热泵基础 · 循环

制冷与热泵循环导读

在选压缩机或工质之前,先定循环族系。本页用流程图、P–h、T–s 串起逆卡诺、逆布雷顿、亚临界蒸汽压缩及其强化形态、跨临界 CO₂、吸收式与开式蒸汽/MVR。请对照 基础第 2 讲(为何 ΔT 逼出变体)与 工程工具箱。

0 · 循环族谱与读图约定

循环是系统的语法,部件是词汇——两者缺一不可。先对齐族谱与读图方式,后面各章才说同一种话。

七类循环卡片:逆卡诺、逆布雷顿、亚临界蒸汽压缩、跨临界 CO₂、吸收式、开式蒸汽/MVR,以及其他(斯特林/ORC)。
示意定位,边界随工质与工况重叠。动力侧对称循环(ORC、正布雷顿)仅标注,本页不作专章展开。

流程图

看谁连谁:压缩机、换热器、膨胀/节流、容器。适合现场沟通与 P&ID 直觉。

P–h 图

压力–焓。用焓差读冷量/热量与功耗,节流近似竖直(h≈常数),并看出过冷/过热。蒸汽压缩与 CO₂ 机组的常用语言。单点状态可在物性计算查询。

T–s 图

温度–熵。最适合看与卡诺的距离和不可逆损失——为何真实循环填不满理想矩形。

同一物理,不同「有用侧」

冷水机组与热泵可以共用同一蒸汽压缩回路。制冷计蒸发器侧;制热计冷凝器(或气冷器)侧。务必写清热源与热汇。

1 · 逆卡诺——理论上限

逆卡诺不是可采购的机型,而是给定冷热温度下 COP 的上限——也解释了为何大温升必须换真实循环形态。

T–s 图上 Tc 与 Th 之间的矩形:等温吸热/放热与等熵压缩/膨胀。
两个等温 + 两个可逆绝热。真实机组达不到这个矩形。
T–s 叠加:绿色卡诺矩形与偏斜的实际蒸汽压缩路径及损失标注。
有限传热温差、节流代替等熵膨胀、压缩机不可逆,都会缩小有用面积。

COP 直觉

制冷:COPc = Tc / (Th − Tc);制热:COPh = Th / (Th − Tc)(热力学温标)。温升越大,上限越低——宣传页改不了热力学。

为何锅炉显得「简单」

锅炉造热,不对抗热源–热汇之间的卡诺间隙;热泵是搬热——见 第 2 讲 · 认知。

理想循环的工程用法

当作合理性检查:若报价 COP 高于你工况下的逆卡诺上限,问题在边界条件写错,而不是「技术更牛」。

2 · 逆布雷顿——气体循环、无相变

逆布雷顿(空气循环)全程气相:压缩机 → 冷却器 → 膨胀机 → 吸热器。没有冷凝/蒸发两相过程。

压缩机、放热器、膨胀机、吸热器四个方块构成气体回路。
净功 = 压缩功 − 膨胀回收。T–s 为两等熵 + 两等压,不是卡诺矩形。

常见场景

航空环控、部分低温空气循环、特种气体工艺。偶见于与斯特林并列的特种 HTHP 路线讨论——不是工业热泵默认路径。

为何难成工业热泵主力

无潜热则同样冷量需要更大流量与换热面积,比功与体积上升快。有相变的蒸汽压缩通常在硬件密度上更占优。

勿与正布雷顿混淆

燃气轮机走正布雷顿(输出功);逆布雷顿消耗功来搬热。同名反向。

3 · 亚临界蒸汽压缩——行业主力

你遇到的多数冷水机与热泵是亚临界蒸汽压缩循环(VCC):蒸发 → 压缩 → 冷凝 → 节流。高压侧压力低于工质临界压力。

蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀四块循环,标出吸气与排气。
示意而已——现场还有油分、贮液与控制。部件深读:压缩机、换热器、阀件、容器。
饱和穹顶下的 P–h 图,状态点 1–4 对应压缩、冷凝、节流、蒸发。
用焓差读蒸发/冷凝负荷;近竖直的 3→4 即相对理想膨胀机的节流损失。

四过程 ↔ 四类硬件

1→2 压缩(压缩机)· 2→3 放热(冷凝/过热冷却+过冷)· 3→4 膨胀(阀/孔板)· 4→1 吸热(蒸发器)。对应首页配置 (a) 基本 VCHP。

P–h 上要看什么

吸气过热、阀前过冷、压缩机偏离等熵、节流「扔掉」多少焓——这些差距推动经济器与分级。

制热与制冷是记账差异

回路可以相同。合同必须写清 kW 指蒸发侧还是冷凝侧,以及水温/气温。参见 第 3 讲 · 商务。

单级何时撞墙

大 ΔT 抬高压比与排气温度。油、密封与性能图先于「宣传 COP」失效——进入第 4 章强化形态。

4 · 强化形态——经济器、双级、复叠

同一 VCC 物理,不同分级。命名与 工程工具箱 对齐,便于与工具箱共用术语。

带闪发罐或中间换热器经济器、并向压缩机中压补气的蒸汽压缩循环。
经济器 / IHX(配置 b、c):闪发罐或换热经济器冷却液体并/或补气——降低排气温度、改善大温升 COP。代价:容器/换热器、油与控制。
低压蒸发与压缩、中间冷却或闪发、高压压缩与冷凝。
双级(配置 e):压比拆到两台机并中间冷却。大温升有力;代价是机器、回油与逻辑。
两个独立回路仅通过复叠换热器热耦合。
复叠(配置 f):两种工质、两套油路,仅热耦合。极寒 CO₂ 实践见 基础第 1 讲。

按痛点选强化

排气温度/中等温升 → 经济器或喷液/喷气;单工质大温升 → 双级;单一工质跨不过热源–热汇 → 复叠。

喷射器 + IHX(配置 d)

用喷射器回收部分膨胀功并配合内换热器——同属 VCC 强化族。比方案时对照首页配置 (d)。

代价不只是初投资

多一个容器/级就多泄漏点、油量、测点与调试小时。可靠性往往先于表格里那一点 COP 差值定案。

5 · 跨临界 CO₂——气冷器,不是冷凝器

当高压侧压力高于临界压力时,没有两相冷凝。放热发生在气冷器;出口温度——而不是「冷凝温度」——很大程度上决定性能。

临界压力之上的 P–h 循环:气冷器、节流、蒸发、压缩。
高压 Ph 是优化变量。气冷器出口温度强烈影响制热量与 COP。
形态 高压侧行为 压力量级(约) 典型用途
亚临界 CO₂可出现两相冷凝仍高于多数 HFC有限温区;常作复叠低温级
跨临界 CO₂气冷器 · 无冷凝常见约 80–120+ bar 级热水、商用机组、部分热泵
CO₂ 复叠(极寒)低温 CO₂ + 高温工质回路低温级高;高温级随工质极寒供热 — 第 1 讲

用语陷阱

跨临界工况单不要写「冷凝温度」。应写气冷器压力与出口温度(以及热汇进口)。

控制与性能图

最优高压随气冷器出口温度移动。OEM 性能图与控制器的重要性不亚于换热器样本——见 换热器导读(气冷器 vs 冷凝器)。

工质语境

R744 选型、安全与政策:制冷剂百科。标准线索:GB/T 29707 类跨临界 CO₂ 热泵热水机见 工具与标准。

6 · 吸收式——热驱动的「热压缩机」

吸收式用溶液回路代替电力蒸汽压缩机:发生器(热输入)→ 冷凝器 → 蒸发器 → 吸收器 → 溶液泵。泵功很小,热输入很大。

发生器、冷凝器、膨胀、蒸发器、吸收器与溶液泵构成的热驱动回路。
常见工质对:H₂O–LiBr、NH₃–H₂O。COP 定义与 VCC 不同——报价用语务必对齐。

何时更合适

余热/蒸汽充裕、电力稀缺或昂贵,或更希望热耦合而非大电力需求的现场。

边界

结晶(LiBr)、真空密封、腐蚀与维保文化。不能在未做工艺与运维评估时当作螺杆冷水机的即插替代。

混合路线

IIR 路线图亦提及吸收–压缩混合——见 工业高温热泵专栏与标准笔记。

7 · 开式蒸汽压缩 / MVR

此处工质就是水蒸气。蒸汽压缩机(或 MVR 机组)把闪发/工艺蒸汽提压回用——锅炉替代叙事的核心装备之一。

工艺或闪发蒸汽源、蒸汽压缩机、工艺用汽端,并标注冷凝水回收要点。
首页配置 (g)/(h)/(i)。深入阅读:工业高温热泵专栏。

≠ 闭式增压热泵

MVR 在开式回路里压缩工艺/闪发蒸汽。闭式增压热泵则用独立制冷剂回路抬升排热温度——勿混称。对照 闭式 HTHP vs 蒸汽/MVR 与项目中心回收拓扑。

开式回路含义

蒸汽可能随产品离开系统。补水、疏水回收与污染(含油)须与压缩机组一并设计。

蒸汽品质与调节

工艺关心干度、压力稳定与部分负荷小时数——不只峰值 COP。热泵段须与蒸汽母管及控制耦合。

复叠 + 闪发变体

配置 (h)/(i) 把复叠与闪发或开式蒸汽结合——当单一开式回路无法同时照顾热源回收与蒸汽级热汇时使用。

8 · 选型地图——温升与工况 → 循环族

从温升与热汇形态出发,再落到工质与现场约束。下表是初筛,不能替代 OEM 性能图或工艺仿真。

温升 / 情境 典型循环 工质提示 本站入口
小 ΔT单级 VCC多数 HFC/HFO/HC;氨配置 (a) · 压缩机导读
中 ΔT / 排气温度吃紧经济器 / IHX / 补气喷液按压缩机性能图配置 (b)–(d)
大 ΔT、倾向单工质双级 VCC工业螺杆常见配置 (e)
跨度极大 / 极寒复叠常为 CO₂ 低温级 + 高温工质配置 (f) · 第 1 讲 CO₂
R744 高压侧热水跨临界 CO₂R744 气冷器第 5 章 · 制冷剂
余热多、电力紧吸收式(±混合)H₂O–LiBr / NH₃–H₂O第 6 章 · HTHP 专栏
蒸汽级热汇开式蒸汽 / MVR / 闪发复叠R718 / 水蒸气配置 (g)–(i) · HTHP

比价前务必锁定热源/热汇温度、工质安全等级与合同 kW 定义。逆布雷顿气体循环仍是小众例外,不是工业热泵默认路径。

下一步:用 压缩机、换热器、制冷剂 导读选硬件——或前往 工程工具。

常见问题

「逆卡诺是可以采购的产品吗?」

不是。它是理论极限。真实机组是 VCC、布雷顿、吸收式等,在相同 Tc/Th 下 COP 必低于该上限。

「制冷循环和热泵循环是两套机器吗?」

常常是同一回路,只是有用侧记账与 Te/Tc 不同。工业热泵通常热汇温度更高——即便仍叫「蒸汽压缩」,性能图与分级也会变。

「跨临界和超临界是一回事吗?」

现场口语里「跨临界 CO₂」多指高压侧高于临界压力并用气冷器;「超临界」在研发语境更宽泛。请追问 Ph、气冷器出口温度、以及是否存在冷凝。

「为何不总用逆布雷顿——反正无相变更简单?」

无潜热意味着同样 kW 需要更大流量与换热器。除非特种气体工况逼迫,工业热泵几乎总是优先有相变的 VCC。

「选定循环族之后去哪?」

工质:制冷剂百科。机器:压缩机/换热器/阀件/容器导读。工业蒸汽叙事:HTHP 专栏。配置计算:工程工具箱。

示意图与 COP 公式仅供工程导读——不能替代设计计算、OEM 性能图或安全规范。工质、压力与运行包络须以合格设计与型式试验数据为准。