（水利工程专业论文）海水源热泵技术在天津港的应用和研究.pdf

中文摘要 本文首先介绍了海水源热泵在国内应用现状和在天津港的工程应用情况， 分析了传统的单级蒸气压缩式制冷的工作原理以及影响制冷循环的因素。在此 基础之上，研究了以海水作为提取和储存能量来源的海水源热泵空调制冷系统 原理，并对系统组成进行了介绍。 数据表明天津港所在渤海海域的海水状况，其水深、水温均较适宜作为海 水源热泵的冷( 热) 源。本文以天津港3 0 万吨级原油码头工程中海水源热泵 空调系统应用为例，研究了如何通过可靠的海水取水技术保证整个制冷系统稳 定运行，同时对系统进行了海岸井取水系统试验、低温换热器研究和末端地板 辐射采暖系统等试验，对实际应用中可能影响采暖效果的问题进行了大量研 究。 地板采暖试验首先根据单位地面面积的散热量表，得出地板表面温度与室 温的差值及相应的地板的散热量，利用m a t l a b 软件回归出此差值与相应的地 板散热量的关系曲线，利用此曲线与根据实验获得的地板散热量的曲线相比 较，试验比理论散热量高5 。然后用实验的方法给出了硬聚氯乙烯地板运行 时不同流量下的散热量曲线并为其应用提供了设计依据。试验对硬聚氯乙烯地 板表面温度及地板上方空气温度均匀性进行了研究，结果表明由于该地板各通 水水道之间成平行型排布，使得地板表面在进水口侧与回水口侧形成温度梯 度，且此温度梯度随供、回水温差的增大而增大。所以在工程应用中地板供、 回水温差设计适中，将会获得良好的采暖效果。研究结果表明：冬季，海水供 水温度较室外空气温度要高，且海水温度具有延迟性这就保证了较高的供热系 数；同样，夏季海水供水温度较室外空气温度低，从而保证了理想的制冷系数。 因此海水源热泵是综合利用能源的一种很有价值的方式，对于沿海城市来说是 比较理想的冷( 热) 源，值得推广使用。 关键词：资源，海水源热泵，制冷循环，天津港，取水技术，地板采暖 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h es e aw a t e rs o u r c eh e a tp u m pi nt h ed o m e s t i c a p p l i c a t i o na n de s p e c i a l l yi nt i a n j i np o r tp r o j e c t t h et r a d i t i o n a ls i n g l es t a g ev a p o r c o m p r e s s i o nt y p er e f r i g e r a t i o np r i n c i p l eo fw o r ka sw e l la st h ei n f l u e n c er e f r i g e r a t i o n c y c l ef a c t o rh a sb e e na n a l y z e d a b o v et h i sf o u n d a t i o n ，t h es e aw a t e rs o u r c eh e a tp u m p a i rc o n d i t i o n i n gr e f r i g e r a t i o ns y s t e mp r i n c i p l eh a sb e e ns t u d i e d ，w h i c ho r i g i n a t e sa s t h ee x t r a c t i o na n dt h ec u m u l a t i v ee n e r g y , a n di t ss y s t e mc o m p o s i t i o nh a sb e e n i n t r o d u c e d t h ed a t as h o wt h a tt h ew a t e rs i t u a t i o no ft i a n j i np o r ti nt h eb o h a is e a ，t h ew a t e r d e p t h ，w a t e rt e m p e r a t u r ea r es u i t a b l ef o rs e aw a t e ra sah e a tp u m pf o rc o l d ( h o t ) s o u r c e i nt h i sp a p e r , t h et i a n j i np o r tt o3 0 0 ，0 0 0 - t o nc r u d eo i lt e r m i n a lp r o j e c ti nt h e s e aw a t e r - s o u r c eh e a tp u m pa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma sa ne x a m p l e ，t h es t u d yo fh o w t h es e aw a t e rt h r o u g har e l i a b l et e c h n o l o g yt oe n s u r es t a b l eo p e r a t i o no ft h ee n t i r e r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，w h i l et h ec o a s to ft h es y s t e mt e s t w e l lw a t e rs y s t e m ，l o w t e m p e r a t u r ef o rr e s e a r c ha n dt h ee n do fr e h e a t e rr a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e m st e s t s ， p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h eh e a t i n ge f f e c t st h a tm a ya f f e c tal a r g en u m b e ro fr e s e a r c h i s s u e s t e s t f l o o rh e a t i n gf i r s tf l o o ra r e au n d e rt h ec o o l i n gu n i ts c a l e ，t od r a wt h ef l o o r s u r f a c et e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt h ec o r r e s p o n d i n ga m o u n to f h e a tt h ef l o o r , u s i n gm a t l a bs o f t w a r e ，t h er e t u r no ft h i sd i f f e r e n c ew i t ht h e c o r r e s p o n d i n ga m o u n to ff l o o rc o o l i n gc u r v e ，u s i n gt h i sc u r v ea n dt h ee x p e r i m e n tw a s b a s e do nt h ea m o u n to ff l o o rc o o l i n gc u r v ec o m p a r e dt ot e s t so fh i g hh e a td i s s i p a t i o n t h a nt h et h e o r e t i c a l5 a n dt h e nu s et h ee x p e r i m e n t a lm e t h o di sg i v e nr p v c r u n n i n gt h ef l o o ru n d e rt h ed i f f e r e n th e a tf l o wc u r v ea n di t sa p p l i c a t i o n sb a s e do nt h e d e s i g n p v c - ut e s tf o rt h ef l o o ra b o v et h ef l o o rs u r f a c et e m p e r a t u r ea n da i r t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yw e r es t u d i e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l o o ra st h ew a t e r c h a n n e l sb e t w e e nt h ep a s si n t oap a r a l l e l - t y p ea r r a n g e m e n t ，m a k i n gt h ef l o o rs u r f a c e i nt h ei n t a k es i d ea n db a c ks i d eo ft h ef o r m a t i o no ft h eo u t l e tt e m p e r a t u r eg r a d i e n t ， a n dt h i st e m p e r a t u r eg r a d i e n tw i t ht h es u p p l y ，r e t u r nw a t e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h e r e f o r e ，i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s f o rt h ef l o o r , t h ed e s i g no fm o d e r a t e t e m p e r a t u r eb a c k w a t e r ，w i l lb eag o o dh e a t i n ge f f e c t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i nw i n t e r ， t h es e aw a t e rt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a nt h eo u t d o o ra i rt e m p e r a t u r e ，a n dt h ew a t e r t e m p e r a t u r eh a sd e l a y e di tt oe n s u r eah j 【g hh e a tc o e f f i c i e n t s i m i l a r l y ，t h es u m m e rs e a w a t e l t e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a nt h eo u t d o o ra i rt e m p e r a t u r e ，t h u se n s u r i n gc o e 岱c i e n t o ft h ei d e a l r e f r i g e r a t i o n t h u st h es e aw a t e r - s o u r c eh e a tp u m pi s ak i n do f c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no f e n e r g yi nt h ew a yo fg r e a tv a l u ef o rt h ec o a s t a lc i d e si sa g o o dc o l d ( h e a t ) s o u r c e ，i ti sw o r t ht op r o m o t ea n du s e k e y w o r d s ：r e s o u r c e s ，s e a - w a t e r - s o u r c eh e a tp u m p ，w a t e r r e f r i g e r a t i o n c y c l e ，t i a n j i np o r t ，w a t e rt e c h n o l o g y ，f l o o rh e a t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：泽争、签字魄娜7 ) 年步月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤奎盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权一盘鲞苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 渤芗、 i 导师签名： 签字日期1 年j 月“日 签字日期 冶卅 叶蛔 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 能源问题已成为举世关注的焦点。海洋作为容量巨大的可再生能源在目前尚 未得到充分的开发。我国海岸线长达3 万多公里，拥有众多港口城市。天津作为 沿海港口城市之一，海洋资源极为丰富，海水源热泵空调系统正越来越受到人们 的关注。 尤其在当前建设资源节约型社会的形势下，热泵技术正以其不可替代的优 势，日益得到重视。在沿海地区推广使用海水源热泵技术供热制冷，对推动天津 港乃至滨海新区可再生能源在建筑领域的应用及相关产业的开发和发展起到重 要的作用，符合国家节能政策和产业发展的方向。 天津属北温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥需要供热，夏季湿热多雨需要 供冷。天津市地处中国华北平原的东北部，西北背枕燕山，东南面临渤海，海岸 线长约1 3 3 公里。天津沿海地区位于渤海湾西岸，在构造单元上属黄骅坳陷西 部的南部凹陷，老的基底岩层深埋于地下，上部覆盖着数百米至数千米厚新生 代地层，岸线平直，为典型的平原淤泥质海岸。天津滨海地区周围有便利的海 水资源，如果能够借助这些便利条件，适当推广海水源热泵，充分利用这些大量 存在的海水作热泵的冷热源，可大大节约供暖和空调所消耗的常规能源、电能、 地热和浅层地下水资源，缓解日趋紧张的能源压力，避免过渡开采地热和浅层地 下水造成的地面下降和地下水源污染的问题，在取得经济效益的同时，还能够取 得良好的社会效益。 海水源热泵技术是利用地球表面浅层水源( 海水) 吸收的太阳能和地热能而 形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低 位热能向高位热能转移的一种技术。冬季，大型热泵可以被用来进行区域内的集 中供热；夏季，大型热泵依靠类似原理又可完成以海水为能源的制冷供冷过程。 虽然海水源热泵由电力驱动，但由于其发热效率为电力消耗的4 倍，加上可以同 时制冷，能源转换效率会进一步提高。 因为海水比热较大，夏季海水温度较大气温度低，冬季较大气温度高，海水 作为冷热源有其得天独厚的优势。海水源热泵属水源热泵，系统除了作必要的 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 防腐处理外，热泵机组方面技术是相对成熟的，而解决海水取水问题是海水源 热泵技术的关键。海水取水技术内容包括取水方式和供水参数。供水参数的水 温、水质和水量等直接影响海水源热泵系统的运行效果，并且决定了整个热泵 系统的初投资及运行和维修维护费用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前，海水源热泵的研究与应用主要集中在中、北欧各地区，如瑞典、瑞士、 奥地利、丹麦等国家，尤其是瑞典，在利用海水源热泵集中供热供冷方面已有先 进而成熟的经验。位于瑞典斯德哥尔摩市苏伦图那的集中供热供冷系统是目前世 界上最大的集中供热供冷系统，其制热制冷能力为2 0 0 i 唧，管嘲延伸距岸边最长 达2 0 k i n 。该工程建于八十年代中期，位于波罗的海海边，是利用海水制热制冷 的典范，近几年瑞典利用海水集中供热供冷发展非常迅速，预计在未来十年中将 突破5 0 0 g w h 的能力。 1 9 8 7 年，挪威的s t o k m a r k n e s 医院，建筑面积1 4 0 0 0 m 2 ，采用了海水源热泵 来解决其漫长冬季的的供热问题，同时采用一台燃油锅炉来满足其峰值负荷，该 热泵的供热能力为2 2 0 0 m w h 年。自运行以来，每年可节能1 2 3 5 m w h ，节约运行费 用3 1 ，7 4 3 ，同时可减少c 0 2 排放量8 0 0 t ，减少s 0 2 排放量5 5 t 。 1 9 9 2 年h a l i f a x 滨海地区的p u r d y sw h a r f 办公商用综合楼，建筑面积 6 9 0 0 0m 2 。该地区每年大约有十个半月需要供冷，而其海水水下2 3 m 处全年水温 一般在i o 。c 以下，因此该综合楼采用了海水源热泵系统为其供冷。经过运行证 明，该热泵系统较传统制冷系统多投资的费用在两年内即可回收，具有明显的节 能效果。 1 2 2 国内研究现状 在国内，早期的海水利用主要集中在利用海水进行工业冷却上，关于海水作 为空调冷热源的问题，1 9 9 6 年青岛理工大学的于立强教授针对青岛东部开发区 1 4 0 0 0 0m 2 建筑的冷热源选择提出了建设海水冷热源大型热泵站的可行性分析。 2 0 0 2 年天津科技大学陈东博士提出以海水作为冷热源，应用大型热泵制冷 系统，为沿海城市集中进行冷暖供应的方案，并进行了一系列的分析说明犯 。 我国第一个海水源热泵项目于2 0 0 4 年在青岛发电厂建成使用。该厂总面积 达1 8 7 1 平方米的职工食堂，成为我国第一个供热不需要煤炭、油料，只使用海 水提供采暖的建筑。此外，大连市星海假日酒店海水源热泵中央空调工程也投入 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 使用，其海水源热泵中央空调为4 万平方米的建筑提供制冷和采暖。 2 0 0 8 年，作为北京奥运会主要比赛场馆之一的青岛奥帆中心，也采用了海 水源热泵空调系统，这是在国内大型公共建筑首次成功应用海水源热泵技术。其 运行费用仅为普通中央空调的5 0 6 0 。与传统供热方式相比，海水源热泵供 热要比电锅炉供热节省2 3 以上的电能，比燃煤锅炉节省1 2 以上的能量，节约 了大量能源和运行费用，显示出巨大的节能潜力。 1 3 天津港海水资源及海水源热泵应用现状 海水根据垂直深度上温度的差异可以分为表层、次表层和深水层。表层海水 由于受太阳辐射、潮汐、气候、海流等因素的影响，其温度一般夏季偏高，冬季 偏低；次表层海水温度则变化不大，深度有限，取用方便，可直接作为城市空调 的天然冷( 热) 源；深层海水由于深度大，取用不便，一般不作为城市空调的冷 源。 天津港地处渤海湾西部，拥有丰富的海水资源。渤海平均水深1 8 米，夏季表 层水温变化明显，但次表层温度仍低于2 0 ，是城市空调的良好天然冷源；冬季 次表层海水温度在5 以上，能满足热泵机组运行条件。因此，渤海次表层海水 深度在l o - - - 3 0 0 m 之间，夏季温度在1 2 - - - 2 2 范围内，冬季温度在5 以上，具备 作为大规模空调天然冷源的条件n ，。 在天津港，海水源热泵的应用正在逐步兴起。2 0 0 4 年，天津港船闸所采用了 l s b lg r s 型热泵机组，经过一年多的实际使用，运行稳定，效果良好h 3 。此后， 又有企业尝试应用海水源热泵，都取得了很好的效果。因此，海水源热泵技术在 天津港应得到进一步推广使用。 1 4 本文主要研究内容 本文在传统的单级蒸气压缩式制冷技术工作原理的基础之上，研究了以海 水作为提取和储存能量来源的海水源热泵空调制冷系统原理，并依托天津港3 0 万吨级原油码头工程进行了海水源热泵空调系统技术研究，对系统取水技术、 防腐技术、低温换热技术和高效末端地板辐射采暖系统等实际应用中的问题进 行了探索和试验，具体工作如下： 1 对冬季的运行情况进行监测，证明海水源热泵空调系统供暖的可靠性。 2 通过实验，分析气温最低月份海水温度较空气温度的供暖稳定性，并根 据海水温度的变化，研究海水在一天中极值温度出现的延迟性。 3 海水源热泵在全天2 4 小时不间断的情况下，系统长期运行的可靠性。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 4 进行海岸井取水系统试验，对海水源热泵空调系统取水技术进行研究。 5 由于海水的强腐蚀性，对低温换热器的材质、工质以及尺寸进行研究和 计算。 6 进行换热系统末端地板辐射采暖系统试验，对硬聚氯乙烯地板的热工性 能进行研究，即对其在传热过程中的一些重要热工参数进行试验测定。 4 天津大学硕士学位论文第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 2 1理想制冷循环逆卡诺循环 液体气化制冷的工艺流程，如图2 - 1 。图中点划线以外部分为制冷段，氨 液( 制冷中称为制冷剂) 从贮液器经膨胀阀，降低了压力和温度。低压低温的 氨液流入蒸发器，吸收周围空气或物体的热量而气化，从而使室温或物体的温 度降低，以达到制冷的目的。 冷却刺 图2 1 液体气化制冷原理图 丁 t ： t ： b as 图2 2逆卡诺循环 图中点划线以内部分为液化段，它的作用是一方面使蒸发器内保持一定的 低压力；另方面使在蒸发器中气化了的制冷剂液化，重新流回贮液器，再去 制冷。液化的方法是使来自蒸发器的低压制冷剂增压，提高它的饱和温度，再 利用自然界中大量存在的常温空气或水( 统称冷却剂) ，使之在冷凝器内冷凝液 化。图2 一l 所示的制冷系统，采用压缩机使气态制冷剂增压，故称为蒸气压缩 式制冷5 | 。 可以看出，蒸气压缩式制冷的工作原理是使制冷剂在压缩机、冷凝器、膨 胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩、放热、节流和吸热四个主要热力过程， 以完成制冷循环。 卡诺循环分正卡诺循环和逆卡诺循环，均是由两个定温过程和两个绝热过 程组成。它是一个理想循环，其组成的各热力过程，与外界既无温差又无摩擦 天津大学硕士学位论文 第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 损失。图2 2 所示的1 2 3 4 1 是逆卡诺循环，也是理想制冷循环。逆卡 诺循环中，制冷剂( 工质) 沿绝热线3 4 膨胀，温度从t 。降低至t 。；然后， 沿定温线4 1 膨胀，在定温膨胀过程中工质在t 。温度下从被冷却物体吸收 热量q 。；工质再从状态1 被绝热压缩至状态2 ，温度从t 。升高至t 。；最后 沿定温线2 3 压缩，在定温压缩过程中，工质在t 。温度下向冷却剂放出热 量q 。 这样，每一制冷循环，通过l k g 制冷剂将热量q 。从低温物体( 或称低温热 源) 转移至温度较高的冷却剂( 或称高温热源) ，同时，所消耗的功量w 也转 变为热量而转移至冷却剂，即 q k = q o + w 循环中所消耗的功量等于压缩机的耗功量w 。与膨胀机的得功量w 。之差， 即w ：w 。_ w 。 制冷循环的性能指标用制冷系数e 表示，制冷系数为单位耗功量所能获取 的冷量，即 对于逆卡诺循环 e = q o e w q o - 五( s 广s t ) = e ( s 。一s 。) q k = t ( s z s s ) = t ( s 。一s n ) e w = q - 一q o = ( 一e ) ( s 。一s - ) ：玉坠型：? t ( t k t ：；) ( s a - s 。) t k t o ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 公式( 2 - 4 ) 说明，逆卡诺循环的制冷系数与制冷剂性质无关，仅取决于被 冷却物的温度t 。和冷却剂的温度t 。被冷却物温度越高，冷却剂温度越低， 制冷系数越高，制冷循环的经济性越好。而且，t 。的变化比t 。的变化对循 环的制冷系数影响更大。 逆卡诺循环中关键是两个定温过程，而只有液体的定压蒸发吸热过程和蒸 6 天津大学硕士学位论文第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 气的定压凝结放热工程是定温过程，所以，在湿蒸气区域内进行的制冷循环有 可能易于实现逆卡诺循环，如图2 - 3 。 ( a ) 工作流程 ( b ) 理想循环 图2 3蒸气压缩式制冷的理想循环 但是，理想制冷循环逆卡诺循环的一个重要条件就是制冷剂与被冷却 物和冷却剂之间必须在无温差情况下相互传热，可是实际的热交换过程总是在 有温差的情况下进行的，否则理论上将要求蒸发器和冷凝器应具有无限大的传 热面积，这当然是不可能的，显然，在这种情况下，制冷系数就不能认为只与 被冷却物和冷却剂的温度有关，还与热交换过程的传热温差有关。例如被冷却 水( 通常称为冷冻水) 在蒸发器中的平均温度为t 。，而冷却水在冷凝器中的 平均温度为t 。时，逆卡诺循环可用图2 4 中的l 一2 一3 一4 一1 表 示。由于有传热温差存在，蒸发器中制冷剂的蒸发温度t 。应低于t 。，t 。= t 。 一t 。；冷凝器中制冷剂的冷凝温度t 。应高于t 。，tk - - t 。+ t 。为了使l k g 制冷剂获得与逆卡诺循环相同的制冷量，图中面积b 4 1 a b 应等于面积 b 4 1 a b 。此时有传热温差的制冷循环1 2 3 4 1 所消耗的功量为面积1 2 3 4 1 ， 比逆卡诺循环多消耗的功量为斜线标出的面积。这种在有传热温差条件下由两 个定温过程和两个绝热过程所组成的制冷循环的制冷系数为 ：j l ；：玉二坚 t k t o ( t k + a t k ) 一( t o a t o ) ：二垒墨 ：j ( t t ) + ( t + t o )t k t o ( 2 - 5 ) 液体气化制冷的工艺流程，如图2 - 1 。图中点划线以外部分为制冷段，氨 液( 制冷中称为制冷剂) 从贮液器经膨胀阀，降低了压力和温度。低压低温的 7 天津大学硕士学位论文 第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 氨液流入蒸发器，吸收周围空气或物体的热量而气化，从而使室温或物体的温 度降低，以达到制冷的目的。 由此可见，有传热温差时制冷系数总要小于逆卡诺循环的制冷系数，因此， 在工程应用中应进行技术经济比较，以便选择合宜的传热温差，使初投资和运 行费的综合值最为经济。此外，还有许多实际原因使得逆卡诺循环不可能实现， 这留待以后具体分析。总之，所谓“理想”是指理论上是经济的，但实际上往 往是不可能的，而且也并不真正经济。所以，制冷系数不是衡量制冷装置经济 性的唯一指标。 图2 4 有传热温差的制冷循环 研究逆卡诺循环，是因为逆卡诺循环从理论上指出了提高制冷装置经济性 的重要方向，从而指导合理设计或研究高效能的热交换设备，以改进制冷装置 的经济性，节约能源消耗等哺1 。 2 2 蒸气压缩式制冷的理论循环 2 2 1 蒸气压缩式制冷的理论循环 实际采用的蒸气压缩式制冷的理论循环是由两个定压过程，一个绝热压缩 过程和一个绝热节流过程组成，如图2 - 5 。它与理想制冷循环相比，有以下三 个特点： 1 用膨胀阀代替膨胀机； 2 蒸气的压缩采用干压缩代替湿压缩： 3 两个传热过程均为定压过程，并且具有传热温差。 下面仅就前两个特点加以分析。 ( 一) 用膨胀阀代替膨胀机 理想制冷循环，为了能够充分利用制冷剂从高压液态变为低压状态过程的 膨胀功，设有膨胀机。这样做在理论上是经济的，但是在普通蒸气压缩式制冷 天津大学硕士学位论文第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 覃。 ( a ) 工作流程 ( b ) 理论循环 图2 5蒸气压缩式制冷的理论循环 的实践中并不合理。因为进入膨胀机的是液态制冷剂，一则它的体积变化不大， 再则机件特别小，摩阻大，以致使所能获得的膨胀功常常不足以克服机器本身 的摩擦阻力，因此蒸气压缩制冷装置中通常用膨胀阀代替膨胀机，以简化制冷 装置，同时还便于根据负荷变化调节进入蒸发器的制冷剂流量。 采用膨胀阀代替膨胀机，来自冷凝器的液态制冷剂在通过膨胀阀的节流过 程中有摩擦损失和涡流损失，同时，这部分机械损失又转变为热量，加热制冷 剂，将一部分液态制冷剂气化，所以，节流后的制冷剂状态4 比绝热膨胀后状 态4 的干度有所增加，比熵也有所增加，如图2 - 5 ( b ) 。这样，从图中可以看 出，在相同的蒸发温度和冷凝温度条件下，与理想制冷循环1 一2 一3 一4 一1 相比，有两部分损失： 1 由于节流过程是不可逆的过程，制冷剂吸收摩擦热，产生无益的气化， 降低了有效制冷量。每公斤制冷剂所能吸收的热量( 称为单位质量制冷能力) 减少aq 。，aq 。可用面积4 4 b b 4 表示。 2 损失了膨胀机的有用功。因次，每公斤制冷剂在制冷循环中所消耗的功 量就是压缩机的耗功量，即等于w 。，比理想制冷循环多消耗w 。，w 。可用面积0 3 4 0 表示。由于节流前后制冷剂的比焓不变，h 。= h 4 ，所以，面积0 3 4 0 等于面积 4 4 b b 4 。就是说，采用膨胀阀以后，所损失的功量都变成了热量，被制冷剂 吸收，因而减少了有效制冷量。 显然，采用膨胀阀代替膨胀机，制冷循环的制冷系数有所降低，其降低的 程度称为节流损失。节流损失大小除随冷凝温度与蒸发温度之差( t 。- t 。) 的增 加而加大以外，还与制冷剂的物理性质有关。由温熵图可见，饱和液线越平缓 ( 即液态制冷剂的比热越大) ，以及制冷剂的比潜热越小，或冷凝压力p 。越接近 其临界压力p 节流损失越大。这是因为，对理想制冷循环来说，冷凝温度和 9 天津大学硕士学位论文第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 蒸发温度一定时，制冷系数为定值，即比值q o w 为定值。如果液态制冷剂 的比热越大，损失的制冷量aq 。和膨胀功w 。均较大；而制冷剂的比潜热越小， 或冷凝压力越接近临界压力，则制冷量q 。越小，这样，尽管循环所消耗功量w 也要相应减少，但是，以膨胀阀替代膨胀机的制冷循环的制冷系数 ：旦0 二箜q ：q o - a q o ：将越d 、。 湘+ a qw 。 ( 二) 干压缩代替湿压缩 理想蒸气压缩制冷循环，为了实现两个定温过程，压缩机吸入的是湿蒸气， 这种压缩过程成为湿压缩。湿压缩有下列缺点： 1 压缩机吸入湿蒸气，低温湿蒸气与热的气缸壁之间发生强烈热交换，特 别是落在气缸壁上的液珠，更是迅速蒸发而占据气缸的有效空间，使压缩机吸 入的制冷剂质量减少，从而使制冷量显著降低。 2 过多的液珠进入压缩机气缸后，很难全部立即气化，这时，既破坏压缩 机的润滑，又会造成液击，使压缩机遭受破坏。 因此，蒸气压缩制冷装置在实际运行中严禁发生湿压缩现象，要求进入压 缩机的制冷剂为干饱和蒸气或过热蒸气，这种压缩过程称为干压缩。干压缩是 蒸气压缩制冷机正常工作的一个重要标志。 若实现干压缩，如图2 - 5 ( a ) ，可在蒸发器出口( 或附在蒸发器上) 增设 一个液体分离器。来自蒸发器的气态制冷剂先进入液体分离器，降低气流速度， 改变气流运动方向，使气流中混有的较重的液滴分离，沉于分离器底部，再返 回蒸发器。分离器上部的干饱和蒸气则被压缩机吸走，以保证干压缩。这样， 进入压缩机的制冷剂状态点位于饱和蒸气线上，如图2 - 5 ( b ) 中的1 点。制冷 剂的绝热压缩过程在过热蒸气区进行，即从状态点1 起，直至与冷凝压力p 。线 相交为止，压缩终了状态点2 是过热蒸气。因此，制冷剂在冷凝器中并非定温 凝结过程，而是定压过程。 采用干压缩，制冷循环的制冷量和耗功量的变化，如图2 - 5 ( b ) ，采用膨 胀阀的湿压缩制冷循环1 - - 2 - * 3 一4 一1 中，制冷剂的单位质量制冷 能力为q o ( 面积a 1 4 b a ) ，单位质量耗功量为w 。( 面积1 2 3 0 1 ) ，制 冷系数= q 0 w 。而采用膨胀阀的干压缩制冷循环1 2 3 4 1 ( 也就是 实际蒸气压缩制冷的理论循环) ，单位质量制冷能力增力t l a q 。( 面积a 1 1 a a ) ， 单位质量耗功量增加w 。( 面积1 2 2 ，1 ，1 ) 。此时，制冷系数e = 鱼立竺堕， k + a w e 与制冷系数相比，分子和分母均有所增加，难于直接判断优势。但是，采 用干压缩后，对于大多数制冷剂来说，制冷系数将有所降低，其降低的程度为 l o 天津大学硕士学位论文 第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 过热损失，它与制冷剂性质有关，一般来说节流损失大的制冷剂，过热损失较 小，而且，p 。p k r 越大，过热损失会越大。 综上所述，实际采用的蒸气压缩制冷理论循环的制冷系数，除与低温和高 温热源的温度有关以外，还与制冷剂的热力性质有关。 2 2 2 改善蒸气压缩式制冷循环的措施 实际采用的蒸气压缩制冷理论循环有节流损失和过热损失，它的制冷系数 小于有传热温差的逆卡诺循环的制冷系数。因此，采取措施减小节流损失和过 热损失，提高制冷系数，对节省能量消耗非常必要。减小节流损失有再冷却和 回热两个措施；而采用具有中间冷却的多级压缩可以减少过热损失。 ( 一) 膨胀阀前液态制冷剂的再冷却 从图2 5 ( b ) 可以看出，对于同一种制冷剂，节流引起有效制冷量的减少主要 与节流前后制冷剂的温度差有关，温差越小，损失的制冷量越少。但是，蒸发 温度取决于所要求的冷冻水出口温度，冷凝温度取决于冷却剂的温度，而冷却 剂的温度又受自然条件限制。因此，要想减少冷凝温度和蒸发温度之差，就需 减少冷凝器好蒸发器的传热温差，但势必又将造成传热面积过大；因此没有实 际的经济意义。图2 - 6 所示为在冷凝器后面增设再冷却器，使冷却水先经过再 冷却器，然后进入冷凝器。这样，冷凝后的液态制冷剂可以在冷凝压力下被再 冷至状态3 。图中3 3 就是高压液态制冷剂在再冷却器中的再冷却过程。再 冷却所能达到的温度t 。称为再冷温度，冷凝温度与再冷温度之差a t 。称为再 冷度。 从图2 6 ( b ) 可以明显看出，由于液态制冷剂的再冷却，节流过程由3 4 变为3 一4 ，单位质量制冷能力增加aq 。( 面积a 4 4 b a ) ，而压缩机的耗功 量并未增加，因此，减少了节流损失，使制冷系数有所提高。 再冷却器也是热交换设备，由于充分利用了冷却水和制冷剂之间的温差， 从而提高了热交换效果。一般空气调节用的制冷装置可不单独设置再冷却器， 而是适当增大冷凝器面积，使冷却水与制冷剂呈逆流来达到此目的。此时，冷 凝器中存有一定液体，来自压缩机的过热蒸气在冷凝器中放出三部分热量，即： 2 2 过程放出的过热热量，2 一3 过程放出的比潜热，3 3 过程放出的再 冷热量。因此，冷凝器中制冷剂的压力不变( 冷凝温度不变) ，而制冷剂温度是 变化的。制冷剂的再冷温度取决于冷却水温度及再冷却器的传热面积，当然， 再冷温度不可能低于冷却水进口温度。 天津大学硕士学位论文第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 冷却水 冷冻水 ( a ) 工作流程( b ) 理论循环 图2 - 6 有再冷却器的蒸气压缩式制冷 ( 二) 蒸气回热循环 为了使膨胀阀前液态制冷剂的温度降得更低( 即增大再冷度) ，以便进一步 减少节流损失，同时又能保证压缩机吸入具有一定过热度的蒸气，可以采用蒸 气回热循环。 图2 - 7 所示为来自蒸发器的低温气态制冷剂1 ，在进入压缩机前先经过一 个热交换器回热器。在回热器中低温蒸气与来自冷凝器的饱和液3 ( 或再 冷液) 进行热交换，低温蒸气l 定压过热到状态1 ，而温度较高的液体3 被定 压再冷却到状态3 。回热循环1 一2 一3 3 一4 一1 1 中，3 3 为 液体的再冷却过程，1 一l 为低压蒸气的过热过程，过热后的蒸气温度t s h 称为 过热温度，过热温度与蒸发温度之差a t 。巾称为过热度。 根据稳定流动连续定理，流经回热器的液态制冷剂和气态制冷剂的质量流 量相等。因此，在对外无热损失情况下，每公斤液态制冷剂放出的热量应等于 每公斤气态制冷剂吸收的热量。也就是说，单位质量制冷剂再冷所增加的制冷 能力aq ( 面积a 1 1 a a ) 。由于有了回热器，虽然单位质量制冷能力有所增 加，但是，压缩机的耗功量也增加了w 。( 面积1 1 2 2 1 ) 。因此，回热式蒸 气压缩制冷循环的理论制冷系数是否提高，应具体分析。它与制冷剂的性质和 工作温度的上下限有关。 从图2 7 ( b ) 知，对于回热式蒸气压缩制冷循环，由于压缩机吸入过热蒸 气所多消耗的功量可靠高压液态制冷剂的再冷却弥补。但是，如果蒸发器与压 缩机之间管路过长，从而引起低压低温气态制冷剂过热，必导致压缩机耗功量 1 2 天津大学硕士学位论文 第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 无谓的增加，这种过热度是有害过热度，为此，蒸发器与压缩机之间的管路应 用绝热材料保温。 ( a ) 工作流程 ( b ) 理论循环 图2 7回热式蒸气压缩制冷 ( 三) 多级压缩 为了减少过热损失，可以采取具有中间冷却的多级压缩制冷循环，如图2 8 中的制冷循环1 2 一2 ”一2 ”一2 3 4 1 。低压饱和蒸气1 从压力p 。 先被压缩至中间压力p ，经冷却后，再被压缩至中间压力p ：，再经冷却， 最后被压缩至冷凝压力p 。这种多级压缩可使2 一2 ”一2 ”一2 这段压缩 过程接近定温压缩( 级数越多越接近) ，它不但降低了压缩机的排气温度，同时， 可以减少过热损失，减少压缩机的总耗功量。 采用具有中间冷却的多级压缩制冷循环，虽然可以提高循环的制冷系数， 却要增加压缩机等设备投资，一般只有当压缩比p 。p 。大于8 - - - - 1 0 时才采用。 气乜、 心r 斌? l 气。 4l 、 s 图2 8多级蒸气压缩式制冷循环 天津大学硕士学位论文 第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 2 3 蒸气压缩式制冷的实际循环 虽然实际采用的蒸气压缩制冷的理论循环，但是，实际循环又与理论循环 有不少差别，因为，理论循环忽略了以下三方面问题。 1 制冷剂在压缩机中被压缩过程中，气体内部以及气体与气缸壁之间的摩 擦，和气体与外部的热交换。 2 制冷剂流经压缩机进气阀和排气阀的节流损失。 3 制冷剂通过管道、冷凝器和蒸发器等设备时，制冷剂与管壁或器壁之间 的摩擦以及与外部的热交换。 pk p0 s 图2 - 9 蒸气压缩式制冷的实际循环 图2 - 9 中过程线1 2 3 4 一l 所组成的循环是蒸发压力为p 。，冷凝压力 为p 。时，蒸气压缩制冷的理论循环。如果，蒸发器入口制冷剂的压力仍为p 。， 冷凝器出口制冷剂的状态仍为点3 ，考虑了上述三方面的影响以后，采用活塞 式压缩机时，蒸气压缩制冷的实际循环应为1 一1 ”一a b c 一c d 一2 一3 4 一1 。 ( 1 ) 过程线1 一1 ”低温低压气态制冷剂由蒸发器经管道流至压缩机进 气阀过程中，由于沿途摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的热量，所以制冷剂 的压力稍有降低，温度有所升高。 ( 2 ) 过程线1 ”一a低温气态制冷剂通过进气阀时被节流，制冷剂的压 力降至p 。 ( 3 ) 过程线a b 低温气态制冷剂进入气缸后至被压缩前( 即压缩机的吸 气过程) ，由于气缸壁( 包括进气阀) 温度较高，制冷剂吸收气缸壁的热量，故 温度有所上升，而压力仍为p ，。 ( 4 ) 过程线b c 这是气态制冷剂在压缩机中的实际压缩过程线。开始被 压缩时，由于制冷剂内部和制冷剂与气缸壁之间有摩擦，以及制冷剂的温度低 1 4 天津大学硕士学位论文第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理 于气缸壁的温度，所以，制冷剂处于吸热压缩过程，比熵有所增加。当制冷剂 被压缩至高于气缸壁的温度时，制冷剂将向气缸壁散热，变为放热压缩过程， 比熵有所减小，直到压力升至p ：。对于氨压缩机，由于气缸头部被冷却水冷却， 排气过程中高压气体被进一步冷却，制冷剂的比熵会减少得更多一些，如图中 c _ c 。 ( 5 ) 过程线c d 制冷剂从压缩机气缸排出时，经过排气阀被节流，其比 焓基本不变，但压力有所降低。 ( 6 ) 过程线d 一2 高压气态制冷剂从压缩机气缸排出后，经管道至冷凝器， 由于沿途存在摩擦阻力和局部阻力，以及对外散热，制冷剂的压力和温度均有 所降低。 ( 7 ) 过程线2 一3 气态制冷剂在冷凝器中被冷凝成液态。由于制冷剂流 经冷凝器的途中有摩擦和涡流，所以冷凝过程并不是定压过程，根据冷凝器型 式的不同，其压力有不同程度的降低。 ( 8 ) 过程线3 4 液态制冷剂通过膨胀阀减压、降温后，经管道进入蒸发 器。由于减压后温度大幅度降低，尽管该段管道有保温，制冷剂还会从外部吸 收一些热量，所以，制冷剂的比焓稍有增加。 ( 9 ) 过程线4 一1 制冷剂经过蒸发器吸热变成气态，此时也与冷凝器相 似，由于流动途中存在摩擦和涡流，蒸发过程也不是定压过程，随蒸发器型式 的不同，压力有不同程度的降低。 综上所述，由于存在摩擦、涡流等阻力，以及与外界有热量交换，蒸气压 缩式制冷的实际循环与理论循环相比，实际能够获得的制冷量稍有减少，实际 所消耗的功率有所增加，因此，实际循环的制冷系数将小于理论循环的制冷系 数。 由于蒸气压缩制冷的实际循环比较复杂，难于细致计算，所以一般均以理 论循环作为计算基础。但是在选择压缩机及其配用的电动机，确定制冷剂管道 直径，计算蒸发器和冷凝器的传热面积以及进行机房设计时，都应考虑这些影 响因素，以保证实际需要，并尽量减少制冷量的损失和耗功率的增加，提高系 统的实际制冷系数。 天津大学硕士学位论文第二章海水源热泵空调系统 第三章海水源热泵空调系统 3 1海水源热泵空调系统的概念和工作原理 3 1 1 海水源热泵空调系统的概念 海水源热泵空调系统是利用地球表面浅层水源( 海水) 吸收的太阳能和地 热能而形