（工程热物理专业论文）天然气驱动vm循环热泵的性能分析与研究.pdf

摘要 天然气驱动v m 循环热泵按v m 热动力闭式气体回热制冷循环原理工作，其应 用对于能源和环境的可持续发展具有重要意义。本文采用热力学第一定律分析了热 源温度对理想v m 循环性能的影响和实际v m 循环热泵的各项不可逆损失，运用有 限时间热力学分析y 量- y ：v m 阶梯循环。采用e e s 软件编程，分析比较了采用氦、 氢、氖三种天然工质的循环性能。对回热器和热交换器进行了理论与实验研究；进 行了热经济学分析，表明天然气驱动v m 循环热泵是一种高效节能的技术。 关键词：v m 循环热泵，有限时间热力学，天然工质，热经济学 a b s t r a c t n a t u r a lg a sd r i v e nv m c y c l eh e a tp u m pw o r k sa c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc l o s e d vmr e f r i g e r a t i o nc y c l e u s i n gt h e r m a la sp o w e rw i t hr e g e n e r a t o r s i t sa p p l i c a t i o ni s s l g n i f i 船n tt ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t t h e r m o d y n 锄j c a n a l y s i sb a s e do i lt h ef i r s tl a wi sp r o c e s s e dt o p o i mt h ei n f l u e n c eo ft h eh e a ts o u r c e t e m p e r a t u r e st ot h ep e r f o r m a n c e si ni d e a lv m c y c l e ，a n dt h ei r r e v e r s i b l e1 0 s s e si na c t u a lv m c y c l eh e a tp u m p q u a n t av mc y c l ei sl a d d e ro p t i m i z e d u s i n gf i n i t et i m et h e r m o d v n a m i c s a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ei d e a lv mc y c l ep e r f o r m a n c e sw i t ht h et h r e en a t u a 】 w o r k i n gg a s e s ，h e l i u m ，h y d r o g e na n dn e o ni sd o n e t h r o u g he e ss o f t w a r e t h e g e n e r a t o r sa n dh e a t e x c h a n g e r s a r e i n v e s t i g a t e dt h e i r e t i c l ya n de x p e r i m e n t a l l v 1h e 兀n o e c o n o m i ca n a l y s i so fn a t u r a l g a sd r i v e nv mc y c l eh e a tp u m pi sd o n e t h e s e 1 n d l c a t et h a tn a t u r a lg a sd r iv e nv m c y c l eh e a tp u m pi sah i g he f f ic i e n c ya n de n e r g v s a v i n gt e c h n o l o g y 。 h u a n gx i u z h i ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x i ey i n g b a i k e yw o r d s ：v m c y c i eh e a tp u m p ，f i n i t et i m et h e r m 。d y n a m i c s ，n a t u r a lw 。r k i n g g a s ，t h e r m o e c o n o m i c s 摘要 天然气驱动v m 循环热泵按v m 热动力闭式气体回热制冷循环原理工作，其应 用对于能源和环境的可持续发展具有重要意义。本文采用热力学第一定律分析了热 源温度对理想v m 循环性能的影响和实际v m 循环热泵的各项不可逆损失，运用有 限时间热力学分析了量子v m 阶梯循环。采用e e s 软件编程，分析比较了采用氦、 氢、氖三种天然工质的循环性能。对回热器和热交换器进行了理论与实验研究；进 行了热经济学分析，表明天然气驱动v m 循环热泵是一种高效节能的技术。 关键词：v m 循环热泵，有限时间热力学，天然工质，热经济学 a b s t r a c t n a t u r a lg a sd r i v e nv m c y c l eh e a tp u m pw o r k sa c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc l o s e d v m e m g e r a t i o nc y c l eu s i n gt h e r m a la sp o w e rw i t hr e g e n e r a t o r s i t sa p p l i c a t i o ni s s l g n i f i c a n tt ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t n e 蕊o d y l l a l l l j c a n a l y s l sb a s e do i lt h ef i r s tl a wi sp r o c e s s e dt o p o i n tt h ei 硼u e n c eo ft h eh e a ts o u r c e t e m p e r a n l 陀st ot h ep e r f o r m a n c e si ni d e a lv m c y c l e ，a n dt h ei r r e v e r s i b l el o s s e si na c t u a lv m c y c i eh e a tp u h l p q u a n t av m c y c l ei sl a d d e ro p t i m i z e du s i n gf i n i t et i m et h e 册o d v n a m i c s a n a l y s l sa n dc o m p a r i s o no ft h ei d e a lv m c y c l ep e r f o r m a n c e sw i t ht h et h r e en a t u a 】 w o r k i n gg a s e s ，h e l i u m ，h y d r o g e na n dn e o ni sd o n e t h r o u g he e ss o f t w a r e t h e r e g e n e r a t o r sa n dh e a t e x c h a n g e r s a r e i n v e s t i g a t e dt h e i r e t i c l ya n d e x p e r i m e n t a l l v 1n e 册o e c o n o m i ca n a l y s i so fn a t u r a l g a sd r i v e nv mc y c l eh e a tp u m pi sd o n e t h e s e 1 n d l c a t et h a tn a t u r a lg a sd r i v e nv m c y c l eh e a tp u m pi sah i g he f f i c i e n c ya n de n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g y 。 h u a n gx i u z h i ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x i ey i n g b a i k e yw o r d s ：v m c y c i eh e a tp u m p ，f i n i t et i m et h e r m 。d y n a m i c s ，n a t u r a l w o r l i n g g a s ，t h e r m o e c o n o m i c s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文天然气驱动v m 循环热泵的性能 分析与研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：量鸯芝 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：熏鸯生 导师签名： 日 期：卫灿 日期： 社 学 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 我国冬季气温比全球同纬度平均气温低，夏季则比同纬度平均气温高，全年需 要较长时问的采暖期和空调降温期。由于人们生活水平的提高，商业和民用对采 暖和空调需求急剧增大，引发我国能源供需矛盾的加大和环境污染的加剧【2 1 。 随着西气东输等工程的建设，我国的能源结构以固体燃料为主向燃料多元化过 渡1 3j 。气体燃料是一种优质高品位能源，也是当前扭转环境污染的捷径，但直接燃 烧以获得低品位热量是一种不合理的用能方式，采用燃气热泵是高效利用燃气的有 力工具之一。燃气热泵同时也具有避免由于电力空调的大量使用而造成的夏季短期 峰值负荷和拉闸限电现象；调节燃气季节平衡和提高天然气需求总量等优势f 4 。6 】。 维勒米尔( v u i l l e u m i e r ，以下简称v m ) 制冷循环，即热动力回热式制冷循环，是 。利，苴接从热源取得热量驱动膨胀腔的推移活塞以制取冷量的制冷循环。v m 制冷 机按v m 热动力闭式气体回热循环原理工作，它可以看成是用热能驱动的斯特林制 冷机。v m 制冷循坏有很多优点：首先，v m 循环的能源是热能，可以利用废热( 废 蒸汽、发动机排气等) 、太阳能、矿物燃料、放射性同位素或电热器；再者，循环 中工质的总容积不变，工作腔中各部分只有流动阻力形成的压差，且转速比较低， 因而轴承负荷轻，密封要求低、磨损小、振动小、噪声低、寿命长；最后，循环只 需要少量的机械动力，甚至在制冷的同时还可以输出一定量的轴功率【7 9 】。 但v m 制冷循环主要应用于低温领域，对普冷区工作的v m 循环热泵特性，国 外进行了些基础性的研究【1 0 2 2 l ，国内开展较少。研究天然气驱动v m 循环热泵的 循环特性及性能，对于推广该设备在我国的应用，缓解能源的供需矛盾，减少环境 的污染，实现可持续发展，具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 燃气热泵是以燃气作为高品位能源，通过一定的转换来挖掘低品位热能的装 置，可分为热机驱动和热能驱动两大类。热机驱动是利用燃气轮机、内燃机、汽轮 机等把燃气转变成动力来驱动热泵：热能驱动是把燃气转化成高温位热源，并作为 热驱动力【23 l 。 在2 0 世纪四十年代燃气热泵技术引起了科学家的注意。1 9 4 7 年，前苏联的b a 兹辛就提出了用煤气机柬驱动热泵。最早的应用是安装在英国泰晤士河畔的皇家庆 1 华北电力人学硕十学位论文 典礼誊( t h er o y a lf e s t i v a lh a l l ) 罩的燃气机热泵。二十世纪7 0 年代末至9 0 年代初是 燃气热泵研究的一个高潮，其中r 本是燃气热泵发展最快的国家( 2 4 艺引。 我国的燃气热泵研究丌始于8 0 年代。其中天津大学、上海交通大学等进行了 内燃机驱动燃气热泵和燃气吸收式空调的研究【2 6 0 引。其中一些学者在燃气机热泵的 性能分析和实验研究方面做了一些工作，采用热力学定律和能级平衡理论进行了系 统性能分析，并进行了系统的变负荷特性等研究【2 2 之9 1 。此外，大连三洋、长沙远大、 青岛海尔、双良集团等也在大力开发燃气空调产品，但从目前来看，现有的燃气空 调产品和诈在研制的新产品都是大型燃气热泵中央空调产品，不能满足普通家用的 小型化需求w 。 v m 循环是一种直接从热源取得热量驱动膨胀腔的推移活塞以制取冷量的制冷 循环。v m 循坏最早是纽约的维勒米尔( r v u i l l e u m i e r ) 于1 9 1 8 年取得美国专利 4 们， i j j 。以看成热压缩机驱动的斯特林循环。1 9 3 8 年范尼瓦布希( v a n n e v a rb u s h ) 、1 9 5 1 年荷兰来登大学的特考尼斯( k w t a c o n i s ) 分别提出类似的设计获得专利【4 1 1 。1 9 6 0 年燕德( y e n d a l l ) 评论过热动力回热式制冷机，认为这种制冷系统在大冷量低温制 冷机中不经济而无竞争了。1 9 6 4 年美国麻省剑桥的a d l i t t l e 公司的切利斯( f f - c h e l l i s ) 和霍金( w h h o g e n ) 研制出用液氮作中间温度冷却剂产生1 0 2 0 k 低温 v m 制冷机，用于液化氖，从而使v m 制冷机在低温领域进入实用化。从6 0 年代后 半期以来，美国、苏联等国在v m 低温制冷机方面进行了大量的研究工作，发展了 多种机型，冷量小则0 2 w ，大则十几瓦；同时还研制了双级、三级v m 制冷机， 最低温度达1 1 5 k 。1 9 7 3 年美国休斯( h u g h e s ) 公司研制成用钚2 3 8 放射性同位素 作为热源的v m 制冷机，它能分别制取2 5 k 和7 5 k 两个温度，相应的冷量有2 w 和 3 w 。| f 于分冒式制冷机的发展，因而在v m 制冷机方面也于1 9 8 0 年制成了v m 分 臀j = 制冷机的商品。这种v m 分置式制冷机仍然采用热压缩机代替斯特林分置式的 机械式压缩机，推移活塞由气体驱动，因此该机具有斯特林分置式制冷机和v m 制 冷机的优点，但亦具有二者的缺点1 4 引。 v m 循环效率低于逆卡诺循环，但在普冷区效率高于吸收式制冷。丹麦的c a r l s e n h 对基于维勒米尔循环的天然气驱动热泵进行了研究 1 0 - l l 】。c a r l s e nh 在1 9 8 9 年报 导了一个基于维勒米尔循环的用于独立住宅的天然气驱动热泵。该热泵的热输出为 7 5 k w ，以燃气低位发热量计，性能系数可达1 6 2 。热泵采用氦作为工质，平均压 力为2 0 m p a ，设计为半密封型式。开发了一套作用于活塞杆上具有非常小负荷的曲 轴装置。讨论了在热驱动热泵采用维勒米尔循环的优点和缺点。提供了大量实验结 果，= ：简要描述了新的2 0 k w 维勒米尔热泵叭。c a r l s e nh 在1 9 9 0 年报道了2 0 k w 的维恸米尔燃气热泵，热输出为l8 k w ，以氦为工质，平均压力为l2 m p a ，供热温 度为5 5 ，热源温度为4 。性能系数为1 6 1 。h 一d k u h l ，s s c h u lz 进行了实验 2 华北电力人学硕十学位论文 的v m 循环热泵的测试性能与3 阶理论的比较研究【1 2 】。 为了提高其性能，s s c h u l z 和b t h o m a s 进行了采用自由活塞维勒米尔循环 的实验研究l l 引。实验研究表明，自由活塞式的v m 制冷机可以很好的用于空调和制 冷上。德国的k u h lh 一d 在1 9 9 3 年根据自由活塞维勒米尔制冷机的实验结果，进行 了曲轴驱动的维勒米尔热泵改进为自由活塞装置。该装置最初是被设计为废热驱动 的制冷机，最后被改造为家用热泵【i 引。g e o nt a el e e 讨论了结构对v m 循环热泵的 制冷性能的影响l i 引。通过研究发现，回热器中合适的结构可以使制冷性能得到提高， 冷却器中管数的增加同样可以便制冷性能得以增强。 同时，f i n k e l s t e i nt 【16 1 、e d e rf x t l 7 】等还对系统特性进行了分析，k u e h lh d 1 8 】、 s e k i y ah i r o s h i 1 9 】、c a r l s e nh 【2 0 】等进行了系统仿真的研究。德国的k u e h lh d 在1 9 8 6 年建立了考虑部件主要损失和相互作用的数学模型，利用收敛加速和简化的回热器 模型，减少仿真时间，通过考虑气体输入解决了不稳定问题【i 引。 为适应我国空问事业发展，我国从1 9 7 6 年开始研制v m 制冷机，于1 9 8 1 年已 试制成功两种型号：风冷和水冷的单级v m 制冷机【4 3 1 。8 0 年代初，有学者开始对 v m 低温制冷机的热机设计进行了研究f 4 4 1 。1 9 8 2 年，上海技术物理研究所的贺代章 对热机驱动v m 循环低温制冷机结构设计进行了探讨【4 5 1 ，为v m 循环制冷机主要部 件以技结构设汁提供一些参考依据。1 9 8 5 年，有学者采用了七十年代兴起的最优化 川! 沦- l 一的m 线性规划s u m t - p o w e l l 算法，对v m 制冷机中影响制冷量的参数进行了 优化探讨1 4 引。1 9 9 7 年，吴剑锋、周远等人在采用回热器整机模型进行分析计算的基 础上，对液氮作动力的v m 制冷机在结构和工作参数上进行了优化，并且还进行了 四组不同的冷端回热器填料结构的实验及分析计算【4 7 1 。 v m 循环多用于低温制冷领域中，常采用的制冷工质为单相单组分的气体工质， 如氦气、氢气等。现在还没有对v m 循环适合在普冷领域的天然工质研究的报道， 但是v m 循坏可以看成是热能驱动的斯特林循环，可以从斯特林的研究中找出一些 技术路线。目前有学者在斯特林循环中进行了采用液态工质的研究【4 8 4 9 1 ，发现工质 在高密度时，将背离经典状态，这时必须考虑量子行为 5 0 - 5 i j 。 本课题所研究的v m 循环天然工质的工作性能、利用时间热力学的方法对系统 l ，j 勺特他及循环性能进行分析、比较，目前在国内外尚未有报道。研究成果可以为v m 循环的燃气热泵的应用提供理论基础，并对系统的优化提供方向。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题分析、研究天然气驱动v m 循环热泵的性能。主要内容包括： 1 ) 对天然气驱动v m 循环热泵进行热力学分析和热力计算，得出热源温度对 3 华北电力入学硕士学位论文 其性能的影响，并且找出其薄弱环节； 2 ) 远川订限i i ji t q 热力学的方法，对量子v m 循环进行阶梯优化； 3 ) 运用e e s 、r e f p r o p 等相关软件编程，比较分析理想v m 循环天然工质在 普冷区工作的系统性能； 4 ) 对系统部件，主要是回热器和换热器的性能进行研究，得出影响其性能的 主要因素； 5 ) 对天然气驱动的v m 循环热泵进行热经济学分析。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章天然气驱动v m 循环热泵的热力学分析 本章介绍了天然气驱动v m 循环热泵的结构、工作原理、工质以及特点：对理 想天然气驱动v m 循环热泵进行了热力学分析，得出系统性能系数的表达式，分析 热源温度对其性能的影响；并且对天然气驱动v m 循环热泵进行了热力计算，找出 其薄弱环节。 2 1 天然气驱动的v m 循环热泵 2 。1 。1 系统结构 天然气驱动v m 循环热泵按v m 热动力闭式气体回热制冷循环原理工作，它可 以看成是用热能驱动的斯特林制冷机，电动机只在启动时提供少量动力。 图2 1 表示天然气驱动v m 循环热泵的基本部件。天然气驱动v m 循环热泵由 冷热两个气缸、冷热两个推移活塞、冷热两个回热器( ，r h ) 、三个换热器( 冷量 换热器c 、冷却器a 和加热器h ) ，以及推移活塞的驱动机构组成。两个推移活塞 的往复运动形成三个可变的工作容积，分别称为冷腔圪、中间温度腔圪和热腔圪。 在稳定工况下，三个工作容积分别处于不同的温度：低温瓦、中间温度死和高温 死。热腔容积的变化超前与冷腔容积圪的变化一个相位西。中间腔容积由冷 气缸的中间温度部分和热气缸的中间温度部分的变化容积及两者的连接通道的容 积组成。 加热器 高温同热器 室温换热器 冷回热器 冷量换热器!。、 。熟围苛( 热空气) 一 。_ _ lf 冷空气中 至3 匀i 低温侧 冷腔5 一i o 天然气 乡 6 0 0 7 0 0 高温侧 室温腔 图2 l 天然气驱动v m 循环热泵结构图 5 3 )4 ) 图2 2 天然气驱动v m 循环热泵工作过程 示意图 华北电力人学硕十! 学位论文 热量在高温t h ( 6 0 0 到7 0 0 。c ) 下通过燃烧器进入到循环的热腔。热量在低温 疋( 1 0 到1 0 c ) 下进入到循环的冷腔，这个热量可以通过低温换热器带走。热量 存：中f n j 温度乃( 5 0 到7 0 。c ) 从室温腔传递到室温换热器。 2 ，1 。2 工作原理 天然气驱动v m 循环热泵工作原理如图2 2 所示。当天然气驱动v m 循环热泵 处于位置l ( 图2 2 ) 时，冷腔容积最大，热推移活塞处于中间位置，这是机器内部 气体的平均温度较低，因而压力较低。 过程1 2 ：热推移活塞向上运动，冷推移活塞向左运动，冷腔和热腔容积同时 减小；冷腔中的部分气体通过冷回热器r 。被其中的填料加热到室温温度死，进入 室温腔。而原来处于热腔内的气体通过热回热器r h ，由填料冷却到室温温度死，进 入室温腔。在这个过程中，由于冷热两腔容积同时减小，整个机器内部气体平均温 度和压力变化不大；气体在冷量换热器c 中吸热，产生制冷效应。 过程2 3 ：冷推移活塞继续向右移动，热推移活塞向下运动，热腔增大，冷腔 减小。冷腔中所留气体经历与过程1 2 大致相同的过程；而室温腔中的部分气体由 热推移活塞推过热回热器r h ，被填料加热到接近于高温死进入热腔。在本过程中， 由于冷腔容积减小，热腔容积增大工质逐渐由低温区移动到高温区，结果机器内部 气体的平均温度升高，压力增大；工质从冷量换热器c 和加热器h 吸热。 过程3 4 ：两个推移活塞运动使冷腔和热腔容积同时增大，室温腔内的部分气 体通过冷回热器冷r 。被填料冷却到温度接近疋，进入冷腔，而在热侧，部分室温腔 气体经热回热器r h 时被填料加热到温度接近死，进入热腔。该过程机器内气体的 平均温度没有多大变化，因而压力变化也不大，有少量压缩，相应的在冷却器a 中 有热量排出。 过程4 1 ：冷推移活塞继续左移，直至左止点，而热推移活塞则向上移动到中 川f 一管，冷腔增j j u 剑最大，而热腔减小。热腔中部分气体经过热回热器r h 时向填料 放热，温度降低到接近l 进入到室温腔；同时部分室温腔的气体通过冷回热器 时被填料冷却到温度接近死，进入冷腔。该过程中工质逐渐由高温区移动到低温区， 结果机器内部气体的平均温度降低，引起压力减小。此过程中气体在冷量换热器和 加热器中吸收热量。 综合上述各过程，天然气驱动v m 循环热泵的工质分别从低温热源c 和高温热 源h 吸热，而向处于室温的冷却器a 放热。从低温热源吸收的热量就是制冷量q c ， 而从高温热源吸收的热量即为耗热量d 。 6 华，i t ：电力人。字：颂十7 - q 论文 2 1 3 系统特点 天然气驱动v m 循环热泵是一种效率较高，而且较为紧凑的制冷机。它有以下 特点： 1 ) 其能源是热能，可以利用废热( 废蒸汽、发动机排气等) 、太阳能、矿物燃 料、放射性同位素或电热器。 2 ) v m 循环热泵内气体的总容积不变，工作腔中各部分只有流动阻力形成的压 差，且转速比较低，因而轴承负荷小，密封要求低、磨损小、振动小、噪声低、寿 命长。 3 ) v m 循环热象只需少量的机械动力，或者不需要机械动力，甚至在制冷的同 时还可以输出定量的轴功率。 2 ，1 4 工质 天然气驱动v m 循环热泵的工质一般是氦气。氦气是一种无色、无味的气体， 化学性质极其稳定，一般情况不与任何元素化合【4 7 1 。氦具有极低的临界温度，是自 然界中最难液化的气体；氦气的转化温度也很低，4 h e 的转化温度为4 6 k ，3 h e 约为 3 9 k ，在所有的气体中氦气的沸点最低，4 h e 的标准沸点是4 2 2 4 k ，3 h e 是3 1 9 1 k 。 在具有高比容、高热导率及低密度方面，氦气仅次于氢气。由于氦气的这些热物性， 加之它不活泼的惰性，所以氦气是一种极好的天然制冷剂。 此外，天然气驱动v m 循环热泵还可以采用其他的天然工质，如氢气、氖气等。 氧住通常条件下为无色、无味的气体，在常温下比较不活泼，熔点2 5 9 1 4 ， 沸点2 5 2 8 c ，临界温度3 3 1 9 k ，临界压力1 2 9 8 大气压，气体密度0 0 8 9 9 9 l ；水 溶解度2 1 4 c m 3 k g 水( o ) ，稍溶于有机溶剂。具有很高的比容和热导率，密度很 好，因此只需要很少的工质，可以减小机器的体积。 氖是稀有气体元素之一，无色，无臭，无味，气体密度0 9 0 9 2 9 l ，液体密度 1 2 0 4 9 c m 3 ，熔点2 4 8 6 7 ，沸点2 4 5 9 ，化学性质极不活泼，电离能2 1 5 6 4 电 子伏特，不能燃烧，也不助燃，在一般情况下不生成化合物，气态氖为单原子分子。 氦气、氢气、氖气都为天然工质，对环境友好，o d p 和g w p 均为0 ，是很好 的天然制冷剂。 2 2 理想v m 循环热泵的热力学分析 2 2 1 热力学模型 理想的天然气驱动v m 循环热泵由两个等温过程和两个等容过程组成，工作在 华北电力人学硕+ 学位论文 高温热源死、中间温度热源死和低温热源疋之间，其热力过程如图2 4 所示。 v iv 2 v 图2 - 3 理想循环v m 热泵的热力过程 假设工质与热源之间的传热为等温过程，则高温热源吸热量、低温热源的吸热 量以及向中i 日j 温度热源的放热量分别为 q = 垅俨t h i n v 2 ， ( 2 1 ) q c = m c r 驰鲁 ( 2 - 2 ) 包= 幔) r r o l n 鲁 ( 2 3 ) 式中o h 、驮、q o 分别为天然气驱动v m 热泵从高温热源吸收的热量，从低温 热源吸收的热量，室温腔向环境的放热量，k w ： 聊优。最终分别留在热腔和冷腔中气体的质量，蚝； 死、疋、死分别为高温热源温度，低温热源温度，中间温度热源温度，k ； 所、y r 为工质变化前后的比容，m 3 k g ； r 气体常数。 2 2 2 理想的天然驱动的v m 热泵的性能系数 热泵的性能指标包括其制冷工况下的性能系数和制热工况下的性能系数，分别 用制冷系数和热泵系数来表示。 1 ) 制冷系数 天然气驱动v m 循环热泵通过在高温热源下吸收热量来制冷，其制冷性能系数 8 华北电力人学硕十学位论文 c o p ( c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ) 等于1 氐温热源温度卜的吸热量q c 与向温热源温发 下的吸热量办之比 c 卯= 蚤 p 4 ， 2 ) 热泵系数 天然气驱动v m 循环热泵在供热时的c p 可用下式表示 c = 妾 ( 2 - 5 ) 由式( 2 一1 ) 式( 2 5 ) 可得理想天然气驱动v m 循环热泵的制冷系数和热泵系数分 别为： c 卯= 警去 p 6 ， 瓦l t 、 毗= 去等 弘7 ， 从公式( 2 - 6 ) 、( 2 _ 7 ) 中可以看出，理想的天然气驱动v m 循环热泵的性能系数只 与高温热源、低温热源和中间温度热源三者的温度有关，而与制冷剂的性质无关。 2 2 3 热源温度对性能系数的影响 式( 2 6 ) 分别对乃、瓦和死求偏导得： 筹= 丢 p 8 ， 一= 一 i 一? 、i a 瓦亿一群 、7 o c o p 瓦阮一瓦) a 疋瓦亿一疋) 2 o c o p 一亿一疋皿 a t 瓦亿一疋) 2 由于死 瓦 瓦，可得： 筹地筹地而筹妣并且筹a 瓦a z a 疋a 瓦 8 c o p 夕。 p , 4 成 4 ) 不考虑工质的玻色爱因斯坦凝聚，即设死 疋。此处疋是临界温度。 5 ) 不考虑相对论效应。 满足以上理论模型的循环称之为量子v m 循环。在( ，聆) 平面上，v m 循环 的示意图如图3 1 所示。 3 3 2 经典极限量子v m 阶梯循环的最优化 阶梯循坏是有限时间热力学中一个有意义的可解模型。与可逆循环的差别是： 它让气体在循环的每一过程中都经历有限次状态的突变，形成“阶梯”，并且这些 阶梯基本上以可逆循环作为它的包络线。在状态突变为无限小的极限情形，趋于可 逆循环。所以配置的阶梯数越多，阶梯循环就趋于可逆循环。 由于气体内部驰豫时间很短，可设状态突变而处于非平衡状态的气体，能在固 定的外界环境下迅速恢复平衡，以保证在每次状态突变之间( 即一个新的阶梯开始 之前) ，气体己达到新的平衡态。可见，这样的循环只需经历有限个平衡态，故可 在有限时间中进行。 虽然阶梯数趋于无限时，阶梯循环趋向于可逆循环，但在一般情况下，它是不 可逆循环。a n d r e s e nb 【5 3 1 等曾对经典正向阶梯卡诺循环进行过研究。结果表明：无 论是为使循环效率最高，或是使循环对外做最大功，都应在温度较高的高温等温路 径设置较多的阶梯。陈丽璇5 4 】对经典逆向卡诺循环的研究指出，为了得到最大的制 冷系数，应在低温等温路径设置更多的集体；而为了使外界对循环耗功最省，则应 在高温等温路径设置较多的阶梯。这说明经典的阶梯制冷循环的优化阶梯分布与目 标函数的选取有关。g a v ee 也曾研究了1 2 自旋来量子卡诺阶梯循环的最优化【55 1 ， 其结果与a n d r e s e nb 等人的结果类似。但其方法要比经典方法更为自恰。在上述工 作的基础上，这罩利用阶梯极限法，研究在经典极限下，量子v m 循环的最优化。 图2 给出了一个“阶梯”的情形。由于工质是由谐振子组成的，故当壳取为1 时，工质系统的总能量可以写为 “= r o ) ( 3 3 ) 刈。i ：弋求导数，有 2 0 一z l | 肛 令 r 为j翳 华北电力人学硕士学位论文 西= n o b + h c o ( 3 - 4 ) 将上式与热力学第一定律的微分形式作比较，可得瞬间功率和热流分别为 w = 一n o b ( 3 - 5 ) o = h c o ( 3 - 6 ) 由式( 3 5 ) 和式( 3 - 6 ) 可以计算得过程l _ 1 叶2 和过程5 _ 5 _ 6 的热量和功分 另f j 为 q 2 = 0 , 9 2 0 2 一r t j ) 暇2 = n 10 。一伽2 ) p 5 6 = 功2i 1 6 一门5 ) 6 = n 5 i 0 9 2 ) 点1 和点2 在等温线上，故由热力学第一定律可知q 1 2 = w 1 2 。 回热过程2 _ 3 、4 _ 1 、4 _ 5 和6 _ + 3 是机内换热，忽略回热损失， 耗散无关。由此我们求得循环的制冷系数为 刁= 赛= 急= 等 将式( 3 1 ) 代入上式，有 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 l o ) 同理，q 5 6 = w 5 6 。 与整个循环能量 ( 3 1 i ) 7 7 = 面e x p ( 面f l h c 0 再1 ) - - 1 ( 3 1 2 ) 将上式与逆卡诺循环效率 ”象 仔t 3 ， 比较，可知t 1 1 。1 。一一一 ( 3 1 7 ) 在高温等温路径布置j 个阶梯，在低温等温路径布置肌个阶梯。其循环如图 3 4 所示。阶梯总数为 嗍+ 2( 3 1 8 ) 令阶梯总数为常数。在高温等温路径，因为 口y - ：旦鱼旦旦l ：堕：b ( 3 - 1 9 ) 厅o行3即4 聆l l n o 此处船。= ，r l n l = l i b o 在经典极限( 届“1 ) 下，6 = n _ z = e e x x p p ( ( f l 尾h r 0 4 ) ) 一- 1 i 毒 1 是 与t 质量子性质有关的常数。由此可得 同理可得 l a l = b m ) 1 ( 3 2 0 ) l 口2 = b 2 ) l( 3 2 1 ) 在高温等温阶梯过程中，系统从高温热源吸取的热量为 2 2 华北电力人学硕十学位论文 简化可得： 9 。= 善国，+ ，以，+ ，胛，) = 缈，+ 。门，+ ，( t 一言) c 3 - 2 2 ， 玲6 刁 ( 3 2 3 ) q 种起， p 2 4 ， 现在求阶梯总数n 为常数并使得制冷系数达到最大时的阶梯分布，即 刁= 鲁 p 2 5 ， 欲使叩最大，要求鲁最大。据此，根据约束条件 n = n t + n 2 = 常数 ( 3 - 2 6 ) 选取拉格朗日函数 工= 鲁+ 五“+ n 2 - n ) ( 3 - 2 7 ) 其中a 为不定乘子。最优的阶梯分布应满足下述方程： 堡鲁艘m 0 一(3-30n28)l o n l = 兰x 竺土+ 兄=f - 2 8 l g 、 盖o n = 去熹o n 一。 ( 3 - 2 9 ) = 二二十九= ul j z y i 2q l2 、 这是组非线性的微分方程。要从它求得n ，和n e 的精确解析解是比价困难的。 我们采用技术解法。假设阶梯数m 和? 都比较大，对击和击按级数展开，并取 到第二项。经过对式( 3 2 3 ) 和式( 3 2 4 ) 进行求导计算并整理，可将式( 3 2 8 ) 和式( 3 2 9 ) 4 争 h 一f l h i n _ b + 兄：0 p ：n ： 一一f l h l n b + a ：0 pc n ； 由上述两式可得 , 2 3 ( 3 - 3 0 ) ( 3 3 1 ) 华北电力人学硕十学位论文 nl：n2：in(3-32) 连立式( 3 2 4 ) 式( 3 2 6 ) n 式( 3 3 3 ) ，求得循环的最大制冷系数为 疗三 7 7 ，= 等b ( 3 - 3 3 ) p 注意到，7 删除了与高温热源、低温热源的温度比有关，还与回热频比b 和阶梯 总数有关。当_ ，叩m 一叩。；当n = 2 时，式( 3 3 3 ) 和式( 3 - 1 3 ) 的极限值一致。 为了使量子v m 循环的制冷系数最大，应在温度较高的等温路径和温度较低的 等温路径设计相同的阶梯。为了提高量子v m 循环的制冷系数，除了应对阶梯总数 加以考虑之外，从以上结果还可以看出，当两个热源温度给定时，应当选取频比比 较大的气体工质较为有利。 对于最佳的阶梯循环，两个等温过程中相邻两阶梯的占有数之比应为常数，但 不同的等温过程常数值可以有所不同。 2 4 华北电力大学硕士学位论文 4 1 天然制冷剂 第四章工质 地球臭氧层的保护问题，是地球环境问题中讨论得最早的问题。1 9 8 5 年的维也 纳要约、1 9 8 7 年的蒙特利尔议定书都规定了要削减臭氧层破坏物质的生产和消费 量。以c f c 为中心的特定氟利昂制冷剂，发达国家在1 9 9 5 年末就能完全废除。h c f c 类的臭氧破坏系数比c f c 类要小，规定从2 0 0 4 年1 月1 日起开始削减消费量，预 定2 0 1 0 年达到实质性的完全废除。从保护臭氧层的观点出发，开发不含对臭氧层 破坏作用的氯元素的新型制冷剂势在必行1 5 6 j 。 为了寻找新的氟利昂( c f c ) 的替代物质，国际上从环保的角度提出了两项对 于制冷剂新的评价指标：o d p ( o z o n ew a r m i n gd e p l e t i o np o t e n t i a l s ) ，消耗臭氧层潜 能值；g w p ( g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l s ) ，全球增温潜能值。经长时间的研究和实验， 筛选得到了r 1 2 3 和r 1 3 4 a 两种替代物。二者的热力特性，理想循环制冷系数( c o p ) 均与r ll 和r 1 2 的数值接近，它们的o d p 值与g w p 值也均小于r “和r 1 2 的相 应值。其中采用r 1 3 4 a 时，与r 1 2 相比，制冷量提高了0 8 ，耗电量降低了4 1 ， 因此美国制冷界认为r 1 3 4 a 符合替代因素特征，可以提供与r 1 2 、r 5 0 0 相近的制冷 量与效率1 5 列。但是这些制冷剂仍然对环境有破坏作用，要彻底解决这个问题，最好 的办法是使用天然工质。 所谓天然工质就是指自然界中天然存在的可以用作制冷剂的工质( 如水、空气、 石油天然气等) 。这些天然制冷剂不仅对臭氧层无害，而其也不会加剧气候变化。 虽然这些制冷剂( 主要是氨和碳氢化合物) 的安全性问题受到质疑，但大量研 究表明：只要严格遵守相关的安全规范，天然制冷剂就能够像其他制冷剂一样安全 地应用在各种设备上。比如，为避免氨的毒性对人体造成危害，可将采用氨制冷剂 的设备放置在室外或许可进入的地方。为降低碳氢化合物的可燃性风险，在设计时 进行优化设计，尽可能地减少其充注量。 此外，从经济角度考虑，使用天然制冷剂也十分经济。首先，许多天然制冷剂 并不昂贵，甚至有一些比h f c s 还要便宜：其次，伴随天然制冷剂的