制冷装置的_效率分析

能够转变为有用功部分的多少作为衡量能量利
用程度的指标 。火用的提出使人们对能量的认识
更全面更深入 。用它来分析能量的利用效率能
帮助人们找出各装置中能量利用率不高的部
位 ,从而为设计新装置或改进现有设备提供重
要的参考 。该方法首先在欧洲和前苏联得到广
泛应用 ,取得了较好的经济效益 。我国对火用分
析的方法研究起步较晚 ,在相当长的一段时间
4. 高洪亮 非氟利昂制冷剂制冷性质的研究 , 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ,1995 ,85～ 90 。
5. 高洪亮 ,新工质用于制冷循环的热力计算 ,冷 藏技术 ,1998. 1. 33～36 。
6. 陈沛霖等 ,空调与制冷技术手册 ,上海 :同济 大学出版社 1992 ,698～700 。
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质进行有温差的不可逆传热过程 ,设 5 、5′分别 制冷剂用于不同的制冷系统 ,根据能量利用率
表示高温介质流入和流出换热器的状态 ,如图 的不同可以判别制冷装置的优劣 。
4 所示 ,6 、6′分别表示冷介质流入与流出的状 4. 2. 3 该方法能明确能量损失的部位及量
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《冷藏技术》1999 年第 3 期 (总 88 期)
(2) 得 :
e5 + e6 = e′5 + e′6 + e56
(8)
或 e56 = (e5 + e6) - (e′5 + e′6)
(9)
3 、制冷循环的火用效率计算
根据热力学经济指标的定义 ,可定义制冷
循环的火用效率为 :
ye = 收益的火用/ 消耗的火用
= 冷量火用/ 功火用
= eg- / ew
评价制冷循环能量利用或转换的效率 ,一
般采取传统的热力学指标制冷系数 ,其计算式
如
ε: =
制冷量 功耗
。它可以一目了然地反映出制冷
设备的收益能量与消耗能量之比 ,但它只能反
映能量在“数量”方面被利用的程度 ,无法表现
能量在“品位”即在“质”的方面的利用率 。为解
决这种缺点 ,提出了“火用”的概念 。它用能量中
(3)
e+
e-
eg+
eg-
ew+
ew-
图1
1 、稳定流动的火用平衡方程
对于稳定的流动系统 ,当单位质量的工质
稳定流过某一热力系统时 ,同时发生热量与机
械功的输入与输出 ,如图 1 ,以“ + ”表示输入 ,
以“ - ”表示输出 ,则 e + 、eg+ 、ew+ 、表示输入工质
的火用 、热量火用 、功火用 ;e - 、eg- 、ew- 相应地表示输
e1 + W = e2 + e2
(4)
或 e12 = w - (e2 - e1)
(5)
2. 2 节流装置
制冷工程中的节流装置常用热力膨胀阀 、
毛细管或节流阀 ,工质流过时是不可逆的等焓
绝热过程 。如图 3 ,工质膨胀前的状态为 3 ,膨
胀后的状态为 4 ,膨胀过程的火用损为 e34 ,则由 (2) 式得 :
代替 ,q 也是制冷系统的制冷量 ,其值为 :
q = h1 - h4 = h1 - h3
(13)
对整个制冷系统则有 :
ne = (1 -
Ta) T
( h1
-
h3) / (h2 -
h1)
(14)
图3
4 、结果与讨论
4. 1 计算结果
根据式 (1) 至 (14) 分别计算了环丙烷/ 2 -
甲基丙烯体系与氟利昂 R 12两种制冷剂在制
如图 2 ,设压缩过程是绝热的 ,工质进入压
缩机的状态为 1 ,排出时的状态为 2 ,压缩机功
耗为 W ,由不可逆引起的火用损为 e12 ,对于式 (2) 有 :e + = e1 ,eg+ = 0 ,ew+ = W ,e - = e2 ,eg- = 0 , ew- = O , e = e12 ,则式 (2) 变为 :
e3 = e4 + e34
(6)
或 e34 = e3 - e4
(7)
从式 (7) 可以看出 ,工质膨胀后火用的降低全部
成为不可逆损失 。
态 ,把整个换热器假定为热力系统 ,以单位质量
的介质为计算基础 ,设冷 、热介质流入与流出的
火用介别为 e6 、e′6 、e5 、e′5 ,火用 损为 e56 , 则由式
冷系统各装置中的火用变化情况 ,结果列入表 1
中。
4. 2 结果讨论
4. 2. 1 火用分析法是最先进的能量分析法 ,
图4 2. 3 换热器
它可以给出能量在质的方面被利用的程度 。 4. 2. 2 用火用分析法分析制冷循环 ,可以直
在换热器中 ,一般是由两种温度不同的介 接给出能量在制冷系统中被利用的程度 。同一
(1)
该式就是稳定流动系统的火用平衡方程 。
当热力过程为不可逆时 ,由热力学第二定
律知 ,输入的各项火用之和小于输出的各项火用之
和 ,两者之差即为火用损 。单位制量工质的火用损
用 e 表示 ,则 :
e + + eg+ + ew+ = e - + eg- + ew- + e
(2)
或 e = ∑e + - ∑e -
技术研究
《冷藏技术》1999 年第 3 期 (总 88 期)
制冷装置的火用效率分析
高洪亮 (山东轻工业学院轻化工程系 济南 250100)
摘 要 本文讨论了火用分析法在制冷循环中的应用 ,分析了制冷系统中各装置的火用平衡 ,导出了 各装置的火用损计算式 。
关键词 火用 ,制冷循环 ,火用效率 ,火用损 ,火用平衡 。
出工质的火用 ,热量火用 、功火用 。假设流动工质的
图2
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《冷藏技术》1999 年第 3 期 (总 88 期)
2 、制冷循环各装置的火用分析
制冷循 环 中 主 要 的 热 工 设 备 有 制 冷 压 缩
机 、节流装置及换热器 ,下面就分别推导它们在
制冷工程中实用的火用平衡式 。
2. 1 制冷压缩机
环丙烷/ 2 - 甲基丙烯
氟利昂 R12
De
占 ew %
e
占 ew %
3980. 43
100
4012. 66
100
- 1196. 92
30. 08
- 1000. 82
24. 90
- 433. 46
10. 97
- 403. 99
10. 06
- 3435. 42
60.Biblioteka Baidu00
- 3012. 43
75. 00
参考文献
1. 谭连城等 ,混合工质制冷系统节能的热力学
分析 ,工程热物理学报 ,1985 (2) ,113～116 。
2. 朱明善 ,能量系统的火用分析 ,北京 :清华大学
出版社 ,1988 。
3. [ 美 ] 艾亨著 ,黄志潜泽 ,能量系统的火用分析
方法 ,北京 :机械工业出版社 ,1984. 39～42 。
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 。
4. 2. 4 该方法可以判别不同制冷剂用于同
一制冷系统时的优劣 ,根据不同制冷剂在同一 种制冷系统中火用的利用情况 ,可以分析能量利 用的程度 ,从而进行制冷剂的优选 。
压缩机 冷凝器 节流阀 蒸发器
表 1 制冷剂在制冷系统中的火用分析结果
(10)
式中 ,ew 即为压缩机输入的功 :
ew = w = h2 - h1
(11)
eg- 是制冷工质在蒸发器中从外界吸收的热量
火用转化成的火用 。
eg-
= (1 -
Ta) T
q
(12)
式中 , Ta 是环境温度 , q 是制冷工质在蒸
发器中从外界吸收的热量火用 , T 是载冷剂的温
度 ,若 T 是变化的 ,可以用热力学平均温度来
内 ,我国存在着能耗高 ,效益低 、浪费能源的现
象 。因而火用分析法的研究对我国节约能源 ,提
高能源的有效利用具有重大意义 。本文讨论火用
分析法在制冷循环中的应用 。
位能与动能变化可忽略不计 ,而且所有变化都
在可逆条件下进行 ,则输入的各项火用之和等于
输出的各项火用之和 ,即 :
e + + eg+ + ew+ = e - + eg- + ew-