蒸气压缩式热泵工作原理

第2章蒸气压缩式热泵的工作原理2.1蒸气压缩式热泵理论循环2.2

蒸气压缩式热泵的工质2.3蒸气压缩式热泵的压缩机2.4蒸气压缩式热泵机组2.5

蒸气压缩式热泵的故障分析与处理2.1蒸气压缩式热泵理论循环2.1.1引入原因2.1.2

理论循环的组成2.1.3与理想循环相比较的特点2.1.4

热力计算2.1.5

热泵循环的改善2.1.6

讨论2.1.1引入原因理想热泵循环存在着难点：状态点参数确定问题干压缩问题膨胀功回收问题空气热泵循环存在着基本缺点：由于吸热过程和放热过程是在定压非定温下进行，与逆卡诺循环的相应过程相差较远，因而制热系数低；由于空气的比定压热容较小，则循环的制热量也较小。采用蒸气压缩热泵循环可以改善（？）。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。工作原理图：2.1.2理论循环的组成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）2.1.3与理想论循环相比较的特点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，使制热系数下降。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。影响热泵性能的主要因素：t0，tk，tsh，Δtrc

压焓图的应用蒸气压缩式热泵理论循环的热力计算2.1.4热力计算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热泵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=0x=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热泵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→1hlgPC1234T0T3TkPkP0q0qkwc各个过程前后能量分析蒸气压缩式热泵循环的热力计算（一）依据：蒸发、冷凝、再冷、压缩机吸气温度，制热量Φh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）制热能力qk（

qvk），kJ/kg

（kJ/m3）

qvk=

qk

/v1=（h2-h4

）/v1制冷剂的质量流量Mr：

Mr=Φh

/qk

（kg/s）制冷剂的体积流量Vr：Vr=Mrv1=Φh

/qv

（

m3/s）蒸气压缩式热泵理论循环的热力计算（二）单位质量（容积）制热能力qk

（qvk）制冷剂的质量流量Mr制冷剂的体积流量Vr蒸发器的冷负荷Φo：Φo=Mrqo=Mr（h1-

h4）（

kW）压缩机的理论耗功量Pth：Pth=Mrwc=Mr（h2-h1）（kW）理论制冷系数ε：

ε=Φ0

/Pth=q0

/wc=（h1-h4

）/（h2-

h1）理论制热系数εh：

εh=Φh

/Pth=qk/wc=（h2-h4

）/（h2-h1）2.1.5热泵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热泵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采用回热循环节流损失减少，过热损失增加制热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热系数增加多级压缩热泵循环措施：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热系数增加t0，tk，tsh，Δtrc如何确定？循环过程在T-s图和lgp-h图上如何表示？各个状态点及状态参数如何确定？基本理论循环、再冷循环、回热循环有何不同？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？2.1.6

讨论t0的确定：低温热源温度和蒸发器的结构形式。空气：t0=teia-（8~12）℃液体：t0=teiw-（4~6）℃tk的确定：供热介质温度和冷凝器的结构形式。空气：tk=tcia+（5~10）℃液体：t0=（tciw+tcow

）/2+（4~6）℃tsh的确定：一般：tsh=t0+（5~8）℃氟利昂：tsh=t0+15℃trc的确定：供热介质温度和再冷却器的传热温差。trc=tk-（3~5）℃2.1.6

讨论2.2蒸气压缩式热泵的工质2.2.1热泵工质的发展历程2.2.2热泵工质与环境保护2.2.3对热泵工质的要求2.2.4热泵工质的种类及代号2.2.5传统热泵工质及其替代返回首页2.2.1热泵工质的发展历程从历史上看，制冷剂的发展经历了三个阶段:早期制冷剂阶段(1830～1930年)氯氟烃CFCs与含氢氯氟烃HCFCs制冷剂阶段(1930～1990年)氢氟烃HFCs和天然工质为主的绿色环保制冷剂阶段(1990年至今)2.2.2热泵工质与环境保护1.臭氧层的破坏及《蒙特利尔议定书》2.温室效应及《京都议定书》臭氧层破坏及《蒙特利尔议定书》产生背景臭氧层破坏《蒙特利尔议定书》要点产生背景1974年，马里奥.J.

莫利纳（MarioJ.Molina）与F.S.罗兰(FrankSherwoodRowland)合作发表论文《由于含氯氟甲烷引起同温层下沉，氯原子催化分解臭氧》，首次提出氯氟烃即氟利昂气体对臭氧层的破坏。（即：CFC问题）1987年，马里奥.J.

莫利纳与其他科学家共同努力，促成36个国家、10个组织在加拿大签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协议》。正式规定了逐步削减CFC生产与消费的日程表。中国，1991年1995年，马里奥.J.

莫利纳与F.S.罗兰因上述成就而获得诺贝尔化学奖。臭氧层破坏及其危害在距地面11-50km的大气区域称为平流层，此层空气稀薄，日照强烈。空气在强光照射下,会发生如下反应：

O2=2OO2+O=O3这两个反应导致平流层距地面高约15-35km范围内生成厚约20km的一层臭氧层，臭氧层中约有3亿吨臭氧。氟里昂破坏臭氧层的化学方程式：CCl2F2=CClF2+ClCl+O3=ClO+O2

ClO+O3=ClO2+O2一个Cl能破坏10万个O3。1998年拍摄的最大臭氧层空洞大气中臭氧的含量减少1%，皮肤癌患者增加2%；白内障增加0.6%。消耗臭氧潜能值ODP（OzoneDepletionPotential）9月16日定为“国际保护臭氧层日”《蒙特利尔议定书》要点CFC类物质，含CFC11、12、113、114、115等发达国家，1996.1.1，停止生产和消费发展中国家（人均小于0.3kg），最后停用日期2010年HCFC类物质，含HCFC22、123、124b等发达国家，1996年起冻结生产量，2004年开始削减，2020年完全停用。发展中国家，2016年起冻结生产量，2040年完全停用。欧洲有些国家提前禁用我国“九五”期间工作目标：在1996年的基础上，将消耗臭氧层物质生产和消费量削减50%。现状禁用期限不断提前。发达国家对于CFCs类物质的禁用期限，从原来的2000年12月提前到1995年12月；禁用物质的种类不断扩大。从原先规定的CFCs和哈龙物质，逐步扩大到HCFCs物质、甲基氯仿和甲基溴等；禁用物质冻结基准不断降低。1993年11月哥本哈根会议上原规定发达国家HCFCs物质1996年冻结基准为当年的HCFCs消费量加3.1%CFCs消费量。但在1995年12月维也纳会议改为1996年的HCFCs消费量加2.8%CFCs消费量。瑞士、意大利规定2000年禁用HCFCs物质瑞典、加拿大规定为2010年欧共体规定为2015年。德国规定2000年禁用HCFC-22。美国规定2003年1月1日起禁用HCFC-141b（作发泡剂），2010年1月1日起不再生产使用HCFC-22的新制冷空调设备，并于2020年1月1日起完全禁用HCFC-22和HCFC-142b，不再制造使用HCFC-123和HCFC-124的新设备。发达国家的超前行为CFCs和HCFCs物质的削减和禁用时间表为：1999年7月1日将CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114和CFC-115冻结在19951997年的平均水平2005年1月1日要求CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114和CFC-115从19951997三年平均水平的基础上削减50%；2007年1月1日要求CFCs类物质削减85%2010年1月1日禁用CFCs类物质2016年1月1日将HCFCs物质冻结在2015年平均水平2040年1月1日禁用HCFCs物质发展中国家的情况温室效应及《京都议定书》产生背景温室效应及其危害《京都议定书》要点产生背景近二十年来，因CO2等温室气体过量排放屡增不减，由此带来的全球变暖已为科学观测所证实，温室气体及其相应的气候变化亦成为目前科技界乃至全人类极为关注的环境问题之一。1992年在里约热内卢召开的“联合国环境与发展大会”标志着全球致力于减缓气候变化和削减温室气体排放国际合作的起点。1992年5月通过案文——《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）。1992年6月，包括时任中国政府总理李鹏在内的153个国家和欧洲共同体代表签署了《联合国气候变化框架公约》。1994年3月21日，《联合国气候变化框架公约》正式生效。1995年3月，第一次缔约方会议（COP1）在柏林召开，《柏林授权》。1997年12月11日，在日本京都举行的第3次缔约方大会上，各缔约方代表签署了具有里程碑意义的《京都议定书》。

产生背景1998年5月29日，中国签署《京都议定书》，成为其第37个签约国。2001年3月28日，布什政府以减少温室气体排放将会影响美国经济发展和发展中国家也应承担减排和限排温室气体义务为由，宣布拒绝执行《京都议定书》。2004年12月4日，原先对《京都议定书》持怀疑和犹豫态度的俄罗斯转变立场，签署了《京都议定书》。2005年2月16日，《京都议定书》终于开始生效。2007年12月15日，180多个国家和地区代表在印尼通过了“巴厘岛路线图”。2009年12月19日，会议达成不具法律约束力的《哥本哈根协议》。2010年12月11日，坎昆会议大会通过了具有广泛共识的《坎昆协议》。2011、2012年分别在德班和多哈召开了COP17~18。温室效应及其危害温室效应温室气体温室效应带来的危害全球变暖潜能值GWP（GlobalWarmingPotential）温室效应是指地球大气层上的一种物理特性。假若没有大气层，地球表面的平均温度不会是现在合宜的15℃，而是十分低的-18℃。这温度上的差别是由于一类名为温室气体所引致，这些气体吸收红外线辐射而影响到地球整体的能量平衡。在现况中，地面和大气层在整体上吸收太阳辐射后能平衡于释放红外线辐射到太空外。但受到温室气体的影响，大气层吸收红外线辐射的份量多过它释放出到太空外，这使地球表面温度上升，此过程可称为‘天然的温室效应’。但由于人类活动释放出大量的温室气体，结果让更多红外线辐射被折返到地面上，加强了‘温室效应’的作用。温室气体六种主要温室气体CO2、CH4、氧化亚氮（N2O）氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）中，由于CO2的增加对增强温室效应的贡献大约是70%，它对温室效应的贡献超过CH4、N2O、O3、FCs等其他温室效应气体的总和。温室效应带来的危害地球上的病虫害增加海平面上升气候反常，海洋风暴增多土地干旱，沙漠化面积增大纽约、上海、悉尼、东京等人类有可能再次面临类似上世纪30年代的全球性经济大衰退，全球将有两亿人会因为干旱或食物短缺而成为难民。

1.过敏加重

研究结果显示，与全球变暖相关的较高的二氧化碳水平和温度在过敏问题上发挥了作用，因为这让花期提前来临，并让花粉生成量增加。全球变暖七大惊人可怕后果2.生物外壳变厚

空气中二氧化碳含量的增加让人担心海洋中的二氧化碳也会随之增加，二氧化碳水平上升让海水的酸度增加，可能让一些海洋生物难以形成保护性外壳。但是研究表明，二氧化碳增多让一些有壳生物构筑外壳时更加自如，证明这对不同的动物有着截然不同的影响。

全球变暖七大惊人可怕后果3.遗迹成废墟《国家地理》杂志提供的英国“巨石阵”的照片。

遍布全球各地的寺庙、古遗址和其他遗迹是过往文明的不朽之作，经受住了时间的考验。但是全球变暖可能最终将它们毁于一旦。

全球变暖七大惊人可怕后果4.适者生存全球变暖让春天提前来临，早起的鸟儿也许不光是有虫吃，它们还可以将自己的基因传给下一代。由于植物提早进入繁茂期，按照通常的时间迁徙的动物可能会得不到食物。这最终可能改变整个种群的基因面貌。全球变暖七大惊人可怕后果5.物种收缩随着气温的上升，生物群体数量和个体大小似乎都在缩小：小的物种比大的更有生存优势；有些动物的体形似乎比实际年龄偏小。从鱼和苏格兰羊身上都看到了这样的结果。全球变暖七大惊人可怕后果6.卫星飞行速度加快大气最外层的气体非常稀薄，但仍会对卫星产生阻力，导致其飞行速度放慢。不过大气外层的二氧化碳正在增多。虽然低空大气的二氧化碳分子会因碰撞产生热量，高空稀少的二氧化碳分子使它们不容易碰撞，于是向外辐射能量，进而冷却了周围的空气，导致空气下沉。这样一来，大气就更加稀薄，对卫星的阻力也更小了。全球变暖七大惊人可怕后果7.山脉变高虽然增幅不明显，但一百年来，由于山顶冰雪的融化，阿尔卑斯山和其他山脉在不断升高。几千年来，冰雪重重地压着大山，而融化的冰雪让这一重负消失，于是地面缓慢回升。全球变暖七大惊人可怕后果OzoneDepletionPotential——消耗臭氧潜能值

GlobalWarmingPotential——全球变暖潜能值制冷剂ODPGWP制冷剂ODPGWPCFC-111.01.0HCFC-1240.020.092~0.10CFC-120.952.8~3.4HFC-12500.51~0.65CFC-131.0HFC-134a00.24~0.29CFC-1130.851.3~1.4HCFC-1410.090.084~0.097CFC-1140.73.7~4.1HCFC-1420.0550.34~0.39CFC-1150.47.4~7.6HFC-143a00.72~0.76HCFC-220.050.32~0.37HFC-152a00.026~0.033HCFC-1230.0180.017~0.02一个CFC-11分子所造成的“温室效应”与一万个CO2分子相当。CO2的GWP=1；R22：510(或1700)；R134a：420。2007年联合国政府专门委员会(IPCC)发布了第四次评估报告，提出的主要结论就是：全球气候变暖已经是一个不争的事实，而且变化的幅度已经超过了地球本身自然变动的范围。人类活动尤其是对化石燃料的使用，很可能是导致全球气候变暖的主要原因。由人类行为导致的全球变暖将带来一些突然的或不可逆转的影响。比如极地陆地冰盖的部分消融将使海平面上升，造成低洼区域海岸线和洪水的大变化，对河流三角洲和低地岛屿产生巨大影响。IPCC报告新论点从1961年~1993年，全球海平面上升的速率已经从每年1.8毫米增加到3.1毫米。海平面上升的原因是热量扩展、冰川、冰盖以及极地冰层的消融。本世纪末，全球气温可能上升1.1℃~6.4℃，海平面将上升18厘米~59厘米。如果气温上升幅度超过1.5℃，全球20％~30％的动植物物种面临灭绝；如果气温上升3.5℃以上，40％~70％的物种将面临灭绝。IPCC报告新论点世界各地区都将受到气候变化影响，受冲击最强烈的国家将是发展中国家。报告明确地预测了非洲、亚洲、拉美、极地、小岛屿国家等区域所面临的气候变化影响。IPCC报告新论点全球变暖将导致气候灾害更加普遍。热带风暴将更频繁、更猛烈地光顾。高温和暴雨天气将危害世界部分地区，导致森林火灾和病疫蔓延等后果。海平面上升将令沿海地区洪涝灾害增多、陆地水源盐化。一些地区饱受洪涝灾害的同时，另一些地区将在干旱中煎熬，遭遇农作物减产和水质下降等困境。

IPCC报告新论点这是2002年6月27日，桔红色的晚霞浮现在澳大利亚悉尼纳拉宾海滩的上空。由于空气污染严重，空气中的悬浮颗粒遭遇冷空气，透过阳光的照射便形成了如此灿烂的“晚霞”。

2002年11月25日，在德国法兰克福附近的一个发电厂上空，一道彩虹划过被污染的厂区。飞机尾气污染已成为重要的交通污染之一，却未引起人们足够的重视。这是2001年12月28日，一架飞机在夕阳的照耀下从澳大利亚悉尼上空飞过。温室效应使沙漠面积扩大

1979年9月北极冰原情况

2005年9月北极冰原情况

两者比较

《京都议定书》要点以1990年排放的温室气体为基数，在2008年至2012年间，实现平均减排5.2%，其中欧盟将减少8%，美国7%，日本和加拿大6%。议定书中还引入了三种灵活机制——排放贸易（ET）、联合履约（JI）和清洁发展机制（CDM）。巴厘岛路线图2007年12月15日，原定两周结束的在印尼巴厘岛举行的联合国气候变化大会在拖期一天后，最终通过了倍受世人关注的“巴厘岛路线图”。“巴厘岛路线图”主要内容包括：形成全球长期减排目标的共识，对于气候变化的影响如干旱和洪水等采取适应行动；进一步采取措施削减温室气体排放量；推广应对气候变化的技术；对于适应和减缓气候变化措施提供资金支持。

2.2.3对热泵工质的要求优良的热力学性能应具有良好的热物理性能应具有良好的化学稳定性与润滑油有良好的兼容性：可靠性与功耗。安全性：无毒、无刺激性、无燃烧及爆炸性应具有良好的电气绝缘性经济性：价廉易得不能造成对大气臭氧层的破坏不能引起全球气候变暖优良的热力学性能临界温度高于冷凝温度热泵的工作温度区间内有合适的饱和压力冷凝压力不能太高，热泵部件，较高工作压力希望有较低的标准沸点，低蒸发温度时热泵系统，真空流体比热容小，节流损失小绝热指数，排气温度单位容积制热量，机器尺寸热泵工质在给定区域内运行时，循环效率高良好的热物理性能工质的性质导热系数大、相变时传热性能良好，热交换器损失较低的粘度、较小的密度，流体阻力热泵工质的性质热力学性质

压力、温度、比容、焓、熵等热力学参数表达。物理性质电气性质声速汽化潜热安全性

代号安全类别代号安全类别旧新旧新R11R12R21R22R113R114R123R134a112111

A1A1B1A1A1A1B1A1R152aR290RC318R500R600aR717R718R7443b3a113a2

1A2A3A1A1A3B2A1A1安全性（综合毒性、可燃性）良好的化学稳定性压缩机排气阀附近，工质不分解与工质直接接触的金属、非金属材料不发生化学作用2.2.4热泵工质的种类和代号

概述热泵工质的种类热泵工质的代号概述蒸气压缩式热泵，凡在工作温度区间内能实现相变的物质，原则上均可作为制冷和热泵工质，但在工程实践中要综合考虑各种因素后择优采用。当工质沸点低时，一般只能作制冷工质使用。热泵工质的种类无机化合物：氨、水、二氧化碳等有机化合物：卤代烃、环状有机化合物、碳氢化合物（饱和和未饱和）、有机氧化物等单一工质：由同一种物质组成混合工质：由两种或两种以上的物质组成。共沸混合工质：压力恒定，相变温度相等，气液相成分相同。只有某些特定的单工质按某一比例混合时才有可能形成。非共沸混合工质：任意两种单工质组成的混合工质一般情况下均是。露点、泡点、温度滑移。热泵工质的代号无机化合物：R7**后为分子量，则氨、水、二氧化？？？有机化合物（分子式：CmHnFxClyBrz卤代烃：（2m+2=n+x+y+z）R（m-1）（n+1）xB（z）如：CF2Cl2

应该为：R？？；CHF2Cl

应该为：R？？（新方法）饱和碳氢化合物：（2m+2=n）R（m-1）（n+1）xB（z）如：CH4应该为：R？？；C3H8应该为：R？？。共沸混合工质：R5**后两位为序号，现已到R509非共沸混合工质：R4**后两位为序号，现已到R414，23新方法CFC问题，破坏臭氧层，Cl、H作用不同。为从代号上直接反映卤代烃对臭氧层的破坏程度，将它分为：CFC——氯氟烃HCFC——氢氯氟烃HFC——氢氟烃HC——碳氢FC——氟烃2.2.5传统热泵工质及其替代R11及其替代R12及其替代R22及其替代R502及其替代R11及其替代R11的特征单位容积制热量低，沸点较高（23.82℃

）。主要用于离心式压缩机和高蒸发温度的热泵。工作时其冷凝温度70℃

，供热水温度约68℃

。

R11的替代替代R11的过渡制冷剂是R123。（毒性，受控）近期R22过渡；远期R134a替代。长期替代物的另一种途径是R245ea（C3H3F5

）R12及其替代R12的特征十分安全和常用的热泵工质。在中等温度区内具有良好的工作特性。工作有较低的冷凝压力和排气温度，制热系数高，与矿物油任意互溶（常温）。广泛应用于往复式、螺杆式热泵机组中。

R12的替代替代R11的过渡制冷剂R22。（热力性能，系统）R134a被认为是R12最有可能的长期替代物。其他替代物：R152a、R142b（可燃性）R22其替代R22的特征应用最为广泛，综合性能独特且优秀。单位容积制热量很高，安全性好。排气温度较低，制热系数较高，与矿物油互溶性已经很好解决。目前各种形式热泵机组中都能采用。

R22的替代（四种被压缩机制造商认可的替代物）

R407c（R32/R125/R134a）压力容量近，商品化R134a，系统设计改进，润滑油（POE）R410a，R410b（R32/R125），系统重新设计R502及其替代R502的特征R502是共沸混合物（R115/R22—48.8/51.2）单位容积制热量高于R22，蒸发温度低时性能优。主要用于封闭式压缩机热泵系统。

R502的替代替代R502的过渡制冷剂是R22。一种长期替代物是R404A（R125/R143a/R134a—44/52/4）

另一种长期替代物是R507（R125/R143a—50/50）2.3蒸气压缩式热泵的压缩机2.3.1热泵用压缩机的特点和要求2.3.2活塞式压缩机2.3.3涡旋式压缩机2.3.4螺杆式压缩机2.3.5离心式压缩机返回首页2.3.1热泵用压缩机的特点和要求1.热泵用压缩机的工作温度范围更宽热泵用压缩机的工作温度范围与空调制冷用压缩机的工作温度范围不同。以空气源热泵为例，其压缩机至少要能在蒸发温度-15～+15℃，冷凝温度≤65℃下正常工作。其结果是压缩机工作的压比高，排气温度高，吸气密度小，质量流量下降。由于压比高，为提高容积效率，热泵压缩机应选用较小的相对余隙容积。由于压差大