热泵机组制热效率分析

热泵机组通过从低温热源中吸热并传递到高温热源中,以达到制热的目的,如图8-1所示。

图8-1　热量传递过程

通过输入一部分功W,从低温热源T2中吸取一部分热量Q2,向高温热源T1输送Q1的热量,根据能量守恒定律可知

Q1＝Q2＋W

此时,热泵机组向高温热源输出热量与消耗的功量之比称为热泵机组制热系数ε,即

目前,行业中普遍采用性能系数COP(Coefficient of Performance)来描述机组运行效率的高低,通常热泵机组运行性能系数为COPhr。

实质上,热泵制热是依靠热泵工质的逆卡诺循环来实现的,即经过压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器以后,通过冷凝散热将管内供暖循环水加热,以达到制热的目的。

图8-2为热泵工质实际循环的p-h图[1]。

图8-2　热泵工质实际循环p-h图

图中:

1到1′过程:低压饱和蒸汽的过热过程;

1′到1″过程:吸气管路和吸气阀的压损过程;

1″到2过程:压缩机压缩过程;

2到2″过程:排气管路和排气阀的压损过程;

2″到2′过程:高压蒸汽在冷凝器中的降温过程;

2′到3过程:蒸汽冷凝过程;

3到3′过程:饱和液的过冷过程;

3′到4过程:膨胀阀及冷凝器到蒸发器管路的压损过程;

4到1过程:蒸发过程。

上述过程忽略了输送管路和压缩机对外的热损耗。

在实际的研究过程中,为了便于计算,通常忽略热泵工质在两器中的压损,忽略吸气、排气管路内对外吸放热及压损等,这样经过简化后的实际循环过程如图8-3所示。

图8-3　热泵工质简化实际循环p-h图

图中1-2为压缩机的实际压缩过程,吸气压力与蒸发压力相等,排气压力与冷凝压力相等;2-3为工质的冷凝放热过程,3-4为节流膨胀过程,8-1为工质的定压吸热过程。1-2′则为理论等熵压缩过程。1-1′为低压蒸汽过热过程。3-3′为高压蒸汽过冷过程。压缩机压缩做功量为

2-3阶段为制冷剂工质在冷凝器中的等压冷凝降温过程,此时的散热量为

3-4阶段为等焓膨胀节流阶段,8-1阶段为蒸发器内制冷剂工质等压蒸发阶段。此时热泵机组制热系数为

上述热泵机组制热系数计算过程均以制冷工质的蒸气压缩理论循环为依据,只是增加了过热、过冷过程,与实际循环过程存在一定差异,因此按照这种分析方法得出的机组效率与实际情况可能存在较大偏差,需根据实际情况进行对比修正。