第2章 热泵的理论循环

第二章

热泵的理论循环2.1逆卡诺循环（ReverseCarnotCycle）2.2劳仑兹循环（LorehzCycle）2.3蒸气压缩式热泵的理论循环2.4布雷顿循环（BragtonCycle）2.5斯特林（Stirling）循环2.6吸收式热泵理论循环2.7温差电热泵2.8CO2跨临界热泵循环第二章热泵的理论循环3热泵的工作原理与制冷的原理相同，但它们工作的温度范围不同。图中TA是环境温度，Te是低温物体的温度，Th是高温物体的温度。按热泵驱动功的型式，可把常见的热泵分为多种形式：（1）蒸气压缩式热泵；（2）吸收式热泵；（3）温差电热泵（热电热泵）；（4）蒸汽喷射式热泵。只讨论前三种型式热泵的理论循环。2.1逆卡诺循环（ReverseCarnotCycle）2.1逆卡诺循环（ReverseCarnotCycle）2.2劳仑兹循环（LorehzCycle）2.3蒸气压缩式热泵的理论循环蒸气压缩式热泵同蒸气压缩式制冷一样，其工作原理如图2-8所示。我们知道一台最简单的蒸气压缩式热泵是由压缩机、冷凝器、节流机构、蒸发器组成。2.3蒸气压缩式热泵的理论循环2.4布雷顿循环（BragtonCycle）布雷顿热泵理论循环应具有如下的条件：（1）气体在压缩机与膨胀机中的压缩和膨胀过程都是等熵过程；（2）气体与被冷却物体和加热物体之间必须在无温差情况下相互传热；（3）不计气体在高压热交换器与低压热交换器中流动阻力损失。2.5斯特林（Stirling）循环2.5斯特林（Stirling）循环实际上实现理论斯特林循环有一定困难，主要表现在：（1）图2-12中活塞的运动应是间歇的，这是难以实现的；（2）回热器应是无阻力的，其换热效率应是100％；（3）认为与外部热源的热交换是无温差的理想过程2.6吸收式热泵理论循环2.6吸收式热泵理论循环14卡诺循环热机效率逆卡诺循环的制热系数2.6吸收式热泵理论循环吸收式热泵以热能为动力，利用二元或多元工质对实现循环过程，与蒸气压缩式热泵相比，有如下特点：（1）可以利用各种热能驱动。除利用锅炉蒸汽的热能、燃气和燃油燃烧产生的热能外，还可利用废热、废气、废水和太阳能等低品位热能，热电站和热电冷联供系统等集中供应的热能，从而节省初级能源的消耗。（2）可以大量节约用电，平衡热电站的热电负荷。2.6吸收式热泵理论循环（3）吸收式热泵结构简单，运动部件少，安全可靠。除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运行时没有振动和噪声，安装时无特殊要求，维护管理方便。（4）以水或氨等为制冷剂，其消耗臭氧潜能值ODP（OzoneDepletionPotential）和全球变暖潜能值GWP（GlobalWarmingPotential）均为零，对环境和大气臭氧层无害。（5）吸收式热泵的性能系数低于蒸气压缩式热泵2.7温差电热泵

两接头之间的总导热系数电路中的电流电偶得温差电动系数电偶的电阻2.7温差电热泵温差电热泵（又称热电热泵、珀尔帖热泵）是建立在珀尔帖效应的原理上的。当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联结成电偶（如图），在这个电路中接上一个直流电源，并流过电流时，就发生能量的转移，在一个接头上放出热量，而在另一个接头上吸收热量。这种现象称为珀尔帖效应。2.8CO2跨临界热泵循环

CO2的临界温度接近环境温度，根据循环的外部条件，可实现三种循环。（1）亚临界循环（SubcriticalCycle）（2）跨临界循环（TranscriticalCycle）（3）超临界循环（HypercriticalCycle）2.8CO2跨临界热泵循环2.8.1CO2性能分析CO2是一种无毒、无害且不可燃的天然物质ODP值为0，其GWP值为1，是一种环境友好型的制冷剂211安全性CO2的饱和压力值较高222热物理性能不同制冷剂在不同温度下的饱和压力2.8.1CO2性能分析CO2的单位容积制冷量相当大232热物理性能不同制冷剂在不同温度下的单位容积制冷量2.8.1CO2性能分析在-30℃至-10℃时，CO2的压降最小当高于0℃时，只有氨的压降略小于CO2242热物理性能不同制冷剂在不同温度下的压力降与CO2的压力降的比值2.8.1CO2性能分析从-50℃到30℃，液态NH3的粘度比液态CO2的粘度平均高出89%随着温度的升高，两者相差比例越来越大252热物理性能温度（℃）-50-40-30-20-100102030粘度（厘泊）NH30.3570.3050.2640.2310.2050.1830.1640.1490.136CO20.1960.1810.1590.1380.120.1020.08610.07150.0508液态下CO2和NH3的粘度对比2.8.1CO2性能分析CO2三相点的压力为0.518MPa，温度为-56.6℃临界温度为31.1℃，临界压力为7.38MPa262热物理性能CO2三相图2.8.1CO2性能分析鉴于CO2的性质，一般来说，当环境温度高于30℃左右时，CO2循环过程就是一个跨临界过程CO2在跨临界循环过程中，会造成制冷量的减少以及压缩机功耗的增加。从而降