作者：陈东 主编 谢继红 副主编
出版社：化学工业出版社
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热泵技术手册试读：
前言
《热泵技术手册》（以下简称手册）第1版出版后，收到各领域读者的热情反馈，提出很多中肯的意见或建议，为进一步优化手册内容，及时反映热泵技术近年的新进展，我们对手册第1版内容进行了调整补充和完善。手册第2版主要做了如下工作：删除了第1版中部分偏基础的内容，订正了所发现的错漏或表述模糊之处，补充了近年新实施的热泵相关的国家标准简介，新增了热泵技术进展、热泵蒸发装置设计、热泵膜分离装置设计、热泵应用进展等章节。
手册第2版仍包括5篇，分别为设计基础资料、热泵材料、热泵部件、热泵装置设计、热泵应用实例。
第1篇主要包括典型热泵特点及相关国家标准简介，流体力学、热力学、传热学基础资料。
第2篇主要包括热泵工质、热泵工质对溶液的基础资料。
第3篇主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器、发生器、吸收器、喷射器、节流部件以及常用辅助部件的基础资料和选型或计算示例。
第4篇主要包括基本热泵及其技术进展、热泵空调装置、热泵热水装置、热泵干燥装置、热泵蒸发装置、热泵膜分离装置的设计基础资料、设计方法和设计示例等。
第5篇主要包括热泵在民用、工业、农林、水产、交通、能源资源等行业领域的应用实例及应用进展，应用实例中介绍了相应的技术方案、经济效益、环境收益等。
手册第2版具有如下特点：全面。全书涵盖了热泵设计和应用所需的基础资料、典型热泵及其应用装置、多个行业领域的代表性应用实例。先进。书中介绍了反映热泵技术和应用的前沿进展，如常压吸收式热泵、中高温热泵、MVR热泵应用装置、介质循环型常压低温热泵蒸发装置、热泵渗透汽化膜分离装置、热泵膜蒸馏装置、热泵驱动溶液除湿空调等。实用。书中包括四十余项热泵相关国家标准简介，二百余种热泵工质的基本物性数据，二十余种热泵部件的计算公式、图、表及选型或计算方法，二十余种典型热泵装置的设计示例，以及热泵在三十余个行业领域中具有先进性和代表性的应用实例。
手册可为工程技术人员和市场营销人员掌握、应用和推广热泵技术提供丰富的数据资料和实例参考，也可作为大学本科高年级学生和研究生的参考资料。
手册第2版新增内容中，热泵技术进展（第10.4节）、热泵蒸发装置设计（第14章）由天津科技大学陈东编写，热泵国家标准简介（第1.3节）、热泵膜分离装置设计（第15章）、热泵应用进展（第21章）由天津科技大学谢继红编写，全书由陈东统稿。
在手册第2版编写过程中，北京工业大学彭跃莲教授在膜蒸馏和渗透汽化膜分离方面给予了很多建议和帮助；此外，刘荣辉、闫赞扬、李银星、金程、雷学俭、樊佳琪、尹龙升、宋金柱、曹莹莹、雷文芳、孙雪琛、杜国昊、张显明、周鑫塬、李涛等也在资料收集和整理方面做了很多工作，在此一并表示诚挚的感谢。
由于手册涉及学科领域众多，作者知识面和水平有限，不妥之处在所难免，敬请广大读者斧正（电子邮箱：chendong@tust.edu.cn）。编者第一版前言
能源是经济和社会发展的重要支撑，能源紧缺是我们必须面对和解决的基本问题。
我们身边就蕴藏着容量巨大的能源——环境热能。在环境空气中、土壤中、水源中（地下水、海水、江河水、生活及工业废水等）均蓄含着热能，但由于其温度接近环境温度，难以在生产和生活中被利用。
热泵是利用少量驱动能源，把大量低温热能变为高温热能的装置。
利用热泵，就可把无用的环境热能变为可用热能，制取生产和生活中所需的热空气、热水等；热泵的应用和推广，就相当于打开了环境热能这个容量无限、随处可用、随时再生的全新能源宝矿。
热泵发展的基本方向是实用适用、性能先进、质量可靠、价格适中，这有赖于工程人员对热泵及其相关技术的全面把握；在热泵设计和应用中很需要一本能涵盖基础数据资料、热泵设计方法、热泵应用经验的综合性技术手册，本书正是基于这一目标而编写的。
全书包括五篇，分别为设计基础资料、热泵材料、热泵部件、热泵装置设计、热泵应用实例。
第一篇为设计基础资料，包括典型热泵特点及相关国家标准简介，驱动能源、低温热源以及流体力学、热力学、传热学数据资料。
第二篇为热泵材料，包括热泵工质及工质对溶液、载能介质、管路材料的数据资料。
第三篇为热泵部件，包括压缩机、冷凝器、蒸发器、发生器、吸收器、喷射器、节流部件以及常用辅助部件的数据资料和选型或计算示例。
第四篇为热泵装置设计，包括基本热泵、热泵空调装置、热泵热水装置、热泵干燥装置的设计基础资料、设计方法和设计示例等。
第五篇为热泵应用实例，包括热泵在民用、工业、农林、水产、交通、能源等行业领域的应用实例，给出了相应的技术方案、经济效益。
总体而言，本书具有如下几个特点：全面。全书基本涵盖了热泵设计和应用所需的技术资料。系统。书中篇章安排与热泵设计流程一致，便于数据资料查阅。翔实。书中包括二十余项现行热泵相关国家标准摘要，十余种驱动能源及六类低温热源数据资料，二十余种常用热泵工质及其溶液的综合资料和二百余种工质的基本物性数据，十二种热泵系统管路的数据资料，二十余种热泵部件的计算公式、图、表及选型方法，十五种典型热泵装置的设计示例，以及热泵在三十余个行业领域的应用实例。实用。书中数据资料具有较好的工程应用基础和可靠性，应用实例具有较好的先进性和代表性；为便于掌握典型热泵材料、热泵部件及热泵装置的设计和应用方法，在给出数据资料的同时，也给出了详细的选型或计算示例。
手册可为工程技术人员和市场营销人员掌握、应用和推广热泵技术提供丰富的数据资料和实例参考，也可作为大学本科高年级学生和研究生的参考资料。
手册第一章和第二章由天津科技大学李桂水编写，第三章和第四章由天津科技大学张秀棉编写，第五章和第十五章由天津工业大学李新禹编写，第六章和第十八章由天津城市建设学院杨俊兰编写，第十六章由天津商业大学刘圣春编写，第十七章由华北水利水电学院李满峰编写，第七章、第八章、第九章、第十章、第十九章、第二十章、第二十一章、第二十二章由天津科技大学谢继红编写，第十一章、第十二章、第十三章、第十四章由天津科技大学陈东编写，全书由陈东统稿。
在手册编写过程中，得到了天津大学吕灿仁教授的热情关心和鼓励；天津大学马一太教授给予了诸多具体的指导，并为本书作序；中国科学院理化技术研究所杨鲁伟研究员对书稿进行了审阅，并提出了许多有价值的建议；天津科技大学卢晓江教授、师晋生副教授、李建国副教授、赵丽娟副教授、唐洪涛副教授、朱恩龙副教授、苏萍副教授等在素材提供和疑难解决方面提供了许多帮助；此外，陈逢胜、刘荣辉、许树学、乔木、周修茹、苏立娟、尹海蛟、刘冬雪、侯艳辉、胡涛、曲敬儒、王丽焕、王刚、李建平、郝建华、孔德雨、曹雯莉、项永、王春虎、陈文放、李玲俐、王悦、郝维维、时祥、田雅颂、黄善善、楼文君、于乐、王小勇、杨旭凯、孙志坚、刘江彬、宋力钊、饶志明、李叶等也为本书完成做出了有益的工作，在此编者对他们一并表示诚挚的感谢。
由于作者水平有限，手册涉及学科领域较多，不妥之处在所难免，敬请广大读者斧正（电子邮箱：chendong@tust.edu.cn）。编者第1篇 设计基础资料第1章 热泵简介1.1 热泵特点及相关术语1.1.1 热泵特点
热泵是将低温热能转化为中高温热能的装置，如图1-1所示。图1-1 热泵功能示意
热泵的基本特点是只需消耗少量电能或燃气，即可制取大量的中高温热能。以制取45℃洗浴热水为例，电动热泵与电锅炉、燃气热泵与燃气锅炉的比较如图1-2所示。图1-2 电动热泵与电锅炉、燃气热泵与燃气锅炉的比较1.1.2 热泵的相关术语（1）第一类热泵
用少量高品位能源制取大量中高温热能的热泵，如图1-3（a）所示（热泵通常指第一类热泵，图中Q为热能，T为温度，E为高品位能源；下标H为高温，M为中温，L为低温）。 （2）第二类热泵
用大量中温热能制取少量高温热能的热泵，如图1-3（b）所示。图1-3 第一类热泵和第二类热泵示意（3）热用户
热能的需求方，也可理解为高温热汇，如需供暖的房间等。（4）低温热源
低温热能的供给方或吸纳方（通常可免费为热泵提供低温热能），如环境空气、土壤等。（5）驱动能源
驱动热泵运行的高品位能源，如热能、电能、燃料等。（6）热泵制热量
提供给热用户的中高温热能。不引起误解时，也指热泵的制热速率，单位为W。（7）热泵耗能量
驱动热泵运行所需的能量。不引起误解时，也指热泵的耗能速率，单位为W。（8）热泵吸热量
第一类热泵从环境等低温热源中吸取的免费热能。不引起误解时，也指热泵的吸热速率，单位为W。（9）热泵排热量
第二类热泵向环境排放的热能。不引起误解时，也指热泵的排热速率，单位为W。（10）制热性能系数
衡量热泵制热能源效率的指标，为热泵制热量与热泵耗能量之比，常用COP表示。H
对第一类热泵，其制热性能系数为热泵制热量与热泵消耗的高品位能量之比，即： （1-1）
对第二类热泵，其制热性能系数为热泵制热量与热泵消耗的中温热能之比，即： （1-2）（11）热泵材料
包括热泵工质、工质对溶液、载能介质、管路材料等。（12）热泵工质
在构成热泵的各部件中循环流动，并通过相态变化实现热泵制热功能的工作介质，在不引起误解时也简称为工质，如R134a、氨、水、二氧化碳等。（13）工质对溶液
由热泵工质和吸收剂构成的溶液，如水（工质）+溴化锂（吸收剂）等。（14）载热介质
在热泵与热用户之间、热泵与低温热源之间输送热能的介质，如水、防冻液等。（15）蓄热材料
通过其温度变化、相态变化或化学反应来储存热能的材料。（16）热泵部件
构成热泵的硬件单元，可完成热泵工质循环中的特定过程，如压缩机、冷凝器等。（17）热泵
由热泵部件和热泵材料组成，可实现热泵功能的装置，如单级压缩式热泵、单效吸收式热泵等。（18）热泵应用装置
以热泵为核心，与其他设备单元集成，可完成特定功能的一套系统，如热泵干燥装置、热泵热水装置等。（19）热泵空调装置
通过工质流向切换实现冬季供暖、夏季供冷的装置。（20）热泵热水装置
利用热泵从环境等低温热源吸热来制取热水的装置。（21）热泵干燥装置
利用热泵蒸发器吸取干燥器排风余热并除湿、再通过热泵冷凝器将除湿后冷干空气加热至适当温度并送入干燥器进行物料干燥的装置。（22）热泵蒸发装置
用热泵吸收蒸发装置产生的二次蒸气，并制取高温热能来加热料液使其蒸发，实现料液分离的装置（蒸发料液是非挥发组分与液体组成的混合液，如盐水溶液）。（23）热泵蒸馏或精馏装置
用热泵吸收蒸馏装置产生的二次蒸气，并制取高温热能来加热物料使其沸腾，实现料液分离的装置（蒸馏料液是两种或多种液体组成的混合液，如酒精水溶液）。（24）热泵蒸煮装置
用热泵吸收蒸煮装置产生的二次蒸气，并制取高温热能来加热料液使其沸腾，实现有效成分提取等目标的装置。（25）热泵膜分离装置
热泵与膜组件集成，实现料液分离、浓缩或提纯的装置。1.2 热泵原理及基本类型1.2.1 按热泵的驱动能源分类（1）电动热泵
以电能为驱动能源的热泵。（2）燃气热泵
以天然气、煤气、液化石油气、沼气、氢气等气体燃料的化学能为驱动能源的热泵。（3）燃油热泵
以汽油、柴油、重油等燃料的化学能为驱动能源的热泵。（4）蒸汽驱动型热泵
以蒸汽热能为驱动能源的热泵。（5）热水驱动型热泵
以中高温热水热能为驱动能源的热泵。（6）太阳能热泵
以太阳能产生的热能或电能为驱动能源的热泵。有时把太阳能产生的热能作为低温热源，太阳能与热泵联合制取热能的装置也称为太阳能热泵装置。
此外，还有以地热能、风能、非油类液体燃料、生物质能源、工业中高温废液或有机蒸气等为驱动能源的热泵。1.2.2 按热泵的低温热源分类（1）空气源热泵
以环境空气作为低温热源的热泵。（2）水源热泵
以地下水、海水、河水、湖水、地热尾水、工商业废水、城市污水等为低温热源的热泵。（3）土壤源热泵
以2～200m深的土壤为低温热源的热泵。1.2.3 按热泵吸热侧和放热侧载热介质分类（1）空气-空气热泵
热泵吸热侧和放热侧载热介质均为空气。（2）空气-水热泵
热泵吸热侧载热介质为空气，放热侧载热介质为水。（3）水-水热泵
热泵吸热侧和放热侧载热介质均为水。（4）水-空气热泵
热泵吸热侧载热介质为水，放热侧载热介质为空气。（5）土壤-水热泵
热泵从土壤中吸热，热泵放热侧载热介质为水。（6）土壤-空气热泵
热泵从土壤中吸热，热泵放热侧载热介质为空气。1.2.4 按热泵的工作原理分类
基于热泵的工作原理，热泵可分为蒸气压缩式热泵、气体压缩式热泵、吸收式热泵、吸附式热泵、喷射式热泵、热电式热泵等，其中在工程实际中应用较多的是蒸气压缩式热泵、吸收式热泵和喷射式热泵。（1）蒸气压缩式热泵
蒸气压缩式热泵的原理示意如图1-4所示。图1-4 蒸气压缩式热泵的原理示意
蒸气压缩式热泵由压缩机（包括驱动装置，如电动机、内燃机等）、冷凝器、节流膨胀部件、蒸发器等基本部件组成封闭回路，在其中充注循环工质，由压缩机驱动工质在其中循环流动。热泵工质在蒸发器中发生液→气相变，从低温热源中吸收热能；在压缩机中由低温低压变为高温高压，并吸收压缩机的驱动能；在冷凝器中发生气→液相变放热，把蒸发、压缩过程中获得的能量供给用户；高压热泵工质液体经节流膨胀部件后又产生低温低压液体，开始下一个循环。
蒸气压缩式热泵的制热性能系数高；热泵工质多样，可满足热用户对不同制热温度的需要；机组规模大、中、小、微型均可，应用最广泛。（2）气体压缩式热泵
气体压缩式热泵的原理示意如图1-5所示。图1-5 气体压缩式热泵的原理示意
气体压缩式热泵由压缩机、气体放热器、膨胀机、气体吸热器等基本部件组成封闭回路，在其中充注气体循环工质，由压缩机驱动工质气体在其中循环流动，其与蒸气压缩式热泵的主要区别是气体工质在循环过程中不发生相变。
低温气体工质在气体吸热器中从低温热源吸热升温；在压缩机中由中温低压变为高温高压，并吸收压缩机的驱动能；在气体放热器中放热降温，把蒸发、压缩过程中获得的能量供给热用户；高压工质气体经膨胀机后又产生低温气体，开始下一个循环。
气体压缩式热泵适于特定场合，工程应用相对较少。（3）吸收式热泵
吸收式热泵的原理示意如图1-6所示（以水-溴化锂第一类吸收式热泵为例）。图1-6 吸收式热泵的原理示意
吸收式热泵由热能驱动，发生器、吸收器、溶液泵、溶液阀共同作用，起到蒸气压缩式热泵中压缩机的功能，并和冷凝器、节流膨胀部件、蒸发器等部件组成封闭系统，在其中充注工质对（循环工质和吸收剂）溶液，吸收剂与循环工质的沸点差很大，且吸收剂对循环工质有极强的吸收作用。
由燃料燃烧或其他高温热能加热发生器中的工质对溶液，产生温度和压力均较高的循环工质蒸气，进入冷凝器并在冷凝器中放热变为液态，再经节流膨胀部件降压降温后进入蒸发器，在蒸发器中吸取低温热源热能并变为低温低压蒸气，最后被吸收器吸收（同时放出吸收热）。与此同时，吸收器、发生器中的稀溶液和浓溶液间，也不断通过溶液泵和溶液阀进行质量和热量交换，维持其中溶液浓度及液位的稳定，使系统连续运行。
吸收式热泵可构建第二类热泵。
吸收式热泵在工程实际中应用也较广泛，机组规模大、中、小型均可，但大中型机组的技术经济性较好。（4）吸附式热泵
吸附式热泵的原理示意如图1-7所示（以单床间歇工作的吸附式热泵为例）。图1-7 吸附式热泵的原理示意
吸附/解吸床填充了固体吸附剂（如分子筛、硅胶等），吸附剂在低温下可吸附热泵工质且放热，在被加热到高温时又可解吸热泵工质。
高温驱动热源加热吸附/解吸床时，吸附剂中的热泵工质解吸，产生高温高压热泵工质气体，通过冷凝器前的单向阀进入冷凝器凝结放热给热用户，工质液体进入储液器。当吸附剂所吸附的工质解吸完毕后，驱动热源停止加热，待吸附剂冷却到一定温度时，储液器中的高压液态工质开始经膨胀阀产生低温低压工质液体，进入蒸发器并从低温热源吸收热量并变为低温低压气体，经单向阀进入吸附/解吸床被吸附剂吸附并放热给热用户，吸附剂达到吸附饱和后，再开始下一个循环。
吸附式热泵可构建第二类热泵；简单吸附式热泵的供热有周期性波动；吸附剂传热传质强度相对低，机组规模宜为中、小型。（5）喷射式热泵
喷射式热泵的原理示意如图1-8所示。图1-8 喷射式热泵的原理示意
驱动热源加热高压工质液体，产生高压工质蒸气，进入喷射器形成高速低压气流，与来自蒸发器的低温低压工质蒸气混合后，速度降低，压力升高，在喷射器出口处形成中压工质气体，进入冷凝器凝结放热给热用户，在冷凝器出口成为中压热泵工质液体；出冷凝器的中压工质液体分为两路：一路经膨胀阀节流，产生低温低压工质液体，进入蒸发器，从低温热源吸热并变为低温低压工质蒸气，再进入喷射器开始下一个循环；另一路经工质泵升压后，进入加热器，被驱动热源加热为高压工质蒸气后，再进入喷射器开始下一个循环。
喷射式热泵的装置简单，运行可靠；机组规模大、中、小、微型均可；但制热性能系数略低于其他热驱动式热泵（如吸收式热泵）。（6）热电式热泵
热电式热泵的原理示意如图1-9所示。图1-9 热电式热泵的原理示意
热电式热泵是基于异种导电材料连接并通直流电后，在两个连接端处一端吸热、一端放热的原理制成的，因半导体材料的热电效应较显著，故热电式热泵通常用半导体材料制成，也称为半导体热泵。
热电式热泵装置简单可靠，调控性好（调节电流即可调整制热量，电流方向切换即可实现吸热、放热端切换，半导体模块串联即可提高冷热端温差，半导体模块并联即可扩大制热容量等）；制热性能系数较低，需配置直流电源等，适于小、微型装置。（7）化学热泵
基于氨与氯化亚铁之间反应的化学热泵的原理示意如图1-10所示。图1-10 化学热泵的原理示意
图1-10中四个反应器中进行的反应分别如下。
反应器A：FeCl·6NH（固） FeCl·2322NH（固） + 4NH（气）-Q33H
反应器C： FeCl·4NH（固）+ 4NH（气） FeCl·23328NH（固）+ Q3M
反应器B： FeCl·2NH（固）+ 4NH（气） FeCl·23326NH（固） + Q3M
反应器D： FeCl·8NH（固） FeCl·2324NH（固） + 4NH（气）-Q33L
其工作过程为：反应器A中，驱动热源提供热能使FeCl·6NH吸23热分解，分解出的NH气进入反应器C，与FeCl·4NH反应生成FeCl3232·8NH，并放出中温热能给热用户，上述反应是在较高压力3（0.15MPa）下进行的；上述反应完成后，改变系统压力，使压力降到0.0015MPa，此时低温反应器D可从环境中吸取低温热能，并使FeCl·8NH分解，放出的氨气进入反应器B，与其中的FeCl·2NH反
2323应，放出中温热能给热用户。
此外，还有基于储氢材料型化学热泵、磁热泵等，但目前在工程中应用还相对较少。1.3 热泵国家标准简介
现行的部分热泵相关国家标准简况如表1-1所示。表1-1 现行的部分热泵相关国家标准简况
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]