徐冉冉，劉紅敏

( 上海海事大學 商船學院，上海 201306 )

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回熱式制冷循環(huán)的熱力學分析

徐冉冉，劉紅敏

( 上海海事大學 商船學院，上海 201306 )

回熱循環(huán)能夠實現(xiàn)較大的回熱要求，確保制冷系統(tǒng)的正常運行，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。對回熱式制冷循環(huán)各過程進行了熱力學分析和計算，并對回熱制冷循環(huán)和無回熱循環(huán)進行了比較。通過探討在循環(huán)的各過程的熱力學損失，找出了損失最大的過程并提出改進的方法。

回熱器；制冷循環(huán)；熱力學分析

0　引言

回熱器是回熱式低溫制冷機中的關鍵部件，它對回熱式低溫制冷機性能有重要影響[1]。在蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中，通常在系統(tǒng)中安裝一個回熱器確保制冷系統(tǒng)正常運行，并提高制冷系統(tǒng)的性能。制冷系統(tǒng)中回熱器通常有三個重要作用[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冷度，以避免制冷劑在毛細管中發(fā)生相變；

(3)使離開蒸發(fā)器后蒸氣中夾帶的液體在進入壓縮機前汽化。

帶有回熱器的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)如圖1所示。在該系統(tǒng)中，使節(jié)流前的液體和來自蒸發(fā)器的低溫蒸氣在回熱器中進行熱交換。交換后的結果是使制冷劑液體的過冷度增加，回氣管中低溫蒸氣的過熱度增加，使低溫蒸汽中可能有的液滴汽化過熱，提高了壓縮機的進口氣流溫度。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，吸氣溫度過低會使壓縮機氣缸外壁結霜，潤滑條件惡化，因此必須提高吸氣溫度。同時，為避免高壓液體在進入膨脹閥或毛細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冷度。系統(tǒng)中裝有氣-液熱交換器來達到這一目的[4]。

現(xiàn)代社會是一個倡導節(jié)約能源的社會，人們對各種形態(tài)能源都要合理開發(fā)利用，以求使能源利用達到最大價值?；鹩肹5]作為評價能源價值的參數(shù)被引入熱力學和能源科學的領域。其反映了能量的“量”和“質(zhì)”的結合。火用分析法體現(xiàn)了能的性質(zhì)，能的損失和能量的轉化效率，得到了熱動力循環(huán)研究的廣泛應用[5]。本文研究了帶有回熱器的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的火用分析并提出了改進循環(huán)效率的方法。

圖1　回熱式制冷循環(huán)系統(tǒng)圖

1　火用的概念

1.1能量轉換的類型

根據(jù)能量可轉換為功的程度分類，可以分為三類：

(1)可以全部轉換為功的能量：機械能(動能、位能和機械功)、電能。

(2)部分可轉換為功的能量:熱能、化學能、熱力學能。

(3)不可以轉換為功的能量：內(nèi)能。

1.2火用

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

下面介紹在回熱式制冷循環(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時放出的dQ熱量中可轉化為有用功的部分就是熱量火用。在一個可逆的卡諾循環(huán)機中轉換，環(huán)境溫度為Ta，熱量火用可表示為[6]：

(1)

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

(2)

熱源放熱時溫度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AQ

圖3　冷量火用EQ和火無AQ

1.2.2焓火用

流動的流體所具有的火用稱為焓火用，它是一個狀態(tài)參數(shù)，與所經(jīng)歷的過程無關，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技術過程的完善度[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。對于壓縮式蒸汽制冷循環(huán)來說，有：

(6)

式中，Eq0表示冷量Q0的火用，W表示壓縮機所消耗的功。

2　回熱制冷循環(huán)中各個過程中的火用分析

忽略冷凝器及蒸發(fā)器中的微小壓力變化，認為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度為定值;將壓縮機內(nèi)部過程簡化成一個從吸氣壓力到排氣壓力的有損失的簡單壓縮過程;節(jié)流過程認為是前后焓相等的過程。經(jīng)過簡化，則實際循環(huán)如圖4所示，循環(huán)的實際過程為0-1-2-3-4-5-6-0。1-2是不可逆壓縮過程，2-3是冷凝器的非定壓放熱過程，0-1、3-4是在回熱器中的熱交換過程，4-5是節(jié)流過程，5-0是制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱過程。本文考慮到壓縮機的不可逆壓縮過程和冷凝器、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′表示冷庫溫度。

圖4　回熱式蒸汽壓縮制冷循環(huán)T-s圖

(1)壓縮過程(1-2)

壓縮過程的火用損失為：

△ecom=T′(s2-s1)

(7)

(2)冷凝器中的冷卻冷凝過程(2-3)

冷卻冷凝過程的火用損失為：

△econ=s2-s3

(8)

(3)回熱過程(3-4,0-1)

回熱過程的火用損失為：

△erec=T′[(s1-s0)-(s3-s4)]

(9)

(4)節(jié)流過程(4-5)

節(jié)流過程的火用損失為：

△ethr=T′(s5-s4)

(10)

(5)蒸發(fā)過程(5-0)

蒸發(fā)過程的火用損失為：

(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　回熱式制冷循環(huán)p-h圖

3　實例分析

一臺制冷量為50kW的往復活塞式制冷機，工作的高溫熱源溫度Ta為32℃，低溫熱源溫度t0為

-18℃的條件下，制冷劑為R134a，采用回熱循環(huán)壓縮機的吸氣溫度比高溫熱源高8℃，蒸發(fā)溫度比低溫熱源低5℃。

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

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

表1　各點狀態(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)點制冷劑的比火用值，如表2所示。

表2　各狀態(tài)點制冷劑的比火用值

下面分析回熱式制冷循環(huán)中(0-1-2-3-4-5-0),壓縮、冷凝、回熱、節(jié)流和蒸發(fā)過程的火用損失。

壓縮過程的火用損失為

△ecom=W+e1-e2=h2-h1+e1-e2

=14.526kJ/kg

冷卻冷凝過程的火用損失

△econ=e2-e3=8.828kJ/kg

回熱過程中的火用損失為

△erec=(e3-e4)-(e1-e0)=3.448kJ/kg

節(jié)流過程的火用損失為

△ethr=e4-e5=8.667kJ/kg

冷量火用的計算式為

蒸發(fā)過程中的火用損失為

=0.344kg

總的火用損失為：

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

壓縮機消耗的功為：

W0=h2-h1=67.3kJ/kg

回熱循環(huán)和無回熱循環(huán)各過程的火用損失比較如表3所示。

表3　回熱循環(huán)和無回熱循環(huán)各過程的火用損失

從上面的分析可以看出，無論是回熱循環(huán)或是無回熱循環(huán),最大的火用損失發(fā)生在壓縮機中，因此提高壓縮機的效率可以減少火用損失。在制冷量一定時,采用回熱循環(huán),產(chǎn)生的火用損失較小,壓縮機耗功小,制冷系數(shù)也較無回熱循環(huán)大。所以，在此制冷系統(tǒng)中，采用回熱式制冷循環(huán)是有利的。

4　結論

回熱循環(huán)能夠實現(xiàn)較大的回熱要求，確保制冷系統(tǒng)的正常運行，提高制冷系統(tǒng)的性能。本文采用火用分析方法，能夠清楚、直觀地表現(xiàn)出能量的利用過程和各環(huán)節(jié)的工作效率。各個過程產(chǎn)生的火用損失就是能量“貶值”的過程，火用就是可轉化為功的能量，提高火用效率就是提高能源的利用價值。最后通過實例分析還得出，在制冷量一定時,采用回熱循環(huán),產(chǎn)生的火用損失較小,壓縮機耗功小,制冷系數(shù)也較無回熱循環(huán)大。所以，在這種制冷系統(tǒng)中，采用回熱式制冷循環(huán)是有利的。無論是回熱循環(huán)或是無回熱循環(huán),最大的火用損失發(fā)生在壓縮機中，因此提高壓縮機的效率是減少火用損失的關鍵，也是以后研究者重點突破的難點。

[1] 陳曦,郭永飛,張華,等.回熱式低溫制冷機用回熱器結構研究綜述[J].制冷學報，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.回熱器對制冷循環(huán)性能影響的研究[J].制冷與空調(diào),2005,(4):38-42

[4]吳業(yè)正.制冷原理及設備[M].第二版.西安：西安交通大學出版社，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)學院學報，1995，10(4)：59-63

[6]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].第二版.北京：機械工業(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文獻標示碼：Bdoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.016