099基于火用分析的家用空调系统冷凝热回收技术的节能研究

基于火用分析的家用空调系统冷凝热回收技术的节能研究河北工程大学张伟捷☆高彦兵新奥集团魏艳萍摘要本文指出了传统的热平衡分析方法在能源利用效率分析时的缺陷，指出了火用分析方法在能源利用效率分析时的优势，建立了常规压缩式风冷家用空调系统和改装的带冷凝热回收装置的家用空调系统的火用分析模型，基于火用分析方法对常规压缩式风冷家用空调系统和改装的带冷凝热回收装置的家用空调系统两种工作过程进行热力计算，在此基础上对这两种工作过程分别进行火用分析，并将分析结果加以对比。分析结果表明，带冷凝热回收装置的家用空调系统的运行模式对改善机组性能及节能均有积极意义。关键词制冷循环过程；火用损失；循环火用效率；EES0引言随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，家用空调已进入千家万户，空调耗能总量剧增，如何有效地降低空调耗能，缓解能源供应的压力，已日益显得重要。在这其中一项重要的工作就是对如何提高制冷系统的能源效率进行研究。当前能源利用效率的研究主要使用两种方法：一是基于热力学第一定律的热平衡方法，二就是基于热力学第二定律和第一定律的火用分析方法[1]。热平衡分析方法的特点是不同质的能量在数量上的平衡，只考虑了量的利用程度，反映的只是量的外部损失。它为节能研究指明了一定的方向，但是由于热平衡分析方法无法揭示系统内部存在的能量“质”的变化和损耗，不能深刻揭示能量损耗的本质，而且由于能效率的分子分母常常是不同质的能量的对比，不能科学地表征能的利用程度，在此情况下，就需要进一步对其做火用分析[2]。本文基于火用分析方法，利用EES编写程序对常规压缩式风冷家用空调系统和改装的带冷凝热回收的家用空调系统两种工作过程进行热力计算，并在此基础上做对比火用分析，揭示两种不同制冷系统中各部位火用损失的类型和数量，以便找出并推荐使用火用效率高的制冷系统，从而实现家用空调系统的节能优化。1火用分析方法火用分析方法依据的是能量中火用的平衡关系，即热力学第一和第二定律。通过分析，揭示出能量中火用的转换、传递、利用和损失的情况，确定出该系统或装置的火用利用效率。由于这种分析方法和评价指标是基于热力学第一和第二定律基础之上的，故称为“火用方法”和“火用效率”。火用分析方法比热平衡分析方法更科学、更深入、更全面。它综合考虑了能量的量与质，将不同形式、不同量和质的能量统一到做功能力这个统一的尺度下面，所有形式的能量就有了统一的度量，就有了可比性。它除考虑量的利用程度之外，还考虑了质的匹配，反映的是量和质两方面的损失。火用分析方法真正指明了节能措施的方向，因此火用分析方法在制订能源长期规划过程中具有重要的指导作用。2家用空调制冷系统的火用分析常规空冷家用空调系统是能连续地提供冷量的生产装置，冷量就是它的“产品”。而对于改装的带冷凝热回收装置的家用空调系统，除了冷量为其“产品”外，回收的冷凝热也为其“产品”。在实际的家用空调系统中，蒸汽压缩式制冷方式应用最广，下面就对这种空调制冷装置进行火用分析。2.1火用分析模型的建立基于逆卡诺循环的空调冷热源工作流程通常由以下几个过程完成：（1）循环工质从低温热源吸收热量的过程；（2）循环工质向高温热源排放热量的过程；（3）循环的能量补偿过程。结合当前家用空调中普遍采用的制冷系统，建立以下的灰箱模型，如图1所示。环境温度为T0，环境压力为P0，蒸发温度为TL，冷凝温度为TH，制冷剂从蒸发器吸取冷量为QL，制冷剂由冷凝器放热到空气或冷却水的热量为QH，系统的供给火用为压缩机的耗功Wc，制冷剂向空调房间输出的冷量火用为EX，QL，制冷剂在冷凝过程中放出的热量火用为EX，QH，制冷剂在点1，2，3，4处的火用分别为Ex1，Ex2，Ex3，Ex4,制冷剂在压缩机，冷凝器，节流阀，蒸发器的火用损分别为Ex,L，C，Ex,L，Con，Ex,L，Th，Ex,L，Ev，制冷剂在点1，2，3，4处的焓分别为H1，H2，H3，H4，制冷剂在点1，2，3，4处的熵分别为S1，S2，S3，S4。1234Ex2Ex3Ex4压缩机节流阀冷凝器蒸发器Ex，L，ConEx，QHEx，L，EvEx，QLEx，L，ThEx，L，CWcEx1122s34TOcs图1蒸汽压缩制冷装置的火用分析模型图2蒸汽压缩制冷循环T-s图为了便于分析，对以上的火用分析模型做如下假设：（1）循环工质在冷热源系统中的流动为稳态流动过程；（2）循环工质在冷凝器内为定压放热过程，在蒸发器内为定压（定温）吸热过程，循环工质在连接管路中的流动阻力损失可忽略不计；（3）压缩机的压缩过程和节流阀的节流过程都为绝热过程；（4）在冷凝器和蒸发器的出口侧流动工质的状态都为饱和状态。根据以上假设，可画出工质在空调冷热源设备中工作的T-s图，如图2所示。1→2s为定熵压缩过程，1→2为实际不可逆压缩过程，2→2s→3为定压放热过程，3→4为绝热不可逆节流过程，4→1为定压（定温）吸热过程。2.2各单元设备的火用效率和火用损失系数2.2.1压缩机压缩机的火用效率为ηe，C＝cxxWEE12＝1－cCLxWE,,火用损失为Ex,L，C＝Wc+Ex1－Ex2火用损系数为cCLxCWE,,＝1－cxxWEE122.2.2冷凝器冷凝器为一换热器，制冷剂在冷凝过程中放出的热量火用为EX，QH。EX，QH＝QHHTT01＝（H2－H3）HTT01如果采用常规空冷家用空调系统，这部分火用是被空气带走散失到环境中的外部火用损；如果采用改进的带水冷式冷凝热回收装置的家用空调系统，这部分火用被用来循环加热自来水，提供生活热水。EX，QH又是用来评价冷凝器冷凝效果的一个量，显然EX，QH越大，冷凝效果越好，冷凝器的火用效率越高。一般情况下，在忽略制冷剂流动阻力的条件时，不讨论冷凝器的火用效率，仅计算其火用损失和火用损失占整个火用代价（压缩机耗功）的比例——广义火用损失系数。如果采用常规空冷家用空调系统，冷凝器的火用损为Ex,L，Con＝Ex2－Ex3＝H2－H3－T0（S2－S3）＝QH－T0（S2－S3）其中外部火用损为Ex,L，Con，out＝QHHTT01内部火用损为Ex,L，Con，in＝Ex,L，Con－Ex,L，Con，out＝320SSTQTTHHH冷凝器的火用损系数为cHcConLxConWSSTQWE320,,如果采用改进的带水冷式冷凝热回收装置的家用空调系统，热量火用EX，QH被用来循环加热自来水，提供生活热水。冷凝器的火用损为Ex,L，Con＝Ex2－Ex3－EX，QH＝H2－H3－T0（S2－S3）－QHHTT01＝320SSTQTTHHH冷凝器的火用损系数为cConLxConWE,,＝320SSTQWTTHHcH2.2.3节流阀制冷剂在节流阀中进行的是节流过程，节流前、后焓值相等，即H3=H4。节流阀的火用损为Ex,L，Th＝Ex3－Ex4＝H3－H4－T0（S3－S4）＝T0（S4－S3）火用损系数为cThLxThWE,,＝cWSST)(3402.2.4蒸发器蒸发器也是一个换热器，蒸发器的火用效率为ηe，Ev＝14,xxQLxEEE＝1－14,,xxEvLxEEE火用损失为Ex,L，Ev=Ex4－EX，QL－Ex1火用损系数为cEvLxEvWE,,＝cxQLxWEEE1,x42.3循环系统火用效率的计算如果采用常规空冷家用空调系统，系统的供给火用为压缩机的耗功Wc，有效火用为制冷剂向空调房间输出的冷量火用EX，QL，由此得系统得火用效率为：ηe，＝cQLxWE,如果采用改进的带水冷式冷凝热回收装置的家用空调系统，热量火用EX，QH被用来循环加热自来水，提供生活热水。系统的供给火用为压缩机的耗功Wc，有效火用为制冷剂向空调房间输出的冷量火用EX，QL和制冷剂在冷凝过程中放出的热量火用EX，QH，由此系统的火用效率为：ηe，＝cQHxQLxWEE,,3家用空调制冷系统的火用分析计算为了分析循环特性，本文根据EngineeringEquationSolver（EES）编写程序对两种工作过程进行热力计算与循环火用分析计算。EES是工程用方程（公式）求解器的英文简称，主要用于求解一系列的代数方程。EES通过内置的大量数学和热力学方面的函数，可以精确实现水蒸气，氨，氮，甲烷，丙烷，所有普通氯氟烃类制冷剂，R-134a等流体的热力学性质参数的求解，使得由任何两个独立参数通过调用内置函数时传入的参数就能获得上述流体的第三个参数值。3.1常规空冷压缩式家用空调系统用R22作制冷剂的单级压缩制冷循环如图2的T-s图所示。环境温度为T0＝305.15K（32℃），环境压力为P0＝0.1013MPa(1atm)，蒸发温度为TL＝10℃，冷凝温度为TH＝50℃压缩机等熵效率为η＝0.8，空调房间空气温度为28℃。对常规空冷压缩式家用空调系统，采用EES进行计算。T-s图中各点状态参数计算值见表1。循环火用分析计算表见表2。表1T-s图上主要状态点的参数焓HkJ/kg压力PkPa熵skJ/（kg·K）温度T℃1408.5681.21.737102441.219571.75673.982s439.119571.75667.053263.819571.21504263.8681.21.22610表2常规空冷家用空调系统循环火用分析计算表火用损失Ex,L，i/kJ·kg-1火用效率ηe，i火用损失系数ξi=Ex,L，i/wc压缩机5.8020.8220.178空冷冷凝器10.8——0.331节流阀4.823——0.148蒸发器6.3390.7730.193输入功火用Wc/kJ·kg-132.67冷量火用Ex,QL/kJ·kg-14.902循环火用效率ηe(%)15％3.2带冷凝热回收装置的家用空调系统用R22作制冷剂的单级压缩制冷循环如图2的T-s图所示。环境温度为T0＝305.15K（32℃），环境压力为P0＝0.1013MPa(1atm)，蒸发温度为TL＝10℃，压缩机等熵效率为η＝0.8，空调房间空气温度为28℃。对于采用冷凝热回收技术的家用空调系统，由于此系统要将夏季温度为20℃的自来水循环加热到45℃左右的生活用水。自来水温度为动态连续变化，水冷冷凝器的冷凝温度也为动态连续变化。为便于分析，水冷冷凝换热器的自来水进出口温差取4℃，冷凝温度与自来水的进口温差取14℃。对于采用冷凝热回收技术的家用空调系统，同样采用EES进行计算。制冷循环过程各单元设备的火用损失系数随水冷冷凝器中自来水温度的变化曲线如图3所示。采用冷凝热回收技术的家用空调系统循环火用效率随水冷冷凝器中自来水温度的变化曲线，如图4所示。051015202530354022263034384246自来水温度t（℃）火用损失系数ξi×100%（%）压缩机水冷冷凝换热器节流阀蒸发器图3带冷凝热回收的家用空调各单元设备的火用损失系数随自来水温度的变化33.9638.6641.8944.1245.6346.647.16303234363840424446485022263034384246自来水温度t（℃）循环火用效率η（％）图4带冷凝热回收的家用空调循环火用效率随自来水温度的变化4计算结果分析4.1常规空冷压缩式家用空调系统常规空冷压缩式家用空调系统循环火用效率仅为15％，输入功中有85％的不可逆损失，从热力学角度，有必要对这一制冷循环进行改进。在此制冷循环过程中，冷凝器火用损系数最大，火用损占输入功的33.1％，一部分是由于传热温差引起的，另一部分主要是由于采用空冷冷凝器，将大量较高品质的冷凝热热量火用直接排放到了室外空气环境中，若能充分利用冷凝热热量火用来加热生活用热水，将会使冷凝器的工作特性有所改善；蒸发器火用损系数居第二位，火用损占输入功的19.4％，这是由于传热温差过大引起的；压缩机火用损占输入功的17.8％，这主要是由于压缩机内进行的不可逆压缩过程造成的，为减少这部分火用损失可采用等熵效率高的压缩机；节流阀火用损占输入