热泵的工作原理及类型及与冰箱工作上的区别

热泵的工作原理及类型及与冰箱工作上的区别

热泵的基本原理是借助一定的能量消耗或能位降级，将能量由低温热源传递到高温热源。按照提高余热温位的方法，可以分为蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵及化学热泵等。

1.1 蒸汽压缩式热泵

这种热泵的原理与一般压缩式制冷机原理完全相同，也就是说与电冰箱的工作原理完全相同。但使用的目的不是致冷，而是致热。如下图所示，（T 1为高温热源，T 2为低温热源）加压的液态工质经节流阀减压降温进入蒸发器，在T 2温度下从低温热源吸热而蒸发，然后进压缩机压缩升温，再生冷凝器中于T 1温度下冷凝。

具体分析其各个过程如下：

T

S

热泵是在环境温度T 0和所需温度T 1之间按逆向卡诺循环进行工作的。在此循环中工质首先沿绝热线1—2膨胀，同时温度从T 1降到T 0。然后沿等温线2—3膨胀，在等温膨胀中，工质在温度T 0下从冷源（环境）吸收热量Q 0。从状态3沿绝热线3—4被压缩，同时温度由T 0升高到T 1。最后沿等温线4—1被压缩，在等温压缩中，工质在温度T 1下向热源（受热体）放出热量Q 1。

逆向卡诺循环的结果是消耗机械功W ，把从恒温冷源T 0所得到Q 0输送给恒温热源T 1。此时，恒温热源所得到的热量为Q 1：

10Q Q W =+

热泵的经济性一般用供热系数1ε来衡量：

11Q W

ε=

化工厂中的大量低温废热，可以利用热泵把这些低温热能转变为高温热能，用于蒸发、精馏工艺过程的加热。例如石油裂解深冷分离中最简单形式的热泵，将制冷系统与精馏设备结合起来。制冷剂经压缩之后，用于精馏塔的再沸器作为加热介质，制冷剂本身被冷凝，然后将此液态制冷剂输送到塔顶蒸汽冷凝器管间蒸发，供给冷量，使塔顶蒸汽冷凝，制冷蒸汽重新去压缩，起到了热泵的作用。

石油裂解气中分离乙烯、乙烷的乙烯塔流程中可以使用热泵节约总的能量消耗。以乙烷、乙烯液体混合物为进料的精馏塔，塔顶产品为纯乙醇蒸汽，经过压缩后，以塔顶压力

2

⨯，温度从-68℃升高到85℃，经过一系列的冷却器，先后1810kPa

⨯，提高到2

610kPa

为水，0℃的液态丙烯，-21℃的液态丙烯冷却。然后，其中一部分-43℃丙烯冷凝为-36℃的液态乙烯，另一部分则为-43℃的丙烯冷却为-32℃的气态乙烯，进入乙烯—乙烷塔底的再沸器中，供加热汽化塔底的乙烷只用。此时，乙烯本身则冷凝为液态乙烯，连同前一部分的液态乙烯作为产品。这样，塔顶压力较低的气体乙烯由于经过压缩，就可将其一部分热量传给塔底再沸器中的乙烷，使之部分气化，进行精馏，而本身则被冷凝为液体。总的效果就是将塔顶-68℃的气体乙烯中的部分热量传给塔底-50℃的液态乙烷，即将低温物质中的热量通过加入外功而传给高温物质，因此构成了一个热泵装置。

1.2吸收式热泵

这种热泵以低位余热为热源，利用某些溶液在浓度变化时的热特性，通过该溶液作为介质构成的热泵循环，将低温位热传向高温热源。

吸收式热泵通常由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器等设备组成。如下图所示，其工作介质是溴化锂——水溶液，这是热量获得型热泵，用温位较高的工作蒸汽作为发生器热源，

以浓缩稀的溴化锂溶液。浓缩过程产生的蒸汽在冷凝器中冷凝，其潜热由热水移走。冷凝液流入蒸发器中，在低压下蒸发，此处可用低温余热作为热源。蒸发器中产生的蒸汽，在吸收器重用温度较高的浓溴化锂溶液吸收。由于溴化锂溶液在低压下仍具有较高沸点，故在吸收水蒸气的过程中，低温位的水蒸气潜热转变为温位较高的溴化锂溶液的显热，再由热水将此

热量移去。在冷凝器和吸收器中吸热后的热水均可作用特定过程的热源。

1.3化学热泵

这是利用特定的化学反应，使在进行吸热反应时吸收低温位热量，而在放热反应时排出高温位热量，从而构成具有化学反应的热泵。这类热泵的典型是金属氢化物化学热泵。

镍、锰及镧系等多种金属或合金，具有吸收氢而生成金属氢化物的特性。在一定温度下，某一金属氢化物与一定的氢分压成平衡。若将性能不同的两种金属氢化物为一组，则可因两者平衡氢分压的差异，导致氢的移动，从而出现金属氢化物的吸氢或放氢反应。在吸氢一侧放热，而放氢一侧则吸热。在氢的移动停止后，应进行再生。这时再分别改变两侧的温度、压力参数，使原先吸氢侧放出氢，并被原先的放氢侧吸收。此过程重复进行，构成循环系统。

参考文献

1．何耀文，梁骧·合理用能的原则与方式·纯碱工业·1986（1）

2．陈锡录·热泵

3．童景山，高光华，刘裕品·化工热力学·清华大学出版社·2003（1）