第3章-熱泵循環(huán)

第三章熱泵循環(huán)如果用一只四通換向閥來控制改變制冷工質(zhì)在裝置中的流向，制冷裝置可以作為熱泵裝置使用，可以達(dá)到夏季對(duì)室內(nèi)制冷、冬季對(duì)室內(nèi)供熱的目的。3．1理想的熱泵循環(huán)

3．1．1逆卡諾循環(huán)制冷劑沿等熵線1—2被絕熱壓縮至狀態(tài)2，溫度從T0’升至Tk’；制冷劑在高溫?zé)嵩礈囟萒k’下沿等溫線2—3進(jìn)行等溫放熱，向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縬k；制冷劑再沿等熵線3—4絕熱膨脹，溫度從Tk’降至T0’;最后，在低溫?zé)嵩礈囟萒0’下沿等溫線4—1等溫吸熱，從低溫?zé)嵩次諢崃縢0。

循環(huán)結(jié)果

從被冷卻介質(zhì)吸熱q0（單位制冷量）；向冷卻介質(zhì)放熱qk；循環(huán)凈耗功qk＝q0+w

制冷系數(shù):

大小只取決于兩個(gè)熱源的溫度；T0’↗或Tk’↘ε↗3．1．2勞侖茲循環(huán)在勞侖茲循環(huán)中，制冷劑沿等熵線a—b被絕熱壓縮至狀態(tài)b，溫度從Ta升至Tb；然后，沿著與高溫?zé)嵩礈囟茸兓嗄娴穆窂竭M(jìn)行放熱壓縮，溫度由Tb降至Tc，放出熱量，實(shí)現(xiàn)可逆多變壓縮過程；制冷劑再沿等熵線c-d絕熱膨脹，溫度從Tc降至丁Td；最后，沿著與低溫?zé)嵩礈囟茸兓嗄娴穆窂竭M(jìn)行吸熱膨脹，溫度由Td升至Ta，吸收熱量，實(shí)現(xiàn)可逆多變膨脹過程。勞侖茲循環(huán)的制冷(制熱)系數(shù)僅取決于被冷卻物和冷卻劑的溫度狀況，而與制冷劑性質(zhì)無關(guān)。

3．2蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)

3．2．1蒸氣壓縮式熱泵的理論循環(huán)1）理論循環(huán)壓縮機(jī)：制冷系統(tǒng)的心臟，壓縮和輸送制冷劑蒸氣；等熵壓縮；冷凝器：輸出熱量；等壓放熱；節(jié)流閥：節(jié)流降壓，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量；等焓節(jié)流；蒸發(fā)器：吸收熱量（輸出冷量）從而制冷；等壓吸熱。壓焓圖（一點(diǎn)兩線三區(qū)）等壓線—

水平線等焓線—

垂直線等干度線—

濕蒸氣區(qū)域內(nèi)曲線等熵線—

向右上方大斜率曲線等容線—

向右上方小斜率曲線等溫線—

垂直線（液相區(qū)）→水平線（兩相區(qū)）→向右下方彎曲（過熱蒸氣區(qū)）理論循環(huán)的壓焓圖壓焓圖的作用：確定狀態(tài)參數(shù)表示熱力過程分析能量變化狀態(tài)點(diǎn)的確定1點(diǎn)：Po等壓線與x=1蒸氣干飽和線交點(diǎn)3點(diǎn)：Pk等壓線與x=0液態(tài)飽和線交點(diǎn)2點(diǎn):Pk等壓線與s1等熵線交點(diǎn)4點(diǎn)：Po等壓線與h3等焓線交點(diǎn)lnp-h圖及計(jì)算Ts12345lnph12345lnp-h圖理論循環(huán)的熱力計(jì)算單位質(zhì)量制冷量q0：1kg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)從被冷卻物體吸收的熱量。

q0＝h1－h(huán)4

單位體積制冷量qv：壓縮機(jī)每吸入1m3制冷劑蒸氣（按吸氣狀態(tài)計(jì)），在蒸發(fā)器中所產(chǎn)生的制冷量。

qv＝q0/v1＝（h1－h(huán)4）/v1制冷劑質(zhì)量流量MR：MR=Qo/q0制冷劑體積流量VR:VR=MR*v1

單位冷凝負(fù)荷qk

：1kg制冷劑在冷卻和冷凝過程中放出的熱量。

qk＝h2－h(huán)3

單位理論壓縮功w0

：壓縮機(jī)每壓縮輸送1kg制冷劑所消耗的壓縮功。

w0＝h2－h(huán)1

制冷系數(shù)ε0：

熱力完善度η

，

數(shù)值越接近1，表示該循環(huán)的不可逆程度越小，循環(huán)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性也愈好。

1）實(shí)際循環(huán)的特點(diǎn)

壓縮非等熵、可逆過程----壓縮過程伴有吸熱和放熱；存在傳熱溫差，過程不可逆；改善循環(huán)：吸氣過熱和過冷節(jié)流、回?zé)嵫h(huán)；系統(tǒng)存在節(jié)流損失

；系統(tǒng)存在流動(dòng)損失；系統(tǒng)存在不凝性氣體。

1’-a吸氣閥節(jié)流a-c制冷劑進(jìn)入氣缸，先吸熱壓縮，后放熱壓縮c-d排氣閥節(jié)流d-2’’制冷劑在排氣腔放熱2’’-3冷凝放熱3-3’液體過冷3’-4節(jié)流過程，制冷劑降溫降壓4-1’蒸發(fā)制冷實(shí)際制冷過程描述

在實(shí)際熱泵循環(huán)中，壓縮機(jī)的壓縮過程并非是等熵過程，而是壓縮指數(shù)不斷變化的多變過程(1’一2”)。而且，由于壓縮機(jī)汽缸中有余隙容積存在，氣體經(jīng)過吸、排氣閥及通道處有熱量交換及流動(dòng)阻力，氣體通過活塞與汽缸壁間隙處會(huì)產(chǎn)生泄漏等，這些因素都會(huì)使壓縮機(jī)的輸氣量減少，制熱量下降，消耗功率增加，排氣溫度升高。活塞式壓縮機(jī)的理想工作過程與理論輸氣量

3．3跨臨界熱泵循環(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(shí)，壓縮機(jī)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)(transcriticalcycle)或超臨界循環(huán)（supercriticalcycle)，C02(R744)就是采用跨臨界循環(huán)的一種制冷劑。在制冷空調(diào)領(lǐng)域，特別對(duì)于熱泵而言，由于C02優(yōu)良的特性，以及C02跨臨界循環(huán)的放熱過程可以同變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?，更接近于勞侖茲循環(huán)，可獲得較高的用能效率，被認(rèn)為是最具潛力的長期替代物。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焓值。在超臨界壓力下，CO2無飽和狀態(tài)，由于溫度與壓力彼此獨(dú)立，改變高壓側(cè)壓力將影響制熱量、壓縮機(jī)耗功量以及循環(huán)的供熱系數(shù)。3．4熱力驅(qū)動(dòng)熱泵循環(huán)

3．4．1蒸氣噴射式熱泵循環(huán)蒸氣噴射式熱泵是靠液體汽化來吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?。蒸氣噴射式熱泵系統(tǒng)包括噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、泵，噴射器又由噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓器3部分。噴射系數(shù)u噴射系數(shù)作為評(píng)定噴射器性能的參數(shù)。噴射系數(shù)定義為1kg工作蒸氣所能引射的制冷蒸氣的量(kg)。蒸氣噴射式熱泵特點(diǎn)

以熱能為補(bǔ)償能量形式；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；加工方便；沒有運(yùn)動(dòng)部件；使用壽命長，故具有一定的使用價(jià)值。但這種熱泵所需的工作蒸氣壓力高，噴射器流動(dòng)損失大，因而效率較低。因此在空調(diào)中采用溴化鋰吸收式熱泵比蒸氣噴射式熱泵有明顯的優(yōu)勢(shì)。3.4.2吸收式熱泵循環(huán)吸收式熱泵主要由4個(gè)熱交換設(shè)備組成，即發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器，它們組成制冷劑循環(huán)與吸收劑循環(huán)兩個(gè)循環(huán)環(huán)路。蒸氣壓縮式熱泵與吸收式熱泵循環(huán)比較吸收式熱泵有兩類形式：①第一類吸收式熱泵。利用高溫?zé)嵩窗训蜏責(zé)嵩吹臒崮芴岣叩街袦氐臒岜孟到y(tǒng)。它是同時(shí)利用吸收熱和冷凝熱制取中溫?zé)崴奈帐綗岜茫虎诘诙愇帐綗岜?。利用中溫廢熱和發(fā)生器形成驅(qū)動(dòng)熱源系統(tǒng)，同時(shí)還利用中溫廢熱和蒸發(fā)器構(gòu)成熱源系統(tǒng)，在吸收器中制取溫度高于中溫廢熱的熱水的熱泵系統(tǒng)。兩類吸收式熱泵工作原理3．4．3吸附式熱泵循環(huán)吸附基本原理：1）吸附劑：多孔材料，如硅膠、分子篩、活性碳等；2）制冷劑：水、乙醇。3）吸附工質(zhì)對(duì)：硅膠－水，活性碳－甲醇等。系統(tǒng)循環(huán)

3．5其他熱泵循環(huán)3．5．1熱電熱泵熱電熱泵(又名溫差電熱泵、半導(dǎo)體熱泵或電子熱泵)是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制熱方法，它是利用塞貝克效應(yīng)的逆反應(yīng)——帕爾帖效應(yīng)的原理達(dá)到制熱目的。熱電熱泵的基本單元是半導(dǎo)體電偶。組成電偶的材料一個(gè)是p型半導(dǎo)體(空穴型)，一個(gè)是n型半導(dǎo)體(電子型)。取它們作熱電制熱的材料是由于其帕爾帖效應(yīng)比普通的金屬電偶強(qiáng)得多，能夠在熱結(jié)點(diǎn)處表現(xiàn)出明顯的制熱作用。3．5．2化學(xué)熱泵化學(xué)熱泵是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置，它依靠化學(xué)反應(yīng)，利用物質(zhì)的狀態(tài)變化進(jìn)行吸熱和放熱?；瘜W(xué)熱泵以利用化學(xué)能量的蓄熱物