第二节　单级压缩式空气源热泵热力循环原理

目前常用的空气源热泵以压缩式热泵为主。这类热泵机组可以生产大、中、小型，以适应不同场所的需要，应用范围广泛，具有较高能效。因此，它广泛应用于工作、生活的各个领域。

压缩式热泵的工作原理是压缩机对制冷剂进行做功使制冷剂蒸气由低温低压状态变为高温高压状态排入冷凝器，在冷凝器里冷凝放热转换为液态制冷剂；液态制冷剂经过膨胀阀节流进行降温降压转换为气液两相状态进入蒸发器，在蒸发器里进行蒸发吸热转换为制冷剂气体进入压缩机，并不断重复上述循环以达到制冷或制热的目的。本节介绍的是单级压缩式热泵的热力循环原理。

一、单级压缩式空气源热泵的理论循环

单级压缩式空气源热泵是指制冷剂完成一次热力循环只被压缩机压缩一次的热泵设备，空气源热泵装置通常都采用单级压缩式热泵循环。图2-1、图2-2分别给出了其理论热泵循环的T-s图和lgp-h图。压缩机吸入的是以点1表示的饱和蒸气，1—2表示制冷剂在压缩机中的等熵压缩过程；2—3—4表示制冷剂在冷凝器中的冷却和冷凝过程，制冷剂在冷凝温度Tk和对应的饱和蒸气压力pk保持不变的情况下冷凝成液态。4—5表示节流过程，制冷剂在节流过程中压力和温度都降低，但焓值保持不变，且进入气液两相区。5—1表示制冷剂在蒸发器中的蒸发过程，制冷剂在蒸发温度T0和对应的饱和压力p0保持不变的情况下蒸发成气体。

二、单级压缩式热泵的实际循环

由于在理论热泵循环中忽略了三个因素：①压缩机在压缩过程中，气体内部和气体与气缸壁之间的摩擦，以及气体与外部的热交换；②制冷剂流经压缩机进、排气阀的损失；③制冷剂流经管道、冷凝器和蒸发器等设备时，制冷剂与管壁或器壁之间的摩擦损失以及与外部的热交换。因此，实际循环与理论循环有一定差异。

实际循环如图2-3所示，过程线1→2→3→4→1所组成的循环是蒸发压力为p0、冷凝压力为pk的蒸汽压缩式热泵的理论循环。如果蒸发器入口制冷剂压力仍为p0，冷凝器出口制冷剂压力仍为pk，并考虑有再冷和过热，则当采用活塞式热泵压缩机时，其实际循环应为1'→1″→a→b→c'→c→d→2'→3'→4'→1'。

①过程线1'→1″：来自蒸发器的低压制冷剂过热蒸气经吸气管流至压缩机，由于沿途存在摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的热量，制冷剂压力稍有降低，温度有所升高。

②过程线1″→a：低压气态制冷剂通过压缩机吸气阀时被节流，压力降至pa。

③过程线a→b：低压气态制冷剂进入气缸的过程，吸收外界热量，温度有所上升，而压力仍为pa。

④过程线b→c'：这是气态制冷剂在压缩机中的实际压缩过程线。压缩初期，由于制冷剂内部以及与气缸壁之间有摩擦，而且制冷剂温度低于气缸壁温度，因此是吸热压缩过程，比熵有所增加。当制冷剂被压缩至高于气缸壁温度以后，则变为放热压缩过程，直至压力升至p2，比熵有所减少；气缸头部冷却效果越好，制冷剂比熵减少越多。

⑤过程线c'→c：制冷剂经过压缩机排气管道，被冷却，压力基本不变，温度有所降低。

⑥过程线c→d：制冷剂经过压缩机排气阀，被节流，比焓基本不变，压力有所降低。

⑦过程线d→2'：制冷剂从压缩机经管道至冷凝器的过程，由于阻力与热交换的存在，制冷剂压力与温度均有所降低。

⑧过程线2'→3'：制冷剂在冷凝器中因为有摩擦和涡流损失，所以，冷凝过程并非等压过程；根据冷凝器形式的不同，其压力有不同程度的降低，出口还有一定的再冷度。由于制冷剂在冷凝器内由气态逐渐冷凝成液态，因此上游侧流速高，压力损失较大；下游侧流速降低，压力损失变小。

⑨过程线3'→4'：制冷剂节流过程，温度不断降低；所以在进入蒸发器前，将从外界吸收一些热量，比焓略有增加。

⑩过程线4'→1'：蒸发过程不是等压过程，随蒸发器形式的不同，压力有不同程度的降低。与冷凝器相类似，蒸发器下游侧的制冷剂流速较上游侧高，故其压力损失也大于上游侧。

实际循环的计算一般比较复杂。随着计算技术的发展，实际循环计算可通过软件实现，推荐采用NIST（美国国家标准与技术研究院）的循环分析软件进行计算，其精度和准度足以满足应用的需求。NIST分析软件计算界面如图2-4所示。