（制冷及低温工程专业论文）基于（火用）分析的先进蓄能空调供热系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 传统的能量转换过程的评价方法和指标是建立在能平衡的基础上的，能平衡方法的 前提是不同的能量之间只有量的区别，而无质的差别。能量在转换时同时具有量的守恒 性和质的差异性这两种性质，拥平衡方法就是以此观念为基础的。因此传统的能量评价 方法是有缺陷的，为了克服能平衡方法的以上缺点人们提出以媚平衡力法来分析能量系 统的思想。媚方法将各种不同质和量的能量区别开来，反映了能量活动的本质。采用拥 平衡方法可以真实地反映系统能量的量和质的转化和损失情况，为系统设备的节能研究 指明方向。 一 本文以采用氨水溶液的变质量能量转换及储存技术的闭式蓄能空调供热系统为研 究对象，运用堋平衡方法对系统的热力循环过程进行分析和研究。在全量蓄能策略下针 对具体实例，通过对所建立的系统及各部件堋平衡模型进行数值模拟，分别得到了在循 环过程( 2 4 小时) 系统在空调工况和供热工况下储罐媚、各换热设备堋损失的变化规律 以及系统的拥效率。并在此基础上对系统各设备堋损失产生、变化的原因进行分析，提 出了减少设备堋损失、提高系统热力完善度的方法。 研究中发现，在两种工况下除蒸发器与吸收器的堋损失差别较大之外，其余各部件 的媚损失变化基本一致。系统运行过程中压缩机和发生冷凝器所产生的堋损失占系统 总媚损失的比例最大，约占总拥损失的5 0 左右，是系统循环过程中的薄弱环节。因此 欲提高系统的热力完善度，减少这两部分的拥损失是关键。 关键词：氨水溶液；蓄能；拥损失 基于媚分析的先进蓄能空调供热系统分析 t h er e s e a r c ho f a d v a n c e de n e r g ys t o r a g es y s t e mf o ra i r - c o n d i t i o n i n ga n d h e a t i n gs y s t e mb a s e do ne x e r g ya n a l y s i s a b s t r a c t t r a d i t i o n a ie v a l u a t i o n so f e n e r g yt r a n s f o r m i n g8 r eb a s e do nt h ee n e r g y - b a l a n c ea n a l y s i s 。 t h ee n e r g y - b a l a n c ea n a l y s i sa s s u m e st h a tv a r i o u st y p e so f e n e r g yd i s t i n g u i s hf r o me a c ho t h e r o n l yi na m o u n tb u tq u a l i t y h o w e v e r ，v a r i o u se n e r g yo f e n e r g yc a l lb ed i f f e r e n t i a t e dw i t hb o t h a 2 n o t t n ta n dq u a l i t y t h ee x e r g y - b a l a n c ea n a l y s i sw a sa p p l i e dt h ee n e r g e t i ct r a n s a c t i o ni n o r d e rt oo v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g so ft h ee n e r g y - b a l a n c ea n a l y s i s t h ee x e r g y - b a l a n c e a n a l y s i sd i s c r i m i n a t e sv a r i o u st y p e so fe n e r g yi nq u a l i t ya n da m o u n t ，w h i c hr e f l e c t st h e e n e r g e t i cn a t u r ea n dt h ee n e r g e t i ct r a n s a c t i o no rt h ee n e r g yl o s s b a s e do nt h ee x e r g y - b a l a n c e a n a l y s i s ，t h el i n ko ft h ee n e r g yt r a n s f c ) r m a t i o ni nt h es y s t e mc a r lb ef o u n d e d t h ed i r e c t i o no f t h es a v i n ge n e r g yc a nb ep o i n t e do u ta c c o r d i n gt ot h er e s u l t s a sr e s e a r c hc a s e ，t h et h e r m a lc y c l ep r o c e s so ft h ea d v a n c e de n e r g ys t o r a g es y s t e mf o r a i r - c o n d i t i o n i n ga n dh e a t i n gu s i n ga q u e o u sa m m o n i aa sw o r k i n gf l u i dw a sa n a l y z e da n d r e s e a r c h e db yt h ee x e r g y - b a l a n c ea n a l y s i sm e t h o d b a s e do 1t h ee x e r g ya n a l y s i sm o d e w h i c h h a db e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , t h ee x e r g yl o s sa n de x e r g ye f f i c i e n c yo ft h es y s t e mi nt h e a i r - c o n d i t i o n i n ga n dh e a t i n gc o n d i t i o nc a nb eo b t a i n e du n d e rt h ef u l ls t o r a g es t r a t e g y t h e r e s e a r c hr e s u l t sc a l lp o i n to u tt h ew a yt or e d u c et h ee x e r g yl o s so f t h ee q u i p m e n ta n di m p r o v e t h ee x e r g ye f f i c i e n c yo f t h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h es m d bu n d e rt h ea i r - c o n d i t i o n i n ga n dh e a t i n gs t r a t e g i e st h ee x e r g yl o s s c o e f f i c i e n t so ft h ee q u i p m e n t s 黜p r i m a r i l yc o n s i s t e n te x c e p te v a p o r a t o r sa n da b s o r b e r s n et o t a le x e r g yl o s so ft h es y s t e mi sl a r g e l yo c c u p i e db yt h ee x e r g yl o s so ft h ec o m p r e s s o r a n dg e n e r a t o r c o n d e n s e r , w h i c ha p p r o x i m a t e l ya c c o u n tf o r5 0p e r c e n t a g e s ，s ot h ee x e r g yl o s s o f t h ec o m p r e s s o ra n dg e n e r a t o r c o n d e n s e rs h o u l db er e d u c e d ，i no r d e rt oi m p r o v et h ee x e r g y e f f i c i e n c yo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：a q u e o u sa m m o n i a ；e n e r g ys t o r a g e ) e x e r g yl o s s i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 为了确定能量损失的性质、大小与分布，为了指明提高能量利用率的方向，对系统 或装置进行热力学分析，称为“能量分析”“当前能量分析的方法主要有两种：一是 基于热力学第一定律的能平衡方法，二是基于热力学第一和第二定律基础之上的堋平衡 方法。 第一种方法依据的是能量的数量守恒关系，指出进入系统的能量等于系统输出的能 量和系统内能的变化量之和，即热力学第一定律。通过分析，揭示出能量在数量上转换、 传递、利用和损失的情况，确定出某个系统或装置的能量利用或转换效率。由于该种方 法和由此得到的评价指标是基予熟力学第一定律基础之上的，故成为“能平衡方法”和 “能效率”。 第二种方法依据的是能量中媚的平衡关系，即热力学第一和第二定律。通过分析， 揭示出能量中媚的转换、传递、利用和损失的情况，确定出该系统或装置的媚利用效率。 由于这种分析方法和评价指标是居于热力学第一和第二定律基础之上的，故称为“媚平 衡方法”和“堋效率” 上述两种方法既各有特点又相互联系。能平衡分析方法的特点是注重不同质的能量 在数量上的平衡，只考虑量的利用程度，反映的只是量的外部损失。使用该方法，它为 节能研究指明了一定的方向，在短期的节能工作中，往往可以取得较大的效果。系统内 部的能平衡分析是必要的，这也是拥分析方法的基础。但是由于能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。并且由于 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，就需要进一步做好媚分析。 堋平衡方法比能平衡方法更科学、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，所有各种形式的 能量就有了统一的度量，就有了可比性。它除了考虑量的利用程度之外，还考虑了质的 匹配。不仅反映外部有效能的损失，还揭示内部不可逆因素( 如摩擦、温差传热，燃烧 等) 造成的有效能损失媚分析方法真正指明了节能研究的长期方向。 1 2 堋方法的发展 能源的短缺，迫使人们不得不认真研究各种形态能量的“开发”和“合理利用”。 堋作为一种评价能量价值的物理量便应运而生。堋从“量”与“质”的结合上规定了能 基于媚1 分析的先进蓄能空调供热系统研究 量的价值。作为一种可以单独评价能量价值的物理量，它改变了人们对能的性质、能的 损失和能的转换效率传统的看法，提供了热工分析的科学基础，深刻地揭示了能量转换 过程中能量变化的本质。随着节能工作的深入开展，拥这个概念和堋分析方法，在许多 领域内迅速地得到了广泛的应用“1 早在1 9 世纪泰特第一次使用了“可用性”的概念，确定了热量中包含有效部分 个下 q ( 1 一铷与无效部分q 鲁。与此同时麦克斯韦、吉布斯等针对闭口系统的“可用能” 部分进行了着重研究，导出了我们通常使用的封闭系内能拥的公式，并得出了可用能与 熵增之间的关系，从而奠定了计算可用能损失的基础。但当时在很长一段时间内并未引 起人们的重视。 随后j o u g u e t 对闭口系统和稳定物质流傲了统一处理，总结了前人的思想和研究成 果，导出了统一形式的最大有用功的计算公式。k e e n a n 嘲进一步简化了计算公式，并且 认为环境的“可用性”为零。此外，把最大功与实际功的差值称为不可逆性。为了与通 常的效率相对比，把功与可用性减少量的比值称为有效性。并且他首次明确提出将环境 取为最大有用功环境的计算基准，并将最大有用功称为有效能。 1 9 5 6 年r a n t 嘲提出了统一命名的原则，他认为主要的是应包含有由系统作出功的概 念，建议采用e x e r g y j f g 为命名并得到国际公认。r a n t 对堋概念的发展做出了重要贡献。 六十年代初期，他在进一步分析热过程时指出，不能转化为功的无效部分对热工程并非 无效，因而将堋重新定义为可以转换为其他能量形态的那部分能量，而将不能转化为拥 的那部分能量称为无效能。将能量分为两部分，这也正是拥分析方法和能平衡分析方法 在过程热力学分析和热经济学分析上获得应用和推广的根本所在。自然界各种不同物质 运动形态都对应于一种不同质的能量，因而也就有其相应的能量的可转换部分和不可转 换部分。 当前，随着节能工作发展的需要，媚分析方法已被广泛应用于热能动力、石油化工、 制冷、冶金等行业。同时师分析方法也在应用中不断发展和完善。除了目前常规的黑箱 分析法之外，为了深入分析、评价和改进，近年来有人陆续在能流模型方面作了一些工 作和设想，如日一兀s 图法，s p e e 9 法、l i n n h o o f f 法和村上模型等。同期还引入了化 学拥的概念，提出了元素化学堋周期表。利用该表与基础热化学数据，就可以计算任何 化合物和混合物在化学反应过程中的化学堋。此外，堋分析方法与系统工程方法相结合， 正在形成新的过程设计方法，以做出经济的运行操作方案的决策与选择，这是目前媚分 析方法发展的潮流。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 先进蓄能技术 能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础，是影响社会经济发展的 战略重点。我国自改革开放以来，综合国力有了较大的提高，电力工业作为国民经济的 基础产业之一己取得长足的进步。与此同时，随着人民生活水平的日益提高，空调设备 不断普及，空调能耗在国民经济总能耗中的比重逐渐加大。据有关资料分析，目前城市 空调系统用电负荷己占建筑物总用电量的5 0 9 6 左右而占城市总用电负荷的比例也不断 增长空调耗能巨大，并且空调的负荷特性与电力负荷特性基本相同，造成电网峰谷荷 差逐步加大，使得电力系统负荷特性逐渐恶化。 解决电力系统负荷特性恶化的最有效的方法之一就是采用空调蓄能技术，平衡电网 峰谷差，转移电力高峰电量。该技术是利用蓄能设备在空调系统不需要能量或需求较小 的时候将能量储存起来，而在系统能量需求较大时将这部分能量释放出来。由于可以对 电网的电力起到移峰添谷的作用，有利于整个社会的资源优化配置，发展蓄能空调技术 已成为不可逆转的趋势，应用前景十分广阔。 现有蓄能技术虽然可以在一定程度上起到转移电力高峰电量，平衡电网峰谷差的作 用，但是其都存在着一些需要进一步解决的问题。比如：现有蓄能技术均是直接储存冷 能或热能，其蓄能温度均低于或高于环境温度，因此需要采用绝热措施，以避免系统与 环境产生热量传递；蓄能密度还有待于进一步提高：除显热蓄能技术外，其它蓄能技术 的蓄能系统还较为复杂；除共晶盐蓄能技术外，其它蓄能技术的可用蓄冷温度均在o 以上，难于满足于0 以下的制冷需求；现有蓄能技术还难于用一套蓄能系统同时满足 既蓄冷又蓄热的要求。为此，能否提出一种全新的蓄能调荷技术，既保持现有蓄能技术 的优点，又能弥补现有蓄能技术的不足，是解决由空调、制冷负荷以及其他用电负荷所 产生的昼夜电力负荷失衡问题的关键。 如果将如果将蓄能问题作为能量转换及储存问题来考虑，如同抽水蓄能电站的能量 转换过程一样，对能量作间接转换并储存，需要时又可转换成所需的能量。变质量能量 转换及储存技术就是将热能转换为工作溶液的化学势能( 潜能) ，然后再利用制冷剂将 化学势能转化为冷、热能，或通过吸收除湿方法将储存的潜能直接转换成除湿能。与显 热和潜热蓄能方式相比，潜能储存方式并非直接储存冷、热或除湿能，而是储存工作溶 液的化学势能。与热化学蓄能方式相比，在能量转换和储存过程中，工作溶液只有物理 ( 温度、压力和浓度) 变化，而无化学变化。 作为一种具有完全知识产权的先进蓄能技术一变质量能量转换及储存技术是一种 能量间接转换及储存技术。它是利用蓄能系统充、释能过程中蓄能储罐内工作溶液质量 分数发生变化所引起的溶液化学释能变化来完成能量储存及转换的过程。在系统循环过 基于媚分析的先进蓄能空调供热系统研究 程中，利用压缩机将电能转换成工作溶液的化学势能，将原先采用两个工作溶液储罐的 潜能储存系统改进为采用一个工作溶液储罐，并在充、释能过程中储罐内溶液质量发生 变化的能量转换及储存系统。对于改进后所形成的变质量能量转换及储存技术，不仅继 承了潜能蓄能系统的上述优点，还因减少了一个溶液储罐而使系统容积有效蓄能密度进 一步提高，并在一次能量转换过程中将等压压缩( 等温冷凝) 过程改为变压压缩( 变温 冷凝) 过程，使一次能量转换效率进一步提高。 由于能量转换及储存技术采用间接蓄能概念并借鉴吸收式制冷热泵和吸收除湿工 作原理。因此，此项技术不仅可储存由电能转换而来的制冷、制热、除湿潜能，对昼夜 电力负荷变化起到“削峰填谷”作用，而且还可以储存由热能转换而来的制冷、制热、 豫湿潜能。 1 4 问题的提出 能源问题是当今世界面临的突出问题之一。解决能源问题有两条途径：一是开发新 能源特别是可再生能源；二是节约能源，提高能量在转换、传递、储存和利用过程中的 技术水平，以减少损失。 随着节能工作的深入，仅仅从能平衡的角度来评价能量的利用情况是远远不够的， 还应该从输入能量和产出能量的质量关系上来评价和分析。传统的能平衡分析方法仅仅 基于热力学第一定律，将节能的焦点放在如何减少能量的泄漏和排放，以提高能量的利 用率而媚平衡方法不但关心如何减少泄漏和排放所排放的堋等外部堋损失，还关心由 系统内部种种不可逆因素造成的能量的贬质，即内部媚损失。目前比较新的观点是用能 就是用堋、节能就是节堋，是从过程推动力和实现能量转换以获得动力的观点来考察用 能和节能啪。这种观点仍然是从数量关系上去考虑用能和节能，将热力学第一定律和第 二定律共同作为理论基础，可以揭示出分析对象即系统在热力学完善性上的薄弱环节， 从而可以在这意义上进行方案质量评定和最优参数分析。 当前通用的评价制冷机组的能耗性能的指标为：c o p ( 性能系数) 。c o p 是指在额定工 况和规定条件下制冷机组进行制冷运行时制冷量与有效输入功率之比。但这种指标是以 能量守恒定律为出发点的，将不同质和量的能量等量齐观，忽略了“质量匹配”的问题。 如果站在第二定律的角度来看，该指标的缺陷是显而易见的，它掩盖了能量转换过程的 本质，并不能反映制冷机组能源消耗的真实情况。制冷量与输入能量之间的质和量是不 等价的。对于制冷机来说，制冷量的作功能力很低，只是低质能，而输入能量一般是化 石能源或电能几乎可以全部转化为功，是高质能。显然，如果用品质很高的能源来生 产品质很低的能源会造成能量大幅度地贬值变质。 大连理工大学硕士学位论文 用能的一个原则就是能级匹配，使产出能与投入能的品质尽量接近。从这一点来说， 制冷机组的节能潜力还是有很大的。如果我们用堋分析方法来考察制冷机组的用能情 况，就可以找出节能的有效方法。拥是以热力学第一和第二定律为基础的，包含了能量 的质和量两个方面的信息。堋现在己经是能量定价的一个基础。不同质和量的能量在媚 分析方法的基础上可以相互比较。因此节能的本质就是节堋和梯级用堋。因此本文针对 各种冷热源设备及其组合形式分析了其拥流情况，建立了基本的堋平衡方程，已达到对 系统内部能量变化情况进行可观真实地评价。 1 5 本文所做工作 本文所研究的对象是先进蓄能空调供热技术中采用氨水溶液为工质的闭式蓄能空 调系统。主要工作为已热力学第一定律和第二定律为基础，从堋平衡的角度对该系统进 行媚分析。 ( 1 ) 为了更好地建立系统工作过程动态模型，将蓄能系统份成若干模块，在各模块 能量平衡模型的基础上，建立各模块的媚平衡分析模型。 ( 2 ) 在全量蓄能策略下，通过所建立的堋平衡模型针对具体实例进行计算模拟，得 到系统各设备的媚损失及变化规律，并进行深入分析比较。 基于媚分析的先进蓄能空调供热系统研究 2 绷分析方法概述 一切实际的不可逆过程必定伴有各种堋损失，这些堋损失的大小揭示了过程的不可 逆程度，反映了过程中能量转换与利用的完善程度。对于能量转换系统进行媚分析的主 要目的就在于准确地揭示出系统中各个部分和各个部件所存在的媚损失，找到影响媚效 率的薄弱环节，以便采取相应措施，提高能量转换的完善程度。 2 1 堋分析基础 2 1 1 媚的概念 物质由于其所处的状态与某一基准状态不相平衡而具有的做功能力定义为媚“3 。媚 是能量中可转化为其它任何形式能量的那部分能量。堋是一种能量，具有能的量纲和属 性，并且媚代表了能量中“量”与“质”统一的部分。各种形态的能量中都包含有一定 量的堋。 在进行系统分析时，系统中任一点的拥都可以用其它参数算出，这些参数则可通过 对系统建立能量平衡模型来确定。系统中某一点相对于基准状态的拥值可用下述的普遍 方程计算 e 斗砌嶝：爿+ 军饥了肌c z - - ， 其中下标0 代表基准状态，本文选取的基准状态为t o - - 2 5 ，p 。= 1 0 1 3 2 5 m p a 。在 大多数系统的分析中，只会用到其中某一些项，并不是所有的项都是必需的。由于媚代 表了能源所提供的做功能力，因此这个方程还可以扩展到把电流、磁场及物质扩散流等 有关项也包括在内对于稳态流动系统，一般用焓代替内能项和功项，并且在一般 的实际工程应用中，常略去势能项和动能项。此时方程简化为 e = ( 日一) - r o ( s 一& ) ( 2 2 ) 媚具有以下一些性质：第一，堋具有能的属性，可以是状态量，也可以是过程量； 第二，娴具有等价性，它是一种用以度量各种形态能量转换能力的物理量；第三，堋具 有互比性，它从量与质相结合的角度反映了能的价值，代表了能量中量与质相统一的部 分；第四，拥具有相对性，它是以环境作为基准所取的相对量；第五，拥具有可分性， 其可分为多种不同形式的媚，如物理媚、化学媚、位能媚等；第六，在可逆过程中，媚 大连理工大学硕士学位论文 具有守恒性，媚的总值不变，而不可逆过程中拥具有非守恒性 2 1 2 热量堋与冷量堋 2 1 2 1 热量堋 “热量媚”是指高于环境温度的系统，在给定环境条件下发生可逆变化时，通过外 界传递的热量中所能做出的最大有用功，也就是说，热量媚就是热量q 相对与环境所能 做出的最大有用功m 如果以环境为冷源( 瓦) ，以系统( 丁) 作为热源，设想在此冷源与热源之间工作着一 系列微卡诺循环热机，以保证系统在放出热量q 的同时可逆地发生状态变化。系统向微 卡诺循环机提供固热量，根据卡诺循环机的效率式，这部分热量对外提供的最大有用功 为 甲 研，雌= ( 1 一鲁) 固 ( 2 3 ) 系统在发生可逆变化时这一系列微卡诺循环热机得到的总热量为q = f 6 q ，其中 所能做出的最大有用功为 = p = ( 1 一争固 c 2 4 ) 按照热量堋的定义，这里的就是热量q 中的热量堋，散热量堋可表示为 = = ( 1 一争固；q 一瓦岱 ( 2 5 ) 热量媚是热量q 所能转换的最大有用功，是热量q 本身的固有特性。系统放出热量 时，同时放出热量堋；同理，如果系统吸收热量时，同时也吸收了该热量中的媚。根据 公式可知，热量媚的大小不仅与q 有关，而且还与环境温度瓦以及系统温度r 有关。 2 1 2 2 冷量堋 “冷量媚”是指在系统温度r 低于环境温度瓦时，要使此系统在给定环境下发生可 逆变化，需要有一系列微卡诺机在环境与系统之间工作，系统从环境可逆地吸入热量q 所能做出的最大有用功。 卡诺循环机工作于环境和系统之间，它在瓦下从环境中吸收热量6 q ，在r 下向系 基于煳分析的先进蓄能空调供热系统研究 统放出热量6 蜴，同时微卡诺循环机向外界所能做出的最大有用功为 t ，f 7 0 = ( 1 一 ) 6 q = ( 詈一1 ) i 2 c ( 2 6 ) j o j 所以系统在整个过程中吸收的总热q c ，同时最大有用功为 = 仞k = 婷一1 ) 酝 ( 2 7 ) 按照堋的定义，这部分最大有用功就是系统所接受的冷量媚历，即 b = = ( 粤一1 ) 骇= 瓦丛一蜴 ( 2 8 ) 如果从制冷的角度来考虑，为了使系统的温度从环境温度死下降到r ，就必须从系 统中抽出热量，即所谓制冷量或冷量q 。，这时环境以外的外界相应地需要提供最小有 用功，冷量媚也就是为了抽取冷最，外界必须消耗的最小有用功。 因此，恒温冷源的冷量媚为 = e 1 ) q c ( 2 9 ) 冷量媚是为了维持低温t 自系统抽取冷量时需要消耗的最小有用功。冷量媚不仅与 珐有关，而且还与( t 巧) 有关。根据计算公式可知制冷温度越低，制冷消耗的冷量媚 就越大，而且可远远超过冷量本身许多倍。因此在空调系统中，不应刻意维持不必要的 低温，以免浪费冷量堋。反之，从温度很低的系统可获取很大的有用功，这种作功能力 是不容忽视的。 2 1 3 稳流工质的物理堋计算 对于处于任意状态( l p ，h ，j ) 下的单位质量稳定流动工质，以宏观速度c 和高度z 的 条件进入开口系统时而离开此系统时工质位于气的海平面高度以及速度为v o ，此时工 质的状态为( 瓦，p 。，) 。设在此系统与环境之间工作着一系列微卡诺循环机，从系统 吸收热量国，在向环境放出热量国。的同时向环境输出功晰。根据热力学第定律和热 力学第二捷律以及堋的定义可以得到下式 口；一) 一兀( v 一) + 去c 2 + 髟 ( 2 1 0 ) 大连理工大学硕士学位论文 上式即为稳流工质的物理堋。在一般工程前提下，工质的动、位能像对于焓值常可 忽略不计，因此单位工质的物理堋又可简化为 f = ( 一j l o ) 一瓦( s 一) ( 2 1 1 ) 对于由疗个组分构成的混合物的比堋可表示为 e = 而 - - 1 , 0 ) - r o f x 。 一j 帅) ( 2 1 2 ) i - i j - 1 若用混合物的比焓和比熵表示，则上式可写为 e 。= k k p 一7 0 0 一 f m - o ) ( 2 1 3 ) 2 2 堋平衡与拥损失 2 2 1 稳流系统的堋平衡与拥损失 对于稳流系统，由于边界不封闭并且工质的流动速率稳定，并且同时有多股输入流 和输出流，因此稳流系统的堋平衡方程和堋损失需要以工质的流率来表示。假设系统从 热源吸入热量或和热量媚岛，向外界作出净功彬，同时向环境放出热量 垂。和热量拥应c ，在过程进行中，系统的能损失龟，内部媚损失为n ，。 则该过程中的堋平衡方程为 岛，= 彬+ 岛，+ a ( 觑) ，+ 血， ( 2 1 4 ) i 稳流系统的堋损失率为 应c 。+ 也= 岛，一( 栅广彬 ( 2 1 5 ) f 2 2 2 混合过程的堋损失 两种或多种物质的混合过程是高度不可逆的。在绝热的条件下混合前后必将导致熵 的增加，而引起佣损失。绝热混合过程可以参数不同的同种物质之间的混合，也可以是 不同物质之间的混合；而不同物质混合时，参数可以相同，也可以不同；相互混合的几 种物质既可以是流动的，也可以是静止的。但如上所述，无论是哪一种混合，都会引起 拥的损失【o 基于媚分析的先进蓄能空调供热系统研究 在本文中主要侧重研究非理想溶液混合过程的媚损失。如果把处于纯液体状态下的 某组分的堋值取为e ? ，则理想溶液中第f 中组分( f = 1 、2 、3 ) 的摩尔成分为毛，温度 为瓦，压力为p o 时的l m o l 的师值q 为 巳1 1e ? + r t 0 l n 一 ( 2 1 6 ) 而对于非理想溶液，因其不服从拉乌尔定律，处理的方法是在理想溶液的基础上加 以校正，用活度a ，代替摩尔成分一。q 称为组分f 在溶液中的活度，又称为有效浓度。 根据活度的定义，对于理想溶液，q = ；非理想溶液对于理想溶液的偏差归结为q 对 t 的偏差嘲。这个偏差常用活度系数表示：q = 所而 因此非理想溶液的拥值表达式为 q = e , o + r 瓦1 n q ( 2 1 7 ) 根据上述表达式，纯溶液混合时的拥损失为 血= r 写l n q ( 2 1 8 ) l 2 2 3 堋损失的分布 任意一个系统，往往包含有若干环节或部件，因此为了弄清媚损失的分布部位与产 生原因，需要我们不仅要针对整个系统计算总媚损失，还要对系统中的每一个环节或部 件列出媚平衡关系式以得到相应的局部堋损失。 整个系统的拥损失等于其中各部件或各环节局部拥损失的总和。进行媚分析时，通 常将整个系统划分成若干个子系统或若干个环节，分别确定它们的媚损失，深入揭示损 失的分布与损失原因，找到整个系统中的主要矛盾和薄弱环节，以便为有效地改善过程、 减少不可逆性提供依据。显然，子系统或子过程划分得越小越细，分析也就越发深入。 如果从产生堋损失的部位看，则可将堋损失区分为内部与外部两种媚损失。倘若将 研究对象取作系统，而将系统以外作为外界，那么不可逆性既可能发生在系统内部，也 可能发生在系统外部。向环境散热而未加利用的媚散逸以及向环境捧放废弃物而未加利 用的炯排放都属于外部堋损失。 造成媚散逸的原因在于系统与环境之间有温差存在，只要设法消除这种温差传热， 堋的散逸也就将消失。如前所述，有时为方便起见，人为地消除系统与环境之间的温差， 而将外部媚散逸转移为内部婀损失处理。外部拥损失与内部媚损失一样，可直接用废弃 物质的堋( 包括物理堋与化学堋) 或热量堋计算。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 媚效率与媚分析模型 2 3 1 两种堋效率的定义 媚损失的大小可表征一个系统和过程的热力学完善程度，但是由于一个系统或过程 的拥损失是个绝对量，因此我们无法比较不同工况下的各个过程或系统的媚的利用程 度，为此在媚分析中广泛地使用堋效率的概念。 媚效率是基于热力学第二定律的分析所提出的一种用来衡量过程或系统热力学完 善性的指标，所以又称“第二种效率”它与基于热力学第一定律分析所提出的“能效 率”是互有联系的，但比能效率更能深刻地揭示出能量转换、利用和损耗地实质，其可 以定义为系统或过程中作为收益的媚与作为代价的堋的比值。 2 3 1 1 普遍堋效率 假设某一系统有多股输入堋，e ，易，e ，同时有多股输出堋流e ，毛，e ， 邑，岛，风，其中乜，毛，e 是副产品媚，用户想要得到的产品拥为易，岛，点0 ， 蜀，易，巨是代价媚。对于这个系统，可以列出下列堋平衡式 f e = 黾+ 皿+ i - i胁k - a ( 2 1 9 ) n 代表系统在该热力过程中的内外媚损失之和。从上式可以看出，只要 ， e i 之毛4 - 乓，即输入的各种堋量的总和大于或等于输出的各种媚量，该热力 k - !- 口k - 4 过程就能发生，而且两者的差值代表了该过程的不可逆程度。不可逆程度越大，差值越 大；不可逆程度越小，差值越小。因此，不管过程的具体性质、任务和日的如何，一切 热力过程的热力学完善程度总可以用下式加以度量，即“ ”禚等= 警小五1 i 眨z 这个效率称为普遍媚效率，它考虑了系统输出堋和代价拥的关系，主要是媚损失的 大小，但没有根据系统或过程的性质、任务来分析系统的输出堋的分配。不能如实地反 映系统和过程能量利用的具体情况因为在系统的输出媚中，副产品媚和产品媚的地位 是不同的，而且有效输出堋中包含了只发生了物理转移而直接通过系统和过程的惰性媚 基于佣分析的先进蓄能空调供热系统研究 量我们必须尽量减少副产品堋，增大产品卿的产出。因此普遍堋效率并不能完全表达 如果将e 作为产品堋，将臣作为代价媚，则可以得到目的焖效率的定义式 蜘一品e x e r g y 善小等 眨z 由定义可以看出，目的拥效率只包含了产品堋，将副产品媚撇开，表达了输出拥中 到底有多少媚被真正利用了。因此深入细致地分析媚的分类、拥损失和过程或系统的分 2 3 2 堋损率与媚损系数 拥效率表示堋的利用率，其指出了为了提高某个系统或设备媚的利用程度尚有多大 潜力，但媚效率并不能直接表明整个系统或设备中媚损失的分布情况以及每个环节媚损 如果以系统中的总媚损失n ，为基准，某个环节的局部堋损失。所占的比例称为 面。袁 2 2 1 ) 它表示局部堋损失相对于总堋损失的比重。显然，利用该系数揭示系统中各个环节或部 位绷损失的相对大小，显得直观鲜明，而且它有确定的含义，不带认为随意性，不受媚 由于各个系统总师损失不同，因而以这种总媚损失为基准的相对比例就不能直接表征各 种系统的拥损失大小与媚利用程度；其次，这种堋损率与拥效率之间缺乏明确的一一对 应的关系，不能由媚损率直接得出堋效率的大小。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 2 堋损系数 拥损系数定义为以输入拥或代价媚为基准时局部媚损失所占的比例，即 耻丽篙淼= 嚣 c z z z ， “2 蕊仄赢万不丽2 再 喵”邵 台q 并且整个系统的总堋损系数等于各环节媚损系数的总和，因而其把整个系统与各环 节之间的内在联系揭示得十分清楚。根据堋平衡关系可得到媚效率与媚损系数之间的关 系为 r n = 1 - q ， ( 2 2 3 ) 绷损系数与堋效率之间的关系表明，它不仅可揭示各环节拥损失的相对大小，而且 还能明确地看出媚利用的程度，这是堋损系数一个十分显著的优点。堋损系数还有一个 优点，当需要横向比较、评定不同系统或方案的拥利用程度或堋损失大小时，只要这些 系统的输入堋或代价媚相同，就可以直接从各种系统的媚损系数看出相应环节媚损失的 大小“1 。 2 3 3 三种基本分析模型 工程媚平衡通用模型是一个媚流组成完整、又能全面满足工程堋分析要求的全面型 分析模型。不过，堋分析和其它分析一样，对不同的分析对象，可按照不同的分析要求 选择精粗不一的分析模型。以工程媚分析来说，就可以按照粗略分析、精细分析和次精 细分析三种不同要求，分别选择黑箱分析模型、白箱分析模型和灰箱分析模型这三种 分析模型中黑箱分析模型无论在能量平衡分析和媚分析中均己获得广泛应用。白箱分析 模型和灰箱分析模型是近年来新建立起来的分析模型 2 3 3 1 黑箱分析模型 “黑箱”代表一个由不透明的边界组成的体系，体系内的一切一概看不清，似处于 完全的“黑暗”中。将体系同外界之间交换的媚流与“黑箱”结合在一起，便组成了黑 箱模型，如图2 1 所示 图中在实线箭头上标出堋流值，是由仪器、仪表直接测取或测算得到的。若将系统 内的有效耗拥视为含于系统输出佣之中，则系统内部媚损失为 = 玩一 ( 2 2 4 ) 基于胡扮析的先进蓄能空调供热系统研究 图2 1 黑箱分析模型 f i g 2 1t h ea n a l y t i cm o d e lo f b l a c k - b o x 上式表明，如按黑箱模型对系统进行堋分析，只需借助于输入、输出设备的媚流信 息，而不必剖析、测算体系内部的媚流情况，即可揭示出系统内宏观用能特性，这是黑 箱分析的一个突出优点。 由黑箱模型分析可得到一下几项分析结果： a ) 体系的煳效率和热力学完善度； b ) 体系外部总媚损系数及各分项媚损系数； c ) 体系内部的总佣损系数。 前两项由直接测算得到，后者由间接计算得到。 至此，可以清楚她看出，黑箱模型既简单又能得到一些重要的分析结果。它既能用 于单体设备的分析，又可用于含几个子系统的大系统的分析。黑箱分析的不足之处，主 要是对显示媚分析特点的内部拥损失只能给出一个总值，判别不了体系内用能过程的薄 弱环节，因此它只能用于对体系宏观用能状况的粗略分析。 2 3 3 2 白箱分析模型 白箱分析模型是为了克服黑箱分析模型的不足提出来的。“自箱”代表一个完全由 透明边界组成的体系，对体系内的一切可一目了然，以便于对体系内的各个用能过程逐 个进行解剖，计算各过程的耗散堋。因此，白箱分析除了可以获得黑箱分析的全部结果 外，还可以计算出体系内各用能过程的堋损系数。据此即可揭示出体系内用能不合理的 环节，这是白箱分析优于黑箱分析的特点。 自箱分析模型主要用于对设备用能的精细分析，特别是对用能过程复杂的设备的分 析，更能显示其优点。 2 3 3 3 灰箱分析模型 黑箱与白箱分析模型主要解决设备的堋分析。对于含多种设备的系统来说，黑箱分 析显得过于粗略。为能对系统作较精细的分析，提出了一种介于黑箱分析与白箱分析之 间的分析模型灰箱分析模型。 大连理工大学硕士学位论文 “灰箱”表示一种由半透明边界围成的体系，将其用于系统，表示通过边界可以看 到系统内的设备整体，而看不清设备的内部状况。也就是说把组成系统的各台设备均视 为“黑箱”，堋流线将“黑箱”连成一个黑箱网络，这便形成了灰箱模型。 为了便于构成规范的灰箱模型，规定对任何设备都取统一的黑箱单元表示。一个黑 箱单元是由输入、输出媚和总堋损三种拥流构成。由黑箱单元组成的灰箱模型，可以有 三种联接方式： 1 ) 黑箱串联方式。这种联接方式的特点是由主媚流线将各黑箱串联起来，前一黑 箱输出的有效堋恰好是后一黑箱单元的供给堋。 2 ) 黑箱并联方式。这种联接方式的特点是所有黑箱的输出堋流线都汇入同一设备或 系统 3 ) 串一并混联方式。是指既有设备的并联、又有串联，二者相互交替的模型。 无论采用哪种联接方式，灰箱模型都具有以下特点： 1 ) 系统的输入堋为各( 黑箱) 设备输入堋之和； 2 ) 系统的总堋损失等于各黑箱单元的总堋损失之和： 一 3 ) 堋损系数均可按哦= 1 乡每f 式计算。 ，勺t 上述三条规则为灰箱分析提供了很大方便。实际上只要把系统的各设备按黑箱单元 进行分析后，即可通过简单的计算完成灰箱分析 2 3 4 对制冷装置拥分析的必要性 对于制冷装置，通常采用制冷系数口作为性能指标，但与热机循环一样，运用这种 指标存在以下的问题： 1 ) 制冷系数是不同质的能量的比值，即 占：盟 ( 2 2 5 ) w 上述表达式分子为冷量。而分母为耗功w ，两者虽然都属能量形态，但“质”不 同，因而该指标也同样存在着把吼与w 等量齐观的缺陷，并不能科学地反映真实的性能。 2 ) 制冷系数只反映了外部损失的影响，并不能反映装置内部各环节的不可逆损失， 因而并不能科学地揭示出装置的薄弱环节； 3 ) 制冷系数只能用来比较在相同温度范围内工作的各种制冷装置的性能。但是不 同温度范围下工作的各种制冷装置进行比较时，如果采用占这个指标，不仅不准确甚至 会给出错误的信息。 基于堋分析的先进蓄能空调供热系统研究 对制冷装置进行媚分析，则有助于人们认识制冷的本质，了解产生损失的原因与部 位，认清改善制冷循环性能的途径与方向，找到提高系统性能与效率的方向和方法。 大连理工大学硕士学位论文 3 先进蓄能空调供热系统媚分析模型 在对先进蓄能空调供热系统系统进行媚分析时，将系统划分为五个模块，其包括： 蒸发器、吸收器模块，发生冷凝器模块，压缩机模块，溶液热交换器模块以及储罐模 块。为了便于对系统作较精细的分析，本文采用灰箱分析模型的方法中的黑箱串联模式， 即将系统中的每一模块看作一个黑箱单元，并且前一黑箱输出的有效媚恰好是后一黑箱 单元的供给媚。 3 1 系统工作流程简介 ( 1 ) 一溶液泵，( 2 ) - 溶液储罐，( 3 ) 一溶液热交换器，( 4 ) 一发生冷凝器，( 5 ) 一压缩机组，( 6 ) - 减温 精馏器，( 7 ) 一氨储罐，( 8 ) 一吸收器，( 9 ) 一蒸发器 图3 1 采用氨水溶液的先进蓄能空调系统工作循环流程 f i g 3 1t h ew o r k i n gf l o wo f m e a d v a n c e de n e r g ys t o r a g es y s t e mf o ra i r - c o n d i t i o n i n g 吣h 培a q u e o u s a m m o n i aa sw o r k i n gf l u i d 基于拥分析的先进蓄能空调供热系统研究 采用氨水溶液的先进蓄能空调系统如图3 1 所示。按照全量蓄能策略运行情况，在 用电低谷时段，各切换闺作适当启闭( v 3 ，v 4 ，v 5 开启) ，储存于溶液储罐( 2 ) 内的氨水 浓溶液被泵( 1 ) 加压流经热交换器( 3 ) 后，喷淋在发生冷凝器( 4 ) 的管束外。溶液受热产 生的氨蒸气流经减温稽馏器( 6 ) ，温度降低后被引入氨压缩机组( 5 ) 。压缩后的氨蒸气 在管束内冷凝，冷凝热作为发生热传给管束外的溶液。冷凝后的氨小部分被引入减温 精馏器和压缩机作为冷却液流股，大部分进入氨储罐( 7 ) 出发生冷凝器的稀溶液流回 溶液储罐，溶液储罐内溶液中的氨质量减少，氨质量分数降低，溶液化学势能发生变化 而使溶液具有制