热泵讲义第2章

过程4→1 工质从冷源等温吸热， 吸收热量为：q0
∑w=？
T0’ 4
1
q0
S a b
理想逆循环性能
’ （s -s ） q = T a b 单位质量制冷量： 0 0 ’ （s -s ） q =T a b 单位质量放热量： k k
单位质量耗功量：
∑w=wc-we= qk - q0 = （ Tk ’ - T0’ ） （sa-sb）
蒸气压缩式制冷理论循环的 热力计算（二）
单位质量（容积）制冷能力q0 （ qv）
制冷剂的质量流量Mr 制冷剂的体积流量Vr
冷凝器的热负荷Φk：Φk=Mrqk=Mr（h2 - h3）（ kW） 压缩机的理论耗功量Pth：Pth=Mrwc=Mr（h2 - h1）（ kW） 理论制冷系数εth： εth= Φ0 / Pth = q0 /wc= （h1 - h4 ）/（h2 - h1） 制冷效率ηR：指理论循环制冷系数εth与相同蒸发、冷凝 温度下理想循环制冷系数εc’之比。
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 制冷系数增加
COP-to
4.95 4.94 4.93 4.92
COP
4.91 4.9 4.89 4.88 4.87 4.86 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
to
COP-tk
7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 35
理想的热泵循环
•逆卡诺循环 • Lorenz循环
理想的热泵循环-逆卡诺循环
经济性指标最高的热泵循环是同温限 间的逆卡诺循环。
T Th TA T0
3
热泵循环
2
4
1
制冷循环
3'
2'
s3
s1
s
循环特性分析： q0 、 ∑w 、εc T qk 2 wc
Tk’
3 we
过程1→2 工质被等熵压缩，升温、 升压过程中耗功：wc 过程2→3 工质向热源等温放热， 放出热量为：qk 过程3→4 工质等熵膨胀，降温、 降压过程中做功：we
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。
理论循环的热力计算
• 压焓图的应用 • 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
• 例题及讨论
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 蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图 上的表示
注意
再冷温度、再冷度 过热温度、过热度
分 析
设置再冷却器
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
结 果
设置再冷却器
节流损失减少 制冷系数提高
讲述内容
的热 应泵 用在 供 热 和 空 调 方 面
• • • • • • • 吸 收 式 热 泵 热 泵 的 驱 动 能 源 及 装 置 热 泵 的 低 位 热 源 热 泵 工 质 热 绪 泵 论 的 理 论 循 环
热泵的理论循环
• 概述 • 理想的热泵循环 • 机械压缩式热泵循环 • 热力压缩式热泵循环 • 其他热泵
热力压缩式热泵循环
• 蒸气喷射式热泵循环 • 吸收式热泵循环 • 吸附式热泵循环
蒸气喷射热泵循环
主要特点： 用引射器代替压缩机，消耗热能实现供热
目的。
装置： 主要由发生器（锅炉、余热、废热等）、引射
循环的制冷系数：
εc= q0 / ∑w = T0’ /（ Tk ’ - T0’ ）=1/（ Tk ’ / T0’ -1）
循环的制冷系数：
εh= qk / ∑w = Tk’ /（ Tk ’ - T0’ ）=1/（ 1-Tk ’ / T0’ ）
理想逆循环几个结论
循环性能的影响因素？ 只与高低温热源温度有关，与工质性质无关 性能系数随高、低温热源温度如何变化？ 制冷（供热）系数随高温热源温度降低、低 温热源温度升高而升高；随高温热源温度升 高、低温热源温度降低而降低。 高、低温热源温度对性能系数的影响谁大？ 低温热源
通常热泵循环是以环境作为低温热源， 即T2=TA。于是，逆卡诺循环的供热系数为：
1 h Th T2 Th TA 1 ( TA ) Th
Th
Th
13 12 11 10 COPh COP
COP{COPh}
9 8 7 6 5 4 3 300 310 320 330 340 350
lgP
T0 T3 Tk C Pk
3
2
P0
4
q0 qk
1 wc
h
蒸气压缩式制冷理论循环的 热力计算（一）
依据：蒸发、冷凝、再冷、压缩机吸气温度，制冷量Φ0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）制冷能力q0 （ qv），kJ/kg （kJ/m3） qv = q0 /v1 =（ h1 - h4 ）/ v1 （v1–压缩机吸气比容，m3/kg） 制冷剂的质量流量Mr： Mr = Φ0 / q0 （kg/s） 制冷剂的体积流量Vr： Vr = Mr v1 = Φ0 / qv （ m3 /s）
Q2
Th
TA
Q1
T0
T0—低温热源温度 Th—高温热源温度 TA—环境温度 Q1—工质从低温热源吸热量 Q2—工质向高温热源放热量 W—为完成逆循环工质消耗的外界功量概 述
概 述
衡量热泵循环和制冷循环的经济性指标都用性能 系数（COP）来表示，它是得到的收益与耗费的 代价之比值。 习惯上，热泵循环的性能系数称为供热系数 COPh ，而将制冷循环的性能系数称为制冷系数 COP。 常见的热泵形式有：机械压缩式、热力压缩式 （吸收式、蒸气喷射式和吸附式）以及热电式等。
采用回热循环
节流损失减少，过热损失增加 制冷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
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 制冷系数增加
多级压缩制冷循环
措施：
采用闪发蒸气分离器 设置中间冷却器
压焓图的组成
纵坐标：压力 横坐标：焓 状态变化图
lgP
t
C s v
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
x=1
h
蒸气压缩式制冷理论循 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
COP
39
43
47
51
55
TK
• 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？
复习
2.逆布雷顿（Brayton）循环
高压热交换器 2 3 膨胀机 压缩机
构成：是由两个定压和两个定熵过程组成的循环。
p b p2 3 T 2 3 1
低压热交换器 4 1 封闭的布雷顿热泵循环流程图 电动机 a
蒸气压缩式制冷的理论循环
• 理论循环的组成 • 与理想循环相比的特点 • 理论循环的热力计算
理论循环的组成
组成：两个等压吸热、放热过程；一个 绝热压缩过程；一个绝热节流过程。
与理想循环相比的特点
• 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）
Th
高温热源温度Th：30，35，。。。，70
低温热源温度TA：5
在一定的环境TA下，用热空间温度Th 愈高，即Th与TA的温差愈大则εh愈小； 反之，Th愈低，即Th与TA的温差愈小， 则εh愈大。
10 9.5 9 8.5 COP COPh
COP(COPh)
8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 262.5 266.5 270.5 274.5 278.5 282.5
T 4 T 3
2 4
pc
3
2
6
T 5 c b a
6 1
5
pe
1
蒸气压缩式热泵的 理论循环 图
蒸气压缩式热泵理 论循环的lgp-h图
循环的性能分析
工质通过蒸发器自冷源吸收的热量为： q2 = h1-h5 = h1-h4 工质通过冷凝器向外界放出的热量为 ： q1= h2-h4 压缩机耗功量为：ωc= h2-h1 供热系数为 ：ε=q1/ωc=(h2－h4)/（h2－h1） 各点的参数，可由工质的热力性质表或—焓图 （lgp－h）查得。 影响热泵性能的主要因素： t0,tk, Δtsh, Δ trc.
概 述
热泵循环是一种逆向循环。（如图所示） 循环目的：把低温热源的热量转移到高温热源去。 如循环的目的是给高温物体（如供暖的房间）不 断地提供热量，以保证高温物体的温度，称之为 热泵循环。 如果循环的目的是从低温物体（如冷藏室、冷库 等）不断取走热量，以维持物体的低温，称之为 制冷循环。
Q2 W Q1 Q2 W Q1 W
p
2
p1 4
4 1 υ
p
布雷顿理论循环ห้องสมุดไป่ตู้ -υ 图
布雷顿理论循环的
图
性能分析 循环工质从低温热源吸收的热量为：q2=Cp（T1－T4） 循环工质放给高温热源的热量为：q1=Cp（T2－T3） 循环所耗的净功为：ωnet=ωc-ωe =Cp（T2-T1）-Cp（T3-T4）
循环的供热系数为： εh=q1/ω net =(T2－T3)/[（T2－T3）－（T1－T4）] 为分析影响供热系数的因素，将上式作进一步推 演可得 εh=1/[1-（P2/P1）（k－1）/ k] =T2/（T2－T1）=T3 /（T3－T4） 表明：增压比л越小，供热系数越大。但增压比越 小，循环中单位工质的制热量也越小（？），因 此压缩比不能太小。多采用低压缩比的透平压缩 机、膨胀机，并在热泵系统中加回热器进一步降 低压缩比，从而提高热泵的性能。
理想的热泵循环-Lorenz循环
T 2 3
Thm
TLm
1
4 O
S
机械压缩式热泵循环
机械压缩式热泵消耗由热机或电 动机等所作的机械功，使工质蒸气从 高温低压状态被压缩至高温高压状态。 • 1.蒸气压缩式循环（工质为蒸气） • 2.逆布雷顿（Brayton）循环（工质为 气体） • 3.逆斯特林（Stiring）循环（工质为气 体）
引入原因： 空气制冷循环存在着基本缺点：一
1.蒸气压缩热泵循环
是由于吸热过程和放热过程是在定压非定温下进行， 与逆向卡诺循环的相应过程相差较远，因而制冷系 数低；二是由于空气的比定压热容较小，则循环的 制冷量也较小。采用蒸气压缩制冷循环可以改善 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
ηR = εth / εc’
蒸气压缩式制冷循环的改善
• 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 • 回收膨胀功 • 多级压缩制冷循环
膨胀阀前液态制冷剂再冷却
• 措施 • 分析 • 结果
措 施
设置再冷却器
大型氨制冷系统，单独设置 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
用膨胀阀代替膨胀机
• 原因：膨胀功小；简化装置、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，使制冷系数
下降。节流损失与（ Tk - T0）和物性有关。
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。
• 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。
热源温度有限，热泵工作时， 高、低温热源温度都变。 Lorenz 循环提出变温热源间的理想逆向 循环。 构成：两定熵+两无温差变温 1——2：等熵压缩 2——3：可逆放热过程 3——4：等熵膨胀过程 4——1：可逆吸热过程 经济性指标介于同温限间的逆 卡诺循环与考虑温差的逆卡诺循 环之间。 逆卡诺循环的供热系数为： εh=Thm/（Thm－TLm）
Tl
高温热源温度Th：40
低温热源温度TA：-10，-8，。。。，6，8
当用热空间温度 Th 一定时， TA 愈低， Th 与TA的温差愈大，则εh愈小；反之， TA愈 高，即Th与TA的温差愈小，则εh愈大。
维持不必要的更高温度Th是对能量的浪费， 应予以避免。 寻找更高温度的低温热源是目标。