制冷系统的_分析计算

焦作工学院学报(自然科学版) , 第21卷, 第4期, 2002年7月

Journal of Jiaozuo Institute of Technology (Natural Science ) , Vol. 21, No. 4, J ul. 2002

制冷系统的火用分析计算

牛国庆1, 王海波2

(1. 焦作工学院研究生处, 河南焦作454000; 2. 焦作矿山机械公司, 河南焦作454000)

摘要:应用稳流系统的火用方程, 分析了单级蒸气压缩式制冷系统中各主要装置的火用平衡, 导出了各装置的火用损及制冷系统火用效率的工程计算式, 并对影响火用损的相关因素进行了分析, 提出了减小系统主要设备火用损的措施, , 指出了该系统存在的薄弱环节及改进方向.

关　键　词:制冷系统; 火用; 火用损; 火用效率中图分类号:TB 61　　　　文献标识码:Ο7332(2002) 04Ο0244Ο04

0　引　言

, 通常采用制冷系数作为评定指标, 但制冷系数只能从总体上反映, 而未能考虑在“质”方面的不同, 也不能判明循环中哪个过程是最薄弱环节. 火用(exergy ) 是近三十年来在热力学和能源科学领域出现的新术语, 它从量与质相结合的角度反映了能的价值, 代表了能量中质与量相统一的部分. 用火用效率代替制冷系数, 除了能反映整个循环的能量转换效率外, 还可以确定实际循环与理想循环的偏离程度, 因而可以知道不可逆损失的分布情况, 进而确定制冷循环的薄弱环节及提出改进措施.

1　稳定流动火用方程

1. 1　火用和火用损失[4]

由热力学第二定律可知, 并非每一种能量都可以完全转化为有用功, 系统能够最大限度地转换为有用功的那部分能量称为“火用”, 凡一切不能转换为火用的能量称为“火无(anergy ) ”. 即能量=火用+火无. 在不可逆系统中, 总有一部分火用不可逆地转变为火无, 这一部分变为火无的能量即火用损失, 它反映了过程的不可逆程度. 火用效率为输出火用与输入火用之比, 它表示系统对火用的有效利用率. 1. 2　稳流工质的比焓火用稳定流动时, 如果工质只与环境发生热量交换, 而且忽略工质的动能与位能的变化, 则当单位质量工质由状态(h , s ) 过渡到与环境相平衡的状态(又称死态) (h 0, s 0) 时, 可做的最大有用功, 即稳流工质的比焓火用为[6]

　　　　　　e x =h -h 0-T 0(s -s 0) ,

(1)

式中:e x 为稳流工质的比焓火用, kJ /kg ; h , s 为工质在状态(h , s ) 时的焓和熵, kJ /kg , kJ /(kg ・K ) ; h 0, s 0为工质在死态(h 0, s 0) 时的焓和熵, kJ /kg , kJ /(kg ・K ) ; T 0为环境的绝对温度, K. 由(1) 式可知, e x 不仅与稳流工质所处的状态有关, 还与环境有关, 在环境状态保持不变的情况下, e x 只与工质的热力状态有关, 所以它也是一个状态参数. 当稳流工质由状态1(h 1, s 1) 变化到状态2(h 2, s 2) 时, 火用的变化为

　　　　　　e x 1-e x 2=h 1-h 2-T 0(s 1-s 2) .

　　收稿日期:2001Ο11Ο08; 修回日期:2002Ο03Ο16

) , 男, 河南安阳人, 讲师, 从事安全技术及工程教学科研与研究生管理工作

. 　　作者简介:牛国庆(1968Ο

(2)

第4期　　　　　　　　　　　　牛国庆等:制冷系统的火用分析计算245

1. 3　稳流系统的火用方程[2]

单位质量的工质稳定流过某一开口系统时, 若仅有功量及热量输入与输出, 则有火用平衡方程

(3) 　　　　　　e x 1+e w 1+e q =e x 2+e w 2+A ,

式中, e x 1, e x 2为进出口系统工质焓火用, kJ /kg ; e w 1, e w 2为输入、输出系统的功, kJ /kg ; e q 为热量火用, kJ /kg ; A 为火无, kJ /kg.

2　制冷循环火用分析

2. 1　制冷系统的构成[5]

以蒸气压缩式制冷循环系统为例, 系统主要由压缩机A 、冷凝器B 、节流阀C 、蒸发器D 四个主要部件组成, 如图1所示. 系统中工质为制冷剂, 高温高压液态工质通过节流阀降压降温后进入蒸发器, 在其中吸取低温介质的热量而汽化, 随即被压缩机吸入, 工质蒸气经过压缩机压缩后进入冷凝器, 液化, 高压液态工质通过节流阀进入蒸发器完成循环. P Οh 图上表示, 见图2. 2. 2　系统的输入火用

, 得到的火用为

(4) 　　　　　　E x =h 2-h 1.

2. 3　压缩过程1-2的火用损

对于压缩机输入火用为电机的输入功E x 及工质流入火用e x 1, 输出火用为e x 2, 如图3所示, 则压缩过程火用损为

　　　　　　A 1-2=E x +e x 1-e x 2=h 1-h 2-T 0(s 1-s 2) +h 2-h 1=T 0(s 2-s 1) .

由(5) 式可以看出, 欲减小压缩过程的火用损, 须使压缩过程尽量接近定熵过程. 2. 4　冷凝过程2-3的火用损

(5)

在冷凝器中, 冷却介质获得的热量一般都直接排放到大气中, 不再利用, 故其火用损为

　　　　　　A 2-3=e x 2-e x 3=h 2-h 3-T 0(s 2-s 3) =T k (s 2-s 3) -T 0(s 2-s 3) =(s 2-s 3) (T k -T 0) , (6)

式中, T k 为冷凝器内工质的当量平均温度, K.

由此可知, 冷凝过程的火用损主要由冷凝器与环境之间有温差的传热这一不可逆过程引起的, 因此在实际制冷循环中, 我们应采取强化传热及过冷措施, 以减小冷凝过程的火用损. 2. 5　节流过程3-4的火用损

节流过程是一个绝热过程, 且节流前后工质的焓相等, 故火用损计算式为

(7) 　　　　　　A 3-4=e x 3-e x 4=h 3-h 4-T 0(s 3-s 4) =T 0(s 4-s 3) .

下面分析节流过程火用损的影响因素.

由(1) 式对压力求导得

(8) 　　　　　　=-T 0.

h h

由公式d h =T d s +v d p 得=-代入

(8) 式则有

h T (9) 　　　　　　=v .

T 5h

对于制冷剂液体可视比容v 为常数, 对(9) 式两边积分

　　　　　　　　　　　　　　　　　焦作工学院学报(自然科学版) 　　　　　　　　　　　　　2002年第21卷246

　　　　　　-Δe x =A 3-4=

v (p 1-p 2) . T

(10)

从(10) 式中看出, 节流过程是典型的不可逆过程, 节流过程火用损不可避免, 但它随温度降低和节流前后压差的增大而增加, 因此我们不应该在冷库中维持不必要的低温, 以免浪费宝贵的可用功资源.

2. 6　蒸发过程4-1的火用损

在蒸发器中, 虽然制冷剂从环境中吸收了热量, 但吸收的热量没有做功能力, 其火用值为0, 故如图4所示,

　　　　　A 4-1=e x 4-e x 1-e q =(h 4-h 1) -T 0(s 4-s 1) --1(h 1-h 4) =T 0(s 1-s 4) +T

T

3

式中, e q 为冷量火用, kJ /kg ; T 3、T 为制冷剂蒸发温度、, K.

可见, , 研究强化蒸发环节换热措施, , . 2. 7　制冷循环的火用效率

　　　　　　ηe =1--1h 2-h 1

3

　　　　　　　(h 4-h 1) =T 0(s 1-s 4) +T (s 4-s 1) =T 0(s 1-s 4) 1-T T

, (11)

A

E x

(h 1-h 4) =

. (12)

3　实际制冷系统各过程火用损计算及分析

3. 1　实际制冷系统各过程火用损计算

　

表1　制冷系统中各主要状态点的参数

Tab. 1　The parameters of the main states of

the refrigeration system

状态点

1234

T/K

P/MPa

H

S

-1

　　一冷库制冷系统以R22为制冷剂, 由于有传热温差, 在环境温度为30℃的情况下, 冷凝温度为35℃, 冷库维持5℃的温度, 蒸发温度为0℃, 现对该系统能量利用情况进行分析. 系统在lg P Οh 图上各状态点参数如表1所示. 各过程的火用损计算结果列于表2中.

3. 2　结果分析

(1) 火用分析是先进的能量分析方法, 它可以给

/(K J ・kg 405. 4

) /(K J ・kg -1・k -

1)

1. 751. 781. 151. 16

[1**********]3

0. 51. 41. 40. 5

440　243. 1243. 1

出能量在质的方面利用程度.

　　(2) 根据火用损的多少, 可以找出火用损大的部位进行改进, 以达到优化设计, 提高能源利用率的目的.

(3) 在上述制冷系统中, 功的有效利用率仅为42. 2%, 57. 8%的功转化为不可逆损失.

(4) 压缩机火用损最大, 占输入功26. 3%, 这是因为压缩机远离定熵压缩造成的, 因尽量使压缩过程接近定熵过程, 以减小火用损.

(5) 冷凝器火用损居第二位, 占输入功的17. 4%, 这主要是由于冷凝器排出的高于环境温度的热量未能有效利用所致, 对于热泵系统

表2　制冷循环各过程火用损计算结果

Tab. 2　Calculating result of exergy loss of refrigeration cycle

过　　程压缩机输入火用E x 压缩过程1-2火用损冷凝过程2-3火用损节流过程3-4火用损蒸发过程4-1火用损总火用损冷量火用

计算结果/(kJ ・kg -1)

34. 69. 096. 013. 031. 872014. 6

占输入功比例/%

10026. 317. 48. 85. 457. 842. 2

来说, 冷凝器火用损要小. 因此, 冷凝器放热要设法加以利用, 以减小能量损失.

第4期　　　　　　　　　　　　牛国庆等:制冷系统的火

用分析计算247

参考文献:

[1]　马荣生, 刘光远, 孙志高. 两级压缩制冷循环热力学分析[J].制冷技术, 2000, (1) :39-40.

[2]　温纳新, 白德富, 刘　超. 船用变频制冷装置的火用分析[J].大连海事大学学报, 1997, 23(4) :65-66. [3]　姚立为. 制冷与热泵系统的火用分析[J].应用能源技术, 2000, (2) :1-3.

[4]　沈维道, 郑佩芝, 蒋淡安. 工程热力学[M ].第二版. 北京:高等教育出版社, 1998, 197-199. [5]　岳孝方, 陈汝东. 制冷技术与应用[M ].上海:同济大学出版社, 1992. [6]　项新耀, 李东明, 吴照云. 火用分析节能技术[M ].北京:石油工业出版社, 1995.

Analysis and calculation of exergy in a refrigeration system

N IU Guo Οqing 1, WAN G Hai Οbo 2

(1. Dept. of Postgraduates of JI T , Jiaoz uo 454000, Chi na ; 2. Jiaoz uo Mi ni ng M achi nery Com pany , uo 454000, Chi na )

Abstract :First , exergy equation of steady state flow of all main equipment in a single compression of all main equipment and exergy efficiency of derived , and relative factors that affect exergy loss put forward to reduce exergy loss. Finally. exergy loss of a is calculated , and the weak links and improvement direction are pointed out.

K ey w ords :refrigeration system ; exergy ; exergy loss ; exergy efficiency

(本文责任编校　李文清)

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