第 1 章 
熱泵的發展史

          
1.1  國內外家用熱泵的發展情況

1.1.1 
19世紀

1.1.2 
20世紀

          
1.2  國外工業熱泵的發展史

          
1.3 我國熱泵的發展

          
參考文獻

第2 章 
熱泵的基本概念

          
2.1  什麼是熱泵

          
2.2  熱機、熱泵、制冷機的特征和區別

          
2.2.1熱機

          
2.2.2熱泵

          
2.2.3制冷機

          
2.2.4電冰箱

          
2.2.5空調機

          
2.3  熱機和熱泵效能的評價

          
2.3.1熱機效率

          
2.3.2熱泵的性能繫數

          
2.3.3制冷機的性能繫數

          
2.3.4空調機和電冰箱效能的評價

          
2.4  熱泵的循環 

          
2.4.1開式熱泵循環

          
2.4.2閉式熱泵循環

   
2.5  熱泵的類型及其特征

   
2.5.1  空氣壓縮式熱泵

   
2.5.2  蒸汽壓縮式熱泵

          
2.5.3  蒸汽噴射式熱泵

          
2.5.4  吸收式熱泵（化學熱泵）

2.5.5 
半導體熱泵—帕爾特（Peltier）熱泵

參考文獻

第 3 章 
熱泵理論

          
3. 1  熱力學定律

3.1.1 
功和內能

3.1.2 
熱和內能

3.1.3 
熱力學定律——能量守恆定律

3.1.4 
熱力學第二定律

3. 2  循環過程中熱和功的相互轉換

 3.2.1  熱機、制冷機和熱泵的熱力循環過程

3.2.2 
熱泵的熱力循環           

3. 3  工業生產用的熱泵循環過程

  
3.3.1  工業用機械蒸汽壓縮式熱泵特點

         
3.3.2  循環繫統的熱力分析

         
參考文獻

第4 章 
熱泵蒸發過程中的水和水蒸氣

 4.
1  水蒸氣產生的過程

 4.
2  水蒸氣狀態參數的確定

         
4.2.1 水和水蒸氣的比體積

4.2.2 水和水蒸氣的焓

 4.2.3
水和水蒸氣的 焓及熱力學能

        
4.3  水和水蒸氣的熵

 4.3.1  熵的概念

 4.3.2  水和水蒸氣的熵

 4.3.3  干飽和蒸汽表及其應用的舉例

4.3.4 
過熱蒸汽表及其應用舉例

4. 4  水蒸氣的T－s圖及h－s圖

 4.4.1  水蒸氣產生過程的T－s（溫－熵）圖

 4.4.2  水蒸氣的h－s圖（焓－熵圖）

4.4.3 
水和水蒸氣的IS圖在熱功計算應用中的舉例

4. 5  水蒸氣h－s圖中各曲線解說和應用

          
4.5.1  曲線的解說

          
4.5.2  曲線解說中應用h－s圖進行熱力計算的舉例 

          
參考文獻                      

第5 章  
熱泵工藝參數及設備匹配的實驗驗證

 5.
1  放射性廢水模擬料液的實驗

5.1.1 
實驗流程

5.1.2 
主要設備及其作用

5.1.3 
實驗與結果

5.1.4 
結論與討論

 5.2  造紙黑液的濃縮處理實驗

 5.2.1  造紙黑液蒸發濃縮處理流程

5.2.2 
操作條件

5.2.3 
蒸發器運行方式

5.2.4 
淨化效果

5.2.5 
耗能及節能效果

           
5.3  無機鹽類的制備

           
5.3.1  從廢液中回收亞硫酸鈉的實驗

           
5.3.2  氯化鋇的生產實驗

           
5.3.3  氯化鈣溶液的蒸發濃縮實驗

           
5. 4  甘油水溶液的蒸發濃縮

           
5.4.1  實驗用的料液

           
5.4.2  次實驗          

5.4.3 
第二次試驗

5.4.4 
同廠內常規單效蒸發法比較的節能情況

           
5. 5  玉米浸泡液的淨化和濃縮實驗

           
5.5.1  玉米浸泡液的特性

           
5.5.2  試驗流程

           
5.5.3  運行條件

5.5.4 
淨化效果及節能情況

 5.
6  流程中設備匹配的改進及必要的說明

           
5.6.1  流程中設備的匹配方面的改進

           
5.6.2  必要的說明

           
參考文獻

第6 章 
熱泵的工業應用

           
6. 1  熱泵技術應用的概況

           
6.1.1  機械蒸發再壓縮式熱泵的應用範圍

           
6.1.2  蒸汽噴射式熱泵的適用範圍

           
6. 2  熱泵在海水淡化及高純水制備中的應用實例

           
6.2.1  艦艇上的應用實例1

           
6.2.2 艦艇上的應用實例2

 6.2.3  熱泵在高純水制備中的應用實例

           
6. 3   鹽類的制備

           
6.3.1  噴射式單效熱泵蒸發裝置

           
6.3.2  機械蒸汽壓縮式熱泵蒸發裝置

           
6.3.3  機械蒸汽壓縮式熱泵制鹽的操作流程

           
6.3.4  熱泵蒸發法回收無水硫酸鈉

           
6.3.5  亞硫酸鹽廢液的回收

           
6.3.6 鹽鹵蒸發

           
6. 4  熱泵在放射性廢水處理中的應用

           
6.4.1  應用實例1

           
6.4.2  應用實例2

           
6.4.3  應用實例3

           
6. 5  熱泵在化肥領域合成氨工藝中的應用實例

           
6.5.1  瀘州天然氣化工廠合成一車間實例1

           
6.5.2熱泵在合成氨生產工藝中應用實例2

           
參考文獻

第7章 
熱泵蒸發裝置的設計

       
7.1 設計的總體考慮   

       
7,1,1  壓縮機提供蒸發的推動力

      7.1.2 
沸點升高消耗壓縮功                                    

         7.1.3  回收二次蒸汽冷凝液熱量達到好經濟效果

         7.1.4  操作壓力及不凝性氣體的排放

         7.1.5  壓縮機入口蒸汽的適當過熱和出口蒸汽的消除過熱

           
7.1.6  其他幾個問題

           
7.2  熱泵蒸發生產流程設備配置的考慮

           
7.2.1  蒸發生產流程

           
7.2.2  各個設備設計的目的和用途

            7.3  
繫統啟動熱源和補充熱源

           
7.3.1  借用已有熱力管網中的蒸汽

           
7.3.2  柴油機組

           
7.3.3  熱泵蒸發繫統自身配備小的啟動電熱鍋爐

           
7.4   熱泵蒸發繫統熱量平衡的計算

           
7.4.1  熱量平衡計算

           
7.4.2  啟動熱源及補充熱源的考慮

           
7.5   選擇適宜的壓縮機及驅動裝置

          
 7.5.1  選用適宜的壓縮機

           
7.5.2  選擇壓縮機的驅動裝置

           
7.6   蒸發器的設計要點

           
7.7   熱泵蒸發繫統的運行及控制           

           
7.7.1  操作程序

           
7.7.2  監測與控制

           
7.7.3  控制方式

           
參考文獻

第8章 熱泵蒸發繫統的主要設備

           
8.1  蒸汽壓縮機

         
  8.1.1 離心壓縮機

           
8.1.2 羅茨式水蒸氣壓縮機

            
8.1.3 螺杆式壓縮機

            
8.1.4 軸流式壓縮機

            
8.2  蒸發器

8.2.1蒸發器的類型和應用

8.2.2蒸發器的設計

8.2.3氣液分離器     

8.3熱交換器（預熱冷凝器）

8.3.1 管式換熱器

8.3.2 
板式換熱器

8.3.3 
其他類型的換熱器

參考文獻

第9章節約能源及熱泵的未來

            
9.1 節約能源的意義

            
9.2 我國的能源資源現狀和存在的問題

            
9.2.1 我國能源發展的現狀

            
9.2.2 我國能源資源利用存在的問題

            
9.3 高效節能熱泵技術在我國發展的廣闊前景

            
9.3.1節能要靠國家重視和推廣要有具體政策

            
9.2.3 提高全民節約能源意識

            
9.4 熱泵蒸發技術在我國有著廣闊的發展前景

            
參考文獻

           
附錄

           
附表1 飽和水蒸氣表（按溫度排列）

           
附表2A 飽和水蒸氣表（按壓力排列）

           
附表2B 飽和水蒸氣表（按壓力排列）

           
附表3水的飽和蒸汽壓（－20℃至100℃）

           
附表4 水和過熱蒸汽

           
附表5 在飽和溫度下讀出的過熱水蒸氣的平均比熱容

           
附表6 水的重要物理性質

           
附表7 空氣的重要物理性質（760mmHg壓力下）

           
附表8 無機物水溶液在大氣壓下的沸點

           
附表9 單位換算表

           
水蒸氣的焓－熵圖

序

能源、水資源的高效利用問題，已受到各國的重視。能源是人類生活和經濟發展的物質基礎。

改革開放以來，我國能源工業迅速發展，為國民經濟持續發展做出了重要貢獻。我國是能源生產大國，也是能源消費大國。人均能源資源擁有量較低，能源資源相對不足。隨著能源生產量和消費量的不斷增加，“三廢”產生量也隨之增加，環境污染日益嚴重。因此，節能減排，提高能源利用率，減少能源浪費不僅有利於環境保護，而且對保障國民經濟持續發展也具有重要意義。

我國政府高度重視環境保護和資源節約問題，堅持資源節約和環境保護的基本國策，堅持能源開發與節約並舉，節約優先，走資源節約道路的方針，使我國的能源供需矛盾和環境狀況得到明顯改善。

我國是一個水資源短缺的國家，水資源的時空分布極不均衡。水資源已成為制約我國經濟發展的“瓶頸”，對工農業生產和人民生活影響巨大。因此，節能、節水對我國經濟持續發展具有重大意義。熱泵蒸發技術，或稱“機械蒸汽再壓縮蒸發法”，是一項高效節能、節水、環保技術推廣應用這一技術對提高企業的能源利用率，增加經濟效益具有重要意義。

本書對熱泵蒸發技術做了比較全面介紹，對熱泵技術的發展歷史、熱泵蒸發技術的理論基礎、熱泵蒸發裝置工程設計和操作運行的有關問題都有詳細介紹，基本反映了國際國內的現狀和發展動向以及筆者的工作成果和經驗。本書可供造紙、食品、制藥、化工、石油、核工業、水處理、海水淡化、環境保護等部門以及其他科學技術部門從事能源技術工作的科技人員、管理人員、操作工人參考，也可供大專院校有關專業的師生參考。

於 承 澤

2015年10月

第1章  熱泵的發展史

現在，工業用熱泵蒸發技術應該說是一項成熟、可靠的實用技術。不過，不少人對此還有點神秘感。家中的空調機和電冰箱就是你身邊的熱泵裝置，這些裝置也是在改革開放30年的發展中纔逐步走進千家萬戶，之前用到空調機，電冰箱的家庭並不多。這下，你反倒又覺得太熟悉了。但是，我們要談的並不是這兩種裝置，主要介紹工業用熱泵。無論現在的家用熱泵（空調機，電冰箱），還是工業熱泵都經歷了漫長的發展，其原理基本相同。從19世紀到20世紀70年代的這個歷史發展過程中，有不少學者、專家做過許許多多試驗和研究工作纔逐步完善了熱泵技術的基本理論概念。以下就對其發展歷史做個概括的介紹。

1. 1   國外家用熱泵的發展情況[ 1- 2]

1. 1. 1  19世紀

19世紀初期隨著對物理過程認識的深化，人們對能否將低溫熱能泵送到較高溫度處產生了興趣。1824年法國青年工程師卡諾（Carnot）研究了一個特殊而十分重要的循環，稱之為卡諾循環。卡諾早期的著作及卡諾循環的研究為熱泵（制熱）或制冷技術的發展奠定了理論基礎。Piazzi Smythe教授大概是建議用這一原理制造冷機的個人，而Willion Thomson教授（稍後是Lord Kelvin勛爵 ），首先提出了實用的熱泵繫統。那時候稱為“熱量倍增器”，指出了制冷機也可以高效率地用於采暖。在提出這樣一種繫統的論據時，湯姆遜預見到這樣的實事，即常規燃料的儲備量，不允許人們在爐子裡直接燃用燃料來取暖，而他的“熱量倍增器”要比普通爐子少用燃料。湯姆遜提出的熱泵繫統使用空氣作介質（工作流體），環境空氣被吸入氣缸，然後在氣缸中膨脹，因而降低了溫度和壓力。跟著空氣就通過安裝在外面的空氣—空氣熱交換器，在那裡已降溫的空氣能從周圍空氣中吸收熱量。在送入建築物供采暖以前，空氣被壓縮回原來的大氣壓力以使其溫度高於環境溫度。通常認為，在瑞士也成功地建造一臺這樣的機器。湯姆遜聲稱，隻用直接采暖法的3%的能量，他的熱泵就能產生出同樣的熱量來。19世紀70年代，應用這些原理開發制冷設備的工作取得了迅速的發展，當時制造了一些低溫制冷機以滿足凍肉市場的需要。1879年英國的Glasgou的Bell Coleman在由美國和澳大利亞運送肉類到英國去的船上安裝了一套這樣的設備。與此同時，用醚、氨或氯代甲烷作為冷凍介質的蒸汽壓縮機的開發也在進行。低溫空氣制冷機為二氧化碳機所取代。

1. 1. 2  20世紀      在20世紀20年代制成了氨壓縮機，30年代小型制冷設備使用了氯代甲烷，而到了40年代初，出現了個現代的鹵代烷冷凍介質—R-12。熱泵本身的開發工作是同制冷設備的開發工作同時進行的，但從生活實際的需求情況在開發制冷設備的整個歷史時期內，由於各種原因熱泵的開發工作落到後面。在20世紀20年代，當時Krauss和Morey在Willion Thomson論文的基礎上，進行了重新論述並加以完善。從已安裝和數量正在快速增加的制冷設備性能分析中來研究熱泵的可行性。Haldane進行了這方面的工作，他選用了1891—1926年行運的制冷裝置，對其性能進行了數據分析，編制了對應於不同的輸出溫度所能達到的C.O.P（性能繫數）值的圖1-1。該圖表明了熱泵的C.O.P值為逆向卡諾機理論效率的1/3~1/2。 

圖1-1 熱泵性能繫數（按哈爾登載熱源溫度為4.4℃,蒸發溫度為—6.7℃測定數字繪制）   根據這些結果，他建議：應考慮可逆式熱泵給建築物供冷或供暖，並說明在遊泳大廳用熱泵回收能量具有特別的經濟價值。Haldane在1930年報道了他1927年安裝在蘇格蘭的一臺試驗用熱泵。用這臺熱泵給他的住宅供暖和給水加熱，采用室外空氣和管中的水作為熱源，使用了一個低溫熱水散熱器配熱繫統和一個電力驅動的制冷壓縮機。冷凍介質為氨。由水力發電機組供電。這臺熱泵效果還是很好的。早的大規模熱泵的應用是在南加利福尼亞愛迪生公司（Southern California Edison Company）的Los Angeles辦公處。在那裡，1930—1931年間將制冷設備用於供暖，得到1.45~1.98的C.O.P值。然而一般認為在適宜的操作條件下，C.O.P值能達到2.32。20世紀30年代的經濟困難給歐洲的熱泵發展以有力的刺激，到1943年大型熱泵已很可觀。當時《電氣服務》雜志以“能源經濟和熱力學熱泵”為題發表了一篇專門報告列舉了熱泵可能的應用包括有：在冷凝過程中利用蒸汽潛熱的蒸發式熱泵，工業廢熱回收即用於環流供暖，以空氣或水為熱源的熱泵裝置。報告還建議利用透平機廢熱，以蒸汽透平啟動熱泵。在當時包括液體濃縮在內的工藝過程中利用熱泵被認為是很經濟的。在上述報告所描述的裝置中有在1937—1941年間安裝起來的蘇黎世議會辦公大樓(Zurich Council Hall)，委員會辦公大樓（Congress Hall）和遊泳大廳（Suimming Hall）等熱泵裝置，也提到了安裝在學校、醫院、辦公室和牛奶場的熱泵裝置。此外，Kemler和Oglesby列舉了在美國安裝的15臺商業用熱泵，大部分是用水作為熱源的，1948年小型家庭用供熱或供冷用可逆空調有了很大的發展。1950年前後在英、美就對使用地下盤管作為熱源的家用熱泵進行了研究。Baker設計了一臺配有防凍儲槽的可逆熱泵裝置，Sumner裝置了一臺以大地為熱源的熱泵，來給他的房間供暖。Sumner設計的向諾裡奇（N0rwich）一棟市政大樓供暖的試驗機，是英國早的大型熱泵，1945年投入運行，僅用了幾年就被拆除了。計算得出的C.O.P值介於3~4，整個采暖季節平均C.O.P值接近4。1951年安裝在倫敦泰晤士河岸的皇家慶典禮堂裡的熱泵裝置，也是實驗裝置，是為禮堂鼕季采暖，夏季降溫設計的。該裝置用泰晤士河的水作為熱源，其壓縮機為高速離心壓縮機，是由改良的莫林（Merlin）飛機發動機驅動的空氣增壓器改制而成，工作介質為R-12.這一繫統由於設計餘量太大，運行並不經濟。20世紀50年代按商品要求生產了一些家庭用熱泵，其中1954年制成的一種熱泵——佛蘭蒂“冷箱—加熱器”（Ferran ti Fridge heater）通過吸收食品儲藏室的熱量，並用於加熱水的家庭用裝置，鼕季的輸入功率為o.7kW,夏季的輸入功率為1.2kW。前面提到美國熱泵的發展，在此基礎上到了20世紀50年代末至70年代美國人又做了許多工作，家用整體式熱泵空調機有了批量生產。由於工程師廉價方便地把空調機安裝到家庭或者小的商業用房間中，這樣批量生產的年，工廠約存貨1000臺。1954年增加1倍，1957年增加了10倍，1963年生產了76000臺。多數裝在南部地區，夏季降溫，鼕季取暖。熱泵就能同鍋爐供暖進行有效的競爭。60年代美國電價降價，人們又轉向直接用電取暖。但到了1973年能源危機，這又促使人們對熱泵產生了強烈的興趣，到1976年底銷量達到了300000臺的高峰，到目前已成為每個家庭必不可少的裝置。家用熱泵的開發和發展為工業熱泵發展奠定了基礎，並為逐步完善配套創造了條件，也就是說工業熱泵的形成離不開其前面家用熱泵的發展，下面談談工業熱泵的發展情況。

                1. 2   國外工業熱泵的發展史[3-4]

工業用熱泵的發展是在家用空調式熱泵和制冷機發展的基礎上而發展起來的。工業熱泵同制冷機和家庭熱泵的原理相同，隻是運行的溫度範圍及達到的目的不同而已。從資料報道所知，工業熱泵在20世紀40年代左右已有應用，如第二次世界大戰中在部隊的艦艇及海島上，用熱泵蒸發技術從海水中制備淡化水供士兵生活之用。這也促使熱泵蒸發裝置成百上千臺制造了出來。日本人在40年代就采用此項技術，從海水中制備食鹽，委內瑞拉德加拉加斯和巴西的裡約熱內盧，1952年用蒸汽壓縮蒸發法進行鹽的制備，                      在50年代化工工業中已有不少應用。美國和法國先後已在核工程中采用了熱泵蒸發濃縮技術來處理核廢水。在能源緊張的今天，能用熱泵蒸發技術的各行各業都在積極采用它。

                 1. 3   我國熱泵的發展

我國家用熱泵的研發機構，20世紀六七十年代很少看到有報道的，就其從國外引進及擴大應用的歷史也不是很久。80年代使用空調機、電冰箱的家庭也並不多。從2000年前後發展到現在，空調、冰箱已成了家家戶戶必不可少的家用電器了。我國工業用熱泵的研究，制造和應用在20世紀五六十年代報道的不多。從70年代起一些高等院校、科研單位開始了這方面的探索性的研究工作，如天津大學做了這方面的實驗工作並有論文發表。中國原子能科學研究院從1975年到1979年間，建成了一套熱泵蒸發裝置（機械蒸汽再壓縮）。設計能力為每小時蒸發250kg，但實驗運行時達到330kg。在1980至2003年間，國內也有關於熱泵蒸發方面的文章報道，但成功的整套裝置及工藝流程的文章很少看到。據我們了解制約我國這項技術發展的主要原因是壓縮蒸汽的壓縮機沒有廠家制造，這樣的不鏽鋼設備更是空白。2003年瀋鼓集團公司為錦西天然氣化工有限責任公司改造的每小時壓縮15t水蒸氣的蒸汽壓縮機（產品代號：G11）研制完成，使離心式水蒸氣壓縮機完全國產化，填補了國內這項空白。從此，使我國的熱泵蒸發裝置逐步走向規模化的生產道路。瀋鼓集團在2012年、2013年又分別制造了同類型的每小時8t，46t，36t生產能力的壓縮機。同時，長沙鼓風機廠有限責任公司也能生產羅茨式水蒸氣壓縮機。這就為我國發展該項技術掃除了障礙，目前化工、食品、制藥、海水淡化等領域一些廠家已采用這樣的技術在進行生產。今後，會有更廣更快的發展，這必將為我國節能、環保和節約水資源做出大的貢獻。

              參 考 文 獻

[1] [英]R . D . 希普.張在明譯.熱泵[J].北京： 化學工出版社，1984，3-9.[2] [英] D . A 雷伊，D . B. A 麥克米查爾，著. 陳特鑾，譯.熱泵的設計和應用[J].北京：國防工業出版社，1985，1-4.[3]山西省科學技術情報研究所. 熱泵彙編[C].太原：山西省科學技術情報研究所，1985,1-2.[4] J . H . Mallinson. Chemical Process Applications for compression Wvaporation[J]. Chem. Eng., 1963.70(18):75-82.

第2章  熱泵的基本概念

水泵，我們經常提到，看到並也用到過它，所以大家都很熟悉。熱泵，聽起來似乎給人們帶來點神秘的感覺。其實，要是了解了熱泵是什麼樣的機械設備後，你就會知道它的功能，它是如何工作及其工作範圍是什麼。所以，通過以下各個片段對熱泵加以描述,以便對它有所了解。2. 1   什麼是熱泵[1-2]    討論熱泵，了解熱泵進而應用熱泵，那麼首先要知道什麼是熱泵。這對有些人來說可能是很簡單的，但有些人對它並不十分了解。所以，本節作個粗略的解說，以便 給想了解熱泵的人有個初步認識。    概括地說，凡是能把低溫處的熱量抽取出來，讓低溫處達到制冷的目的；或者把低溫處的熱量抽取出來並把它送到用熱的高溫處成為有用的熱能的機械設備，均可稱為熱泵。    眾所周知，在自然界中，水會自發地從高處流向低處，高壓氣體會自發地向低壓處擴散，熱也能自發地從高溫處傳向低溫處。但這些自發過程，不可能自發地反向進行。要想實現這些過程的反向進行，一般都要借助於某種機械設備，消耗一定的能量來完成這樣的工作。    人們要把低處的水送到高處，一般用電動機驅動機械泵（水泵）來完成，所以我們把這種機械泵叫作水泵。有些地方用小型空壓機給車胎打氣，人們把它稱作氣泵；那麼要把低溫處的熱量送往高溫處，生產上一般采用壓縮機，所以我們習慣地把這種輸送熱量的壓縮機稱為熱泵。    我們借助於熱泵，就能廣泛地利用低溫熱源來取得所需要的冷的條件和取得供暖條件或者是所需要的高溫供熱條件，以滿足人們生活和生產的各種目的，如家用空調機和電冰箱，大型商業冷庫，工業用的熱泵以及物料的烘干等等用途。2. 2 熱機、熱泵、制冷機的特征和區別[3]

    為了進一步認識熱泵，在這一節裡把熱機/熱泵和制冷機的特征和它們的工作界限加以討論，這將會對熱泵有更深一步理解。為了便於理解和討論，見其工作原理簡圖2-1。2.2.1熱機    工作原理如圖2-1中（a）所示，工業上一般常用的熱機有兩種：一種是蒸汽機，另一種是內燃機。蒸汽機是消耗常規燃料而產生高溫，高壓水蒸氣來驅動專用機械裝置（熱機）對外做功。內燃機是消耗油氣燃料在熱機氣缸內產生高溫高壓混合氣體使熱機對外做功。    在正向循環熱機運行的過程中，是從高溫熱源吸取熱量Q2 ，向低溫熱源放出熱量Q1,對外做功為W。在這一過程中，我們的著眼點是在消耗一定的熱量，熱機對外做功的量。當然，誰都知道做功越多，同時消耗的熱量越少越好。所以有           Q2－ Q1 ＝W                                      （2-1）2.2.2熱泵    工作原理如圖2-1中（b）所示，熱泵的運行過程是熱機正向運行的逆過程，亦即消耗外功W， 把低溫處的熱量Q1送往高溫處使高溫處獲得熱量Q2， 此處的熱量Q2包含了外功所轉化成的熱量在內，在熱泵的運行過程中，我們的著眼點是放在消耗了一定量的外功，在高溫處所獲得熱量有多少。所以Q2一定會大於Q1的。當然，在高處獲得的熱量越多，消耗的外功越少越好，說明熱泵的效能越高。    所以有           Q2=Q1 W                                   （2-2）

圖2-1熱機和熱泵制熱及制冷原理圖（a）熱機  （b）熱泵  （c）制冷機  （d）電冰箱  （e）空調降溫  （f）空調供暖2.2.3制冷機    工作原理如圖2-1中（c）所示，其工作原理和熱泵工作原理相同，隻不過終目的及運行的溫度範圍不同。    制冷機的運行過程如同熱泵一樣，是熱機正向運行的逆過程，也是消耗一定量的外功把低溫處的熱量Q1抽取出來送往高溫處，在高溫處獲得熱量Q2(=Q1 W)，但這裡的Q2不加利用而是排放到環境中去了。在制冷機的運行過程中，我們的著眼點不在高溫端獲得熱量的多少，而是在低溫端的冷的程度，即在消耗一定的外功條件下，使低溫處達到預期的冷的目的。也即從低溫處抽取的熱量愈多愈好，說明其效能愈高。2.2.4電冰箱    工作原理如圖2-1中（d）所示，其工作原理同制冷機完全相同，目的也是要獲得所預期的冷的條件。    電冰箱和 制冷機同屬實現制冷為目的的裝置，要求一定的低溫程度，也可達到冰點以下的溫度。他們從冷室抽出的熱量送往高溫處後並不加利用，而是被擴散到周圍環境裡去了；如果將這部分熱量利用起來，就達到既制冷又供熱的兩個目的。這樣，會達到更加節能的效果，也減少了空氣的熱污染。2.2.5空調機    空調機原理如圖2-1中（e）、（f）所示，和制冷機、電冰箱相同。它可在夏季用於室內降溫[圖2-1中的（e）]，而在鼕季向室內供暖[圖 2-1中的（f)]。當然，降溫和供暖的溫度使人感覺舒適為目的，所以空調機運行的溫度範圍不能太低又不能太高。如果，它在室內降溫時向室外放熱的條件及在向室內供暖時所形成的外界冷的條件都加以相互充分利用，會更加節能。目前，家庭用熱泵（即空調機）是以室外空氣作為熱源，當然這種低溫熱源是多方面的。例如各種工業企業（發電廠、煉鋼廠、鑄造廠等）排放的廢熱，建築物的廢熱，以及自然界的河水、海水、井水、地下水以及大地都可作為熱源。如果整座大樓供暖，便可用地下溫泉泉水做熱源形成中央熱泵空調機。盡管工業用熱泵蒸發和空調機一般都可叫作熱泵，但其運行的參數是完全不同的，所以它們的運行溫度範圍相差很大，因此兩者不能相提並論。                  2. 3   熱機和熱泵效能的評價[4]

2.3.1熱機效率    從熱機運行的原理簡圖2-1中可知，熱機在運行繫統中從高溫熱源吸取的熱量Q2，其一部分用來對外做功W外，另一部分則為排放到低溫熱源的Q1。但排放到低溫熱源的熱量Q1在繫統中是無用的，熱機運行 過程中目的是做功，在做功上耗用的熱量越多，則做功越多，收效越大。所以，熱機做功W耗用熱量（W=Q2-Q1）占其從高溫熱源吸取的總熱量的百分之幾，這個百分數值越大即熱量的利用率越高，一般稱此百分數為熱機的熱效率。所以，熱機運行的好與壞，就可用它的熱效率來加以衡量。如果用符號η代表熱機的熱效率，則其數學式可寫成：              η=W/Q2=(Q2-Q1)/Q2=1－（Q1/Q2）                   （2-3）          從上式可看出：η＜1，而且總是小於1的，因為在熱機運行中必定要有一部分熱量（Q1）排入低溫熱源，所以熱效率η達不到百分之百。2.3.2熱泵的性能繫數    熱泵運行過程的方向和熱機運行的方向正相反（熱機的逆過程），所以熱泵在運行時要消耗外功（W），而不是對外做功（W）。消耗一定量的外功，纔能把低溫處的熱量Q1送往高溫處並成為有用的熱能，在消耗一定外功的條件下，高溫處獲得的有用熱量Q2（=Q1 W）越多越好。換句話說，在高溫處得到的有用熱Q2越多，消耗的外功又越少則效能就越高,也即節能效果越好。所以在評價熱泵效能的高與低時，采用高溫處得到的有用熱量Q2同它所消耗的外功W的比值(Q2/W)來評價，一般把Q2/W的比值稱為熱泵的性能繫數，在熱泵技術的術語中常用符號C.O.P表示，用數學式表示如下：C.O.P=Q2/W=（W Q1）/W=1 （Q1/W）               （2-4）    從上式可以看出  C.O.P＞1, 無論Q1值的大小，輸入的功總是要轉變為熱，因此熱泵的性能繫數總是大於1，所以熱泵總是節能的。式（2-4）中Q1/W的比值，實際上就是下面要談的制冷機的性能繫數。2.3.3制冷機的性能繫數    制冷機運行目的是要獲得一定程度的低溫條件，這和熱泵運行的目的正相反，熱泵是要獲得一定程度的高溫條件為目的。所以制冷機的工作是在消耗一定量的外功W，將需要低溫處的熱量Q1抽走。當然消耗的外功越少抽走的熱量越多則效果越好，那麼評價制冷機工作的效果時,是用從低溫處抽走的熱量Q1同它消耗的外功W的比值，即Q1/W衡量的。在制冷專業的術語中把Q1/W的比值稱為制冷機的性能繫數，常用符號C.O.Pre來表示，用數學式表示如下： C.O.Pre=Q1/W                                2-5

2.3.4空調機和電冰箱效能的評價在達到所需要的冷的或供暖條件為目的時，消耗的電能越少越好。在此不加多的論述。2. 4   熱泵的循環

熱泵的工作過程不隻是熱泵（壓縮機）裝置本身，而是要有一套與其相匹配的設備，如蒸發器、冷凝器等串聯在一起組成一個完整的繫統，我們也叫它回路。這種回路一般又分為密閉式回路（閉式回路）和敞開式回路（開式回路）兩種，.如圖2-2中（a）、（b）所示。工作介質（圖中帶有箭頭的線段）在密閉回路中運行一圈，則為循環一次，在開式回路中工作介質從進入回路到排出回路也為循環一次。當然，要實現其生產運行目的，就必須連續不斷的循環運行。要達到供熱或其他生產目的，在上述回路（繫統）中還必須要有工作介質（即載熱體）起橋梁作用，來轉運熱量。那麼，工作介質由壓縮機的驅動在閉式回路中運轉一周或在開式回路中從進入回路到排出回路一次都是完成了一次循環，而供熱或生產要求的不隻是一次循環，是周而復始連續不斷的循環，這就形成閉式循環或開式循環的循環回路。

      （a）               （b）             圖2-2  循環概念示意簡圖（a）閉式循環 （b）開式循環

2.4.1開式熱泵循環    在開式循環中，載熱的工作介質就是送入繫統的物料本身（水溶液），通過物料中溶劑水的變化（即物料中的水吸熱變為蒸汽，蒸汽冷凝放出汽化潛熱又凝結為水）來傳遞熱量。同時蒸汽經壓縮機壓縮消耗的外功所轉變成的熱量，也補充進繫統之中。就這樣來實現熱泵運行供熱的目的。運行過程中要被處理的水溶液（其中溶劑水就是工作介質）連續不斷地由外界送入繫統，經熱力循環後又連續不斷排出繫統之外，熱力循環繫統的首末兩端並不是連接在一起形成密閉回路，進出的物料都是敞開的，所以叫作開式循環。如圖2-3所示。

圖2-3  開式熱泵循環示意圖     開式熱泵循環在工業上用的很多，如海水淡化、藥物濃縮、制鹽工業、食品工業、廢水處理、核廢水的淨化等。這將在後面的章節中詳細介紹。2.4.2閉式熱泵循環在閉式循環中，它的載熱介質是在一個密閉的環路中運行，在一定時間內不會有新的介質加入也不會有介質從密閉環路中向外洩漏。當然 在這個環路中串在一起的設備有壓縮機、蒸發器、膨脹閥、冷凝器，如圖2-4所示。

 圖2-4  閉式熱泵循環示意圖

運行過程中密閉環路中的介質在蒸發器中吸收低溫熱源的熱量而汽化（因為這種介質的沸點很低，容易汽化，如氟裡昂），汽化了的介質蒸汽經壓縮機壓縮後去冷凝器放熱而冷凝，經膨脹閥進一步降溫，變為原