热泵技术及其在工业节能中的应用概要

1.能量系统的转换

1.1能量的品位

能量是物质的基本特性参数,它表示物质所具有的做功能力。热力学第一定律说明了不同形式的能量可以转换，但在转换过程中数量守恒，热力学第二定律指出，能量除了有量的多少外，还有品位的高低，不同品位的能量转变为功的能力不同。

物质的总能中可用能所占的比例代表了能量的品质。世界各国学者对“可用能”的理论和在各个领域中的应用进行了深入的研究和广泛的实践。1960年至1963年间，南斯拉夫学者郎特把能量分为可转变为技术功部分火用（Exergy）和不可转变为技术功部分火无（Anergic）。

火用表示热力系统中物质在任意状态下相对于环境零态（dead state）所具有的最大做功能力。火无表示物质所具有的总能中，相对于环境零态，不可转变为技术功部分。

根据火用的定义，对于开口系物质所具的比火用为：

e = h-h0-T0(s-s0) （1-1）

根据火无的定义，物质流的物理火无为：

e = h-e = h0+T0(s-s0) （1-2）

火用的概念是建立在热力学第一定律和第二定律基础上的热力参数,它表示能量在给定的环境条件下(P0、T0及其它参数），所能产生的最大有用功。它既可以表示能量的数量，又可以表示能量的品位及其可利用程度，火用的单位与焓的单位相同。

稳流工质可逆变化到环境状态，可设想由等熵和可逆等温两个过程组成。当忽略流动工质动能和位能的变化，由状态1可逆变化到环境状态零态（P0、T0）。

稳定物流火用的数值可以用工质热力性能参数表计算得出，也可用火用---熵图（e-s）表示。在实际过程中流入火用一定大于流出火用。即e x1＞e x2+e w 。它同能量概念不同，进出设备的火用并不守恒，只会减少，其减少的数值就是火用损失，见公式（1-3）。Δe x表示能量的变质。e w 表示火用转变为机械功部分。

Δe x = e x1– e x2 -e w （1-3）

根据孤立体系熵增原理，对于整个体系来说，不可逆过程熵只会增加，即产生有用功的能力减少。在数量上熵的增加等于火用的减少。

流入火用等于流出火用和火用损失之和，称为火用平衡方程式：

Δe x = e x2 + e w +Δe x （1-4）

1x x 12e e 1∆-=+=x w x e e e

η火用效率表示传热设备的能量在数量上和质量上利用的完善程度，对于减压器，

则表示流出的火用占流入的火用比值。

（1-5）

热力学第一定律说明了不同形式的能量可以转换。热力学第二定律指出，能量除了

有量的多少外，还有品位的高低。应该避免在能量转换过程中有效能的无效贬值，即减

少能量转换过程中的不可逆过程。在实际能量转换过程中，火用只会减少，不会守恒。

1.2常规热力系统蒸汽节流减压的能量损失

蒸汽减压方法可以分为三类：节流式减压是典型的不可逆过程;回转式减压即利用汽

轮机将蒸汽减压的能量差转换为机械功，热电厂的汽轮发电

机组运行属于回转式减压。引射式减压即利用蒸汽喷射式热泵

进行减压，在蒸汽减压过程中，将废热蒸汽增压后，使其一并

供给加热设备用汽。引射式减压可以向热用户提供介于工作流

体和被引射流体两种流体不同压力中间任何一种所需要的压力

等级蒸汽。

采用阀门利用其阻力特性控制调节蒸汽压力的方法一

律称为蒸汽节流减压，它是对外界不作功的熵增等焓过程，蒸汽在节流减压过程中，

由于摩擦、涡流使大量有规则运动的分子变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，

致使蒸汽能量产生无形的损失。

采用阀门及利用其阻力特性控制调节蒸汽压力的方法一律称为蒸汽节流减压，它

是对外界不做功的熵增等焓过程，蒸汽在节流减压过程中，由于摩擦、涡流使大量有

规则运动的分子变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，致使蒸汽能量产生无形

的损失。（见图1-1）

假定蒸汽节流减压在绝热状态下进行，为了导出绝热节流减压的能量方式，首先

列出流入系统1Kg 流体稳定流动的能量方程式：

sh W z z g c c h h q +-+-+-=)()(2

112212212 （1-6） 绝热节流的热力过程具有以下特点，热力系统同环境间用绝热壁包围，热流q=0，

节流前后适当距离处截面速度基本不变，并且它的动能和焓值相比甚小，所以速度平

方差可以忽略不计，即： 。由此得出蒸汽节流减压过程的能量方程式： 0)(21

1122=-c c

h 2 = h 1 （1-7）

从热力学第一定律热效率观点分析，蒸汽节流减压前后焓值相等即h 2=h 1,反应不

出能量的损失。但是，熵的增加反映了在孤立的热力系统中，能量产生变质，转变为

可用功的能力减少了，无疑这是能量的无效贬值和用能的浪费。蒸汽节流减前后的损

失，可以表达为：

e x1-e x2 ＝T 0((s 2-s 1) （1-8）

根据火用效率的定义：

（1-9） 以下用计算对比说明，将P 1＝0.80MPa,t 1＝210℃蒸汽减压到P 2＝0.20MPa ，采

用蒸汽节流减压和热泵供热有效能火用 值的变化。

根据计算得出：P 1＝0.8MPa,t 1＝210℃工作蒸汽的火用为864.57KJ/Kg,用上述参

数蒸汽作为热泵的工作动力将P 2＝0.03MPa 的二次蒸发汽增压至P 3＝0.20MPa,采用

热泵供热和蒸汽节流减压的两种方式，其火用值所占比例的变化比较见图1-2。

从图1-2中可以看出，由于低于热用户能量品味低温热流如热力系统中，部分排

弃的火用转变为有效火用 。蒸汽喷射式热泵替代节流式减压还有利于热力系统能级的匹

配，有利于建立合理的用热网络。

蒸汽节流减压仍然是目前各工业企业普遍采用的调节蒸汽压力的方法，通过减压

阀将高品味蒸汽节流减压得到所需要的用汽参数。由热力系统排放出的蒸汽冷凝水夹

带大量二次蒸发汽，造成能量浪费，这是一种常规的传统供热模式。应该建立新的热

泵供热系统替代上述传统供热模式，在工业生产中充分利用能量，降低成本，发展生

产，保护环境。

1.3 疏水系统产生的能量损失

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