體制冷片原理圖

(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,即引導高壓氣流切線方向進入渦流室。經過壓縮并冷卻到常溫的氣體進入噴嘴,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。通過調節控制閥,可以調節冷熱兩股氣流的流量和溫度。渦流管在室溫下可實現制冷最低-46℃,制熱最高126℃。除了可以將氣體進行冷熱分流外,經實驗證實渦流管也可以將不可壓縮的液體進行冷熱分流[6]。

圖1-5 渦流管冷熱分離原理圖

2 各類熱泵的特點和應用場景

無論熱泵按照何種理論設計制造,以及其采用何種載熱工質,熱泵的工作過程都是遵循熱力學兩大定律的設備,即其能量過程遵循熱力學第一定律“能量守恒”和熱力學第二定律“熵增定律”,因此有

Sin≥Sout或Exin≤Exout

(1)對于壓縮式熱泵的循環過程有:

壓縮式熱泵特點:可以利用的氟利昂種類多,因此其熱力性能普適性強,并且有機氟利昂較高的混溶特性可以實現熱力性能更加調和的混合型氟利昂。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。根據熱源的不同可分為土壤源、水源、空氣源等諸多類型,可生產熱水、熱風。因此壓縮式熱泵特別適合供冷、供熱等大熱量傳遞的應用場景,也是在公民建筑暖通空調和工農業供熱中最常見的熱機。

(2)對于第一類吸收式熱泵的循環過程有:

(3)對于第二類吸收式熱泵的循環過程有:

第二類吸收式熱泵是以上幾類熱泵中唯一“以總量換品質”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企業用于生產溫度更高的工藝用熱。

(4)對于半導體制冷片的電-熱過程有:

半導體制冷片屬于電子元件,因此無機械傳動,可微型化、巨型化、異型化,不受安裝空間的限制。直流電驅的特點使其可以無變頻連續調負荷,電壓翻轉時制冷制熱效果就隨之反轉,但是PN正向和反向的效率有一定的差別。內部采用電子為載熱工質因此無氟利昂泄露污染的風險。串聯可以在最冷-50～-70℃的超低溫度下制熱。

但是制熱溫度會受半導體材料的影響,一般在50℃左右比較適宜,達到70℃～80℃及以上溫度時會導致半導體材料的熱損壞。半導體熱泵在單位時間和單位體積內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,半導體熱泵屬于小熱流量,高溫差的類型,不適宜小溫差、大熱流的應用。

(5)對于渦流管的冷熱分離過程有:

渦流管本身沒有機械部件,因此其整體結構簡單小巧,制造成本低廉,拆卸維護方便。理論cop約為2.0～2.5左右,但是目前其熱力性能較弱,在實際應用中其熱力能效cop約1.1～1.3左右,存在較大的改良空間。多用于大型工程機械的軸冷風、石化生產線的冷卻風、空調衣等設備。

根據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 熱泵高效應用技術

按照卡諾定理,卡諾可逆熱機的最高熱-功轉換有:

逆卡諾循環熱泵即為熱泵的最高熱-功轉換有:

則逆卡諾循環熱泵的最高能效有:

在實際運行中,熱泵的蒸發器和冷凝器均存在傳熱溫差,即蒸發器的溫度要顯著低于低溫熱源溫度才可以吸收低溫熱源的熱量;同樣,冷凝器的溫度要顯著高于熱網的供水溫度才可以使冷凝器內的工質冷凝放熱。熱泵內部的機械傳動存在損耗,即載熱質在熱泵中的流動存在摩阻損耗(制冷片內部存在電阻),且壓縮機的機械效率不可能達到100%。膨脹閥的節流件也造成了機械能的損耗。因此與逆卡諾循環相比,實際熱泵(壓縮機熱泵)的工作有以上兩點顯著的不可逆過程。最終導致了實際運行的熱泵遠達不到可逆循環所能達到的能效,即

ηΣ即熱泵的實際機械總效率:

由計算可知,當高溫熱源的溫度T1升高或者高低溫熱源的溫差擴大時,熱泵的發熱量和能效均會下降,且熱泵對高溫熱源的溫度T1升高更加敏感。根據以上分析可得出提高熱泵能效及提高運行效率的途徑,即熱泵設計和制造應使熱泵更加貼近逆卡諾循環,盡可能減少傳熱溫差、提高機械傳動效率。提高熱泵發熱量的途徑有以下幾種:

降低換熱面傳熱溫差的技術有:

(1)增加有效換熱面積,采用表面涂覆、機械除霜除垢減小傳熱熱阻;

(2)采用噴氣增焓技術減少熱泵內部的熱量無效傳遞,變相擴大了蒸發器換熱面積[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化換熱面的對流換熱;

提高機械傳動的技術有:

(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控磁軸承系統實現壓縮機的運動部件懸浮在磁襯上無摩擦的運動,極大地減少了機械磨損造成的電功耗,與同類中央空調系統相比,節能約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、毛細管等依靠摩阻降低氟利昂的減壓閥,在降低壓力的同時可以將氟利昂膨脹時的機械功回收為動力,依靠機械傳動回饋給壓縮機可有效降低系統對機械功的消耗。

高效運行技術主要有:

(1)保障風道通暢、機群疏散布置,消除冷空氣團的堆積形成的“冷島效應”和熱泵之間的相互影響;通風不暢還會導致低溫熱源的溫度降低,擴大了熱泵工作溫度區間;冷空氣團在熱用戶附近時,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備,可有效降低熱泵的出水溫度;

(4)熱源調負荷時優先采用質調節的方式,降低供水溫度;

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

(6)工頻機組在調負荷時,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)在低溫熱源的溫度和電力電價有周期性變化的系統中增加采用蓄熱設施[10],盡可能利用低溫熱源的高溫時段供能。

4 結論

本文歸納總結了目前行業技術中現有的5種原理不同的熱泵,并通過原理介紹與分析總結了各種熱泵的性能與特性。通過卡諾循環效率對影響熱泵能效的因素進行分析,對熱泵的制造、設計和優化運行提出了意見和建議,研究結論可為設備廠家在新產品研發和已有產品的優化制造、對相關熱力項目的優化設計和熱力公司的經濟性運行提供參考。