113 冷热概要-蒸气压缩式热泵

        蒸气压缩式热泵装置构成：以热泵热水器为例，其基本构成如下图所示。

        由图可见，装置由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器构成，装置中循环流动热泵工质；装置的构成及各部件功能与蒸气压缩式制冷装置相似，但循环工质通常不同，工作温度范围和运行目的也不同，部件精细结构和调控方法也不同。各部件简介如下。

        ●压缩机：消耗电能，吸入低温低压工质蒸气（如3atm、20℃）压缩为高温高压工质蒸气（如10atm、90℃）；与制冷压缩机的主要不同为：当热泵制热温度较高时，压缩机内材料耐温需较高；工质除霜时，可能有液态工质进入压缩机，需有较好的耐液击设计；制热运行启动时，可能压缩机内润滑油温度较低，压缩机启动时可能润滑油起泡沫从而使液滴进入压缩腔，需有相关措施防止损坏压缩机；需采用适宜措施回收压缩机壳体散热。

        ●冷凝器:是热泵实现制热的部件，即压缩机送入的高温高压工质蒸气在冷凝器中放热来加热需要热能的介质（如热水等），工质出冷凝器时变为高压中温液态（如10atm、40℃）。

        冷凝器的型式随需要加热的介质和热泵制热量大小的不同而不同；当需要加热的介质为气体时（如热泵空调、热泵干燥装置等），冷凝器通常采用翅片管式换热器；当需要加热的介质为液体（如热泵热水器等）且制热量较大时，冷凝器通常采用套管式、板式、壳管式等型式，当制热量较小时，冷凝器可直接放在热水筒体中。

        ●膨胀阀：高压中温液态工质经膨胀阀变为低温低压工质湿蒸气（如3atm、20℃、干度0.2～0.3）。

        热泵的膨胀阀通常需要选取允许工质双向流动的膨胀阀。

        ●蒸发器：从低温热源（如环境空气等）吸收低温热能的部件；比环境温度更低的低温低压工质湿蒸气在蒸发器中等温等压蒸发汽化吸收环境热能，出蒸发器时变为低温低压工质蒸气（如3atm、20℃），再进入压缩机开始下一个循环。

        热泵的蒸发器与制冷装置中的蒸发器也有所不同。低温热源介质为空气时，需考虑除霜和换热的综合优化；低温热源介质为水时，需避免蒸发器的冻胀损坏。

       蒸气压缩式热泵的基本理论循环：在温-熵图上的表示如下图所示。

        ●四个状态点

         1-低温低压饱和蒸气：出蒸发器、进压缩机的工质状态。

        2-高温高压过热蒸气：出压缩机、进冷凝器的工质状态。

        3-中温高压饱和液：出冷凝器、进膨胀阀的工质状态。

        4-低温低压湿蒸气：出膨胀阀、进蒸发器的工质状态。  

        ●四个过程

        1→2 压缩过程：工质等熵升压升温，消耗电或功；

        2→3 制热过程：工质等压降温-冷凝放热；

        3→4 节流过程：工质等焓降压降温；

        4→1 吸热过程：工质等压蒸发吸热。

        性能指标

        制热量：

Q_C=m(h₂-h₃)

        压缩机功率：

P=m(h₂-h₁)

        制热系数：

COP_HP=Q_C/P =(h₂-h₃)/(h₂-h₁)

        式中，Q_C为制热量，kW；P为压缩机功率，kW；COP_HP为制热系数，无因次；m为工质质量流量，kg/s；h₁为工质进压缩机（出蒸发器）的焓，kJ/kg；h₂为工质出压缩机（进冷凝器）的焓，kJ/kg；h₃为工质出冷凝器（进膨胀阀）的焓，kJ/kg。

思考与练习

某蒸气压缩式热泵装置，工质进压缩机的焓为400kJ/kg，出压缩机的焓为440kJ/kg，出冷凝器的焓为290kJ/kg，工质的质量流量为0.05kg/s，则：

（1）在温-熵图上画出基本理论循环并简述其工作过程；

（2）计算装置的制热量、压缩机功率和制热系数；

（3）分析提高装置制热系数的措施。