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1、节能原理与技术,蒋静智河北科技大学机械学院热能与动力系,第四章 新型节能设备方法,热管换热器热泵膜分离蓄热器变压吸附,4.1 热管换热器,热管发展历程1964年：发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）。1964-1970年：理论研究高峰期，近千篇论文发表。1970-1980年：机密性应用研究，空间核电源、电子仪器散热、航天飞行器均温等节能应用性研究，热管换热器，太阳能发电，高效化学反应器。1980-2000年：电子电器散热、计算机CPU散热、大型空气预热器、高温热管换热器、高温高压化学反应器。2000-2010年：高效微型热管技术、高
2、温大型热管技术、高效热管反应设备技术、各种高效热管换热装备。,青藏铁路沿线的热管,TSC897/2型低温热管,青藏铁路沿线的热管,地面,2米,5米,89毫米,100 kg,里面灌装有液态氨，通过液态氨，将地下冻土层的“冷气”带到地表土层，让它保持冷冻状态不松软；通过露出地面管径外表的“翅片”，把蕴含在地表土层中的热量散发到空气中。一根长长的管子，就像是一个个自动传导冷热温度的“空调器”，让路基永远保持冷冻状态。,笔记本电脑CPU使用的热管,4.1.1 热管工作原理,热管的工作原理,蒸发,冷凝,吸液芯,Q,Q,加热段,冷却段,绝热段,气体,液体,壳体,在一个密闭结构中装有若干工作液体，借助于液体
3、的吸热蒸发、蒸气的输送和放热冷凝，然后靠毛细作用或重力作用，使冷凝液从冷凝段返回到蒸发段，从而把热量从结构的一部分（蒸发段）高速传递到另一部分（冷凝段）。,重力热管，结构简单,加热段,冷却段,Q,Q,蒸发,冷凝,加热段,Q,蒸发,Q,冷凝,热管工作原理,在一个密闭结构中装有若干工作液体，借助于液体的吸热蒸发、蒸气的输送和放热冷凝，然后靠毛细作用或重力作用，使冷凝液从冷凝段返回到蒸发段，从而把热量从结构的一部分（蒸发段）高速传递到另一部分（冷凝段）。因此，热管本身是一种高效的传热元件。它是靠封闭在管内的工质反复进行相变（蒸发、冷凝）而进行热量传递的。结构紧凑、重量轻、传热效率高、无运动部件、维护
4、简单、运行可靠等优点，特别适宜于中、低温余热的回收。,4.1.2 热管的组成,三个基本部分组成：两端密封的容器，多数做成圆管状；吸液芯，由多孔材料（金属网、金属纤维等）构成，覆盖在器壁（管壁）的内表面；容器内充有一定数量的工作液体（工质）及其蒸气。,4.1.3 热管的工作液体,4.1.4 热管的特点,输热能力强良好的等温性热流方向可逆热流密度可调适应性强,热管的导热能力,热管的导热能力1铜棒（2.5300）；2热管（2.5300）,4.1.5 热管分类,按照工作液体回流动力区分:有芯热管、重力热管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等。按照热管管内工作温度区分:低
5、温热管、常温热管、中温热管、高温热管等。按照管壳与工作液体的组合区:分铜-水热管、碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管等。,常用热管的工作温度范围与典型的工作介质及其相容壳体材料,4.1.6 热管用途,余热回收电子器件冷却，如电脑CPU散热太阳能集热器航空航天导热材料,4.1.7 热管换热器,利用热管导热能力强、传热量大的特点，以多根热管作为中间传热元件，实现冷、热流体之间换热的设备。,气气热管换热器1热管；2中间隔板；3外壳,热管换热器的特点、分类,热管换热器的特点结构简单，换热效率高；压力损失小；安全可靠；灵活调温。热管换热器的类型与结构按照热流体和冷流体的状态，热管换
6、热器可分为气气式、气液式、液液式、液气式；从热管换热器结构型式来看，热管换热器又可分为整体式、分离式、回转式和组合式。,气液式热管换热器,4.1.8 热管的用途与节能,化学工业 1、硫酸系统热管换热器回收焚烧炉出口高温x气体的余热、在转化工段回收高温气体的余热，产生热水或蒸汽供系统使用。2、医药、日化工业热管换热器可用于回收药气或废气的余热，生产清洁热风，干燥物料。3、利用可变热导热管可对反应床层进行恒温控制的同时，取出或输入反应热。4、大型化肥厂合成对流段盘管；中、小型氮肥厂造气工程、变换工段，利用热管式蒸发器回收工艺气余热产生蒸汽供合成氨系统使用，变换工段一、二水加热器。5、甲醇转化炉对流
7、段盘管。6、苯酐装置热容器。电力工业石油化工 冶金工业 建材建筑,节能 用途,化学工业电力工业 利用热管换热器可作为各种锅炉的尾部受热面。如热管式空气预热器可替代传统的回转式空气预热器和列管式空气预热器，提高受热面壁温，避免露点腐蚀，提高炉膛进风温度和炉膛含氧量，减少漏风，延长锅炉运行周期。1、工业锅炉尾部的热管空气预热器热管式省煤器或翅片管省煤器。2、电站锅炉尾部的热管空气预热器可分下列几种用途：（1）在原低温段空气预热器的空气入口前设置一热管式空气预热器，进一步降低锅炉排烟温度，减少排烟热损，提高锅炉效率；（2）整个低温段空气预热器均为热管式结构；（3）用锅炉排放的热烟气加热脱硫后的冷烟气
8、，即电站脱硫的GGH。3、燃气锅炉对流段后部。石油化工 冶金工业 建材建筑,节能 用途,化学工业电力工业石油化工 1、炼油厂的常压炉、减压炉、常减压二合一炉、加氢炉减粘炉、重整炉等，利用热管式空气预热器回收出炉烟气的余热加热空气，以提高加热炉的送风温度。2炼油厂催化装置再生烟气和各种内、外取热器的余热回收，可产生中压蒸汽并用于动力系统。3、乙烯裂解炉对流段盘管、炼油厂加热炉对流段盘管。冶金工业 建材建筑,节能 用途,化学工业电力工业石油化工 冶金工业 1、炼铁厂用高炉烟气来预热空气、煤气的单预热或双预热整体式或分离式热管换热器，回收热风炉烟气余热，节约煤气，提高热风炉的升温速度、炉顶温度和送风
9、温度降低炼铁焦比，节约焦炭。2、利用热管式蒸汽发生器或翅片管式蒸汽发生器回收各种带冷机和环冷机所输送的烧结矿的显热，产生蒸汽。建材建筑,节能 用途,化学工业电力工业石油化工 冶金工业 建材建筑对于水泥、陶瓷等建材行业，利用换热器回收窑炉烟气的余热，产生热风或热水。如热管式热风炉或热管列管组合式热风炉，可产生500以下的热风，干燥清洁物料。建筑业热管式空气预热器可用于室外的新鲜空气和室内的浑浊空气之间的热交换；在集中空调制冷机组中，利用热管换热器口收废气余热产生低压蒸汽供空调制冷机组使用。,4.2 热泵（Heat Pump）,4.2 热泵,一种使热量由低温物体转移到高温物体的能量装置（类似于水泵
10、使水从低处流向高处）。作用：把那些不能直接利用的低温热能变为有用的热能，提高能量的利用率，节省燃料。,热泵,Q1,Q2,W,4.2.1 热泵种类,压缩式热泵吸收式热泵蒸汽喷射式热泵,4.2.2 压缩式热泵循环系统,蒸发器,冷凝器,压缩机,节流阀,QE,QC,W,（低温热源）,（高温热源）,介质的循环相图,液相,气相,固相,放热QC（介质被冷却）,吸热QE（介质被加热）,P,T,压缩式热泵的理论循环,热泵的性能系数COP,单位质量工质耗功量为,放热过程,节流过程,吸热过程,其能量衡算式,热泵的性能系数,qC,工质,工质是热泵中赖以进行能量转换与传递的物质。热泵系统的的性能、经济性与可靠性在很大程
11、度上与工质有关。临界温度应比最大冷凝温度高得多在冷凝温度下的饱和压力不要太高（2.5MPa)在蒸发温度下的饱和压力不要低于大气压单位容积致热量要大液体的比热容要小饱和蒸汽比熵的变化要小，即饱和蒸汽线要陡工质应由良好的化学稳定性、不然、不爆、无毒无害、价格便宜、环境友好等,热泵工质物性参数,环保型制冷剂,冰箱常使用的制冷剂为：R22（CHF2Cl），对环境不友好。环保型制冷剂：R407c、R410a、R134aR407c：HFC32/125/134a,组成 23/25/52(CH2F2/CHF2CF3/CH2FCF3)R410a:HFC32/125,组成 50/50（CH2F2/CHF2CF3）
12、R134a：1，1，1，2-四氟代乙烷，CF3CH2F,4.2.3 吸收式热泵,2,4,蒸发器,冷凝器,吸收器,节流阀,QE,QC,3,溶液泵,发生器,节流阀,QA,QG,1,5,6,7,吸收式热泵与压缩式热泵比较,共同点：冷凝器、节流阀、蒸发器不同点：压缩式热泵采用压缩机 吸收式热泵：用一个溶液回路代替了压缩机，该溶液回路由吸收器、溶液泵、发生器、及溶液节流阀等部件构成。溶液回路用消耗热能取代了压缩机中所消耗的机械能。,吸收式热泵系统,热泵的性能系数,A吸收器，C冷凝器，D分凝器，E蒸发器，G发生器，H热交换器，O过冷器，P溶液泵，R精馏器，T1，T2节流阀,工质对的选择,在工质对中，沸点低
13、的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂。,选择吸收剂的要求：（1）具有强烈地吸收制冷剂的能力。这种能力越强，循环中所需要的吸收剂循环量越少，发生器热源的加热量越少。（2）在相同压力下，沸点比制冷剂高，相差越大越好。避免精馏分离。（3）比热容小、导热率高、黏度低。（4）化学性质好。,选择制冷剂的要求：（1）制冷剂应在吸收剂中有较好的溶解性。（2）其它与压缩式热泵的制冷剂相同。,常用的工质对,氨水水溴化锂氨硝酸锂,4.3.4 蒸汽喷射式热泵,蒸汽喷射式热泵的理论循环,8,4,9,0,1,2,3,10,动力循环(10-1-2-3-4-8-10),蒸汽喷射式热泵的理论循环,8,4,9,0,1,2,3,1
14、0,热泵循环（3-4-8-8-0-3),热泵的主要应用形式,蒸气压缩式系统是热泵最主要的应用型式。按照低温热源与供热介质的组合方式不同，蒸气压缩式热泵系统又分为空气空气热泵空气水热泵水水热泵水空气热泵地热空气热源热泵土壤热源水热泵,按热源分类的热泵,水源热泵 空气源热泵 土壤热源热泵 太阳能热泵,水源热泵,以水作为热源的热泵称作为水源热泵（Water Source Heat Pump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作为低温热源。由于水的温度变化较小，水源热泵的性能通常要比空气源（ASHP）的性能好而且稳定。目前，以污水处理场凉水池的水作为低温热源的热泵系统已经在实际工程中采用，而且经
15、济性能良好。以海水、河水或湖水作为低温热的热泵，一方面受自然条件的制约，另一方面，需要在热泵系统中，采取水处理及防腐措施。目前，以井水作为低温热源的热泵系统，是水源热泵机组和系统研究及应用的热点。井水特别是深井水，全年温度基本稳定而且水质良好，是热泵系统比较理想的低温热源，在工程中采用较多。但是这种系统有可能存在回水困难、回水污染及破坏地下水生态资源等环境问题。从可持续发展的角度，这是一种不宜采用的方式。实际上，在许多国家地区，已有相应的法律，禁止采用地下水资源作为热泵系统的低温热源。,地源热泵,土壤热源热泵（Soil Heat Pump，SHP）（或地源热泵）以大地作为其低温热源。通常是将制
16、冷盘管理入地下，盘管与土壤进行热量交换，热泵系统自成封闭式系统。众所周知，地层之下一年四季均保持一个相对稳定的温度。在夏季，地下的温度要比地面空气温度低，在冬季却比地面空气温度高。地源热泵正是利用大地的这个特点，通过埋藏在地下的换热器，与土壤或岩石交换热量。地源热泵全年运行工况稳定，不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热、夏季供冷。在冬天，管道内的液体将地下的热量抽出，然后通过系统导入建筑物内，同时蓄存冷量，以备夏用；在夏天，热量从建建筑物内抽出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬用。风扇系统将冷暖空气分别送到建筑物内部的各个区间，类似于一般的空调系统。地源热泵一年四季均能可靠的提供
17、高品质的冷暖空气，为我们营造一个非常舒适的室内环境。,地源热泵,地源热泵系统按其循环形式可分为：闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。对于闭式循环系统，大部分地下换热器是封闭循环，所用管道为高密度聚乙烯管。管道可以通过垂直井埋入地下150200英尺深，或水平埋入地下46英尺处，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流体从地下抽取热量，带入建筑物中，而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存；对于开式循环系统，其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源，在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后，水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点；对于混合循环系统，地下换热器一般按热负荷来计算
18、，夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。地源热泵技术目前在国外得到广泛的应用。现在美国的家庭、银行、医院、机场、连锁旅客、超市、办公楼和学校等均有一定比例的建筑使用地源热泵，根据美国地源热泵系统，根据美国每年安装约4万套地源热泵系统，这个速度意味着每年可以节约8.791011瓦的能量，同时每年减少150万吨温室气体的排放。,空气源热泵,空气源热泵系统通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖或供应热水。适用范围广，产品适用温度范围在-10-40，并且一年四季全天候使用，不受阴、雨、雪等恶劣天气和冬季夜晚的影响，都可正常使用。可连续加热，与传统太阳
19、能储水式相比，热泵产品可连续加热，持续不断供热水，满足用户需求。加热速度慢。,太阳能热泵,太阳能热泵（Solar Heat Pump）以太阳能集热器作为热泵系统的低温温度。太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。,太阳能辅助热泵,（a）；直膨式；非直膨式：（b）串联式、（c）并联式，（d）双热源式,太阳能氨水吸收式制冷系统,热泵 节能 和 特点,属可再生能源利用技术 高效节能 环境效益显著 一机多用，应用范围广,
