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世界热泵发展史
2018-12-29 11:22

       热泵技术是一项相当“古老”的发明。时间推移到1775年,爱丁堡的化学教师库仑即发现利用乙醚的蒸发,可以使水降温并且发生结冰的现象。他的学生布拉克从本质上解释了融化和汽化现象,提出了物质状态变化时的“潜热”概念,并发明了冰量热器,标志着现代制冷制热技术的开始。
 
       法国的青年工程师卡诺在1824年发现了这一现象,只要增加气体的压力,就会提高其温度。反之,如果减小气体的压力,会降低其温度。井断言利用这一现象可以实现热量的转移。同年他还提出了能够提高做功效率的“卡诺循环”。但是由于当时机械制造技术的限制,卡诺本人井没有提出可以实现的热泵结构设计。卡诺循环当时针对的是热动力机,而卡诺循环的反向循环,即是热泵(或制冷)循环。卡谐发表的著名论文《关于火的动力),首次提出了“卡诺循环”理论,成为热泵技术的最早起源。
 
       随着工业革命的发展,19世纪初,人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题产生了浓厚的兴趣。英国物理学家詹姆斯・普雷斯科特・焦耳提出了”通过改变可压缩气体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。
 
       制冷(热泵)机组工作时,蒸发器一端总是吸收热量,而冷凝器一端总是释放热量,而且两个过程总是同时进行的。在理想状态下,冷凝器一端释放的热量要大于蒸发器一端吸收的热量。1850年英国科学家开尔文注意到这一现象,与电热丝发热相比,同样的耗电在热端获得的热量要多很多倍,他当时把这样的装置称为“能量倍增器”,井首次描述了热泵的设想,实际上是利用压缩和影胀来实现热量的转移。这使得我们一直追求的低温的“低级能源”变成高温的“高级能源”变为可能。
        到了1834年,在伦敦工作的美国发明家波尔金斯(Perkins)造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机,井正式申请了英国第66号专利,这是后来所有蒸气压缩式制冷机的原形,直到今天也没有根本改变。但由于它使用的工质是乙醚,很容易发生燃烧和爆炸,影响了这种机型的推广应用。到1875年卡利和林徳改用氢作制冷剂,大大提高了制冷机的效率和稳定性(氢制冷机组至今还是相当国要的冷冻方法)从此蒸气压缩式制冷机开始古据统治地位。
 
       在此期间,空气绝热影胀会显著降低空气温度的原理也开始用于制冷。1844年,美国医生约·弋里用封闭循环的空气制冷机为患者改建了一台空调机,这使他一举成名。威度・西门斯在空气制冷机中引入了回热器,进一步提高了制冷机的性能。1859年,卡列发明了氨水吸收式制冷系统,井申请了原理专利。期的冰箱即是由该原理制成。那时候的冰箱和现在的不同,它需要一个小火炉为其供热,火源可以是煤气或者是媒油。直到20世纪30年代,由于蒸气压缩制冷技术的快速发展,使用更为高效和方便,才陆续取代了这种吸收式冰箱。1910年左右,马利斯・菜兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。到20世纪,制冷技术有了更大发展,全封闭制冷压缩机研制成功。美国通用电器公司米里杰发现里昂制冷剂井用于蒸气压缩式制冷循环,伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热氮的出现,都极大地推动了制冷技术的发展。

       之后许多科学家和工程师对热泵技术进行了大量的研究,将冷冻技术用于加热,研究持续了80年之久。但由于当时采暖技术简单,且价格低廉,因此对热泵技术的需求不大。这就是热泵的发展明显地滑后于制冷机的原因。
 
       直到20世纪20~30年代,一方面由于制冷机的发展为热泵的制造鸡定了良好的基础,另一方面也由于社会上出现了对热泵的需求,因此热泵得到了极大的发展。
 
       1912年,瑞士的苏黎世成功安装了一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖这是早期的水源热泵系统,也是世界上第一套热泵系统。
 
       1930年,英国的霍尔丹(Haldane)在自己的著作中报道了1927年在苏格兰安装试验的一台家用热泵的安装及试验情况,这台热泵采用氢作为工质,以空气为热源,用于热水供应和果暖,这是英国安装的第一台热泵。当时霍尔丹已能认识到通过简单的切换制冷环来实现冬季供热、夏季制冷的可能性
 
       在这之后,英国开始对热泵进行大量的研究和设计,到1931年,美国加州的安迪生公司在洛杉矶的办公大楼上安装了第一台大容量的热泵用于采曖,制热量为1050kW,制热系数为2.5.
 
        1939年,欧洲第一台大型热泵出现于瑞士苏世的市政府大厦,制热量为175kW,制热系数为2.0,以河水为低温热源,工质是R12,持缋向市政府输出温度为60℃的热水,有热系统,高峰负荷时采用电加热作为辅助加热手段。该装置夏季也能用来制冷。
 
        热泵技术在20世纪40~50年代早期又获得迅速发展,到1943年大型热泵的数量已相当可观。40年代,我国也开始对热泵有了进一步的认识。1948年小型热泵的开发工作有了很大的进展,家用热泵和工业建筑用热泵大批投放市场。英国在20世纪50年代也生产了许多小型民用热泵。1950年左右,美、英两国开始了对使用地下盘管吸收地热作为热源的家用热泵的研究工作。至1950年,已有20个厂商及10余所大学和研究单位从事热泵的研究,当时拥有的600台热泵中约50%用于房屋供暖,45%为商用建筑空调,仅5%用于工业。通用电气公司生产的以空气为热源、制热与制冷可自动切换的机组,使空调用热泵作为一种全年运行空调机组进入了空调商品市场。
 
       热泵技术在20世纪50~60年代(1952~1963)这10年中经历了迅速成长的阶段。由于热泵可以让制冷与果暖合用一套装置,在电力充足、电能价格又便宜的地区使用时运行费用很低,用户对此产生了兴趣,使热泵进入了早期发展阶段。1957年美国决定在建造
大批住房项目中用热泵采暖代替原先设想的燃气供热方案,这又使热泵的发展进入了一个高潮,至60年代初在美国安装的热泵机组已近8万台。然而,由于过快的产品增长速度造成设备制造质量较差、设计安装水平低、维修及运行费过高,到1964年热泵可靠性的问题已成了一个十分严峻的问题。又因60年代电价持续下降,人们对电加热器的需求不断增加,使之成了热泵发展的主要竟争对手,限制了热泵的发展,热泵工业进人了10年的徘徊状态。直至20世纪70年代中期,热泵才重新有了快速增长。这一方面是由于热泵技术的发展使机组可靠性提高,另一方面是1973年能源危机的推动。
 
       70年代初期,人们广泛认识到矿物燃料在地球上是有限的,热泵以其回收低温废热、节约能源的特点,对产品性能和可靠性进行改进后重新登上历史舞台,受到了人们的青睐。比如美国,热泵的年产量从1971年的8.2万套猛增至1976年的30万套,1977年再次跃升为50万套。
 
       到1988年,热泵式房间空调器年产量已达321万台。至1999年,包括热泵式的单元式热泵空调机年产量超过了1000万台。在此期间,在全世界范围内热泵的应用总的发展趋势是不断扩大,日本、瑞典等国小型的家用空气能热泵产量大幅提高。在英国、德国大型热泵装置与大型商业和公共建筑的热回收方案结合取得了一定成果。热泵技术进入了黄金时期,世界各国对热泵的研究工作都十分重视,诸如国际能源机构和欧洲共同体都制订了大型热泵发展计划,热泵新技术层出不穷,热泵的用途也在不断开拓,广泛应用于空
调和工业领城,在节约能源和环境保护方面起着大的作用。
 







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