回热式制冷循环的热力学分析

徐冉冉，刘红敏

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )



回热式制冷循环的热力学分析

徐冉冉，刘红敏

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

回热循环能够实现较大的回热要求，确保制冷系统的正常运行，提高制冷系统的性能。本文介绍了火用的概念和火用分析方法。对回热式制冷循环各过程进行了热力学分析和计算，并对回热制冷循环和无回热循环进行了比较。通过探讨在循环的各过程的热力学损失，找出了损失最大的过程并提出改进的方法。

回热器；制冷循环；热力学分析

0　引言

回热器是回热式低温制冷机中的关键部件，它对回热式低温制冷机性能有重要影响[1]。在蒸气压缩式制冷循环中，通常在系统中安装一个回热器确保制冷系统正常运行，并提高制冷系统的性能。制冷系统中回热器通常有三个重要作用[2]：

(1)可以提高制冷系统的性能系数；

(2)增加冷凝器出口制冷剂液体的过冷度，以避免制冷剂在毛细管中发生相变；

(3)使离开蒸发器后蒸气中夹带的液体在进入压缩机前汽化。

带有回热器的蒸汽压缩式制冷系统如图1所示。在该系统中，使节流前的液体和来自蒸发器的低温蒸气在回热器中进行热交换。交换后的结果是使制冷剂液体的过冷度增加，回气管中低温蒸气的过热度增加，使低温蒸汽中可能有的液滴汽化过热，提高了压缩机的进口气流温度。这样，不仅可增加单位制冷量，而且可以减少蒸气与环境空气之间的传热温差[3]。在低温制冷装置中，吸气温度过低会使压缩机气缸外壁结霜，润滑条件恶化，因此必须提高吸气温度。同时，为避免高压液体在进入膨胀阀或毛细管之前因管道阻力等因素而使部分液体气化，影响节流元件的工作特性，也希望液体有一定的过冷度。系统中装有气-液热交换器来达到这一目的[4]。

现代社会是一个倡导节约能源的社会，人们对各种形态能源都要合理开发利用，以求使能源利用达到最大价值。火用[5]作为评价能源价值的参数被引入热力学和能源科学的领域。其反映了能量的“量”和“质”的结合。火用分析法体现了能的性质，能的损失和能量的转化效率，得到了热动力循环研究的广泛应用[5]。本文研究了带有回热器的蒸汽压缩式制冷循环的火用分析并提出了改进循环效率的方法。

图1　回热式制冷循环系统图

1　火用的概念

1.1能量转换的类型

根据能量可转换为功的程度分类，可以分为三类：

(1)可以全部转换为功的能量：机械能(动能、位能和机械功)、电能。

(2)部分可转换为功的能量:热能、化学能、热力学能。

(3)不可以转换为功的能量：内能。

1.2火用

根据热力学第二定律，一种形式的能量并不总是可以转换为功。从这一角度出发，可以把能量看成是两部分组成的：可转换的部分与不可转换的部分。其中，可转换为功的部分就称为火用，不可转换为功的部分称为火无。能量中火用的比例越大，表示它能转化为有用功(也叫技术功)的部分越大，它的品质也就越高。

下面介绍在回热式制冷循环中用到的火用:热量(冷量)火用和焓火用。

1.2.1热量(冷量)火用

热源在温度T时放出的dQ热量中可转化为有用功的部分就是热量火用。在一个可逆的卡诺循环机中转换，环境温度为Ta，热量火用可表示为[6]：

(1)

热源在放热过程中，温度由T1降至T2，过程中放出的热量为Q，则Q的火用可表示为：

(2)

热源放热时温度T保持不变，则火用可表示为：

(3)

若热源温度T高于环境温度Ta，如图2所示，则Eq(面积1-2-3-4-1表示)与Q(面积1-2-6-5-1表示)的符号相同，表示从一定的热量Q中可得到的最大功Eq;若热源温度低于环境温度，则Eq(面积1-2-3-4-1表示)表示为从低于环境温度的热源中取出热量Q(面积1-2-6-5-1表示)(冷量)所需消耗的最小功。

图2　热量火用EQ和火无AQ

图3　冷量火用EQ和火无AQ

1.2.2焓火用

流动的流体所具有的火用称为焓火用，它是一个状态参数，与所经历的过程无关，其定义是：

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

(4)

1.3火用效率

火用效率是衡量一个技术过程的完善度[6]，它的定义是：

(5)

式中，Eout、Ein代表外界提供给系统的火用和系统输出给外界的火用。对于压缩式蒸汽制冷循环来说，有：

(6)

式中，Eq0表示冷量Q0的火用，W表示压缩机所消耗的功。

2　回热制冷循环中各个过程中的火用分析

忽略冷凝器及蒸发器中的微小压力变化，认为冷凝温度和蒸发温度为定值;将压缩机内部过程简化成一个从吸气压力到排气压力的有损失的简单压缩过程;节流过程认为是前后焓相等的过程。经过简化，则实际循环如图4所示，循环的实际过程为0-1-2-3-4-5-6-0。1-2是不可逆压缩过程，2-3是冷凝器的非定压放热过程，0-1、3-4是在回热器中的热交换过程，4-5是节流过程，5-0是制冷剂在蒸发器中的吸热过程。本文考虑到压缩机的不可逆压缩过程和冷凝器、蒸发器存在温差换热等各种不可逆因素，以T′表示环境温度,T0′表示冷库温度。

图4　回热式蒸汽压缩制冷循环T-s图

(1)压缩过程(1-2)

压缩过程的火用损失为：

△ecom=T′(s2-s1)

(7)

(2)冷凝器中的冷却冷凝过程(2-3)

冷却冷凝过程的火用损失为：

△econ=s2-s3

(8)

(3)回热过程(3-4,0-1)

回热过程的火用损失为：

△erec=T′[(s1-s0)-(s3-s4)]

(9)

(4)节流过程(4-5)

节流过程的火用损失为：

△ethr=T′(s5-s4)

(10)

(5)蒸发过程(5-0)

蒸发过程的火用损失为：

(11)

其中，q0为制冷量，q0=h0-h5

(12)

总火用损失 ：

△etotal=△ecom+△econ+△erec+△ethr+△eeva

(13)

图5　回热式制冷循环p-h图

3　实例分析

一台制冷量为50kW的往复活塞式制冷机，工作的高温热源温度Ta为32℃，低温热源温度t0为

-18℃的条件下，制冷剂为R134a，采用回热循环压缩机的吸气温度比高温热源高8℃，蒸发温度比低温热源低5℃。

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

查《制冷及低温原理》表可得各点状态参数如表1所示[6]。

表1　各点状态参数

比焓火用可用公式表示如下：

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

(14)

由公式(14)可求得各状态点制冷剂的比火用值，如表2所示。

表2　各状态点制冷剂的比火用值

下面分析回热式制冷循环中(0-1-2-3-4-5-0),压缩、冷凝、回热、节流和蒸发过程的火用损失。

压缩过程的火用损失为

△ecom=W+e1-e2=h2-h1+e1-e2

=14.526kJ/kg

冷却冷凝过程的火用损失

△econ=e2-e3=8.828kJ/kg

回热过程中的火用损失为

△erec=(e3-e4)-(e1-e0)=3.448kJ/kg

节流过程的火用损失为

△ethr=e4-e5=8.667kJ/kg

冷量火用的计算式为

蒸发过程中的火用损失为

=0.344kg

总的火用损失为：

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

压缩机消耗的功为：

W0=h2-h1=67.3kJ/kg

回热循环和无回热循环各过程的火用损失比较如表3所示。

表3　回热循环和无回热循环各过程的火用损失

从上面的分析可以看出，无论是回热循环或是无回热循环,最大的火用损失发生在压缩机中，因此提高压缩机的效率可以减少火用损失。在制冷量一定时,采用回热循环,产生的火用损失较小,压缩机耗功小,制冷系数也较无回热循环大。所以，在此制冷系统中，采用回热式制冷循环是有利的。

4　结论

回热循环能够实现较大的回热要求，确保制冷系统的正常运行，提高制冷系统的性能。本文采用火用分析方法，能够清楚、直观地表现出能量的利用过程和各环节的工作效率。各个过程产生的火用损失就是能量“贬值”的过程，火用就是可转化为功的能量，提高火用效率就是提高能源的利用价值。最后通过实例分析还得出，在制冷量一定时,采用回热循环,产生的火用损失较小,压缩机耗功小,制冷系数也较无回热循环大。所以，在这种制冷系统中，采用回热式制冷循环是有利的。无论是回热循环或是无回热循环,最大的火用损失发生在压缩机中，因此提高压缩机的效率是减少火用损失的关键，也是以后研究者重点突破的难点。

[1] 陈曦,郭永飞,张华,等.回热式低温制冷机用回热器结构研究综述[J].制冷学报，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,曹晓琳,席占利,等.回热器对制冷循环性能影响的研究[J].制冷与空调,2005,(4):38-42

[4]吴业正.制冷原理及设备[M].第二版.西安：西安交通大学出版社，1998

[5]张立伟.基于蒸汽压缩式制冷循环的火用分析[J].郑州轻工业学院学报，1995，10(4)：59-63

[6]郑贤德.制冷原理与装置[M].第二版.北京：机械工业出版社，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，硕士研究生，研究方向：空调热舒适性研究。Email：18217060651@163.com

ISSN1005-9180(2016)03-084-05

TB61；TB66文献标示码：Bdoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.016