蒸气压缩式热泵的工作原理

2.2 蒸气压缩式热泵的工质
2.2.1 热泵工质的发展历程
2.2.2 热泵工质与环境保护 2.2.3 对热泵工质的要求 2.2.4 热泵工质的种类及代号 2.2.5 传统热泵工质及其替代
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第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
2.2.1 热泵工质的发展历程
从历史上看，制冷剂的发展经历了三个阶段:
早期制冷剂阶段(1830～1930年)
臭氧层破坏及《蒙特利尔议定书》
产生背景
臭氧层破坏
《蒙特利尔议定书》要点
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
产生背景
1974年，马里奥. J . 莫利纳（Mario J. Molina）与F. S. 罗兰 (Frank Sherwood Rowland)合作发表论文《由于含氯 氟甲烷引起同温层下沉，氯原子催化分解臭氧》，首次 提出氯氟烃即氟利昂气体对臭氧层的破坏。（即：CFC问题） 1987年，马里奥. J . 莫利纳与其他科学家共同努力， 促成36个国家、10个组织在加拿大签署了《关于消耗臭 氧层物质的蒙特利尔协议》。正式规定了逐步削减CFC 生产与消费的日程表。中国，1991年 1995年，马里奥. J . 莫利纳与F. S. 罗兰因上述成就而获 得诺贝尔化学奖。
发展中国家，2016年起冻结生产量，2040年完全停用。
欧洲有些国家提前禁用 我国‚九五‛期间工作目标：在1996年的基础上， 将消耗臭氧层物质生产和消费量削减50%。
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
现
状
禁用期限不断提前。发达国家对于CFCs类物质的禁用 期限，从原来的2000年12月提前到1995年12月；

第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
臭氧层破坏及其危害
在距地面11-50km的大气区域称为平流层， 此层空气稀薄，日照强烈。空气在强光照 射下,会发生如下反应： 这两个反应导致平流层距地面高约1535km范围内生成厚约20km的一层臭氧层， 臭氧层中约有3亿吨臭氧。 氟里昂破坏臭氧层的化学方程式：
O2=2O
多级压缩热泵循环
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
膨胀阀前液态制冷剂再冷却
措施 分析
结果
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
措 施

设臵再冷却器
大型氨制冷系统，单独设臵 小型氟利昂系统，适当增加冷凝器面积

采用回热循环
在高温高压端产生液态制冷剂的再冷却 在低温低压端保证了吸气干压缩
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
分

析
设臵再冷却器
工作流程复杂，系统维护相对较难 压缩功没有增加时，单位质量制冷能力增加

采用回热循环
工作流程复杂，初投资增加 压缩功增加，单位质量制冷能力增加

注意
再冷温度、再冷度 过热温度、过热度
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
结 果

设臵再冷却器
节流损失减少 制冷系数提高

采用回热循环
节流损失减少，过热损失增加
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
发 展 中 国 家 的 情 况

CFCs和HCFCs物质的削减和禁用时间表为：

1999年7月1日将CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114 和CFC-115冻结在19951997年的平均水平
2005 年 1 月 1 日要求 CFC-11 、 CFC-12 、 CFC-113 、 CFC114和 CFC-115从 19951997三年平均水平的基础上削减 50%；2007年1月1日要求CFCs类物质削减85% 2010年1月1日禁用CFCs类物质 2016年1月1日将HCFCs物质冻结在2015年平均水平 2040年1月1日禁用HCFCs物质

分析：
系统复杂，初投资增加， 只有压缩比（Pk/P0）8时采用

结果
过热损失减少 制热系数增加
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
2.1.6 讨论
t0，tk，tsh，Δtrc如何确定？
循环过程在T-s图和lgp-h图上如何表示？
各个状态点及状态参数如何确定？
基本理论循环、再冷循环、回热循环有何不同？
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
用膨胀阀代替膨胀机
原因：膨胀功小；简化装臵、便于调节。
措施：用膨胀阀代替膨胀机。
后果：产生两部分节流损失，使制热系数下降。
节流损失与（ Tk - T0）和物性有关。
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
干压缩代替湿压缩
原因：
有效吸气量减少，制冷量降低
破坏压缩机润滑、液击，损坏压缩机。
T-s图和lgp-h图上如何表示热量？
T-s图和lgp-h图上如何表示功量？
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
2.1.6 讨论
t0的确定：低温热源温度和蒸发器的结构形式。

空气： t0= teia-（8~12）℃ 液体：t0= teiw-（4~6）℃
tk的确定：供热介质温度和冷凝器的结构形式。

空气： tk= tcia+（5~10）℃ 液体：t0= （tciw+ tcow ）/2+（4~6）℃ 一般：tsh= t0+（5~8）℃ 氟利昂： tsh= t0+15 ℃
trc= tk-（3~5）℃
tsh的确定：

trc的确定：供热介质温度和再冷却器的传热温差。

第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
状态变化图
等温线及其变化 等熵线及其变化 等比容线及其变化 等干度线及其变化
x=0
x=1 h
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
蒸气压缩式热泵理论循环在压焓图上的表示
坐标及状态变化图
压缩过程1→2 定压放热过程2 → 3 节流过程3 → 4 定压吸热过程4 → 1 各个过程前后能量分析
lgP
T0 T3 Tk C
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
《蒙特利尔议定书》要点
CFC类物质，含CFC11、12、113、114、115等

发达国家，1996.1.1，停止生产和消费 发展中国家（人均小于0.3kg），最后停用日期2010年
HCFC类物质，含HCFC22、123、124b等
发达国家，1996年起冻结生产量，2004年开始削减，2020 年完全停用。
措施：在蒸发器出口设气液分离器；加大蒸发器 的面积；采用回热循环等。 后果：产生过热损失。
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
具有温差的等压传热
原因：实际换热面积不可能无穷大。 措施：增加相关设备及管路。 后果：即产生节流损失；又产生过热损失。
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2.1.4 热力计算
影响热泵性能的主要因素：t0，tk，tsh，Δtrc
氯氟烃CFCs与含氢氯氟烃HCFCs制冷剂阶段 (1930～1990年) 氢氟烃HFCs和天然工质为主的绿色环保制冷剂 阶段(1990年至今)
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2.2.2 热泵工质与环境保护
1.臭氧层的破坏及《蒙特利尔议定书》 2.温室效应及《京都议定书》
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
2.1.2 理论循环的组成

组成：两个等压吸热、放热过程；一个绝热 压பைடு நூலகம்过程；一个绝热节流过程。
工作原理图：
冷凝器

压缩机 电动机
节流阀
蒸发器 蒸气压缩式热泵的工作原理图
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2.1.3 与理想论循环相比较的特点
用膨胀阀代替膨胀机。 蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸 气区进行。（用干压缩代替湿压缩） 两个传热过程都是等压过程，并且具有传 热温差。（有温差的传热）
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
2.1 蒸气压缩式热泵理论循环
2.2 蒸气压缩式热泵的工质 2.3 蒸气压缩式热泵的压缩机 2.4 蒸气压缩式热泵机组 2.5 蒸气压缩式热泵的故障分析与处理
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
2.1 蒸气压缩式热泵理论循环
2.1.1 引入原因
2.1.2 理论循环的组成 2.1.3 与理想循环相比较的特点 2.1.4 热力计算 2.1.5 热泵循环的改善
2.1.6 讨论
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
2.1 .1 引入原因
理想热泵循环存在着难点： 状态点参数确定问题 干压缩问题 膨胀功回收问题 空气热泵循环存在着基本缺点： 由于吸热过程和放热过程是在定压非定温下进行，与逆 卡诺循环的相应过程相差较远，因而制热系数低； 由于空气的比定压热容较小，则循环的制热量也较小。 采用蒸气压缩热泵循环可以改善（？）。
禁用物质的种类不断扩大。从原先规定的CFCs和哈龙 物质，逐步扩大到HCFCs物质、甲基氯仿和甲基溴等； 禁用物质冻结基准不断降低。1993年11月哥本哈根会 议上原规定发达国家HCFCs物质1996年冻结基准为当年 的HCFCs消费量加3.1% CFCs消费量。但在1995年12月 维也纳会议改为1996年的HCFCs消费量加2.8% CFCs消 费量。
Pk
3
2
P0
4
q0 qk
1 wc
h
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
蒸气压缩式热泵循环的热力计算（一）


依据：蒸发、冷凝、再冷、压缩机吸气温度，制热量Φh等。
步骤：先求出各状态点参数；再对各环节进行热计算。
内容：
单位质量（容积）制热能力qk（ qvk），kJ/kg （kJ/m3） qvk = qk /v1 =（ h2 - h4 ）/ v1 制冷剂的质量流量Mr： Mr = Φh / qk


第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
温室效应及《 京都议定书 》
产生背景
温室效应及其危害
《京都议定书 》要点
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
产生背景

近二十年来，因CO2等温室气体过量排放屡增不减，由此带来的全球变暖 已为科学观测所证实，温室气体及其相应的气候变化亦成为目前科技界乃 至全人类极为关注的环境问题之一 。 1992年在里约热内卢召开的‚联合国环境与发展大会‛标志着全球致力于 减缓气候变化和削减温室气体排放国际合作的起点。
压焓图的应用 蒸气压缩式热泵理论循环的热力计算
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
压焓图的应用

压焓图的引入 用线段表示吸、放热量，功量
直观、方便、清晰

压焓图的组成

蒸气压缩式热泵理论循环在压焓图上的 表示
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
压焓图的组成
纵坐标：压力 横坐标：焓
lgP t C s x v

理论制冷系数ε：
ε= Φ0 / Pth = q0 /wc= （h1 - h4 ）/（h2 - h1） 理论制热系数εh： εh= Φh / Pth = qk/wc= （h2 - h4 ）/（h2 - h1）

第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
2.1.5 热泵循环的改善 膨胀阀前液态制冷剂再冷却
回收膨胀功
O2+O=O3
一个Cl能破坏10万个O3。
CCl2F2=CClF2+Cl Cl+O3=ClO+O2 ClO+O3=ClO2+O2
1998年拍摄的最大臭氧 层空洞 9月16日定为“国际保护臭氧层日”
大气中臭氧的含量减少1%，皮肤癌患者增加2%；白内障增加0.6%。 消耗臭氧潜能值ODP（Ozone Depletion Potential）
（kg/s） （ m3 /s）
制冷剂的体积流量Vr：Vr = Mr v1 = Φh / qv
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
蒸气压缩式热泵理论循环的热力计算（二）

单位质量（容积）制热能力qk （ qvk） 制冷剂的质量流量Mr 制冷剂的体积流量Vr

蒸发器的冷负荷Φo：Φo=Mrqo=Mr（h1 - h4）（ kW） 压缩机的理论耗功量Pth：Pth=Mrwc=Mr（h2 - h1）（ kW）
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
发 达 国 家 的 超 前 行 为

瑞士、意大利规定2000年禁用HCFCs物质
瑞典、加拿大规定为2010年
欧共体规定为2015年。 德国规定2000年禁用HCFC-22。 美国规定2003年1月1日起禁用HCFC-141b（作 发泡剂），2010年1月1日起不再生产使用HCFC22的新制冷空调设备，并于2020年1月1日起完全 禁用HCFC-22和HCFC-142b，不再制造使用 HCFC-123和HCFC-124的新设备。
制热系数随制冷剂的热物理性质有关，并随其 性质的不同而有不同的结果
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
回收膨胀功

措施：用膨胀机代替膨胀阀 分析：
系统复杂，增加初投资 压缩机耗功率减小，单位质量制冷量增加

结果
节流损失减少
制热系数增加
第2章 蒸气压缩式热泵的工作原理
多级压缩热泵循环

措施：
采用闪发蒸气分离器 设臵中间冷却器