热能与动力工程毕业设计（论文）-单级蒸汽压缩回热制冷循环的能量分析和火用分析.doc

单级蒸汽压缩回热制冷循环的能量分析和火用分析【摘要】火用分析是在热力学第二定律的基础上，从“量”与“质”的结合上规定了能量的“价值”。 火用分析作为一种新的热力学分析方法，揭示了能量转换的本质，改变了人们对能的性质、能的损失及能量转换效率的传统看法，为合理用能指明方向。火用分析方法在热动力循环的研究中正广泛采用。本文将对r134a、r290为制冷剂的单级蒸汽压缩回热制冷循环，进行详尽的热力计算、能量分析、火用损失及火用效率的计算，进而可以得知系统各个环节能源利用的情况，同时探讨如何减少火用损失及提高火用效率的措施，并提出改进单级蒸汽压缩回热制冷循环的方法。【关键词】:单级蒸汽压缩回热制冷循环;r134a;r290;能量分析;火用分析the energy analysis and exergetic analysis of the simp vapour compression regenerative refrigeration cycleabstract exergy which based on the second law of thermodynamics stipulate the energy of the “value” from the combination of “quantity” and “quality”. exergy as a new method of thermodynamic analysis, change the peoples traditional view of the nature of the energy, the loss of the energy and the energy conversion efficiency and direction for the rational use of energy. exergy analysis method is widely used in the research of thermodynamic cycle. the article will calculate the energy 、exergy loss and exergy efficiency detailed, then we can know all aspects of situation of energy use. it introduce the measures how to reduce the exergy loss and raise the exergy effience and put forward the method of the simp vapour compression regenerative refrigeration cyclekey words ：the simp vapour compression regenerative refrigeration cycle; r134a; r290; energy analysis; exergetic analysis目录引言11. r134a单级蒸汽压缩回热制冷循环 31.1能量分析计算31.2火用分析计算62. r290单级蒸汽压缩回热制冷循环132.1能量分析计算132.2火用分析计算153. 单级蒸汽压缩回热制冷循环的能量分析和火用分析 213.1能量分析和火用分析213.2提高火用效率的具体措施23结束语25致谢信26参考文献27引言在当今世界，随着社会生产的不断发展，作为其推动力的能源消费与日俱增，造成世界能源(可用能源)紧张局势越来越严重，各国都在努力寻求有效途径以能更合理地开发利用能源，已成为全人类研究的热点，对此，应积极采取新技术，新工艺，努力提高设备的热效率，降低无效能耗，以最大限度地缓和发展经济与能源紧张的矛盾。与工业发达国家相比，我国的单位产值能耗要高出13倍，能源利用率低，加上我国人口众多，节能的紧迫性更为突出。传统的耗能水平评价是从热平衡的概念出发，用热效率的高低作为评价标准，并从热能在热平衡各项中的分配情况出发去寻求节能潜力，此方法考虑的是所用能与所耗能在数量上的比值，没有考虑到各种能量在质量上的差别，因而不能全面地反映能量在转换过程中的热能利用情况，也就不能为衡量热能转换过程的好坏及评价装置的完善程度和节能技术措施的有效性提供一个合理的尺度。火用分析法是在热力学第一定律和第二定律基础上考虑了能质的高低(即能的品位)，借助火用进行节能分析的方法。火用分析法1又称为热力学第二定律分析法，就是对系统和设备进行的每一个过程，计算其火用的损失，对整个设备或系统计算其火用效率，对于在综合条件下进行的过程来说，火用损失的大小能够用俩衡量该过程的热力学完善度，火用损失大说明过程的不可逆性大。火用效率是在热力学第二定律的基础上，同时综合热力学第一定律的更为全面的评价指标，是从能量的“质”和“量”两方面综合的对实际的能量装置及其能量转换过程进行考察，因而更为全面。火用是某种能量在理论上可取出的最大可用能的数量，火用值是一个以环境为基准的相对值。介质参数越高(高温、高压)，其火用值越高，即能质高。制冷系统作为冷藏企业的能耗大户，提高设备的热效率，优化整个制冷系统，具有重要的现实意义，是广大制冷科技工作者的努力目标。而对制冷系统性能的优劣能否作出合理的评价则是这一切的前提。热力学第一定律和第二定律是分析热力系统性能的重要工具。第一定律指出，能量在转移或转换过程中总量是守恒的；第二定律指出，能量在质上是不守恒的，能量的利用过程同时也是能量的贬值过程。由于出发点不同，利用这热力学第一定律和第二定律分析同一个热力系统时，往往会得到不同的结论。本文将对r134a、r290为制冷剂的单级蒸汽压缩回热制冷循环，进行热力学第一定律和第二定律分析（即能量分析和火用分析）。进行详尽的能量计算和火用损失及火用效率的计算，然后制冷循环进行能量分析和火用分析，进而可以得知系统各个环节能源利用的情况，同时提出减少火用损失及提高火用效率的措施，并提出改进单级蒸汽压缩回热制冷循环的方法。1. r134a单级蒸汽压缩回热制冷循环1.1 能量分析计算r134a（氟利昂）是一种新型制冷剂，属于氢氟烃类（简称hfc）3。其沸点为-26.5。破坏臭氧层潜能值odp为0，但温室效应潜能值wgp为1300（不会破坏空气中的臭氧层，是近年来鼓吹的环保冷媒，但会造成温室效应。），现被用于冰箱、冰柜和汽车空调系统，是一种很环保的制冷剂，以代替氟利昂12。在制冷和空调设备所采用的制冷循环中，蒸气压缩制冷循环占有相当大的比例，为了进一步提高这类循环的性能系数，有必要对蒸气压缩制冷循环进行热力学分析。本节将应用热力学第一定律首先分析一下带回热制冷循环系统的热力性能。一般， 蒸气压缩回热制冷循环至少由五个部分组成：压缩机、冷凝器、回热器、膨胀节流件及蒸发器3，如图1.1所示。图1.1 制冷循环流程图 1-2 表示制冷剂在压缩机中的等熵压缩过程；2-3 表示制冷剂在冷凝器中的冷却和冷凝过程；3-4 表示制冷剂液体的过冷过程；4-5 表示节流过程；5-1表示制冷剂在蒸发器中蒸发过程；1-1 表示制冷剂蒸汽的过热过程。 图1.2 制冷循环简单的p-h图计算条件：单级蒸汽压缩回热制冷循环的制冷量为150kw，环境温度为35；采用水冷式冷凝器，冷却水入口温度为32，冷却水温升为4；冷凝温度比冷却水入口温度高8；冷库温度为-15；蒸发温度比冷库温度低5；蒸发器出口工质过热度为2；冷凝器出口液体无过冷；回热器热端温差为5：压缩机指示效率和机械效率分别为0.75和0.9。由已知条件可得：冷凝器的出口温度 tw2 = 32 + 4 = 36 ；冷凝器的冷凝温度tk = 32 + 8 = 40 ;蒸发器的蒸发温度t0 = -15 5 = -20 ；压缩机的吸气温度t1 = 40 5 = 35 。 图1.2 制冷循环实际p-h图查r134a得p-h图，得出循环各个状态点的参数如图1.1所示。表1.1 制冷循环的各个状态点参数状态点t ()p (kpa)h (kj/kg)s(kj/（kgk)v(m/kg)0-20.00 1.33385.00 1.735 1-18.00 1.33386.94 1.743 135.00 1.33432.53 1.905 0.18452118.00 10.2504.05 1.952 2s101.00 10.2485.75 1.905 2v40.00 10.2418.14 1.707 340.00 10.2256.15 1.190 47.90 3.86210.56 1.038 5-20.00 1.33205.21 1.046 循环的热力计算3如下：1. 点4状态的确定。 根据回热器的热平衡，有 h3 h4 = h1 h1 h4 = h3 ( h1 h1) = 256.15 (432.53 386.94) = 210.56 kj/kg由r134a的p-h图查得t4=7.9 2. 单位质量制冷量q0、单位容积制冷量qv及单位理论供w0的计算。q0 = h1 h5 = h1 h3 = 432.53 256.15 = 176.38 kj/kg qv = q0/v = 176.38/0.1845 = 955.99 kj/kgw0 = h2s h1 = 485.75 432.53 = 53.22 kj/kg3. 制冷剂质量流量qm的计算。 qm = q0/q0 = 150/176.38 = 0.85 kg/s4. 压缩机理论功率p0的计算。 p0 = qmw0 = 0.8553.22 = 45.24 kw压缩机的指示功率为 pi = p0 /i= 45.24/0.75 = 60.32 kw压缩机的轴功率为pe = p0 /m = 45.24/0.9 = 50.26 kw5. 制冷系数0及热力完善度m的计算。 0 = q0/w0 = 176.38/53.22 = 3.31 s = q0/pe = 150/50.26 = 2.98 卡诺循环的制冷系数c为 c = t0/（tk t0）= 253.15/(313.15 253.15) = 4.22 故热力完善度为 =s /c = 2.98/4.22 = 0.716. 冷凝器的热负荷qk的计算。 h2 = h1 +（h2s h1）/i = 432.53 + (485.75 432.53)/0.75 = 504.05 kj/kg故 qk = qm（h2 h3） = 0.85（504.05 256.15）= 210.24 kw 7. 回热器热负荷qr 的计算。 qr = qm（h1 h1） = 0.85(432.53 386.94) = 38.75 kw由以上计算结果可知，制冷量与压缩机的指示功率之和为210.32 kw，与冷凝器的的冷负荷qk = 210.24 kw，仅差为0.08 kw（0.04%），而且该误差是由于计算误差所引起的，因此可以得出该系统是闭合的系统。1.2 火用分析计算一个实际过程或循环，总是存在着各种不可逆过程，单级蒸汽压缩回热制冷循环也不例外。从分析循环损失着手，可以知道一个实际循环偏理想可逆循环的过度、循环各部分的损失大小，从而可以指明提高循环的经济性途径。热力学第二定律不仅可以判断过程的发展方向、能量的品质，而且还可以用来分析系统内部的各种损失。本节将应用热力学第二定律，对带回热制冷循环系统9进行火用分析计算，得出有效能损失的分配情况，以找到合理的改进途径，做到有的放矢。下面将对压缩机、冷凝器、回热器、膨胀节流件、蒸发器等部件建立有效能平衡方程，计算各个部件的火用损、水的火用损及冷量火用。1. 压缩机压缩机是蒸气压缩制冷循环的“心脏”，通过耗费一定的功使制冷剂压力和焓值升高。下面将对压缩机进行火用分析计算，图1.4是压缩机的有效能平衡图。 图1.4 压缩机有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex1 + wc = ex2 + i1 式中：ex1和ex2 分别为压缩机入口和出口工质单位质量有效能，kj/kg；wc为压缩机工质单位质量输入功，kj/kg。i1为压缩机有效能损失，kj/kg；压缩机的输入功为：wc = h2h1由压缩机的有效能平衡方程得：i1 = ex1 + wc - ex2 =（h1ha）-ta（s1 - sa）+ wc -（h2ha）+ ta（s2 - sa） =（h1h2）+ta（s2 - s 1） = 308.15（1.9521.905） = 14.48 kj/kg火用损率1为：1=i1 / wc = 14.48/71.52= 20.25%2. 冷凝器冷凝器的主要作用是把压缩机出口的高温气体近似等压地冷却成过冷液体。下面将对冷凝器进行火用分析计算，图1.5为冷凝器的有效能平衡图。图1.5 冷凝器有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex2 + mexw1 = ex3 + mexw2 + i2 式中：ex1和ex2 分别为冷凝器入口和出口工质单位质量有效能，kj/kg；exw1和exw2分别为冷凝器的入口和出口冷却水工质单位质量有效能，kj/kg；i2为冷凝器有效能损失，kj/kg；1kg制冷剂工质所对应的冷凝器热负荷qk为：qk=qk/qm = 210.24/0.85=247.34 kj/kg冷却水的单位时间的流量可由冷凝器的热负荷计算出: q =mcpt由以上条件可知：q= qk=247.34 kj/kg cp=4.2 kj/kg t=36-32=4 所以，冷却水的质量流量m为： m= qk/（cpt）= 247.34/（4.24）=14.72 kg/s查水的p-h图6的得出水对应温度的参数，如表1.2所示。表1.2 水的状态参数t（）h (kj/kg)s (kj/（kgk)入口的冷却水32134.22 0.4636 出口的冷却水36150.940.5179 由冷凝器的有效能平衡方程得: i2 = ex2 + mexw1 ex3 mexw2 =（h2 ha）- ta（s2 - sa）+m（hw1 ha）- ta（sw1 - sa）-（h3 ha）+ ta（s3 - sa）-m（hw2 ha）- ta（sw2 - sa） =（h2 h3）+ ta（s3 s2）+ m（hw1 hw2）+ ta（sw2 sw1） = (504.05 256.15) + 308.15(1.1901.952)+14.72(134.22 150.94) + 308.15(0.5179-0.4636) = 13.28 kj/kg火用损率 2为：2= i2 / wc= 13.28/71.52 = 18.56%3.回热器回热器是使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸汽进行热交换，使制冷剂过冷、蒸汽过热。下面将对回热器进行火用分析计算，图1.6是回热器的有效能平衡图。 图1.6 回热器的有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex3 + ex1 = ex4 + ex1 + i3式中：ex3、ex1和ex4、ex1分别为回热器入口和出口工质单位质量有效能，kj/kgi3为回热器有效能损失，kj/kg；由回热器的有效能平衡方程得 i3 = ex3 + ex1 - ex4 - ex1 =（h3 ha）- ta（s3 - sa）+（h1 ha）- ta（s1 - sa） -（h4 ha）+ ta（s4 - sa）-（h1 ha）+ ta（s1 - sa） =（h3 h4）+ ta（s4 - s3）+（h1 h1）+ ta（s1 - s1） =( 256.15 - 210.56) + 308.15(1.038 - 1.190)+ (386.94 - 432.53) + 308.15(1.905 - 1.743) = 3.08 kj/kg火用损率 3为：3 = i3 / wc = 3.08/71.52 = 4.31%4.节流阀膨胀节流过程是制冷系统所必不可少的过程。制冷剂流经节流元件膨胀后焓值不变,但压力和温度降低，形成低温源。下面将对节流阀进行火用分析计算，图1.7是节流阀的有效能平衡图。图1.7节流阀的有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex4 = ex5 + i4式中：ex4和ex5分别为节流阀入口和出口工质单位质量有效能，kj/kg；i4为节流阀有效能损失，kj/kg；由节流阀的有效能平衡方程得i4 = ex4 - ex5 = (h4 ha）- ta（s4 - sa）- (h5 ha）+ ta（s5 - sa） = (h4 h5）+ ta（s5 s4） = (210.56 - 210.56) +308.15(1.046 - 1.038) = 2.47 kj/kg火用损率4为：4=i4 /wc = 2.47/71.52 = 3.45%5. 蒸发器膨胀节流后的低温工质进入蒸发器吸热蒸发为气相，释放冷量，进而实现制冷的目的。下面将对蒸发器进行火用分析计算，图1.8为蒸发器有效能平衡图。图1.8 蒸发器有效能平衡图其有效能,平衡方程为：ex5 = ex1 + exr + i5式中：ex5和ex1分别为蒸发器入口和出口工质单位质量有效能，kj/kg；i5为蒸发器有效能损失，kj/kg；该条件下的冷量火用exr为：exr = (ta/t -1)q0 = (308.15/258.15 - 1)150 = 29.05 kw1kg制冷剂工质所对应冷量火用exr为： exr= exr/ qm =29.05/0.85=34.18 kj/kg由蒸发器的有效能平衡方程得：i5 = ex5 - ex1 - exr = (h5 - ha）- ta（s5 - sa）- (h1- ha)+ta（s1 - sa）- exr = (h5 - h1）+ ta（s1 - s5）- exr = (210.56-386.94)+308.15(1.743-1.046)-34.18 = 4.22 kj/kg火用损率5为：5 = i5 /wc = 4.22/71.52 = 5.90%6. 冷却水的火用损冷却水是对冷凝器冷凝作用，下面将对冷却水进行火用分析计算，图1.8为蒸发器有效能平衡图。图1.9 冷却水的有效能平衡图其有效能,平衡方程为： exw2 =exa+ iw 查水的p-h图的得出水对应温度的参数，如表1.3所示。表1.3 水的状态参数t（）h(kj/kg)s(kj/（kgk) 冷却水35146.77 0.5044 由蒸发器的有效能平衡方程得： iw = exw2 -exa =（hw2 - ha）- ta（sw2 - s a）-（ha - ha）+ ta（sa - s a）=（hw2 - ha）+ ta（sa -sw2） = (150.94 - 146.77) + 308.15(0.5044 - 0.5179) = 0.01 kj/kg故，1kg制冷剂工质所对应水的火用损为： i=14.720.0126=0.15 kj/kg火用损率6为：6= iw /wc= 0.15/71.52 = 0.21%7. 系统的总火用损i为：i= 14.48+13.28+3.08+2.47+4.22+0.15= 37.68 kj/kg 总火用损为：= 37.68/71.52 = 52.68%8. 系统的火用效率x：x=exr/wc= 34.18/71.52 = 47.79%2.r290单级蒸汽压缩回热制冷循环2.1 能量分析计算r290(丙烷) 3，其沸点-42.2，临界温度96.67，破坏臭氧潜能值(odp)为0，全球变暖系数（gwp)为 0.01，是一种可以从液化气中直接获得的天然碳氢环保制冷剂制冷剂。最大的缺点就是具有可燃性和爆炸性。本节将应用热力学第一定律对r290单级蒸汽压缩回热制冷循环进行能量分析。图2.1 r290实际的制冷循环图查r134a得p-h图，得出循环各个状态点的参数如图2.1所示。图2.3 制冷循环实际的p-h图 表2.1 制冷循环的各个状态点参数状态点t（）p(kpa)h(kj/kg)s(kj/（kgk)v(m/kg)0-20.00 2.42551.00 2.395 1-18.00 2.42554.47 2.409 135.00 2.42644.27 2.728 0.23112116.30 13.7781.92 2.818 2s101.00 13.7747.59 2.728 状态点t（）p(kpa)h(kj/kg)s(kj/（kgk)v(m/kg) 2v40.00 13.7612.23 2.333 340.00 13.7305.18 1.353 46.20 5.67215.38 1.070 5-20.00 2.72215.38 2.728 循环的热力计算如下：1. 点4状态的确定。 根据回热器的热平衡，有 h3 h4 = h1 h1 h4 = h3 ( h1 h1) = 305.18 - 644.27 + 554.47 = 215.38 kw由r134a的p-h图查得t4=6.2 2. 单位质量制冷量q0、单位容积制冷量qv及单位理论供w0的计算。q0 = h1 h3 = 644.27 - 305.18 = 339.09 kj/kgqv = q0/v = 339.09/0.2311 = 1467.10 kj/kgw0 = h2s h1 = 747.59 - 644.27 = 103.32 kj/kg3. 制冷剂质量流量qm的计算。qm = q0/q0 = 150/339.09 = 0.44 kg/s4. 压缩机理论功率p0的计算。 p0 = qmw0 = 0.44103.32 = 45.71 kw压缩机的指示功率为 pi = p0 /i = 45.71/0.75 = 60.94 kw压缩机的轴功率为pe = p0 /m = 45.71/0.9 = 50.78 kw5. 制冷系数0及热力完善度m的计算。 0 = q0/w0 = 339.09/103.32 = 3.28 s = q0/pe = 150/50.78 = 2.95卡洛循环的制冷系数c为： c = t0/（tk t0）= 253.15/(313.15 253.15) = 4.22故热力完善度为 =s /c = 2.95/4.22 = 0.706. 冷凝器的热负荷qk的计算。 h2= h1 + （h2s h1）/i = 644.27 + (747.59 - 644.27)/0.75 = 781.92 kj/kg故 qk = qm（h2 h3） = 0.44(781.92 - 305.18) = 210.91 kw 7. 回热器热负荷qr 的计算。 qr = qm（h1 h1） = 0.44 (644.27 - 554.47) = 39.72 kw由以上计算结果可知，制冷量与压缩机的指示功率之和为210.94 kw，与冷凝器的的冷负荷qk = 210.91 kw，仅差为0.03 kw（0.014%），而且该误差是由于计算误差所引起的，因此可以得出该系统能量是守恒的。2.2 火用分析计算本节应用热力学第二定律，分析工质为r290的带回热制冷循环，计算各个部件的火用损、水的火用损及冷量火用，下面将对各个部件建立有效能平衡方程。1. 压缩机图2.2是压缩机的有效能平衡图。 图2.2 压缩机有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex1 + wc = ex2 + i1 式中：ex1和ex2 分别为压缩机入口和出口工质单位质量有效能，kj/kg；i1为压缩机有效能损失，kj/kg；wc为压缩机工质单位质量输入功，kj/kg。压缩机的输入功为：wc = h2h1由压缩机的有效能平衡方程得：i1 = ex1 + wc - ex2 =（h1 ha）- ta（s1 - s a）+（h2 h1）-（h2 ha）+ ta（s2 - sa） = ta（s2 - s 1） = 308.15(2.2818 - 2.728)= 27.73 kj/kg火用损率1为：1= i1 / wc = 27.73/137.65 = 20.14%2. 冷凝器图2.3为冷凝器的有效能平衡图。图2.3 冷凝器有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex2 + mexw1 = ex3 +m exw2 + i2 式中：ex1和ex2 分别为冷凝器入口和出口工质单位质量有效能，kj/kg；exw1和exw2分别为冷凝器的入口和出口冷却水工质单位质量有效能，kj/kgi2为冷凝器有效能损失，kj/kg；1kg制冷剂工质所对应的冷凝器热负荷qk为：qk=qk/qm = 210.91/0.44=479.34 kj/kg冷却水的单位时间的流量可由冷凝器的热负荷计算出: q =mcpt由以上条件可知：q= qk=479.34 kj/kg cp=4.2 kj/kg t=36-32=4 所以，冷却水的质量流量m为： m= qk/cpt= 479.34/（4.24）=28.53 kg/s由冷凝器的有效能平衡方程得： i2 = ex2 + mexw1 ex3 mexw2 =（h2 ha）- ta（s2 - sa）+m（hw1 ha）- ta（sw1 - sa）-（h3 ha）+ ta（s3 - sa）-m（hw2 ha）+ ta（sw2 - sa） =（h2 h3）+ ta（s3 s2）+m（hw1 hw2）+ ta（sw2 sw1） = (781.92 - 305.18) + 308.15(1.353 - 2.818)+ 28.53 (134.22 - 150.94) +308.15(0.5179 - 0.4636) = 25.66 kj/kg火用损率1为：1=i2 / wc= 25.66./137.65 = 18.64%3.回热器图2.4是压缩机的有效能平衡图，其有效能平衡方程为： 图2.4 回热器的有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex3 + ex1 = ex4 + ex1 + i3式中：ex3、ex1和ex4、ex1分别为回热器入口和出口工质单位质量有效能，kj/kgi3为回热器有效能损失，kj/kg；由回热器的有效能平衡方程得： i3 = ex3 + ex1 - ex4 - ex1 =（h3 ha）- ta（s3 - sa）+（h1 ha）- ta（s1 - sa） -（h4 ha）+ ta（s4 - sa）-（h1 ha）+ ta（s1 - sa） =（h3 h4）+ ta（s4 - s3）+（h1 h1）+ ta（s1 - s 1） = (305.18 - 215.38) + 308.15(1055 - 1.353)+ (554.47 - 644.27) + 308.15(2.728 - 2.409) = 6.47 kj/kg火用损率1为：1= i3 / wc=6.47/137.65=4.70%4. 节流阀图2.5是压缩机的有效能平衡图。图2.5节流阀的有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex4 = ex5 + i4式中：ex4和ex5分别为节流阀入口和出口工质单位质量有效能，kj/kg；i4为节流阀有效能损失，kj/kg；由节流阀的有效能平衡方程得：i4 = ex4 - ex5 = (h4 ha）- ta（s4 - sa）- (h5 ha）+ ta（s5 - sa） = (h4 h5）+ ta（s5 s4） = (215.38 - 215.38) + 308.15(1.070 - 1.055) = 4.62 kj/kg火用损率1为：1= i4 / wc= 4.62/137.65 = 3.35%5. 蒸发器图2.6为蒸发器有效能平衡图。图2.6 蒸发器有效能平衡图其有效能平衡方程为：ex5 = ex1 + exr + i5式中：ex5和ex1分别为蒸发器入口和出口工质单位质量有效能，kj/kg；i5为蒸发器有效能损失，kj/kg；该条件下的冷量火用exr为：exr = (ta/t -1)q0 = (308.15/258.15 - 1)150 = 29.05 kw1kg制冷剂工质所对应冷量火用exr为： exr= exr/ qm =29.05/0.44=66.02 kj/kg由蒸发器的有效能平衡方程得：i5 = ex5 - ex1 - exr = (h5 ha）- ta（s 5 - s a）- (h1 ha）-+ta（s 1 - s a）- exr = (h5 h1）+ ta（s 1 s 5）- exr = (215.38-554.47)-308.15(2.409-1.070)-66.02 = 7.47 kj/kg火用损率1为：1= i5 / wc= 7.47/137.65 = 5.43%6. 冷却水的火用损图2.7为蒸发器有效能平衡图。图2.7 冷却水的有效能平衡图其有效能平衡方程为： exw2 =exa+ iw 查水的p-h图6的得出水对应温度的参数，如表1.3所示。表1.3 水的状态参数t（）h(kj/kg)s(kj/（kgk) 冷却水35146.77 0.5044 由蒸发器的有效能平衡方程得： iw = exw2 -exa =（hw2 - ha）- ta（sw2 - s a）-（ha - ha）+ ta（sa - s a）=（hw2 - ha）+ ta（sa -sw2） = (150.94 - 146.77) + 308.15(0.5044 - 0.5179) = 0.0126 kj/kg故，1kg制冷剂工质所对应水的火用损为： i=28.530.0126=0.36 kj/kg火用损率6为：6= iw /wc= 0.36/137.65 = 0.26%7. 系统的总火用损i为：i= 27.73+25.66+6.47+4.62+7.47+0.36= 72.31 kj/kg 总火用损为：=72.31/137.65=52.53%8. 系统的火用效率x：x=exr/wc= 66.02/137.65 = 47.96%3. 单级蒸汽压缩回热制冷循环的能量分析和火用分析 3.1 能量分析和火用分析从热力学第一定律角度来看单级蒸汽压缩回热制冷循环似乎近似完美，能量是守恒的，似乎没有能量损失，但从前两章的火用分析计算可以看出，其实在循环过程能量的品质不断的被贬值，单级蒸汽压缩回热制冷循环的各个部件多多少少也有一些火用损，这是由于一些不可逆因素造成的，如冷凝器与蒸发器的传热温差、节流阀的不可逆过程，当然这些不可逆因素是不可避免的，我们能做的就是尽量控制这些不可逆因素，来提高循环热经济性。能量的品质在循环中不断的被贬值，而这在热力学第一定律中无法体现出来，可见热力学第一定律往往会误导人们对制冷循环的热经济性的分析，有必要应用热力学第二定律对制冷循环进行分析，下面将应用火用分析对单级蒸汽压缩回热制冷循环进行分析。经过前两章的计算已得出分别以r134a和r290为制冷剂的单级蒸汽压缩回热制冷循环各个部分的火用损及火用效率，前两章的火用分析计算数据经整理，如表3.1和表3.2所示。表3.1 r134a的各部分火用占压缩机功输入功的百分比序号类型ex（kj/kg）占输入功的百分比（%）1压缩机的输入功71.52100.00 2压缩机的火用损14.4820.25 3冷凝器的火用损13.2818.56 4回热器的火用损3.084.31 5节流阀的火用损2.473.45 6蒸发器的火用损4.225.90 7冷却水的火用损0.150.21 8冷量火用34.1847.79 表3.2 r290的各部分火用占压缩机功输入功的百分比序号类型ex（kj/kg）占输入功的百分比（%）1压缩机的输入功137.651002压缩机的火用损27.7320.143冷凝器的火用损25.6618.644回热器的火用损6.474.75节流阀的火用损4.623.356蒸发器的火用损7.475.437冷却水的火用损0.360.268冷量火用66.0247.96把表3.1绘制成一个火用流图，如图3.1所示。图3.1 r134a的火用流图也把表3.2绘制成一个火用流图，如图3.2所示。图3.2 r290的火用流图r134a单级蒸汽压缩回热制冷循环的火用分析计算检验。系统的总火用损率与系统的火用效率之和为： ex=52.68%+47.79% =100.47%由于查表和计算误差导致计算结果与理论值相差：ex-1=0.47%r290单级蒸汽压缩回热制冷循环的火用分析计算检验。系统的总火用损率与系统的火用效率之和为： ex=52.53%+47.96% =100.49%由于查表和计算误差导致就刷结果与理论值相差：ex-1=0.49%从表格上的数据可以体现出热力学第一定律所不能说明的东西，火用分析法可以很好的表示出来能量在不断的被贬值，由以上得出的数据可以看出较大火用损失发生在压缩机、冷凝器，因此如何减少火用损失应从这两部分着手。对于压缩机提高其功率是减少火用损的一个途径；对于冷凝器减小平均传热温差也是减少火用损失的有效途径。3.2 提高火用效率的具体措施由上节得知冷凝器是制冷循环的最薄弱环节之一，为了提高能源的利用率我们可以回收利用其中一部分热。分析整个制冷流程图和p-h可以知道制冷剂蒸汽从压缩机排气管出来时具有一定的温度，这部分温差具有一定的利用价值，可以在其进冷凝器之前安装设备来利用这部分热量。如工质r134a单级蒸汽压缩回热制冷循环压缩机的排气温度为118，可以看出这部分热量是很可观的。下面将以r134a单级蒸汽压缩回热制冷循环为例来计算分析这部分热量的利用。把压缩机出口的制冷剂蒸汽引出，通过一个加热水的设备来给水加热，然后从给水加热设备出来进入冷凝器，这样可以回收其中一部分热量，以减小火用损率，提高系统的火用效率。制冷剂蒸汽从压缩机出来的温度为118，这时进入加热设备, 假设制冷剂蒸汽离开加热设备时制冷剂蒸汽温度为68，这样就有50的温差可以利用了。假设要求把水加热到65。查水的p-h图6可得表3.3表3.3 水的参数t（）h(kj/kg)s(kj/（kgk)入口水35146.76 0.5044 出口水65 272.230.8930 查r134a得p-h图得：t=68，p=10.2kpa的r134a 的h=449.89 kj/kg s=1.804 kj/（kgk)1kg的制冷剂在p=10.2kpa条件下，从118降到68放出的热量： q= h118 h68=504.05-449.89=54.16 kj/kg水要从35升到65要求水的质量流量qw为： q=qw（hc hj）= qw（272.23-146.76）=54.16 kj/kg得 qw=0.43 kg/s水所回收的火用ih，其有效能方程：exc = ih +exj由有效能平衡方程得ih= exc -exj =（hc ha）- ta（sxc - s a）-（hj ha）+ ta（swj - s a）=（hc hj）+ ta（swj swc）= 272.23-146.76