地源热泵技术讲座_二_热泵循环与热泵机组

1、第2卷第2期可再生能源Vol. M06. 22 0（年8 4 月RenewabElneergRyesourcesApr2 0 0 8地源热泵技术讲座(二 )热泵循环与热泵机组胡连营辽宁省能源研究所 ，辽宁营口 115000中图分类号：TK 5 2 3文献标志码：B文章编号：1 6 752_ 9(20082 0-114牛1热泵循环逆卡诺循环根据热力图上进行方向的不同，热力循环可分为正向循环和逆向循环。正向循环沿顺时针方向进行，热能从高温热源向低温热源传递的过程中对外做功，亦称为热机循环。逆向循环沿逆时针方向进行，通过消耗能量使热量从低温热源向高温热源传递。逆向循环可以用来制冷，也可以用来制热。用

2、来制冷的逆向循环称为制冷循环，用来制热的逆向循环称为热泵循环。制冷循环关注的是从低温热源吸收的热量 ，即制冷量；热泵循环关注的是向高温热源 放出的热量，即制热量。理想的热泵循环是逆卡诺循环。如图1所示，逆卡诺循环由2个等熵过程和 2个等温过程组成。这 4个过程 都是可逆的。it I逆卡诺睛环温箱期假设低温热源的温度为Tl,高温热源的温度为Th,在吸热和放热过程中工质与低温热源及高温热源之间没有温差，压缩和膨胀过程没有任何损失。逆卡诺循环过程：首先工质在T下从低温热源吸取热量Q并进行等温膨胀(4 1),然后通过等熵压缩(1-2),其温度由T升高至 T,再在 下进行等温压缩(23),并向高温热源放

3、出热量Q2,最后再进行等熵膨胀3需),其温度由 Th降至TL,工质回到初始状态(4),从而完成一个循环。循环所消耗的功为Wo根据热力学第一定律，转换和传递的能量守恒，即Q尸Q+W由热力学第二定律，可逆循环的熵增为零，即Q2XIH=Q/Tl用性能系数CCP来衡量热泵循环装置的能量效率， 定义为热泵输出热量与消耗的能量之比。逆卡诺循环的热泵性能系数C(?c为C(?c = (QZV=Ti/TH-TL由上式可见，逆卡诺循环的性能系数与工质的性质无 关，只取决于高低 2个热源的温度。由于热泵工作时不可 避免地存在各种损失，逆卡诺循环实际上是一个不可能实 现的虚拟循环。但是逆卡诺循环具有最高的效率，是热泵

4、循环研究的终极目标。逆卡诺循环不仅从理论上指出了提高热泵循环性能的重要方向，还可以用来评价实际热泵循环的完善程度。通常将工作于相同温度间的实际热泵性能系数CCP与逆卡诺循环热泵性能系数CCC的比值称为热力完善 度，用n表示,即! =C C/CCPc热力完善度 n也是热泵循环的一个技术经济指标，但它与性能系数 C(?的意义不同。C(?反映了能量转换的数量性能，而n反映了能量转换的不可逆影响程度。对于 不同工作温度的热泵循环无法按C(?的大小来比较其循环经济性，而只能根据 n的大小来判断。2蒸气压缩式热泵循环蒸气压缩式热泵循环是在具有温差传热的两相区的 逆卡诺循环基础上改造而成的。利用冷凝器和蒸发

5、器实现等压的冷凝放热和气化吸热过程。 将等熵压缩过程移到了 蒸气区，以取代在两相区内的不安全、效率低的湿压缩过程,利用节流机构取代了膨胀机，使设备大为简化。如图2所示，工质经历蒸发、 压缩、冷凝和节流 4个基本过程，在 由部件和管路构成的封闭系统内循环不已，状态不断发生收稿日期：2 0 0 0 5作者简介：胡连营（19 6）3,男，辽宁营口人，研究员，硕士，从事热能利用技术的研究与开发。E-na ：ihluy© 19Q4-2012 China Academic Journal Elccironic Publishing House. All rights rcstrvvd.Kvw.u

6、nki.ilcl? 11?4胡连营热泵循环与热泵机组变化，同时完成热量的传递。賀池眞忆缎飙1；I離建器低ai地韓s 2蒸哼压编式捕泵工柞原理在热泵循环的研究中，通常采用适当简化的、能代表越有利。但是过冷度的提高会受到高温热源的限制。为了防止将液滴带入压缩机，希望气态工质在进入压缩机之前具有一定的过热度。这时压焓图上的等熵线（17）将向右偏移，会使压缩机排气温度提高，对压缩机的可靠性和寿命很不利，因此过热度的允许值将受到排气温 度的限制。2 热泵工质（1）热泵工质与制冷剂热力循环过程中，能量转换和传递是通过工作流体热泵工质）的状态变化进行的。在一定压力下的工质，均有过冷液、饱和液、饱和气、过热气

7、等状态。 工质的饱和液被加热实际循环本质特性的理论循环进行分析。如图3所示，理论循环由2个等压过程、1个等熵过程和1个等焓过程所组成，各状态点的特征见表1。S3蒸气JS缔式祐泵理论循环圧常圈表1蒸气压缩式热泵理论循环状态点的特征占号八、-J位置状态1蒸发等压线与饱和蒸气线交点出蒸发器，进压缩机2冷凝等压线与过 1点等熵线交点出压缩机，进冷凝器3冷凝等压线与饱和蒸气线交点过热气冷却为饱和气4冷凝等压线与饱和液体线交点出冷凝器，进节流阀5蒸发等压线与过 4点等焓线交点出节流阀，进蒸发器理论循环的性能与热源的温度和工质的性质都有关 其过程要点列于表2。表2蒸气压缩式热泵理论循环的过程要点代号过程部件

8、状态1 2等熵压缩压缩机a=s p2>p T£>T 耗功2 4等压冷凝冷凝器P4= P T2>AT 放热4 5等焓节流节流阀h4= 5 p4> 5 T>T5 1等压蒸发蒸发器P5= P T5=T 吸热蒸气压缩式热泵的实际循环比理论循环更加偏离逆卡诺循环，其性能系数还与部件的特性有关，明显低于逆卡诺循环和理论循环。在实际循环中，压缩机的压缩过程并非是等熵过程；工质在冷凝器、蒸发器和连接管路的流动会产生压降并存 在与外界的热交换；液态工质和气态工质分别存在过冷和 过热。这些因素都会对循环产生一定的影响。为了使节流阀工作稳定，要求液态工质在进入节流阀之前，具有

9、一定的过冷度。这时压焓图上的等焓线（45）将向左偏移，可使循环性能改善，而且过冷度越大对循环© 194-2012 Ciiin Academic Jonmal Elctironic Publi 时，会发生沸腾 或称为气化、蒸发）并吸热；反之，工质的饱 和气被冷却时，会发生凝结或称为冷凝）并放热。沸腾和凝 结均称为相变，当压力发生变化时，相变温度也随之变化。一般将制冷系统中的工作流体称为制冷剂。从本质上说，热泵工质就是制冷剂。特别是对那些兼具制热和制冷 功能的机组来说，只使用一种工作流体，这时就不再区分热泵工质和制冷剂。对单独进行制热或制冷运行的机组来 说，由于这2种功能的温度区域差别往

10、往较大，为了更好地发挥工作流体在某种温度下的循环特性，热泵工质和制冷剂则可能不是同一种流体。早期的制冷剂主要是自然或容易制取的物质，如乙醚、氨、CQ SQ等。2 0世纪3 0年代，美国合成的R1 1 R2等以“氟利昂”为商标的制冷剂，热力性能优良、无毒、 不燃，很快成为制冷剂的主角。在发现其环境影响问题之 前，氟利昂”几乎风靡于制冷领域。（2）工质的环境影响热泵工质的分类见表 3。表3工质分类表种类典型工质环境影响CFCR11R12危害大即将淘汰HCFCR22R123有危害限期使用HFCR13 4R115 2a友好温室效应HCR29 R600友好可燃混合工质R407K410A友好温室效应天然工

11、质CQ NH H2O环境友好2 0世纪8 0年代以后，CF 和 HCF对大气臭氧层的 破坏作用及其温室效应问题被确认。从198年的蒙特利尔议定书开始，国际社会多次提出淘汰和限制CF和 HCF 的具体日程 表4）。发展绿色环保工质已成为一项 紧迫而重要的任务，目前主要由 HCF 向 HFC过渡，最终将回归到自然物质。表4CFC和 HCF（限制日程表丄亠限制日程种类发达国家发展中国家CFC199年停用20 年停用HCFC20 年削减，2 0 2年停用。20 年削减，2 0 3年停用。ling House. All rishis icscrvciL.unki.Hi? 11?5可再生能源2 0 Q鸟6

12、3水源热泵机组（1）原理与组成水源热泵机组是一种可全年运转的空调设备，其 热源侧以水作为传热介质，制冷时以水为高温热源， 制热时以水为低温热源。水源热泵机组使用侧的换热 介质为水或空气，因此，水源热泵机组分为水一水型 和水一空气型2种。从功能转换的角度，水源热泵机 组分为无四通阀机组和有四通阀机组2类。无四通阀 机组通常是用于集中供冷、供热的大型的水一水型机 组，其制冷、制热工况的转换通过水系统的切换来完 成；有四通阀机组通常是小型的水一水型机组和水一 空气型机组，其制冷、制热工况的转换通过四通阀的 切换来完成。水源热泵机组由压缩机、热源侧换热器、使用侧换热器、节流控制元件以及自动控制系统组成

13、，按蒸气压缩式循环的原理工作。在压缩机的作用下，工质在系统中各部件间循环流动，通过冷凝器向外界流体放热，通过蒸发器从外界流体吸热 ，从而达到制冷或制热的目的。制冷、制热工况的转换通过水系统的切换来完成时，工质的流动方向不变，冷凝器和蒸发器的功能也固定不变，只是转换与热源侧和使用侧的连接关系即可；制冷、制热工况的转换通过四通阀的切换来完成时，工质的流动方向改变，冷凝器和蒸发器的功能也互换，但不需要转换与热源侧和使用侧的连接关系。水源热泵机组由包括压缩机、 冷凝器、蒸发器和节流 阀的基本部件和辅助部件组成。压缩机是蒸气压缩式热泵的心脏 ，它将工质从低压蒸 气压缩为高压蒸气。水源热泵机组的压缩机依据

14、机组的容 量和结构进行选用。活塞压缩机和螺杆压缩机一般用于大 中型机组；转子压缩机运动部件较少，广泛用于 10kM以下的小型机组；涡旋压缩机只有 2个运动部件，效率较高， 广泛用于中小型机组。蒸发器是热量输入设备。工质与外界流体在其中进行换热，吸收低温热源的热量，使工质从低压气液混合物气化为低压蒸气。蒸发器分为空气一工质式、套管式、壳管式、板式等多种类型。冷凝器是热量输出设备。工质与外界流体在其中进行换热，向高温热源放出热量，使工质从高压蒸气冷凝为高压液体。冷凝器也分为空气一工质式、套管式、壳管式、板式等多种类型。节流阀起到对工质节流降压的作用，使工质从高压液体变为低压气液混合物，并调节进入蒸

15、发器的工质流量。节流阀分为毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀 3种。辅助部件主要包括油分离器、 气液分离器、干燥过滤 器、储液器等专用部件及电磁阀、 四通阀、压力表、温度计、 高低压控制器、温控器等测控部件。2结构形式水一水型机组水一水型机组按结构形式可分为整体式和模块式。整体式机组以一台或多台压缩机为主机，共用蒸发器和冷凝器。机组单机容量相对较大，效率较高，容量调节范 围为0，2 5% 50% 75 % 10 0，可满足各种大型负荷用 户使用，并可进行部分负荷调节运行图4）。图4雀体式水廉蜡柔机塑模块式机组由多个独立回路的单元机组组成，每个单元机组有独立的循环部件，采用标准的快速接头连接，根据不

16、同容量进行组合，将水管连接起来组合成一台机组。 由于每个模块相对独立且互为备用，机组的容量扩展与负荷调节性能较好，改善了低负荷运行效率图5）。9 5 模块式水谏魅苏机组水一空气型机组按安装方式分，水一空气型机组有暗装和明装2种。暗装机组一般吊装在房间的天花板中，便于与室内的装潢协调一致，一般需要接风管，因此噪音相对较低。暗装机组 也可以设置在专用的小型机房内。明装机组通常直接置于室内窗下或墙角处，安装维修相对方便。按结构形式分，水一空气型机组有整体式和分体式2种。整体式机组使用侧换热器、风机、压缩机、热源侧换热器置于同一箱体中。为了降低噪音，通常会将压缩机部分和风机部分隔开。整体式机组可分为卧式暗装机组、立式暗装机组、立式明装机组和屋顶式机组。分体式机组