热泵工作原理及应用分析

周围的大气、海水和河水中都具有热能，因为它们的温度低于人们需要的温度，往往不能直接利用。但是，由研究逆循环知道，以消耗机械功为代价，可以把低温处的热量移往高温处。靠消耗机械功，将低温处的热量输往较高温处，而使热能的品位（能质）升高的装置，称为“热泵”。自然界和工程上有大量低品位（温度较低）的热能被废弃。这种热能经过热泵，只需消耗较少的机械能，使其品位提高，以供人们的需用。热泵和制冷装置的工作原理相同，只是根据使用目的的不同而称呼不同。

热泵循环的经济性以制冷剂通过冷凝器的供热量Q1与在压缩机中消耗的功W之比表示，称为供热系数，以εh表示

热泵传给高温物体的热量包括由消耗的机械功变成的热量。所以，热泵的供热系数比工作在相同条件下制冷装置的制冷系数大。直接用电炉取暖所消耗的能量要比用电机带动热泵消耗的能量大得多，这是因为电炉至多只能将电能全部转化为热能，而热泵循环不仅如此，还可将取自环境的热量Q2一起送到需要取暖的房间。例如，某热泵的供热系数为4，即表示用1kW电能，热泵提供取暖用热可达4kW。因此，热泵是一个比较合理的供热装置，是合理利用能源的途径之一。但是，利用热泵需消耗相当高的设备费用。近年来热泵的研究工作致力于降低设备费用和采用低品位的热能。

复习思考题

1.何谓制冷？何谓热泵？试说明两者的区别和联系。

2.何谓COP？何谓制冷系数？制冷系数与哪些因素有关？如何提高制冷系数？

3.压缩机是用电动机带动的，试问电能转换到哪里去了？能否不消耗能量而使制冷装置连续制冷？为什么？

4.在T-s图、p-h图上表示出蒸气压缩制冷的理想循环。

5.吸收式制冷装置与蒸气压缩制冷装置的主要区别是什么？

6.热量总是自动地从高温物体传向低温物体。试举例说明在制冷循环和热泵装置中，正是利用了这条规律，才能实现将热量从低温区转移到高温区的目的。(www.xing528.com)

7.冷凝器的过冷冷却及蒸发器的过热蒸发是什么意思？有什么好处？它们又受什么条件的限制？

习题

1.一制冷装置其制冷量为10制冷吨（1制冷吨＝3860W），需10kW的原动机带动。试求其制冷系数。

2.用R22作制冷剂的某一蒸气压缩制冷循环，其冷凝压力为1.4MPa，蒸发压力为0.15 MPa，制冷剂进入压缩机时为干饱和蒸气，离开冷凝器时为饱和液体，试在下列情况下求出制冷系数和单位质量制冷量；（1）制冷剂在膨胀机中可逆绝热降压；（2）经过节流阀节流降压。

3.一个用R22制冷剂的压缩制冷装置，其制冷量Q＝838000kJ/h，制冷循环的工作条件是：冷凝压力为1.0MPa，过冷度Δt＝7℃，蒸发压力为0.2MPa，压缩机的吸气温度为0℃，试求：（1）制冷系数ε；（2）每小时冷剂的循环量；（3）制冷剂每小时在冷凝器中的放热量；（4）压缩机功率N。

4.R22制冷装置的蒸发温度为﹣15℃，冷凝温度为30℃，若已知该理想循环的制冷系数为5.2，制冷剂流量为400kg/h。试求压缩机的功率。

5.某一热泵由一个工作在1000℃和20℃之间的热机所带动。热泵工作在40℃和一10℃之间。如果热机和热泵的效果均为各相应温度界限内的理想（卡诺循环）效果的60％，试求1000℃的热源每供出1kJ的热能，热泵能供出多少热能。并根据计算结果对利用热泵供热的优点进行简单分析。

6.设有一恒温T2的低温余热源和一恒温T1（T1＞T2）的高温热用户，已知环境的绝对温度为T0，而且T2＞T0。（1）在不消耗其他动力源的条件下，设计出利用低温余热源的余热向高温热用户提供热量Q1而不违反热力学第二定律的三种装置方案；（2）比较这三种方案在各自完全理想的条件下的余热利用率，即Q1与低温余热源放出热量的比值；（3）如果环境的绝对温度T0不变，如何才能提高它们的余热利用率？

7.有人设想用一种在高温热源与热用户之间工作的正向循环作出的功量来驱动热泵循环，以便除了利用正向循环直接向热用户提供热量外，还可利用工作于热用户与环境之间的热泵循环再向热用户多提供一部分能量。试在恒温T1的高温热源和完全理想的条件下，如果不考虑正向循环和热泵循环的具体方式，分析这种方案的性能如何？说明影响因素。