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摘要：本文通过对冷凝器中存在流动阻力的制冷系统进行了火用分析，得出了系统的火用效率及各部件的火用损失和火用损率随冷凝器中压降的变化的规律，指出在制冷系统的优化过程中，要同时考虑到换热器中的传热温差和流动阻力引起的不可逆损失。
关键词：火用分析；流动阻力；压降；冷凝器；不可逆损失
Abstract：This paper deal with exergy analysis of refrigeration system based on the pressure drop in the condenser，obtained the exergy efficiency of system and the exergy loss and exergy loss rate of components change with the different pressure drop in the condenser，present the optimization of the refrigeration should consider not only the heat transfer temperature difference but the flow resistance in the heat exchanger which resulted in exergy loss.
Key words：exergy analysis，flow resistance，press drop，condenser，irreversible loss
前言
热力学第一定律的分析是根据能量守恒的原理对系统进行分析，只是说明了能量的数量以及转化的数量，却并没有考虑到能量存在质的问题，而热力学第二定律从能量的质的角度出发，指出能量的转换存在方向性以及在转换过程中存在不可逆损失。在制冷系统中，特别是在蒸发器和冷凝器当中，由于换热面积不可能无限大和粘性流体的流动过程，在换热过程中必定存在传热温差和压力损失，因而系统中的传热温差和压力损失对系统性能产生重要的影响。从传热温差对制冷系统中的换热器的进行火用分析的研究相对较少，本文对小型制冷系统进行分析，讨论冷凝器中的压力损失对系统的火用效率的影响。
一、制冷系统
制冷系统的部件主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等，工质在压缩机的压缩过程是绝热过程，节流阀视为等焓过程。工质在冷凝器以及蒸发器中，由于存在流动阻力，所以其过程是一个压力下降的冷凝以及蒸发的过程。
图1 制冷系统
二、热力学分析
2.1 分析
在热力学中，是指在环境条件下任意一种形式的能量中能够转变为最大有用功的部分能量。系统的是指在环境条件下从系统过程中获得的能量可作出的最大有用功的部分能量。图1是在高温热源To与低温热源TL之间的一个制冷循环中压-焓图，在整个循环过程中，由于各种不可逆损失，使得实际的制冷循环偏离可逆的制冷循环，循环效率降低。
图2 实际制冷循环p-h图
为了揭示循环系统中能量转换效率及转换过程中能量的损失的深刻意义，作一些定义。从系统中获得的火用为收益火用以及付出的代价火用 ，定义系统的火用效率为
火用损率是指各部件的火用损失所占代价的比例，表示各部件在循环过程中的退化程度，定义为
系统的火用效率与各部件的火用损率之间的关系，可表示为
2.2 制冷循环的火用分析
小型家用空调的制冷方式是蒸汽压缩制冷，获得的冷量就是收益火用，下面对蒸汽压缩式制冷进行火用分析。
对于蒸汽压缩式制冷，从外界的输入的功为W，系统向室内提供冷量Qo，制冷系数为
付出的代价火用 为从外界的输入的功W，收益火用为系统向室内提供的冷量火用
为 （冷量火用为负值，故计算火用效率时取绝对值），所以系统的火用效率为
冷量是跟环境温度以及室内温度有关系的，按下式计算
冷凝器的火用损失
冷凝器的火用损率
蒸发器的火用损失
蒸发器的火用损率
节流阀的火用损失
压缩机的火用损失
压缩机的火用损率
三、计算结果与分析
3.1 基本条件及计算
设定制冷系统处于稳定流动，蒸发器的蒸发温度为7.2℃，过热度为3℃，冷凝器出口压力定为1.85MPa，冷凝器出口的过冷度为6℃，压缩机的绝热效率为0.8，环境温度为35℃，室内温度19℃，制冷剂的质量流量为0.016kg/s，风量为1500m^3，冷凝器进出口压差变化为0.03~0.09Mpa，不考虑蒸发器的压降以及风机的能量损失，对R22进行计算，计算结果如表1。
表1 系统火效率及各部件火用损失
3.2 结果分析
图3 各部件的火用损失 图4 各部件的火用损率
图5 系统的能效比随冷凝器压降的变化
图6 系统的火用效率随冷凝器压降的变化
1）从图3可以明显看出系统中冷凝器的火用损失最大，蒸发器次之，然后是压缩机，节流阀的火用损失最小。这是由于冷凝器由于存在较大温差传热以及流动阻力损失，造成不可逆损失比其他部件要大。蒸发器同样存在传热温差，不可逆损失也比较大。随着冷凝器的阻力压降增大，蒸发器与节流阀没有变化，压缩机和冷凝器的呈火用损失增大趋势，而且冷凝器的火用损失增加更快，这是由于流动阻力增大引起的火用损失增大，而压缩机是由于排气压力增大，绝热压缩过程愈偏离等熵过程，造成火用损失增大。
2）各部件火用损率随冷凝器压降的变化如图4所示，从图中可以看到蒸发器与节流阀的火用损率随着压降的增大而减少，由于蒸发器与节流阀的火用损失没有发生变化，而代价火用（即压缩机耗功）是增加的，使火用损率下降。而冷凝器的火用损率是随着冷凝器的压降增大而增大的，这是因为冷凝器的压降造成冷凝器的火用损失比代价火用的增加快的多。而压缩机的火用损率随压降变化很小，火用损率没有规律变化，主要是由于压降增大，压缩机的火用损失增大，代价火用同时也增大，所以没有呈现规律性的增大趋势。
3）从图5看，系统的能效比随着冷凝器的压降增大而减少，这是由于冷凝器的压降增大，为保持制冷系统循环，使得压缩机的耗功增大，而制冷量没有变化，从而能效比呈现下降的趋势。
4）对于制冷系统的火用效率，从图6可以看出系统的火用效率同样呈现随冷凝器的压降增大而减少的情况，这是由于系统中的冷凝器的阻力增大，导致冷凝器的火用损失增大，同时压缩机的排气压力增大（冷凝器出口压力相同），使得压缩机的不可逆损失增大，要获得相等的收益火用就需要更多的代价火用，所以系统火用效率下降。
四、结论
1）能效比只能在能量的量上对系统性能优劣的衡量，只考虑外部的损失，而没有考虑到设备的不可逆损失（包括外部不可逆以及内部不可逆），因此结合火用分析方法，从能量的质和量的角度去分析系统，可以很好的找出各部件不可逆损失的大小以及所占比例，更好的指导系统的优化。
2）换热器的火用损率在制冷系统占的比例比其他部件要大，而且冷凝器中的流动阻力不单单只影响冷凝器的火用损失，还会影响到其他部件的火用损失。
3）在制冷系统中的换热器不仅存在外部不可逆因素（传热温差引起），而且存在内部不可逆因素（流动阻力引起），在优化制冷系统的时候不仅仅要考虑到降低传热温差引起的火用失，还要考虑到减少流动阻力引起的火用损失。
参考文献：
[1]傅秦生.能量系统的热力学分析方法 陕西：西安交通大学出版社，2005
[2]张嘉辉，马一太，赵军.有效能分析法在制冷热泵系统节能上的应用 北京：第九届全国热力学分析与节能学术会，1999
[3]庞丽东.热泵系统的火用分析 山西：山西能源与节能，2007
论文作者:温煜沛
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/16
标签：冷凝器论文; 损失论文; 系统论文; 蒸发器论文; 压缩机论文; 能量论文; 阻力论文; 《基层建设》2017年第23期论文;