热泵讲义第2章课件.ppt

1、讲述内容绪论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 概述概述 理想的热泵循环理想的热泵循环 机械压缩式热泵循环机械压缩式热泵循环 热力压缩式热泵循环热力压缩式热泵循环 其他热泵其他热泵概 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。WWWT0TAThQ2Q2Q2Q1Q1Q1T T0 0低温热源温度低温

2、热源温度 T Th h高温热源温度高温热源温度 T TA A环境温度环境温度Q Q1 1工质从低温热源吸热量工质从低温热源吸热量 Q Q2 2工质向高温热源放热量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为完成逆循环工质消耗的外界功量概概 述述概 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。理想的热泵循环理想的热泵循环逆卡诺循环逆卡诺循环LorenzLore

3、nz循环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经济性指标最高的热泵循环是同温限间的逆卡诺循环。间的逆卡诺循环。制冷循环热泵循环TA24TsThT03213s3s1过程过程1212 工质被等熵压缩，升温、工质被等熵压缩，升温、升压过程中耗功：升压过程中耗功：wc 过程过程2323 工质向热源等温放热，工质向热源等温放热， 放出热量为：放出热量为：qk过程过程34 34 工质等熵膨胀，降温、工质等熵膨胀，降温、降压过程中做功：降压过程中做功：we过程过程4141 工质从冷源等温吸热，工质从冷源等温吸热，吸收热量为：吸收热量为：q01234STabTkT0qkq0wcwew=

4、？循环特性分析：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 / T0 ）理想逆循环几个结论循环性能的影响因素？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

5、源温度如何变化？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、低温热源温度降低而降低。高、低温热源温度对性能系数的影响谁大？高、低温热源温度对性能系数的影响谁大？低温热源低温热源)(112hAAhhhTTTTTTTThh 通常热泵循环是以环境作为低温热源，通常热泵循环是以环境作为低温热源，即即T2=TA。于是，逆卡诺循环的供热系数为：。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

6、300310320330340350345678910111213Th COPCOPhCOPhCOPhCOPCOP 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，-8，。，6，8262.5266.5270.5274.5278.5282.555.566.577.588.599.510Tl COP(COPh)COPhCOPhCOPCOPCOPCOP 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

7、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，热源温度有限，热泵工作时，高、低温热源温度都变。高、低温热源温度都变。LorenzLorenz循环提出变温热源间的理想逆向循环提出变温热源间的理想逆向循环。循环。构成：两定熵构成：两定熵+两无温差变温两无温差变温 12：等熵压缩：等熵压缩 23：可逆放热过程：可逆放热过程 34：等熵膨胀过程：等熵膨胀过程 41：可逆吸热过程：可逆吸热过程经济性指标介于同温限间的逆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卡诺循环与考虑温差的逆卡诺循环之间。环之间。

8、逆卡诺循环的供热系数为：逆卡诺循环的供热系数为： h=Thm/（ThmTLm）TSO4123ThmTLm机械压缩式热泵循环 机械压缩式热泵消耗由热机或电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。高温低压状态被压缩至高温高压状态。 1.蒸气压缩式循环蒸气压缩式循环（工质为蒸气）（工质为蒸气） 2.逆布雷顿（逆布雷顿（Brayton）循环）循环（工质为（工质为气体）气体） 3.逆斯特林（逆斯特林（Stiring）循环）循环（工质为气（工质为气体）体）1.蒸气压缩热泵循环引入原因：引入原因：空气制冷循环存在着基本缺点

9、：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（？）。冷凝器蒸发器节流阀压缩机电动机蒸气压缩式热泵的工作原理图Tcba465123TT651234pcpe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 = h1-h4v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-h1v供热系数为 ：=q1/c=(h2h4)/（h2

10、h1）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：影响热泵性能的主要因素：t t0 0,t,tk k, t, tshsh, , t trcrc. . 蒸气压缩式制冷的理论循环 理论循环的组成理论循环的组成 与理想循环相比的特点与理想循环相比的特点 理论循环的热力计算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。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用膨胀阀代替膨胀机。 蒸气的压缩在过热区进行，而不是在蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气

11、区进行。湿蒸气区进行。（用（用干压缩代替湿压缩干压缩代替湿压缩） 两个传热过程都是等压过程，并且具两个传热过程都是等压过程，并且具有传热温差。（有传热温差。（有温差的传热有温差的传热）用膨胀阀代替膨胀机 原因：原因：膨胀功小；简化装置、便于调节。膨胀功小；简化装置、便于调节。 措施：措施：用膨胀阀代替膨胀机用膨胀阀代替膨胀机。 后果：后果：产生两部分产生两部分节流损失节流损失，使制冷系数，使制冷系数下降。节流损失与（下降。节流损失与（ Tk - T0）和物性有关。）和物性有关。干压缩代替湿压缩 原因：原因：有效吸气量减少，制冷量降低有效吸气量减少，制冷量降低破坏压缩机润滑、液击，损坏压缩机。破

12、坏压缩机润滑、液击，损坏压缩机。 措施：措施：在蒸发器出口设气液分离器；加大在蒸发器出口设气液分离器；加大蒸发器的面积；采用回热循环等蒸发器的面积；采用回热循环等。 后果：后果：产生过热损失产生过热损失。具有温差的等压传热 原因：原因：实际换热面积不可能无穷大实际换热面积不可能无穷大。 措施：措施：增加相关设备及管路增加相关设备及管路。 后果：后果：即产生节流损失；又产生过热损即产生节流损失；又产生过热损失。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

13、图上的表示压焓图的组成压焓图的组成纵坐标：压力纵坐标：压力横坐标：焓横坐标：焓hlgPCx=0 x=1tsvx状态变化图状态变化图等温线及其变化等温线及其变化等熵线及其变化等熵线及其变化等比容线及其变化等比容线及其变化等干度线及其变化等干度线及其变化蒸气压缩式制冷理论循蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图上的表示环在压焓图上的表示坐标及状态变化图坐标及状态变化图压缩过程压缩过程12定压放热过程定压放热过程2 3节流过程节流过程3 4定压吸热过程定压吸热过程4 1hlgPC1234T0T3TkPkP0q0qkwc各个过程前后能量分析各个过程前后能量分析蒸气压缩式制冷理论循环的蒸气压缩式制冷理论循环的热

14、力计算（一）热力计算（一）依据：依据：蒸发、冷凝、再冷、压缩机吸气温度，制冷量蒸发、冷凝、再冷、压缩机吸气温度，制冷量0等。等。步骤：步骤：先求出各状态点参数；再对各环节进行热计算。先求出各状态点参数；再对各环节进行热计算。内容：内容：单位质量（容积）制冷能力单位质量（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，压缩机吸气比容，m3/kg）制冷剂的质量流量制冷剂的质量流量Mr： Mr = 0 / q0 （kg/s）制冷剂的体积流量制冷剂的体积流量Vr： Vr = Mr v1 = 0 / qv （

15、 m3 /s）蒸气压缩式制冷理论循环的蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算（二）热力计算（二） 单位质量（容积）制冷能力单位质量（容积）制冷能力q0 （ qv） 制冷剂的质量流量制冷剂的质量流量Mr 制冷剂的体积流量制冷剂的体积流量Vr冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷k：k=Mrqk=Mr（h2 - h3）（ kW）压缩机的理论耗功量压缩机的理论耗功量Pth：Pth=Mrwc=Mr（h2 - h1）（ kW）理论制冷系数理论制冷系数th： th= 0 / Pth = q0 /wc= （h1 - h4 ）/（h2 - h1）制冷效率制冷效率R：指理论循环制冷系数：指理论循环制冷系数th与相同蒸发、冷凝与

16、相同蒸发、冷凝温度下理想循环制冷系数温度下理想循环制冷系数c之比。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膨胀阀前液态制冷剂再冷却 回收膨胀功回收膨胀功 多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环膨胀阀前液态制冷剂再冷却 措施措施 分析分析 结果结果措 施设置再冷却器设置再冷却器大型氨制冷系统，单独设置大型氨制冷系统，单独设置小型氟利昂系统，适当增加冷凝器面积小型氟利昂系统，适当增加冷凝器面积采用回热循环采用回热循环在高温高压端产生液态制冷剂的再冷却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在低温低压端保证了吸气干压缩注意注意再冷温度、再冷度再冷

17、温度、再冷度过热温度、过热度过热温度、过热度分 析设置再冷却器设置再冷却器工作流程复杂，系统维护相对较难工作流程复杂，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压缩功没有增加时，单位质量制冷能力增加采用回热循环采用回热循环工作流程复杂，初投资增加工作流程复杂，初投资增加压缩功增加，单位质量制冷能力增加压缩功增加，单位质量制冷能力增加注意注意再冷温度、再冷度再冷温度、再冷度过热温度、过热度过热温度、过热度结 果设置再冷却器设置再冷却器节流损失减少节流损失减少制冷系数提高制冷系数提高采用回热循环采用回热循环节流损失减少，过热损失增加节流损失减少，过热损失增加制冷系数随制冷剂的热物理性质

18、有关，并随其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性质的不同而有不同的结果回收膨胀功措施：措施：用膨胀机代替膨胀阀用膨胀机代替膨胀阀分析：分析：系统复杂，增加初投资系统复杂，增加初投资压缩机耗功率减小，单位质量制冷量增压缩机耗功率减小，单位质量制冷量增加加结果结果节流损失减少节流损失减少制冷系数增加制冷系数增加多级压缩制冷循环措施：措施：采用闪发蒸气分离器采用闪发蒸气分离器设置中间冷却器设置中间冷却器分析：分析：系统复杂，初投资增加，系统复杂，初投资增加，只有压缩比（只有压缩比（Pk/P0）8时采用时采用结果结果过热损失减少过热损失减少制冷系数增加制冷系数增加2468

19、1012141618204.864.874.884.894.94.914.924.934.944.95toCOP COP-toCOP-tk3539434751553.544.555.566.57TKCOP 复习 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？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。压缩机高压热交换器低压热交换器膨胀机电动机1234封闭的布雷顿热泵循环流程图布雷顿理论循环的图布雷顿理论循环的-图ppp1p243214321baTp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

20、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

21、泵循环主要特点：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：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。工作原理图及工作原理图及lgp-h图：图：发生器蒸生器冷凝器节流阀泵67821345QgQQmmmg12854673蒸气喷射式热泵系统流程图蒸气喷射式热泵系统- 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：性能：循环的经济性用热能利用系数来衡量即： =收益收益/代价代价=Qc/（Qg+Wp ）特点：特点：优点：不消耗机械功，直接

22、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：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：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。工作原理图及工作原理图及T-s图：图：冷凝器发生器蒸生器蒸生器节流阀节流阀溶液阀节流阀蒸生器冷凝器压缩机QgQQQ吸收式热泵与压缩式热泵简图（ ）吸收式热泵（ ）蒸汽压缩式热泵TS12345678TTTQQgQQ吸收式热泵循环的图制冷剂、溶液循环。性能：性能：吸收式制冷循环的效率也用热能利用系数来衡量： =收益收益/代价代价=（ Qc + Qa）/（Qg+Wp ）（最大的热能利用系数是工作在（最大的热能利用系数是工作在Tg和和Te两热源两热源间的卡诺热机效率与工作在间的卡诺热机效率与工作在Tm和和Te两个热源间两个热源间的卡诺逆循环致冷系数的乘积的卡诺逆循环致冷系数的乘积。）。）特点：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不高。精品课件精品课件！精品课件精品课件！其他热泵 热电热泵 化学热泵