1663993653第2章 熱泵循環(huán)

1、 熱泵循環(huán) t pump cycle 2.1 理想的熱泵循環(huán) 動力循環(huán)，即把熱量轉(zhuǎn)化成機械功的循環(huán)是正向循環(huán) ，在溫-熵圖或壓 焓圖上，循環(huán)的各個過程都是依次按順時針方向變化的 所有的制冷機或熱泵都是按逆向循環(huán)工作的，在溫-熵圖或壓-焓圖上， 循環(huán)的各個過程都是依次按逆時針方向變化的 循環(huán)可以分為可逆循環(huán)（reversible cycle）和不可逆循環(huán)（irreversible cycle）兩種 在構(gòu)成循環(huán)的各個過程中，只要包含有不可逆過程，則這個循環(huán)就是 不可逆循環(huán) 在制冷循環(huán)里，各種形式的不可逆過程可分成兩類：內(nèi)部不可逆 （internal irreversible）和外部不可逆（exte

2、rnal irreversible） 制冷劑在其流動或狀態(tài)變化過程中，因摩擦、擾動及內(nèi)部不平衡而引 起的損失，都屬于內(nèi)部不可逆；蒸發(fā)器、冷凝器及其它換熱器中有溫 差時的傳熱損失，屬于外部不可逆 2.1.1 逆卡諾循環(huán) 逆卡諾循環(huán)（reverse carnot cycle ）熱源溫度不變時的逆向可 逆循環(huán) 當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過程的進行溫度不變時，具有兩個 可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆向循環(huán)，稱為逆卡諾 循環(huán) 在相同溫度范圍內(nèi)，逆卡諾循環(huán)是消耗功最小的循環(huán)，即熱力 學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因為它沒有任何不可逆損失 （irreversible loss） 循環(huán)過程 1-2：等熵壓縮過程，

3、 3-4：等熵膨脹過程， 2-3：等溫放熱過程， 4-1：等溫吸熱過程。 單位工質(zhì)所吸取的熱能值 qo = t l ( 1s - s 4) 單位工質(zhì)所放出的熱能值 qh = t h ( 2s - s 3) 循環(huán)所耗的凈功 wo = q h - q o = t h ( 2s - s 3) - t l( 1s - s 4) 因為 故 s1 wo = s2 s3 = s4 = (t h - t l)( 2s - s 3) 逆卡諾循環(huán)熱泵的制熱系數(shù) e ,h c = qh wo = t h ( 2s - s 3) ( ht - t l)( 2s - s 3) = th t h - tl 可以證明，在溫

4、度分別為t h、t l兩個恒溫?zé)嵩撮g工作的所有熱泵（理 想的或?qū)嶋H的）其制熱系數(shù)都不可能高于卡諾熱泵的制熱系數(shù) 當(dāng)熱源溫度由t h升高到t h，同樣可以得到工作于t h、t l兩個恒溫?zé)?源間的卡諾熱泵循環(huán)的制熱系數(shù) e h ,c = th t - t h l 不難證明：e , h c e , h c 由此可見，卡諾熱泵的制熱系數(shù)隨著高溫?zé)嵩礈囟鹊纳叨档停@ 一結(jié)論對于其他實際熱泵也同樣是適用的 2.1.2 勞侖茲循環(huán) 勞侖茲循環(huán)（lorentz cycle）是變溫?zé)嵩磿r的逆向可逆循環(huán) 由于熱源的質(zhì)量總是有限的，當(dāng)高溫?zé)嵩唇邮軣岜霉峄虻蜏?熱源向熱泵供熱時，不可能不影響各熱源的溫度 由兩

5、個等熵過程和兩個工質(zhì)與熱源之間無溫差的傳熱過程所組 成 勞侖茲循環(huán)過程 1-2：等熵壓縮過程 2-3：無溫差放熱過程，工質(zhì)的 可逆放熱 3-4：等熵膨脹過程， 4-1：無溫差吸熱過程，工質(zhì)的 可逆吸熱 勞侖茲循環(huán)的制熱系數(shù) 工質(zhì)自低溫?zé)嵩次〉臒崮苤?dq o = t lids 向高溫?zé)嵩磁欧诺臒崮苤?dq h = t hids 對于整個勞侖茲循環(huán)，單位工質(zhì)吸取的熱能值 4 4 qo = dq = t ds 1 o 1 li 工質(zhì)向變溫的高溫?zé)嵩磁欧诺臒崮苤?3 3 qh = dq = t ds 2 h 2 hi 用t lm和表示工質(zhì)的平均吸熱溫度 thm表示平均放熱溫度，且令 4 = t d

6、s /(s - s ) 3 = t ds /(s - s ) 1 li 1 4 2 hi 2 3 tlm thm 則 qo qh = t lm ( 1s - s 4) = t hm (s 2 - s 3) 勞侖茲循環(huán)中單位工質(zhì)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) 按勞侖茲循環(huán)工作的熱泵的制熱系數(shù)為 e h ,l = qh w o = thm (thm (s 2 - s 3) - t lm )(s 2 - s 3)

7、 = thm thm - tlm 結(jié)論：理想的勞侖茲循環(huán)的熱效率與在平均吸熱溫度tlm 和平均放熱溫度thm間工作的逆卡諾循環(huán)的制熱系 數(shù)相等 2.1.3 逆斯特林循環(huán) 逆斯特林（stirling cycle）循環(huán)由 兩個等溫、兩個定容過程組成 1-2等溫膨脹過程 2-3等容吸熱過程 3-4等溫壓縮過程 4-1等容放熱過程 逆斯特林循環(huán)的溫熵圖 逆斯特林循環(huán)的溫熵圖 逆斯特林循環(huán)的制熱系數(shù) e ,h s = th t h - tl 結(jié)論：按逆斯特林循環(huán)工作的熱泵制熱系數(shù)竟然高達與按逆卡 諾循環(huán)工作的熱泵制熱系數(shù)相等，顯然它是一種非常有效 的循環(huán) 注意：逆斯特林循環(huán)也與逆卡諾循環(huán)相同，循環(huán)中也有

8、兩個等溫 傳熱過程。由氣體的等溫傳熱過程是難以實現(xiàn)的，因此它 也就成了實施逆斯特林循環(huán)的一個難點 2.2 蒸氣壓縮式熱泵循環(huán) 蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)（vapor compression heat pump cycle）消 耗由電動機等所作的機械功，使工質(zhì)（refrigerant）蒸氣從低 溫低壓狀態(tài)被壓縮至高溫高壓狀態(tài) 液體蒸發(fā)制冷構(gòu)成循環(huán)的四個基本過程是： 制冷劑液體在低壓（低溫）下蒸發(fā)，成為低壓蒸氣； 將該低壓蒸氣提高壓力成為高壓蒸氣； 將高壓蒸氣冷凝，使之成為高壓液體； 高壓液體降低壓力重新變?yōu)榈蛪阂后w，從而完成循環(huán) 上述四個過程中，是制冷劑從低溫?zé)嵩次諢崃康倪^程； 是制冷劑向高溫?zé)嵩磁欧?/p>

9、熱量的過程；是循環(huán)的能量補償過 程。 能量補償?shù)姆绞接卸喾N，所使用的補償能量形式相應(yīng)的也有所 不同。如果該過程的能量補償方式是用壓縮機對低壓氣體做 功，使之因受壓縮而提高壓力，那么，這種制冷方式便稱之為 蒸氣壓縮式制冷 qk w qo qk 冷凝器 節(jié)流閥 壓縮機 w 蒸發(fā)器 qo qk 高壓、飽和液體 高壓、過熱蒸氣 condenser expansion valve compressor w evaporator 低壓、氣液兩相 低壓、低溫蒸氣 qo 2.2.1 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán) 液體吸熱汽化而產(chǎn)生制冷，是相變制冷方法中應(yīng)用最普遍、技術(shù)最成熟的一 種制冷方法。制冷壓縮機、冷凝器

10、、膨脹閥和蒸發(fā)器四大件合理地組織在一 起，就構(gòu)成了一個完整且切實可行的制冷循環(huán)。 運用熱力學(xué)原理對制冷循環(huán)內(nèi)在聯(lián)系和外部影響，進行的理論分析，是制冷 系統(tǒng)安裝、調(diào)試、運行管理和維護的理論基礎(chǔ)。它對制冷循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換及 轉(zhuǎn)換后效率進行的理論分析，是制冷系統(tǒng)能否節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理 論根據(jù)。 鑒于實際的制冷循環(huán)是一個動態(tài)且復(fù)雜的循環(huán)過程，不便于定性和定量分 析，我們將從簡單但符合實際規(guī)律的理論制冷循環(huán)入手，用熱力學(xué)理論對其 進行透徹的分析和計算，在此基礎(chǔ)上再修正復(fù)雜、多變的實際制冷循環(huán)，指 導(dǎo)實際制冷循環(huán)的應(yīng)用，使之更有效、更安全地為我們服務(wù)。對制冷循環(huán)進 行的熱力計算，是制冷系統(tǒng)機器、設(shè)備

11、設(shè)計和選型的理論依據(jù) 理論制冷循環(huán)在溫-熵圖和壓-焓圖上的表示 冷凝器 壓縮機 電動機 節(jié) 流 閥 蒸發(fā)器 統(tǒng)稱為冷凝 t 冷凝 冷卻 2 4 tk 3 節(jié)流 壓縮 5 to 1 x0 x1 蒸發(fā) s lgp 冷凝過程 condensation process x0 4 pk 3 節(jié)流過程 throttle process 2 5 po 1 壓縮過程 compression process 蒸發(fā)過程 evaporation process h p=常數(shù) t k、pk h=常數(shù) s=常數(shù) p=常數(shù) t o、po 2.2.2 理論循環(huán)的熱力計算 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的性能指標 單位質(zhì)量制冷量

12、 單位容積制冷量 理論比功 冷凝器單位熱負荷 制冷系數(shù)、制熱系數(shù)等 1、單位制冷量（熱泵吸熱量） （refrigerating capacity per unit of refrigerant mass） 1kg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)從被冷卻物體中吸取的熱量稱單位制冷量。用qo 表示 在熱泵系統(tǒng)中， q o表示1kg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)從低溫?zé)嵩次盏臒崃俊?從壓焓圖中可以看出，狀態(tài)5的濕蒸氣進入蒸發(fā)器，在其中吸熱氣化至 干飽和蒸氣狀態(tài)1，在5-1蒸發(fā)過程中，工質(zhì)的壓力和溫度均保持不變。 單位制冷量可用制冷劑進、出蒸發(fā)器時的焓差表示，即 q0 = h 1 - h5 可見，單位制冷量與制冷劑的性質(zhì)有關(guān)，與

13、節(jié)流前后的溫度（壓力）有 關(guān) 2、單位容積制冷量 （refrigerating capacity per unit of swept volume） 壓縮機每吸入1m 3制冷劑蒸氣(按吸氣狀態(tài)計算)所制取的冷量稱單位容 積制冷量，用q v表示。 qv = qo v1 = h 1 - h5 v1 式中v 1吸氣狀態(tài)下制冷劑蒸氣比體積(比容)(m3/kg) 可見，單位容積制冷量與制冷劑性質(zhì)有關(guān)。受蒸發(fā)壓力的影響很大，蒸 發(fā)溫度越低，制冷劑比體積值越大，單位容積制冷量越小 3、理論比功 the work input to the compressor per unit of refrigerant

14、mass 壓縮機每壓縮并輸送1kg制冷劑所消耗的功稱為理論比功（單位 理論功）。用w o表示。 由于節(jié)流過程中制冷劑對外不作功，因此循環(huán)單位理論功與壓 縮機的單位理論功相等。它可用制冷劑進、出壓縮機時的比焓 差表示，即 wo = h 2 - h1 單位理論功的大小不僅與制冷劑的性質(zhì)有關(guān)，也與壓縮機的壓 縮比（p k/p o）的大小有關(guān) 4、冷凝器單位熱負荷 the heat rejection during condensation per unit of refrigerant mass 1kg制冷劑在冷凝器中放給冷卻介質(zhì)的熱量稱為冷凝器單位熱負 荷。用q k表示 在熱泵系統(tǒng)中q k表示1k

15、g制冷劑在冷凝器中放給高溫?zé)嵩吹臒崃?用制冷劑進、出冷凝器時的比焓差表示，即 qk = h 2 - h4 可見冷凝負荷大小與制冷劑壓縮后的狀態(tài)點有關(guān)，包含有制冷 劑的冷卻過程和冷凝過程 5、制冷系數(shù) （refrigeration coefficient） 它表示循環(huán)的單位制冷量與理論比功之比，用e o表示，即 e o = qo w o = h 1 - h4 h 2 - h1 制冷系數(shù)表明理論循環(huán)的經(jīng)濟性，在空調(diào)工程實際應(yīng)用中往往 用cop和eer（能效比）衡量系統(tǒng)的經(jīng)濟性 6、制熱系數(shù) （heating coefficient） 它表示循環(huán)的單位制熱量（冷凝器單位熱負荷）與理論比功之 比，用e

16、 k 表示，即 e k = qk w o = h 2 - h4 h 2 - h1 = 1+ e o 制熱系數(shù)表明熱泵在理論循環(huán)中的經(jīng)濟性，在空調(diào)工程實際應(yīng) 用中往往用cop和eer（能效比）衡量系統(tǒng)的經(jīng)濟性 在溫-熵圖和壓-焓圖上單位制冷量、單位理論功和單位冷凝熱可以用面積 （溫-熵圖）和線段（壓-焓圖）表示，下圖給出了用面積和線段表示的單位制 冷量。 2.2.3 實際循環(huán) lgp 工質(zhì)流經(jīng)冷凝器或蒸發(fā)器的冷 卻或加熱過程都是定壓過程 制冷壓縮機的壓縮過程不是等 熵過程 4 3 2 2 5 0 1 h 簡化后的蒸氣壓縮式熱泵實際循環(huán) 實際蒸氣壓縮循環(huán)的制熱系數(shù) e h = q h we = h

17、 2- h4 h 2 - h1 he he 壓縮機的軸效率， hm hi h e = hihm 壓縮機的機械效率，指壓縮機克服運動部件的 摩擦力 壓縮機指示效率，指壓縮機在壓縮過程中偏離 等熵過程的程度 2.3 跨臨界熱泵循環(huán) 對于一般制冷劑，在制冷范圍由于制冷循環(huán)的冷凝壓力遠離制 劑的臨界壓力，故稱之為亞臨界循環(huán) 一些低溫制冷劑在普通制冷范圍內(nèi)，利用冷卻水或室外空氣作 為冷卻介質(zhì)時，壓縮機的 排氣壓力位于制冷劑臨界壓力之上， 而蒸發(fā)壓力位于臨界壓力之下，故將此類循環(huán)稱為跨臨界循環(huán) （transcritical cycle）或超臨界循環(huán)（supercritical cycle） co 2（r7

18、44）就是采用跨臨界循環(huán)的一種制冷劑 co 2跨臨界循環(huán)與常規(guī)亞臨界循環(huán)均仍屬于蒸氣壓縮制冷范 疇，與常規(guī)制冷循環(huán)基本相似 lgp 3 2 3 2 4 1 4 1 h 壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力， 蒸發(fā)溫度也低于臨界溫度，循環(huán)的 吸熱過程在處于亞臨界條件下進 行，換熱過程主要是依靠液體蒸發(fā) 來完成 壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力， 制冷劑在超臨界區(qū)定壓放熱，與常 規(guī)亞臨界狀態(tài)下的冷凝過程不同， 換熱過程依靠顯熱交換來完成，此 時制冷劑高壓端熱交換器不再稱為 冷凝器;沛，而稱為氣體冷卻器 lgp 3 2 4 1 h 目前制冷、空調(diào)、熱泵熱水器等設(shè)備中采用的co 2循環(huán)形式基 本上采用跨臨界制冷循

19、環(huán)方式 采用跨臨界循環(huán)可以避免亞臨界循環(huán)條件下熱源溫度過高導(dǎo)致 的系統(tǒng)性能下降，而且由于流體在超臨界條件下的特殊熱物理 性質(zhì)，使co 2在流動和換熱方面都具有無與倫比的優(yōu)勢，特別 是在氣體冷卻器中冷卻介質(zhì)與制冷劑逆流換熱，一方面可減少 高壓側(cè)不可逆?zhèn)?熱損失，另一方面跨臨界循環(huán)可以獲得較高的 排氣溫度和較大的溫度變化，因而用于較大差溫變溫?zé)嵩磿r具 有獨特的優(yōu)勢 蒸發(fā)器中等壓吸熱過程，單位質(zhì)量制冷劑 的吸熱量 q0 = h 1 - h4 單位質(zhì)量制冷劑在壓縮機中被絕熱壓縮時， 壓縮機的耗功量 wc = h 2 - h1 制冷劑在氣體冷卻器中等壓放熱過程，單位 質(zhì)量制冷劑的放熱 qk = h 2

20、- h3 lg p 3 2 4 1 h 熱泵循環(huán)的理論供熱系數(shù)為 lg p 3 2 e h = qk w c = h 2 - h3 h 2 - h1 = 1+ e c 4 1 h 在跨臨界循環(huán)中，溫度和壓力共同影響著氣體冷卻器出口制冷 劑的熔值 在超臨界壓力下，co 2無飽和狀態(tài)，由于溫度與壓力彼此獨 立，改變高壓側(cè)壓力將影響制熱量、壓縮機耗功量以及循環(huán)的 供熱系數(shù) 當(dāng)蒸發(fā)溫度、氣體冷卻器出口溫度保持恒定時，循環(huán)的供熱系 數(shù)隨高壓側(cè)壓力的升高，單位制熱耗功量呈直線規(guī)律上升，而 單位質(zhì)量制熱量上升幅度卻有逐漸減小的趨勢，二者綜合作用 的結(jié)果使得供熱系數(shù)先逐漸升高再逐漸下降 2.4 熱力驅(qū)動熱泵循

21、環(huán) 熱力驅(qū)動熱泵與機械壓縮式熱泵所不同的是可以直接利用各種 熱能來驅(qū)動 除可以利用高溫蒸氣、燃料氣體等高溫?zé)崮芡猓部梢岳弥?溫的廢熱（例如第二類吸收式熱泵），因此這一類熱泵將具有 顯著的節(jié)能效果 2.4.1 蒸氣噴射式熱泵循環(huán) 蒸氣噴射熱泵熱力系數(shù) 2.4.2 吸收式熱泵循環(huán) 驅(qū)動熱源 冷凝熱 高壓蒸汽 發(fā)生器 冷凝器 節(jié)流閥 溶液泵 節(jié)流閥 低壓蒸汽 吸收器 蒸發(fā)器 吸收熱 低溫?zé)嵩?吸收式熱泵主要由4個換熱設(shè)備組 成，即發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸 收器 兩個循環(huán)環(huán)路 制冷劑循環(huán)環(huán)路（逆循環(huán)） 吸收劑循環(huán)環(huán)路（正循環(huán)） 右半部為制冷循環(huán)，屬逆循環(huán)，由冷 凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器組成。高壓 氣態(tài) 驅(qū)動熱源 冷凝熱 高壓蒸汽 發(fā)生器 冷凝器 節(jié)流閥 溶液泵 節(jié)流閥 低壓蒸汽 吸收器 蒸發(fā)器 a 吸收熱 低溫?zé)嵩?右半部為制冷循環(huán)，屬逆循環(huán) 由冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器組 成 高壓氣態(tài)制冷劑（如libr-h 2o中 的h 2o）在冷凝器中向冷凝介質(zhì)放 熱，同時產(chǎn)生制熱效應(yīng) 制冷劑被凝結(jié)為液態(tài)后，經(jīng)節(jié)流 裝置減壓降溫進入蒸發(fā)器 在蒸發(fā)器內(nèi)，制冷吸收低溫?zé)嵩?的熱量，被汽化為低壓蒸氣 驅(qū)動熱源 冷凝熱 高壓蒸汽 發(fā)生器 冷凝器 節(jié)流閥 溶液泵 節(jié)流閥 低壓蒸汽 吸收器 蒸發(fā)器