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1、热泵讲义建筑环境与设备工程专业讲述内容 绪论 热泵的理论循环 热泵工质 热泵的低位热源 热泵的驱动能源及装置 吸收式热泵 热泵在供热和空调方面 的应用热泵的理论循环 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。WWWT0TAThQ2Q2Q2Q1Q1Q1T0低温热源温度 Th高温热源
2、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。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。过程12 工质被等熵压缩，升温、 升压过程中耗功：wc 过程23 工质向热源等温
3、放热， 放出热量为：qk过程34 工质等熵膨胀，降温、 降压过程中做功：we过程41 工质从冷源等温吸热， 吸收热量为：q01234STabTkT0qkq0wcwe w=？循环特性分析： q0 、 w 、c理想逆循环性能 单位质量制冷量：单位质量耗功量 ：单位质量放热量 ：循环的制冷系数：q0= T0 （sa-sb） qk=Tk （sa-sb）w=wc-we= qk - q0 = （ Tk - T0 ） （sa-sb）c= q0 / w = T0 /（ Tk - T0 ）=1/（ Tk / T0 -1）循环的制冷系数：h= qk / w = Tk /（ Tk - T0 ）=1/（ 1-Tk /
4、 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：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h愈小； 反之，Th愈低，即Th与TA的温差愈小， 则h愈大。高温热源温度Th：40低温热源温度TA：-10
5、，-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h愈小；反之， TA愈高 ，即Th与TA的温差愈小，则h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。理想的热泵循环-Lorenz循环 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12：等熵压缩23：可逆放热过程34：等熵膨胀过程41：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：h=Thm/（ThmTLm）TSO4123
6、ThmTLm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）1.蒸气压缩热泵循环 引入原因：空气制冷循环存在着基本缺点：一 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 （？）。循环的性能分析 v工质通过蒸发器自冷源吸收的热量为： vq2 = h1-h5
7、 = h1-h4 v工质通过冷凝器向外界放出的热量为 ： vq1= h2-h4 v压缩机耗功量为：c= h2-h1 v供热系数为 ：=q1/c=(h2h4)/（h2h1） v各点的参数，可由工质的热力性质表或焓图 （lgph）查得。 影响热泵性能的主要因素：t0,tk, tsh, trc. 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
8、且具 有传热温差。（有温差的传热）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。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
9、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 上的表示压焓图的组成 纵坐标：压力 横坐标：焓hlgPCx=0 x=1tsvx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12 定压放热过程2 3 节流过程3 4 定压吸热过程4 1hlgP C1234T0T3TkPkP0q0qkwc各个过程前后能量分析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0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
10、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 = 0 / q0 （kg/s） 制冷剂的体积流量Vr：Vr = Mr v1 = 0 / qv （ m3 /s）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k：k=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th：th=
11、0 / Pth = q0 /wc= （h1 - h4 ）/（h2 - h1） 制冷效率R：指理论循环制冷系数th与相同蒸发、冷凝 温度下理想循环制冷系数c之比。R = th / c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 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
12、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 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 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-toCOP-tk复习 T-s图和
13、lgp-h图上如何表示热量？ T-s图和lgp-h图上如何表示功量？2.逆布雷顿（Brayton）循环v构成：是由两个定压和两个定熵过程组成的循环 。 性能分析 循环工质从低温热源吸收的热量为：q2=Cp（T1T4） 循环工质放给高温热源的热量为：q1=Cp（T2T3） 循环所耗的净功为：net=c-e=Cp（T2-T1）-Cp（T3-T4）循环的供热系数为： h=q1/ net =(T2T3)/（T2T3）（T1T4） 为分析影响供热系数的因素，将上式作进一步推 演可得 h=1/1-（P2/P1）（k1）/ k=T2/（T2T1）=T3 /（T3T4） 表明：增压比越小，供热系数越大。但增压
14、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。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 器(或喷射器)、冷凝器、节流阀、蒸发器和水泵等组成。 工作原理图及lgp-h图：循环中的工作蒸汽在发生器中吸热，加上在蒸 发器中从低温热源吸收的热量，在冷凝器中放 热给被加热物体，以花费燃料的热能为补偿实 现了热泵循环。 性能：循环的经济性用
15、热能利用系数来衡量 即：=收益/代价=Qc/（Qg+Wp ） 特点： 优点：不消耗机械功，直接消耗热能实现供热 ；喷射器简单紧凑，容许通过较大的容积流量 ，可以利用低压水蒸气作为致冷剂。 缺点是：由于混合过程的不可逆损失很大，因 而热能利用系数较低。 吸收式热泵循环 主要特点：用吸收装置代替压缩机，消耗热能实现供 热目的。 装置：主要由吸收器、水泵、发生器、减压阀、冷凝 器、节流阀、蒸发器等组成。 工作原理图及T-s图：制冷剂、溶液循环。 性能：吸收式制冷循环的效率也用热能利用 系数来衡量：=收益/代价=（ Qc + Qa）/（Qg+Wp ） （最大的热能利用系数是工作在Tg和Te两热源 间的卡诺热机效率与工作在Tm和Te两个热源间 的卡诺逆循环致冷系数的乘积。） 特点： 优点：吸收式热泵装置的优点是可利用较低温 度的热能如低压蒸汽、热水、烟气以及某些工 艺气体的余热或太阳能等，对综合利用热能有 实际意义。 缺点是：吸收过程的复杂性，也使得其热能利 用系数
