第2章蒸氣壓縮式熱泵的工作原理2.1蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)2.2蒸氣壓縮式熱泵的工質2.3蒸氣壓縮式熱泵的壓縮機2.4蒸氣壓縮式熱泵機組2.5蒸氣壓縮式熱泵的故障分析與處理2.1蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)2.1.1單級蒸氣壓縮式熱泵的工作過程2.1.2單級蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)的表示2.1.3單級蒸氣壓縮式熱泵的實際循環(huán)2.1.1

單級蒸氣壓縮式熱泵的工作過程1-壓縮機2-冷凝器3-節(jié)流裝置4-蒸發(fā)器工作過程模擬2.1.2單級蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)在P-h圖上的表示1.壓焓圖2.熱泵循環(huán)在P—h圖上表示2.1.3單級蒸氣壓縮式熱泵的實際循環(huán)1.實際循環(huán)在狀態(tài)圖上的表示2.實際循環(huán)與理論循環(huán)的區(qū)別壓縮過程不是等熵過程。熱交換器中存在傳熱溫差tc>t

，te<t'

。

工質流動過程中有壓力損失。節(jié)流過程不完全是絕熱過程。循環(huán)系統(tǒng)中存在不凝性氣體。3.單級蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)的熱力計算(1)單位質量吸熱量

(kJ/kg)(2)單位理論壓縮功

(kJ/kg)(3)單位實際壓縮功

(kJ/kg)(4)單位理論制熱量

(kJ/kg)(5)單位實際制熱量

(kJ/kg)(6)工質循環(huán)流量

(kg/s)3.單級蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)的熱力計算(7)熱泵制熱量

(kW)(8)壓縮機的實際功率

(kW)(9)熱泵實際制熱系數(shù)熱力計算實例參考教材例題3.單級蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)的熱力計算2.2

蒸氣壓縮式熱泵的工質2.2.1熱泵工質的發(fā)展歷程2.2.2熱泵工質與環(huán)境保護2.2.3對熱泵工質的要求2.2.4常用的熱泵工質2.2.5熱泵工質的熱力性質計算原理2.2.1熱泵工質的發(fā)展歷程從歷史上看，工質的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：早期工質階段(1830～1930年)氯氟烴CFCs與含氫氯氟烴HCFCs工質階段(1930～1990年)氫氟烴HFCs和天然工質為主的綠色環(huán)保工質階段(1990年至今)2.2.2熱泵工質與環(huán)境保護1.CFC對臭氧層的破壞作用及溫室效應

當CFCs類物質在大氣中擴散、上升到臭氧層時，在強烈的紫外線照射下才發(fā)生分解，釋放出氯離子，與O3分子作用生成氧化氯分子和氧分子。氧化氯又能和大氣中游離的氧原子作用，重新生成氯離子和氧分子。這樣循環(huán)反應產(chǎn)生的氯離子就不斷地破壞臭氧層。

由于CFC化學性質穩(wěn)定，當在大氣中存在量較大時，能長時間地存在并能穩(wěn)定的吸收太陽熱，導致大氣溫度上升，引起所謂的“溫室效應”。2.2.2熱泵工質與環(huán)境保護1.CFC對臭氧層的破壞作用及溫室效應2.2.2熱泵工質與環(huán)境保護2.環(huán)境保護及CFC替代物的選擇1987年9月聯(lián)合國在加拿大的蒙特利爾舉行“大氣臭氧層保護會議”，會上24個國家簽訂了“關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書”。1991年6月我國政府在肯尼亞首都內羅畢召開的第三屆締約國會議上正式宣布加入《議定書》倫敦修正案，并于1992年8月10日生效。2003年4月我國又進一步加入了《議定書》哥本哈根修正案。以氫氟烴HFCs和天然化合物代替CFC，具體參見表2-3。2.2.3

對熱泵工質的要求工質熱物理性質方面

工質傳熱性能好，應有較高的導熱系數(shù)和放熱系數(shù)，粘度小、循環(huán)效率高等要求。工質的環(huán)境特性以ODP、GWP來衡量。其它方面要求應具有良好的化學穩(wěn)定性、對人體無害、經(jīng)濟性好、有一定吸水性等方面要求。2.2.4

常用的熱泵工質1.R22ODP小，GWP小，屬于HCFs類工質。沸點-40.8℃，凝固點-160℃。毒性比R12略大，無色無味，不燃不爆，安全。溶水性稍大于R12，系統(tǒng)內應裝設干燥器。部分與礦物潤滑油互溶。化學性質不如R12穩(wěn)定，對有機物的膨潤作用更強。對金屬與非金屬的作用以及泄漏特性都與R12相似。應用：家用空調器、低溫設備、中型冷水機組、工業(yè)制冷裝置，能制取-80℃以上的低溫。2.2.4

常用的熱泵工質2.R134aODP=0，GWP=1430。沸點-26.25℃，凝固點-101℃。毒性非常低，不燃不爆，安全?；瘜W穩(wěn)定性很好，溶水性比R12強得多，對系統(tǒng)干燥和清潔性要求更高，用與R12不同的干燥劑。與礦物潤滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯類。應用：R12的替代物，電冰箱、汽車空調、離心式制冷機中，是目前發(fā)展最快的HCFs類工質。2.2.4

常用的熱泵工質3.R1234yfODP=0，GWP=4，沸點-29.45℃。分子中不含氯原子,分解產(chǎn)物與R134a相同,R1234yf對氣侯環(huán)境的影響幾乎可以忽略。對制冷設備中所有常用金屬材料不具有活性和腐蝕性,包括碳鋼、不銹鋼、銅和黃銅等。但可與鋁、鎂、鋅反應,尤其是除去表面氧化層的鋁、鎂、鋅等設備中要禁用。

應用：因其熱力性質與汽車空調中廣泛應用的R134a非常相近，被公認為很有發(fā)展前景的環(huán)保替代工質。2.2.4

常用的熱泵工質4.R142b5.R227ea請參考教材總結工質特性及應用領域。6.R407C7.R410A2.2.5

熱泵工質的熱力性質計算原理

熱力計算的目的是要計算出熱泵循環(huán)的性能指標，為壓縮機及換熱器的設計或選配提供必要的數(shù)據(jù)。

計算熱泵工質的熱力性質常用四個基本方程，即狀態(tài)方程、飽和蒸汽壓方程、飽和液體密度方程、理想氣體比定壓熱容方程。對于其它沒有被這四個基本方程描述的熱力參數(shù)，可以根據(jù)熱力學一般關系式，由基本方程推導計算得到工質R1234yf的熱力計算實例1.狀態(tài)方程式中Tr=T/Tc；T——溫度（K）；Tc——臨界溫度（K），Tc=367.85K；

p——壓力（1×105Pa）；

v——比體積（m3/kg）；Ai，Bi，Ci——MH-59方程常數(shù)項，A1=0，B1=R，

R=72.908383J/(kg?K)，C1=0，B4=0，C4=0，

其他常數(shù)見表2—5?！R界密度（kg/m3），。，

；2.飽和蒸氣壓力方程式中

——臨界壓力（kPa），=3382.2kPa。

3.飽和液密度方程式中

——飽和液體密度（kg/m3）;；工質R1234yf的熱力計算實例4.理想氣體比定壓熱容方程式中

——理想氣體比定壓熱容[kJ/(kg·K)]。5.汽化潛熱方程由Clausius-Clapegron方程可以導出汽化潛熱的計算公式工質R1234yf的熱力計算實例6.熵方程工質R1234yf的熱力計算實例7.焓方程工質R1234yf的熱力計算實例2.3蒸氣壓縮式熱泵的壓縮機2.3.1熱泵用壓縮機的特點和要求2.3.2活塞式壓縮機2.3.3渦旋式壓縮機2.3.4螺桿式壓縮機2.3.5離心式壓縮機2.3.1

熱泵用壓縮機的特點和要求1.熱泵用壓縮機的工作溫度范圍更寬熱泵用壓縮機的工作溫度范圍與空調制冷用壓縮機的工作溫度范圍不同。以空氣源熱泵為例，其壓縮機至少要能在蒸發(fā)溫度-15～+15℃，冷凝溫度≤65℃下正常工作。其結果是壓縮機工作的壓比高，排氣溫度高，吸氣密度小，質量流量下降。

由于壓比高，為提高容積效率，熱泵壓縮機應選用較小的相對余隙容積。由于壓差大，在機械結構方面要加大軸承的支承面積和改進軸承材料，保護軸承中的承載油膜，減低磨損程度。還有，熱泵要在十分寬廣的溫度范圍工作，這必然會在某些工況下系統(tǒng)中出現(xiàn)過多的制冷劑。為此，必須要將此多余制冷劑貯存在適當?shù)娜萜髦?。熱泵用壓縮機的工作溫度范圍更寬

封閉式壓縮機中排氣溫度高容易引起內置電動機和壓縮機過熱的現(xiàn)象。必須在電機繞組內設置溫度傳感器或繼電器，以達到可靠地保護電動機的目的。繞組也應該選用改進的高強度絕緣線和環(huán)氧浸漬工藝，以提高電動機的在高溫時耐制冷劑—潤滑油混合物的能力。熱泵用壓縮機的工作溫度范圍更寬2.熱泵用壓縮機的抗液擊能力更強在空氣源熱泵機組中，壓縮機的工作方式往往供熱、制冷交替使用。例如除霜過程的開始和結束時，系統(tǒng)要反向運行。在原冷凝一側中所積聚的液體工質由于其中壓力突然降低為吸氣壓力而會大量涌向壓縮機的機殼，與其中的潤滑油相混合后劇烈沸騰，導致過多的液體進入氣缸，出現(xiàn)壓縮機的液擊現(xiàn)象。會導致氣閥、連桿的損壞和壓縮機的不正常振動和響聲。為此，必須要防止工質不受控制地進入壓縮機，將此多余制冷劑貯存在適當?shù)娜萜髦?。所以，在壓縮機的吸氣管和換向閥之間裝設的氣液分離器成為系統(tǒng)中必不可少的部件。液擊危害2.3.2

活塞式壓縮機工作過程模擬全封閉式活塞壓縮機全封閉式壓縮機結構圖壓縮機的理想工作過程示功圖2.3.3

渦旋式壓縮機工作過程工作過程模擬數(shù)碼渦旋演示

負載(1) 缷載(0)

滿負荷

零負荷8秒滿負荷零負荷例子:20%輸出2秒渦旋間分離1亳米零負荷滿負荷5秒例子:50%輸出5秒渦旋數(shù)碼變容調節(jié)技術2.3.4

螺桿式壓縮機工作過程模擬螺桿壓縮機的能量調節(jié)多采用滑閥調節(jié)，滑閥可通過手動、液動或電動方式使其沿著機體軸線方向往復滑動，改變螺桿有效工作長度達到能量調節(jié)的目的。其工作過程參考單螺桿滑閥工作動畫。單螺桿滑閥工作動畫模擬2.3.5

離心式壓縮機1-機體2-葉輪3-擴壓器4-蝸殼5-主軸6-導流葉片能量調節(jié)裝置工作過程模擬機組吸氣口導流葉片調節(jié)機構2.4

蒸氣壓縮式熱泵機組2.4.1空氣／空氣熱泵機組2.4.2空氣／水熱泵機組2.4.3水／水熱泵機組2.4.4水／空氣熱泵機組2.4.1

空氣／空氣熱泵機組

熱泵型窗式空調器工作原理圖變制冷劑流量多聯(lián)機系統(tǒng)2.4.2

空氣／水熱泵機組螺桿式風冷熱泵機組工作流程圖2.4.3

水／水熱泵機組2.4.4水／空氣熱泵機組2.5

蒸氣壓縮式熱泵的故障分析與處理故障分析的基本方法一、

觀察1．看壓力、溫度、電流表等指示情況2．看油面、液面等指示情況3．看低壓段結霜、結露情況4．看冷卻水流量大小5．看運行記錄所顯示的數(shù)據(jù)變化趨勢二、

細聽1．聽壓縮機運轉聲音2．聽系統(tǒng)設備運轉聲音3．聽制冷劑流動聲音4．聽管理人員反映系統(tǒng)運行情況及異常現(xiàn)象故障分析的基本方法三、

觸摸1．觸摸管路和閥門運行時的冷熱變化情況2．觸摸壓縮機各部位運行時溫度變化情況3．觸摸壓縮機冷凝機組等設備運行時震動的情況4．觸摸各連接部位是否有油漬四、分析1．分析制冷壓縮機故障原因2．分析系統(tǒng)的故障原因3．分析水系統(tǒng)的故障原因4．分析電氣系統(tǒng)的故障原因2.5

蒸氣壓縮式熱泵的故障分析與處理

常見故障類型系統(tǒng)常見故障有：

①泄漏②臟堵③冰堵壓縮機常見故障有：①電動機拖不動②閥板嚴重泄漏

③軸封滲漏

④壓縮機有敲擊聲

⑤壓縮機工作壓力不正常⑥壓縮機工作溫度不正常故障處理重點在分析診斷，羅列所有可能原因再逐一排除！思考題1.蒸氣壓縮式熱泵由哪些基本設備組成？畫出示意圖并標明熱泵