第2章 热泵循环.doc

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1、热泵循环 T PUMP CYCLE 2.1 理想的热泵循环 动力循环，即把热量转化成机械功的循环是正向循环 ，在温-熵图或压 焓图上，循环的各个过程都是依次按顺时针方向变化的 所有的制冷机或热泵都是按逆向循环工作的，在温-熵图或压-焓图上， 循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的 循环可以分为可逆循环（Reversible Cycle）和不可逆循环（Irreversible Cycle）两种 在构成循环的各个过程中，只要包含有不可逆过程，则这个循环就是 不可逆循环 在制冷循环里，各种形式的不可逆过程可分成两类：内部不可逆 （Internal Irreversible）和外部不可逆（Exter

2、nal Irreversible） 制冷剂在其流动或状态变化过程中，因摩擦、扰动及内部不平衡而引 起的损失，都属于内部不可逆；蒸发器、冷凝器及其它换热器中有温 差时的传热损失，属于外部不可逆 2.1.1 逆卡诺循环 逆卡诺循环（Reverse Carnot Cycle ）热源温度不变时的逆向可 逆循环 当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两个 可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环，称为逆卡诺 循环 在相同温度范围内，逆卡诺循环是消耗功最小的循环，即热力 学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失 （Irreversible loss） 循环过程 1-2：等熵压缩过程，

3、3-4：等熵膨胀过程， 2-3：等温放热过程， 4-1：等温吸热过程。 单位工质所吸取的热能值 qo = T L ( 1s - s 4) 单位工质所放出的热能值 qh = T H ( 2s - s 3) 循环所耗的净功 wo = q h - q o = T H ( 2s - s 3) - T L( 1s - s 4) 因为 故 s1 wo = s2 s3 = s4 = (T H - T L)( 2s - s 3) 逆卡诺循环热泵的制热系数 e ,h c = qh wo = T H ( 2s - s 3) ( HT - T L)( 2s - s 3) = TH T H - TL 可以证明，在温度

4、分别为T H、T L两个恒温热源间工作的所有热泵（理 想的或实际的）其制热系数都不可能高于卡诺热泵的制热系数 当热源温度由T H升高到T H，同样可以得到工作于T H、T L两个恒温热 源间的卡诺热泵循环的制热系数 e h ,c = TH T - T H L 不难证明：e , h c e , h c 由此可见，卡诺热泵的制热系数随着高温热源温度的升高而降低，这 一结论对于其他实际热泵也同样是适用的 2.1.2 劳仑兹循环 劳仑兹循环（Lorentz Cycle）是变温热源时的逆向可逆循环 由于热源的质量总是有限的，当高温热源接受热泵供热或低温 热源向热泵供热时，不可能不影响各热源的温度 由两个

5、等熵过程和两个工质与热源之间无温差的传热过程所组 成 劳仑兹循环过程 1-2：等熵压缩过程 2-3：无温差放热过程，工质的 可逆放热 3-4：等熵膨胀过程， 4-1：无温差吸热过程，工质的 可逆吸热 劳仑兹循环的制热系数 工质自低温热源吸取的热能值 dq o = T Lids 向高温热源排放的热能值 dq h = T Hids 对于整个劳仑兹循环，单位工质吸取的热能值 4 4 qo = dq = T ds 1 o 1 Li 工质向变温的高温热源排放的热能值 3 3 qh = dq = T ds 2 h 2 Hi 用T Lm和表示工质的平均吸热温度 THm表示平均放热温度，且令 4 = T ds

6、 /(s - s ) 3 = T ds /(s - s ) 1 Li 1 4 2 Hi 2 3 TLm THm 则 qo qh = T Lm ( 1s - s 4) = T Hm (s 2 - s 3) 劳仑兹循环中单位工质消耗的功 、 = q h - q o = T Hm (s 2 - s 3) - T Lm (s 1 - s 4) = s4 = (THm s1 = s2 因 wo s3 wo 所以 - T Lm )(s 2 - s 3) 按劳仑兹循环工作的热泵的制热系数为 e h ,L = qh w o = THm (THm (s 2 - s 3) - T Lm )(s 2 - s 3)

7、= THm THm - TLm 结论：理想的劳仑兹循环的热效率与在平均吸热温度TLm 和平均放热温度THm间工作的逆卡诺循环的制热系 数相等 2.1.3 逆斯特林循环 逆斯特林（Stirling Cycle）循环由 两个等温、两个定容过程组成 1-2等温膨胀过程 2-3等容吸热过程 3-4等温压缩过程 4-1等容放热过程 逆斯特林循环的温熵图 逆斯特林循环的温熵图 逆斯特林循环的制热系数 e ,h S = TH T H - TL 结论：按逆斯特林循环工作的热泵制热系数竟然高达与按逆卡 诺循环工作的热泵制热系数相等，显然它是一种非常有效 的循环 注意：逆斯特林循环也与逆卡诺循环相同，循环中也有两

8、个等温 传热过程。由气体的等温传热过程是难以实现的，因此它 也就成了实施逆斯特林循环的一个难点 2.2 蒸气压缩式热泵循环 蒸气压缩式热泵循环（Vapor Compression Heat Pump Cycle）消 耗由电动机等所作的机械功，使工质（Refrigerant）蒸气从低 温低压状态被压缩至高温高压状态 液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是： 制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气； 将该低压蒸气提高压力成为高压蒸气； 将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体； 高压液体降低压力重新变为低压液体，从而完成循环 上述四个过程中，是制冷剂从低温热源吸收热量的过程； 是制冷剂向高温热源排放热

9、量的过程；是循环的能量补偿过 程。 能量补偿的方式有多种，所使用的补偿能量形式相应的也有所 不同。如果该过程的能量补偿方式是用压缩机对低压气体做 功，使之因受压缩而提高压力，那么，这种制冷方式便称之为 蒸气压缩式制冷 Qk W Qo Qk 冷凝器 节流阀 压缩机 W 蒸发器 Qo Qk 高压、饱和液体 高压、过热蒸气 Condenser Expansion Valve Compressor W Evaporator 低压、气液两相 低压、低温蒸气 Qo 2.2.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环 液体吸热汽化而产生制冷，是相变制冷方法中应用最普遍、技术最成熟的一 种制冷方法。制冷压缩机、冷凝器、

10、膨胀阀和蒸发器四大件合理地组织在一 起，就构成了一个完整且切实可行的制冷循环。 运用热力学原理对制冷循环内在联系和外部影响，进行的理论分析，是制冷 系统安装、调试、运行管理和维护的理论基础。它对制冷循环的能量转换及 转换后效率进行的理论分析，是制冷系统能否节能、环保、可持续发展的理 论根据。 鉴于实际的制冷循环是一个动态且复杂的循环过程，不便于定性和定量分 析，我们将从简单但符合实际规律的理论制冷循环入手，用热力学理论对其 进行透彻的分析和计算，在此基础上再修正复杂、多变的实际制冷循环，指 导实际制冷循环的应用，使之更有效、更安全地为我们服务。对制冷循环进 行的热力计算，是制冷系统机器、设备设

11、计和选型的理论依据 理论制冷循环在温-熵图和压-焓图上的表示 冷凝器 压缩机 电动机 节 流 阀 蒸发器 统称为冷凝 T 冷凝 冷却 2 4 TK 3 节流 压缩 5 To 1 x0 x1 蒸发 S lgP 冷凝过程 Condensation Process x0 4 PK 3 节流过程 Throttle Process 2 5 Po 1 压缩过程 Compression Process 蒸发过程 Evaporation Process h p=常数 t k、pk h=常数 s=常数 p=常数 t o、po 2.2.2 理论循环的热力计算 单级蒸气压缩式制冷理论循环的性能指标 单位质量制冷量

12、单位容积制冷量 理论比功 冷凝器单位热负荷 制冷系数、制热系数等 1、单位制冷量（热泵吸热量） （Refrigerating capacity per unit of refrigerant mass） 1kg制冷剂在蒸发器内从被冷却物体中吸取的热量称单位制冷量。用qo 表示 在热泵系统中， q o表示1kg制冷剂在蒸发器内从低温热源吸收的热量。 从压焓图中可以看出，状态5的湿蒸气进入蒸发器，在其中吸热气化至 干饱和蒸气状态1，在5-1蒸发过程中，工质的压力和温度均保持不变。 单位制冷量可用制冷剂进、出蒸发器时的焓差表示，即 q0 = h 1 - h5 可见，单位制冷量与制冷剂的性质有关，与节

13、流前后的温度（压力）有 关 2、单位容积制冷量 （Refrigerating capacity per unit of swept volume） 压缩机每吸入1m 3制冷剂蒸气(按吸气状态计算)所制取的冷量称单位容 积制冷量，用q v表示。 qv = qo v1 = h 1 - h5 v1 式中v 1吸气状态下制冷剂蒸气比体积(比容)(m3/kg) 可见，单位容积制冷量与制冷剂性质有关。受蒸发压力的影响很大，蒸 发温度越低，制冷剂比体积值越大，单位容积制冷量越小 3、理论比功 The work input to the compressor per unit of refrigerant m

14、ass 压缩机每压缩并输送1kg制冷剂所消耗的功称为理论比功（单位 理论功）。用w o表示。 由于节流过程中制冷剂对外不作功，因此循环单位理论功与压 缩机的单位理论功相等。它可用制冷剂进、出压缩机时的比焓 差表示，即 wo = h 2 - h1 单位理论功的大小不仅与制冷剂的性质有关，也与压缩机的压 缩比（p k/p o）的大小有关 4、冷凝器单位热负荷 The heat rejection during condensation per unit of refrigerant mass 1kg制冷剂在冷凝器中放给冷却介质的热量称为冷凝器单位热负 荷。用q k表示 在热泵系统中q k表示1kg

15、制冷剂在冷凝器中放给高温热源的热量 用制冷剂进、出冷凝器时的比焓差表示，即 qk = h 2 - h4 可见冷凝负荷大小与制冷剂压缩后的状态点有关，包含有制冷 剂的冷却过程和冷凝过程 5、制冷系数 （Refrigeration Coefficient） 它表示循环的单位制冷量与理论比功之比，用e o表示，即 e o = qo w o = h 1 - h4 h 2 - h1 制冷系数表明理论循环的经济性，在空调工程实际应用中往往 用COP和EER（能效比）衡量系统的经济性 6、制热系数 （Heating Coefficient） 它表示循环的单位制热量（冷凝器单位热负荷）与理论比功之 比，用e

16、k 表示，即 e k = qk w o = h 2 - h4 h 2 - h1 = 1+ e o 制热系数表明热泵在理论循环中的经济性，在空调工程实际应 用中往往用COP和EER（能效比）衡量系统的经济性 在温-熵图和压-焓图上单位制冷量、单位理论功和单位冷凝热可以用面积 （温-熵图）和线段（压-焓图）表示，下图给出了用面积和线段表示的单位制 冷量。 2.2.3 实际循环 lgP 工质流经冷凝器或蒸发器的冷 却或加热过程都是定压过程 制冷压缩机的压缩过程不是等 熵过程 4 3 2 2 5 0 1 h 简化后的蒸气压缩式热泵实际循环 实际蒸气压缩循环的制热系数 e h = q h we = h

17、2- h4 h 2 - h1 he he 压缩机的轴效率， hm hi h e = hihm 压缩机的机械效率，指压缩机克服运动部件的 摩擦力 压缩机指示效率，指压缩机在压缩过程中偏离 等熵过程的程度 2.3 跨临界热泵循环 对于一般制冷剂，在制冷范围由于制冷循环的冷凝压力远离制 剂的临界压力，故称之为亚临界循环 一些低温制冷剂在普通制冷范围内，利用冷却水或室外空气作 为冷却介质时，压缩机的 排气压力位于制冷剂临界压力之上， 而蒸发压力位于临界压力之下，故将此类循环称为跨临界循环 （Transcritical Cycle）或超临界循环（Supercritical Cycle） CO 2（R74

18、4）就是采用跨临界循环的一种制冷剂 CO 2跨临界循环与常规亚临界循环均仍属于蒸气压缩制冷范 畴，与常规制冷循环基本相似 lgp 3 2 3 2 4 1 4 1 h 压缩机的吸气压力低于临界压力， 蒸发温度也低于临界温度，循环的 吸热过程在处于亚临界条件下进 行，换热过程主要是依靠液体蒸发 来完成 压缩机的排气压力高于临界压力， 制冷剂在超临界区定压放热，与常 规亚临界状态下的冷凝过程不同， 换热过程依靠显热交换来完成，此 时制冷剂高压端热交换器不再称为 冷凝器;沛，而称为气体冷却器 lgp 3 2 4 1 h 目前制冷、空调、热泵热水器等设备中采用的CO 2循环形式基 本上采用跨临界制冷循环

19、方式 采用跨临界循环可以避免亚临界循环条件下热源温度过高导致 的系统性能下降，而且由于流体在超临界条件下的特殊热物理 性质，使CO 2在流动和换热方面都具有无与伦比的优势，特别 是在气体冷却器中冷却介质与制冷剂逆流换热，一方面可减少 高压侧不可逆传 热损失，另一方面跨临界循环可以获得较高的 排气温度和较大的温度变化，因而用于较大差温变温热源时具 有独特的优势 蒸发器中等压吸热过程，单位质量制冷剂 的吸热量 q0 = h 1 - h4 单位质量制冷剂在压缩机中被绝热压缩时， 压缩机的耗功量 wc = h 2 - h1 制冷剂在气体冷却器中等压放热过程，单位 质量制冷剂的放热 qk = h 2 -

20、 h3 lg p 3 2 4 1 h 热泵循环的理论供热系数为 lg p 3 2 e h = qk w c = h 2 - h3 h 2 - h1 = 1+ e c 4 1 h 在跨临界循环中，温度和压力共同影响着气体冷却器出口制冷 剂的熔值 在超临界压力下，CO 2无饱和状态，由于温度与压力彼此独 立，改变高压侧压力将影响制热量、压缩机耗功量以及循环的 供热系数 当蒸发温度、气体冷却器出口温度保持恒定时，循环的供热系 数随高压侧压力的升高，单位制热耗功量呈直线规律上升，而 单位质量制热量上升幅度却有逐渐减小的趋势，二者综合作用 的结果使得供热系数先逐渐升高再逐渐下降 2.4 热力驱动热泵循环

21、 热力驱动热泵与机械压缩式热泵所不同的是可以直接利用各种 热能来驱动 除可以利用高温蒸气、燃料气体等高温热能外，也可以利用中 温的废热（例如第二类吸收式热泵），因此这一类热泵将具有 显著的节能效果 2.4.1 蒸气喷射式热泵循环 蒸气喷射热泵热力系数 2.4.2 吸收式热泵循环 驱动热源 冷凝热 高压蒸汽 发生器 冷凝器 节流阀 溶液泵 节流阀 低压蒸汽 吸收器 蒸发器 吸收热 低温热源 吸收式热泵主要由4个换热设备组 成，即发生器、冷凝器、蒸发器和吸 收器 两个循环环路 制冷剂循环环路（逆循环） 吸收剂循环环路（正循环） 右半部为制冷循环，属逆循环，由冷 凝器、节流装置和蒸发器组成。高压 气

22、态 驱动热源 冷凝热 高压蒸汽 发生器 冷凝器 节流阀 溶液泵 节流阀 低压蒸汽 吸收器 蒸发器 a 吸收热 低温热源 右半部为制冷循环，属逆循环 由冷凝器、节流装置和蒸发器组 成 高压气态制冷剂（如LiBr-H 2O中 的H 2O）在冷凝器中向冷凝介质放 热，同时产生制热效应 制冷剂被凝结为液态后，经节流 装置减压降温进入蒸发器 在蒸发器内，制冷吸收低温热源 的热量，被汽化为低压蒸气 驱动热源 冷凝热 高压蒸汽 发生器 冷凝器 节流阀 溶液泵 节流阀 低压蒸汽 吸收器 蒸发器 a 吸收热 低温热源 左半部为吸收剂循环，属正循环 由吸收器、溶液泵和发生器组成 在吸收器中，液态吸收剂（如 LiB

23、r-H 2O中的浓溶液）不断吸收 蒸发器产生的低压气态制冷剂 （ H 2O ），以达到维持蒸发器内 低压压力的作用 吸收剂吸收制冷剂蒸气而形成的 制冷剂-吸收剂溶液（如LiBr-H 2O 中的稀溶液）经溶液泵升压后进 入发生器 驱动热源 冷凝热 高压蒸汽 发生器 冷凝器 节流阀 溶液泵 节流阀 低压蒸汽 吸收器 蒸发器 a 吸收热 低温热源 驱动热源 冷凝热 在发生器中，稀溶液被加热、沸 腾，其中沸点低的制冷剂（H 2O） 汽化形成高压气态制冷剂进入冷 凝器 剩下的浓溶液经节流后进入吸收 器 高压蒸汽 发生器 冷凝器 节流阀 溶液泵 节流阀 低压蒸汽 吸收器 蒸发器 a 吸收热 低温热源 对于

24、吸收剂循环来说，可以将吸收 器、发生器和溶液泵看做是一个 热力压缩机 吸收器相当于压缩机的吸入侧，发 生器相当于压缩机的排出侧 吸收剂可以视为将已产生制冷效应 的制冷剂低压蒸气从循环的低压侧 输送到高压侧的运载液体 吸收过程是将制冷剂蒸气转化为液 体的过程，与冷凝过程一样为放热 过程，故需要冷却介质讲吸收热带 走，而这一部分热量在热泵循环中 是可以向高温热源供热的 驱动热源 冷凝热 高压蒸汽 发生器 冷凝器 压缩机吸收器 节流阀 溶液泵 节流阀 低压蒸汽 蒸发器 a 吸收热 低温热源 2.5 其他热泵循环 热电热泵 在两种不同金属组成的闭合线 路中，若通以直流电，就会使 一个接点变冷，另一个变热， 这种现象称为珀尔帖效应 半导体材料内部结构的特点， 决定了它产生的温差电现象比 其他金属要显著得多。因此热 电制冷一般采用半导体材料