摘要 介紹了熱泵將低溫余熱提高到高溫位加以利用節約能源的原理，對熱泵的經濟性進行了分析，具體介紹了熱泵在化工生產中的應用。
關鍵詞 熱泵技術 余熱利用 節能 節電
1 引言
在工業生產中，不但需要大量能源，>且產生和浪費了大量各種型式的余熱，特別是低溫位余熱。實踐證明，低溫余熱完全可以作為二次能源開發和利用，其中采用熱泵技術就是重要方法之一。近年來，國外熱泵技術已成功地應用于許多工業部門，并取得了良好的節能效果。
我們知道，熱量可以自發地從高溫物體傳遞到低溫物體，但不能自發地沿相反方向進行傳遞。然而，根據熱力學第二定律，若以機械功作為補償條件，熱量也可以從低溫物體轉移到高溫物體中去。熱泵就是根據這一定律，靠消耗一定能量(如機D能、電能)或使一定能量的能位降級，迫使熱量由低溫熱源(物體)傳遞到高溫熱源(物體)的機械裝置。熱泵的工作原理與制冷機相同，只是目的不同而已。用于供冷的稱制冷機；用來供熱的則稱熱泵，二者均按逆卡諾循環方式工作。
2 熱泵的分類
利用熱泵的工作有二：一是使低溫余熱的溫位提高，使之獲得較高溫度后的熱源能用于工藝過程，這種熱泵稱為溫度提高型熱泵。二是將低溫熱源的余熱傳遞給高溫熱源，滿足整個系統能量平衡的需要，這種熱泵稱為熱量獲得型熱泵。熱泵按其工作原理還可分為蒸汽壓縮式熱泵、吸收式熱泵、化學式熱泵三大類。壓縮式熱泵按其介質的循環方式可分為開式熱泵和閉式熱泵。不同類型熱泵的工作原理是不相同的，蒸汽壓縮僑缺冒雌涔ぷ髟理又可分為機械壓縮式和蒸汽噴射壓縮式兩種。化學式熱泵目前還處于探索、研究階段。這里主要介紹蒸汽壓縮式熱泵的機理、節能原理及其在化工中的應用前景。
3 熱泵工作原理
3.1 機械壓縮式熱泵的工作原理
低溫蒸汽通過壓縮機吸收外功后，提高其溫位者稱機械壓縮式熱泵。由于壓縮機的壓縮比一般都比較大，故余熱溫位可以得到較大提高，這種熱泵屬溫度提高型熱泵，其工作原理如圖1所示。構成機械壓縮式熱泵的主要部件有蒸發器2、壓縮機3、冷凝器4、膨脹閥(節流閥)6等。所用循環工質均為低沸點介質，如氟利昂、氨等。機械壓縮式熱泵系統的工作過程如下：低佛點工質流經蒸發器時蒸發成蒸汽，此時從低溫位處吸收熱量，來自蒸發器的低溫低壓蒸汽，經過壓縮機壓縮后升溫升壓，達到所需溫度和壓力的蒸汽流經冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發器中吸取的熱量和壓縮機耗功所相當的那部分熱量排出。放出的熱量Q就傳遞給高溫熱源5，使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相，流經節流閥6膨脹后，壓力繼續下降，低壓液相工質流入蒸發器，由于沸點低，因而很容易從周圍環境吸收熱量而再蒸發，又形成低溫低壓蒸汽，依此不斷地進行重復循環。此時，若將蒸發器放在盛水的容器中，蒸發器內的低沸點介藎就吸收水中的熱量，使水溫不斷下降而成冰水(甚至結冰)。吸收了周圍環境熱量的蒸汽再進入壓縮機，供給壓縮機以功(機械功或電能)而驅動壓縮機不斷運行，如此循環往復不斷，就能使低溫熱量連續不斷地傳遞到高溫熱源處，以滿足工藝和其他方面的需要，從而使難以直接利用的低溫萑饒艿玫接行У睦用，達到節能目的。故熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節能裝置。
圖1 機械壓縮式熱泵的工作原理圖
1-低溫熱源；2-蒸發器；3-壓縮機；4-冷凝器；5-高溫熱源；6-節流膨脹閥
3.2 蒸發噴射壓縮式熱泵
蒸汽噴射壓縮式熱泵是利用高溫位熱量QH(溫度T1)為代價，通過蒸汽噴射器，將低溫熱源QL的溫度T2提高到用戶所需要的熱位Q(溫度T)，其工作原理如圖2所示。
圖2 蒸汽噴射壓縮式熱泵
從熱力學觀點，這種吸收式熱泵可以認為是在高溫熱源(T1)與低溫熱源(T2)間工作的提供高質能的壓縮式熱泵。
這種熱泵可取得較好經濟效益，除噴射器造價低，操作簡便外，作為高溫熱源的動力蒸汽通常為5～15 MPa，在此壓力范圍內的蒸汽，一般中小型化工廠都有，特別是一些小型化工廠往往還節流降壓，有效能量未作功而降級使用，造成浪費。若用此高溫熱源通O蒸汽噴射壓縮式熱泵，可使低溫位余熱獲得充分利用。
噴射式熱泵裝置最大特點是沒有(或很少)轉動部件，這是機械壓縮式熱泵所做不到的。
4 熱泵節能原理及經濟性分析
4.1 節能的簡單原理
一臺比較完善的熱泵，只需消耗少量的逆循環凈功，就可能獲得較大的供熱量Q。這不是能量不平衡問題，它仍然遵循著能量守恒定律。這是因為伴隨著低溫熱源(冷源)把一部分熱量q傳遞給高溫熱源的同時，熱泵所消費的逆循環凈功W也轉化為熱量而一同流向(傳遞)給高溫熱源。通俗點說，熱泵節能的原理就是把還沒有完全做完功(有潛能)的低溫位熱能“泵”回到高溫位熱能中，使其與其他高溫位熱能一起做功；在完成這一輪功的同時，還會有低溫位熱能產生，熱泵再次將其“泵”回到高溫位熱能中，使其再做功，如此反復。熱泵是利用了低溫位熱能，而不是醇幽芰浚過去這部分低溫位熱能是白白流失掉了。
4.2 經濟分析
當熱泵采用電動機驅動時，其經濟性主要取決于熱泵的實際制熱系數φe與當地實際電/熱比價K的大小。φe的意思是當熱泵消耗電功為Wp(折算成熱量)時所能獲得熱量Qp(即φe=Qp/Wp)。只有當獲得熱量的得益大于所耗電費時，采用熱泵技術才有可能獲得經濟效益，即
QpKH＞WpKE
式中KH——熱價，元/4.18×106kJ；
KE——電價，折算成對應的熱量計價，元/4.18×106kJ。
因為K=KE/KH
由式(1)得
或 φe＞K
也就是說，只有當熱泵的實際制熱系數φe大于當地的電/熱比價K時，即只有當消耗的電量>價低于相應獲得的熱量折價時，采用電動熱泵才有可能得益。
5 熱泵在化工生產上的應用
由于熱泵能將低溫位余熱轉換成高溫位熱能，提高能源的有效利用率，近年來得到了迅速的發展，已在蒸發、蒸餾、干燥、制冷、空調等化工過程中應用，并取得了良好的經濟效益。
5.1 蒸發
利用熱泵蒸發原理(圖3)用于各種稀溶液的濃縮。低溫的稀溶液經換熱器預熱后進入蒸發器被濃縮，二次蒸汽經壓縮機壓縮，提高了壓力、溫度和焓值，然后將壓縮后的蒸汽送回蒸發器加熱室中，作為加熱蒸汽用于蒸發料液，被加熱料液吸收其潛熱后又變成二次蒸汽，后者再進入壓縮機壓縮。如此不斷循環，以少量高質能機械功、電能等，通過熱泵蒸發裝置把大量的低溫位熱能轉化為有用的高溫位熱能加以利用，從而節省了大量生蒸汽，達到節能目的。
圖3 熱泵蒸發示意圖
5.2 蒸餾
在蒸餾的常規流程中，在同一塔內(見圖4a)，塔頂冷凝器需外部提供冷卻水進行冷凝和冷卻，熱量不但不能利用，還要消耗大量冷卻水，而塔底再沸器又要求外部提供蒸汽進行加熱，故常規蒸餾裝置中能量消耗極大，熱效率很低。在帶熱泵的蒸餾系統中(圖4b)，通過壓縮機將塔頂出來的產品蒸汽直接壓縮，提高溫度后再進入塔底再沸器，蒸汽冷凝時放出潛熱去加熱物料，而本身冷凝后即成餾徊品，加熱不足部分熱量可由外部蒸汽補充。采用熱泵蒸餾可比蒸汽耗量比常規流程減少一半以上，還可節約大量冷卻水，裝置的操作費用也大為降低。
5.3 干燥
在常用的熱風干燥器中，排氣帶走大量濕熱，余熱得不到利用，能量損失很大。但若將排氣循環使用，就可大大提高干燥裝置的熱效率，降低能耗，而熱泵技術在某些干燥作業(如茶葉、糧食等)中已經取得良好的效果L熱泵干燥的過程如下：經冷凝器加熱的干燥空氣，送入干燥器中用于濕物料干燥，經干燥后，干空氣吸收了物料中的水份而成為濕空氣，然后用引風機抽到蒸發器中，濕空氣在蒸發器中降溫，使濕空氣中水份冷凝下來并排出，再將排除了水的干空氣送到冷凝器中加熱，提高溫度，恢復其吸L能力，重新作為干燥介質，再進入干燥器中進行下一個循環。與常規干燥方法相比，可節約燃料50%左右。
圖4 熱泵蒸餾示意圖
(a)常規蒸餾流程；(b)熱泵蒸餾流程
圖5 用于余熱回收的水-水型熱泵
5.4 低溫余熱回收
在化工生產過程中，往往產生大量低溫排水(常指30～70℃)，但因溫度低而難以利用。國外已用熱泵來回收此類廢水及其他液體熱量，并將其升溫再用于其它加熱過程或供取暖用。圖5為水-水型熱泵原理圖。本例采用二級壓縮，供給蒸發器水溫為32℃，經一級壓縮后為54℃的水。為了提高循環效率，將入水箱中部分水引至第二級壓縮機中，經二次壓縮后得到93℃的水。此水在冷凝器中冷凝時放出熱量，將低溫水加熱至82℃供熱用戶使用。這種熱泵可用于許多工業部門。
6 結語
熱泵特別適用于低溫余熱的回收和利用。φe值隨高低溫熱源間的溫差減小而提高，溫差越小，熱泵運行時所耗功率越小，熱泵的經濟性越好。當遇到既需制冷，又需加熱的化工過程，采用熱泵最為理想，這時熱泵的經濟價值最高。
由以上介紹可以看出，熱泵的應用已十分廣泛，在∈盞臀掠噯確矯娓具有獨特的優點。
