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热泵系统
热泵系统的基本概念
通过做功将热量从低温热源传递给高温热源的供热系统称为热泵系统。该热泵系统是既向塔顶供冷又向塔釜供热的制冷循环系统。
1852年英国物理学家William Thomson第一个提出了正式的热泵系统。
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热泵原理
在自然界中,水总由高处流向低处,热量也总是从高温传向低温。但人们可以用水泵把水从低处提升到高处,从而实现水的由低处向高处流动,热泵同样可以把热量从低温传递到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置,热泵的作用是从周围环境中吸取热量,并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体),其工作原理与制冷机相同,都是按照逆卡诺循环工作的,所不同的只是工作温度范围不一样。
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逆卡诺循环
它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源(即被冷却物体)的温度为T0,高温热源(即环境介质)的温度为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0,在放热过程中为Tk, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差,即传热是在等温下进行的,压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为:
首先工质在T0下从冷源(即被冷却物体)吸取热量q0,并进行等温膨胀4-1,然后通过绝热压缩1-2,使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温压缩2-3,并向环境介质(即高温热源)放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4,使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4,从而完成一个循环。
对于逆卡诺循环来说,
由图可知:
q0=T0(S1-S4)
qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4)w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4)则逆卡诺循环制冷系数εk 为: 由上式可见,逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关,只取决于冷源(即被冷却物体)的温度 T0 和热源(即环境介质)的温度 Tk;降低 Tk,提高 T0 ,均可提高制冷系数。此外,由热力学第二定律还可以证明:“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环,以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。
综上所述,理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的,但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数εk之比,称为该制冷机循环的热力完善度,用符号η表示。即: η=ε/εk 热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个技术经济指标,但它与制冷系数的意义不同,对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏,而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。
如图热泵的形式:
1-压缩机;
2-再沸器;
3-制冷剂储罐;
4-节流阀;
5-塔顶冷凝器;
6-精馏塔;
7-回流罐;
8-回流泵;
9-冷剂冷凝器
常用的热泵系统:闭式热泵系统、
开式A型热泵系统、开式B型热泵系统。如左图:
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闭式热泵
塔内物料与制冷系统介质之间是封闭的,而用外界的工作介质为制冷剂。液态制冷剂在塔顶冷凝器(5)中蒸发,使塔顶物料冷凝,蒸发的制冷剂气体再进入压缩机(1)升高压力,然后在塔釜再沸器(2)中冷凝为液体,放出的热量传递给塔釜物料,液体制冷剂通过节流阀(4)降低压力后再去塔顶换热,完成一个循环,这样塔顶低温处的热量,通过制冷剂而传到塔釜高温处。在此流程中,制冷循环中的制冷剂冷凝器与塔釜再沸器合成一个设备,在此设备中,制冷剂冷凝放热,而釜液吸热蒸发。此流程的特点是物料与冷剂自成系统,互不相干。闭式热泵特点是操作简便、稳定,物料不会污染,出料质量容易保证。但流程复杂,设备费用较高。
开式A型热泵
此流程不用外来制冷剂,直接以塔顶蒸出低温烃蒸气作为制冷剂,经压缩提高压力和温度后,送去塔釜换热,放出热量而冷凝成液体。凝液部分出料,部分经节流降温后流入塔。在此流程中,塔顶冷凝器与塔釜再沸器合成一个设备。此流程省去了塔顶换热器,将以外来冷剂作媒介的间接换热改为直接换热,即节省了能量,又节省了低温换热设备。