回?zé)崾街评溲h(huán)的熱力學(xué)分析

徐冉冉，劉紅敏

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

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回?zé)崾街评溲h(huán)的熱力學(xué)分析

徐冉冉，劉紅敏

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

回?zé)嵫h(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的回?zé)嵋?，確保制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高制冷系統(tǒng)的性能。本文介紹了火用的概念和火用分析方法。對(duì)回?zé)崾街评溲h(huán)各過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)分析和計(jì)算，并對(duì)回?zé)嶂评溲h(huán)和無(wú)回?zé)嵫h(huán)進(jìn)行了比較。通過(guò)探討在循環(huán)的各過(guò)程的熱力學(xué)損失，找出了損失最大的過(guò)程并提出改進(jìn)的方法。

回?zé)崞?；制冷循環(huán)；熱力學(xué)分析

0　引言

回?zé)崞魇腔責(zé)崾降蜏刂评錂C(jī)中的關(guān)鍵部件，它對(duì)回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)性能有重要影響[1]。在蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中，通常在系統(tǒng)中安裝一個(gè)回?zé)崞鞔_保制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行，并提高制冷系統(tǒng)的性能。制冷系統(tǒng)中回?zé)崞魍ǔＳ腥齻€(gè)重要作用[2]：

(1)可以提高制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)；

(2)增加冷凝器出口制冷劑液體的過(guò)冷度，以避免制冷劑在毛細(xì)管中發(fā)生相變；

(3)使離開(kāi)蒸發(fā)器后蒸氣中夾帶的液體在進(jìn)入壓縮機(jī)前汽化。

帶有回?zé)崞鞯恼羝麎嚎s式制冷系統(tǒng)如圖1所示。在該系統(tǒng)中，使節(jié)流前的液體和來(lái)自蒸發(fā)器的低溫蒸氣在回?zé)崞髦羞M(jìn)行熱交換。交換后的結(jié)果是使制冷劑液體的過(guò)冷度增加，回氣管中低溫蒸氣的過(guò)熱度增加，使低溫蒸汽中可能有的液滴汽化過(guò)熱，提高了壓縮機(jī)的進(jìn)口氣流溫度。這樣，不僅可增加單位制冷量，而且可以減少蒸氣與環(huán)境空氣之間的傳熱溫差[3]。在低溫制冷裝置中，吸氣溫度過(guò)低會(huì)使壓縮機(jī)氣缸外壁結(jié)霜，潤(rùn)滑條件惡化，因此必須提高吸氣溫度。同時(shí)，為避免高壓液體在進(jìn)入膨脹閥或毛細(xì)管之前因管道阻力等因素而使部分液體氣化，影響節(jié)流元件的工作特性，也希望液體有一定的過(guò)冷度。系統(tǒng)中裝有氣-液熱交換器來(lái)達(dá)到這一目的[4]。

現(xiàn)代社會(huì)是一個(gè)倡導(dǎo)節(jié)約能源的社會(huì)，人們對(duì)各種形態(tài)能源都要合理開(kāi)發(fā)利用，以求使能源利用達(dá)到最大價(jià)值?；鹩肹5]作為評(píng)價(jià)能源價(jià)值的參數(shù)被引入熱力學(xué)和能源科學(xué)的領(lǐng)域。其反映了能量的“量”和“質(zhì)”的結(jié)合。火用分析法體現(xiàn)了能的性質(zhì)，能的損失和能量的轉(zhuǎn)化效率，得到了熱動(dòng)力循環(huán)研究的廣泛應(yīng)用[5]。本文研究了帶有回?zé)崞鞯恼羝麎嚎s式制冷循環(huán)的火用分析并提出了改進(jìn)循環(huán)效率的方法。

圖1　回?zé)崾街评溲h(huán)系統(tǒng)圖

1　火用的概念

1.1能量轉(zhuǎn)換的類(lèi)型

根據(jù)能量可轉(zhuǎn)換為功的程度分類(lèi)，可以分為三類(lèi)：

(1)可以全部轉(zhuǎn)換為功的能量：機(jī)械能(動(dòng)能、位能和機(jī)械功)、電能。

(2)部分可轉(zhuǎn)換為功的能量:熱能、化學(xué)能、熱力學(xué)能。

(3)不可以轉(zhuǎn)換為功的能量：內(nèi)能。

1.2火用

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一種形式的能量并不總是可以轉(zhuǎn)換為功。從這一角度出發(fā)，可以把能量看成是兩部分組成的：可轉(zhuǎn)換的部分與不可轉(zhuǎn)換的部分。其中，可轉(zhuǎn)換為功的部分就稱(chēng)為火用，不可轉(zhuǎn)換為功的部分稱(chēng)為火無(wú)。能量中火用的比例越大，表示它能轉(zhuǎn)化為有用功(也叫技術(shù)功)的部分越大，它的品質(zhì)也就越高。

下面介紹在回?zé)崾街评溲h(huán)中用到的火用:熱量(冷量)火用和焓火用。

1.2.1熱量(冷量)火用

熱源在溫度T時(shí)放出的dQ熱量中可轉(zhuǎn)化為有用功的部分就是熱量火用。在一個(gè)可逆的卡諾循環(huán)機(jī)中轉(zhuǎn)換，環(huán)境溫度為T(mén)a，熱量火用可表示為[6]：

(1)

熱源在放熱過(guò)程中，溫度由T1降至T2，過(guò)程中放出的熱量為Q，則Q的火用可表示為：

(2)

熱源放熱時(shí)溫度T保持不變，則火用可表示為：

(3)

若熱源溫度T高于環(huán)境溫度Ta，如圖2所示，則Eq(面積1-2-3-4-1表示)與Q(面積1-2-6-5-1表示)的符號(hào)相同，表示從一定的熱量Q中可得到的最大功Eq;若熱源溫度低于環(huán)境溫度，則Eq(面積1-2-3-4-1表示)表示為從低于環(huán)境溫度的熱源中取出熱量Q(面積1-2-6-5-1表示)(冷量)所需消耗的最小功。

圖2　熱量火用EQ和火無(wú)AQ

圖3　冷量火用EQ和火無(wú)AQ

1.2.2焓火用

流動(dòng)的流體所具有的火用稱(chēng)為焓火用，它是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，與所經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)，其定義是：

Ex=H-Ha-Ta(S-Sa)

(4)

1.3火用效率

火用效率是衡量一個(gè)技術(shù)過(guò)程的完善度[6]，它的定義是：

(5)

式中，Eout、Ein代表外界提供給系統(tǒng)的火用和系統(tǒng)輸出給外界的火用。對(duì)于壓縮式蒸汽制冷循環(huán)來(lái)說(shuō)，有：

(6)

式中，Eq0表示冷量Q0的火用，W表示壓縮機(jī)所消耗的功。

2　回?zé)嶂评溲h(huán)中各個(gè)過(guò)程中的火用分析

忽略冷凝器及蒸發(fā)器中的微小壓力變化，認(rèn)為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度為定值;將壓縮機(jī)內(nèi)部過(guò)程簡(jiǎn)化成一個(gè)從吸氣壓力到排氣壓力的有損失的簡(jiǎn)單壓縮過(guò)程;節(jié)流過(guò)程認(rèn)為是前后焓相等的過(guò)程。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，則實(shí)際循環(huán)如圖4所示，循環(huán)的實(shí)際過(guò)程為0-1-2-3-4-5-6-0。1-2是不可逆壓縮過(guò)程，2-3是冷凝器的非定壓放熱過(guò)程，0-1、3-4是在回?zé)崞髦械臒峤粨Q過(guò)程，4-5是節(jié)流過(guò)程，5-0是制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱過(guò)程。本文考慮到壓縮機(jī)的不可逆壓縮過(guò)程和冷凝器、蒸發(fā)器存在溫差換熱等各種不可逆因素，以T′表示環(huán)境溫度,T0′表示冷庫(kù)溫度。

圖4　回?zé)崾秸羝麎嚎s制冷循環(huán)T-s圖

(1)壓縮過(guò)程(1-2)

壓縮過(guò)程的火用損失為：

△ecom=T′(s2-s1)

(7)

(2)冷凝器中的冷卻冷凝過(guò)程(2-3)

冷卻冷凝過(guò)程的火用損失為：

△econ=s2-s3

(8)

(3)回?zé)徇^(guò)程(3-4,0-1)

回?zé)徇^(guò)程的火用損失為：

△erec=T′[(s1-s0)-(s3-s4)]

(9)

(4)節(jié)流過(guò)程(4-5)

節(jié)流過(guò)程的火用損失為：

△ethr=T′(s5-s4)

(10)

(5)蒸發(fā)過(guò)程(5-0)

蒸發(fā)過(guò)程的火用損失為：

(11)

其中，q0為制冷量，q0=h0-h5

(12)

總火用損失 ：

△etotal=△ecom+△econ+△erec+△ethr+△eeva

(13)

圖5　回?zé)崾街评溲h(huán)p-h圖

3　實(shí)例分析

一臺(tái)制冷量為50kW的往復(fù)活塞式制冷機(jī)，工作的高溫?zé)嵩礈囟萒a為32℃，低溫?zé)嵩礈囟萾0為

-18℃的條件下，制冷劑為R134a，采用回?zé)嵫h(huán)壓縮機(jī)的吸氣溫度比高溫?zé)嵩锤?℃，蒸發(fā)溫度比低溫?zé)嵩吹?℃。

查表可得Ta=32℃時(shí)，ha=244.36kJ/kg，sa=1.1520kJ/(kg·k)。

查《制冷及低溫原理》表可得各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)如表1所示[6]。

表1　各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)

比焓火用可用公式表示如下：

e=h-ha-Ta(s-sa)

(14)

由公式(14)可求得各狀態(tài)點(diǎn)制冷劑的比火用值，如表2所示。

表2　各狀態(tài)點(diǎn)制冷劑的比火用值

下面分析回?zé)崾街评溲h(huán)中(0-1-2-3-4-5-0),壓縮、冷凝、回?zé)?、?jié)流和蒸發(fā)過(guò)程的火用損失。

壓縮過(guò)程的火用損失為

△ecom=W+e1-e2=h2-h1+e1-e2

=14.526kJ/kg

冷卻冷凝過(guò)程的火用損失

△econ=e2-e3=8.828kJ/kg

回?zé)徇^(guò)程中的火用損失為

△erec=(e3-e4)-(e1-e0)=3.448kJ/kg

節(jié)流過(guò)程的火用損失為

△ethr=e4-e5=8.667kJ/kg

冷量火用的計(jì)算式為

蒸發(fā)過(guò)程中的火用損失為

=0.344kg

總的火用損失為：

△etotal=△ecom+△econ+△erec+△ethr+△eeva=38.817kJ/kg

壓縮機(jī)消耗的功為：

W0=h2-h1=67.3kJ/kg

回?zé)嵫h(huán)和無(wú)回?zé)嵫h(huán)各過(guò)程的火用損失比較如表3所示。

表3　回?zé)嵫h(huán)和無(wú)回?zé)嵫h(huán)各過(guò)程的火用損失

從上面的分析可以看出，無(wú)論是回?zé)嵫h(huán)或是無(wú)回?zé)嵫h(huán),最大的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)中，因此提高壓縮機(jī)的效率可以減少火用損失。在制冷量一定時(shí),采用回?zé)嵫h(huán),產(chǎn)生的火用損失較小,壓縮機(jī)耗功小,制冷系數(shù)也較無(wú)回?zé)嵫h(huán)大。所以，在此制冷系統(tǒng)中，采用回?zé)崾街评溲h(huán)是有利的。

4　結(jié)論

回?zé)嵫h(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的回?zé)嵋螅_保制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高制冷系統(tǒng)的性能。本文采用火用分析方法，能夠清楚、直觀(guān)地表現(xiàn)出能量的利用過(guò)程和各環(huán)節(jié)的工作效率。各個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的火用損失就是能量“貶值”的過(guò)程，火用就是可轉(zhuǎn)化為功的能量，提高火用效率就是提高能源的利用價(jià)值。最后通過(guò)實(shí)例分析還得出，在制冷量一定時(shí),采用回?zé)嵫h(huán),產(chǎn)生的火用損失較小,壓縮機(jī)耗功小,制冷系數(shù)也較無(wú)回?zé)嵫h(huán)大。所以，在這種制冷系統(tǒng)中，采用回?zé)崾街评溲h(huán)是有利的。無(wú)論是回?zé)嵫h(huán)或是無(wú)回?zé)嵫h(huán),最大的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)中，因此提高壓縮機(jī)的效率是減少火用損失的關(guān)鍵，也是以后研究者重點(diǎn)突破的難點(diǎn)。

[1] 陳曦,郭永飛,張華,等.回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)用回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)研究綜述[J].制冷學(xué)報(bào)，2011，32(3)：6-28

[2]Anon.ASHRAE.refrigeration handbook.American Society of Heating，Refrigerating，and Air-Conditioning Engineers,1998(ISBN 1-883413-54-0,Chapter2)

[3]向立平,曹曉琳,席占利,等.回?zé)崞鲗?duì)制冷循環(huán)性能影響的研究[J].制冷與空調(diào),2005,(4):38-42

[4]吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].第二版.西安：西安交通大學(xué)出版社，1998

[5]張立偉.基于蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的火用分析[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，10(4)：59-63

[6]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

Thermodynamic Analysis of Regenerative Refrigeration Cycle

XU Ranran，LIU Hongmin

( Shanghai Maritime University，Shanghai 201306 )

Regenerative cycle can achieve large regenerative requirements,ensure the normal operation of the refrigeration system,and improve the performance of the refrigeration system.This paper introduces the concept of exergy and exergy analysis method.For regenerative refrigeration cycle each process has carried on the analysis and calculation of the thermodynamic,and regenerative refrigeration cycle and non regenerative cycle are compared.By discussing thermodynamic loss in circulation of each process,the process of finding out the greatest loss and improved method is put forward.

Liquid-suction heat exchanger;Refrigeration system;Thermodynamics analysis

2015-10-6

徐冉冉(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：空調(diào)熱舒適性研究。Email：18217060651@163.com

ISSN1005-9180(2016)03-084-05

TB61；TB66文獻(xiàn)標(biāo)示碼：Bdoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.016