工程热力学

空气源热泵以消耗一定高品质能量为代价，利用环境中的低品质热能供热，实现了能量利用过程的能质匹配，供热量大部分取自室外空气又还给空气，对环境基本没有污染，是一种最有竞争力的节能、环保技术。但空气源热泵供暖受低温环境温度影响，随着低温环境温度的降低其供热效果降低，以至于无法启动运行。为使热泵在低温环境中高效、安全运行，人们进行了许多技术研发和改进，目前应用较多的是涡旋式压缩机喷气增焓系统。

1 涡旋式压缩机喷气增焓系统的热力学分析

喷气增焓系统又称经济器系统，分为一次节流和二次节流系统，图1 示出了二次节流涡旋压缩机喷气增焓系统的循环过程。一般单级制热循环为1-2-3-4-5-1，采用喷气增焓技术的二次节流制热循环与传统制热循环的主要区别在于：从冷凝器出来后的高压制冷剂液体分为两路：制冷回路和补气回路。其中，2′-4 为冷凝过程，4-6 为绝热节流过程，6-7 为补气吸热蒸发过程，6-4′为制冷剂蒸气冷凝放热过程，4′-5′为制冷剂蒸气绝热节流过程，5′-1 为制冷剂蒸气蒸发吸热过程，1-8 为压缩

机的压缩过程，8-9-7 为制冷蒸气与补气蒸气混和过程，9-2′为压缩过程。应该指出的是对于采用喷气增焓技术的制热循环，每个过程线所代表的循环工质的数量并不

完全相同。对于涡旋式压缩机喷气增焓循环系统的热力学分析首先需要确定与传统的普通单级压缩制热循环系统的比较基准。在以下的分析中以二次节流循环为例，取两种循环过程中蒸发器制冷剂循环量相

同。若取对于蒸发器每千克循环工质的补气量为αkg，则对喷气增焓制热循环过程的热力学分析如下。

1.1 蒸发器制冷量

对照图1（b）所示，喷气增焓系统的制冷量为：

Q′2＝（h1-h5′）＝［（h5-h′5）+（h1-h5）］（1）

根据经济器的能量平衡关系式，又可以进一步写出：

（h5-h′5）=（h6-h′4）=α（h7-h6）（2）

将（2）式代回（1）式，则有：

Q′2＝α（h7-h6）+（h1-h5）（3）

由于：h6=h5，所以：

Q′2＝α（h7-h1）+（1+α）（h1-h5）（4）

分析上述公式可以看出：采用喷气增焓技术后，循环工质在蒸发器的吸热量可以看作由两部分组成，补气部分工质的吸热量为（3）式右边第一部分；其余部分为工质在蒸发压力下吸热量，吸热量为（3）式右边第二部分。在蒸发器循环工质数量相同的情况下，二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环相比，蒸发器吸热量每kg 循环工质增加了α（h7-h5）。

1.2 压缩机的耗功量

w0′＝（h8-h1）+（1+α）（h2′-h9）（5）

压缩机的耗功量可以看作由低压段和高压段两部分耗功量组成，低压段部分仅对制冷部分工质压缩，高压部分则对全部工质压缩。二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环相比压缩机耗功量增

加：

△w=w0′-w0=（1+α）（h2′-h9）-（h2-h8）（6）

对照图1（b）所示，如果近似认为压缩机两条绝热压缩过程线平行的话，则有：（h2′-h9）=（h2-h8），因此：

△w=w0′-w0=α（h2′-h9）＞0 （7）

即：采用喷气增焓技术后，压缩机耗功量增加。其原因是高压段还要对补气进行压缩做功，但由于采用了中间冷却措施，使得单位工质耗功量减少，并且随着补气量的增加，节省的耗功量也越多，而节省的耗功量与补气压力之间的关系，应该有一个最佳中间压力的选择。

1.3 冷凝器放热量

Q1′=（1+α）（h2′-h4）（8）

二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环相比冷凝器放热量增加：

△Q1=α（h2′-h4）-（h2-h2′）（9）

增加的供热量为补气增加的供热量扣除压缩机排气过热温度降低减少的供热量，由于仅仅是温度不同造成的过热蒸气的焓的差值不会很大，因此总的供热量增加。

1.4 制冷系数

ε= Q2′/ω′0=（h1-h5）+（h5-h5′）/（h8-h1）+（1+α）*（h2′-h9）

1.5 制热系数

ε′1= Q1′/ω0′ =（1+α）*（h2′-h4）/（h8-h1）+（1+α）*

（h2′-h9）

= (ω0′+Q2′)/ω0′ =1+ Q2′/

ω′0=1+{（h1-h5）+（h5-h5′）/[（h8-h1）+（1+α）*（h2′-h9）]}（10）

可以看出：在相同工况下若制冷系数增大，则制热系数也一定增大。蒸发器吸热量不一定增加，耗功量一定增加，冷凝器放热量一定增加，而制冷系数和制热系数的变化还与制冷量、制热量与耗功量变化率有关。

2 涡旋式压缩机喷气增焓系统的优化设计

以一台涡旋压缩机的热泵机组为例进行优化设计分析，假定：蒸发温度为-20 ℃；冷凝温度为48 ℃；吸气过热度为8 ℃；冷凝器出口过冷度为6 ℃。试对二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环进行性能比较；对二次节流喷气增焓制热循环最佳补气压力进行优化选择。