（人机与环境工程专业论文）燃气动力双能源空调机组的研究.pdf

燃气动力双能源空调机组的研究 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r t h et h e o r y o ff i n i t e - t i m et h e r m o d y n a m i c sm e t h o di su s e dt o i n v e s t i g a t eo p t i m u mp e r f o r m a n c eo fan e wr e f r i g e r a t i o ns y s t e md r i v e nb yag a s t u r b i n eo ra c o m b u s t o r f i r s t l y , t h ei r r e v e r s i b l ec y c l em o d e l o f t h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e m w i t ht h ei n f l u e n c eo ft h e r m a lr e s i s t a n c e ，h e a tl e a ka n di n t e r n a li r r e v e r s i b i l i t yo ft h e w o r k i n gf l u i d i se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ei r r e v e r s i b l ec y c l em o d e l ，t h er e v e r s i b l e c y c l em o d e l w i t hh e a tl e a ki sd e d u c e db yn e g l e c to fi n t e r n a li r r e v e r s i b i l i t y a n dt h e f u n d a m e n t a lo p t i m u mr e l a t i o no f t h e r e 矗i g e r a t i o ns y s t e m i sd e r i v e df r o mt h ep o i n to f v i e wo ff l u k ei n v e s t m e n t b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lo p t i m u mr e l a t i o n ，t h eo p t i m a l p e r f o r m a n c eo f t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mr e l a t e dt ot h ee x h a u s tt e m p e r a t u r ew h i c hi s t h ec o n t r o l sp a r a m e t e ro ft h es y s t e m t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o o l i n gr a t ea n d t h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c ei s a n a l y z e d t h eo p t i m a ls t a t e o ft h er e f r i g e r a t i o n s y s t e m w i t c hh a r m o n i z e st h ec o o l i n gr a t ea n dt h ec o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ，a n d t h e w o r ks t a t e so far e a ls y s t e mi sd i s c u s s e d n 把v a r i e t yo ft h ec y c l e sp e r f o i t i l a n c ei n d i f f e r e n t h i g ht e m p e r a t u r eh e a t s o u r c ei s i n v e s t i g a t e d s o m e c o n c l u s i o nw r c hi s s i g n i f i c a n tt or e a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h ee c o l o g i c a lf u n c t i o n ei st a k e n a sa l lo b j e c t i v ef u n c t i o nf o r 如n 】c l e ro p t i m i z a t i o n s o m es i g n i f i c a n td i s c u s s i o n sa r e d o n e t h er e s u i t ss h o wt h a tt h es t a t eo ft h em a x i m u me c o l o g i c a lf u n c t i o ni s w o r t h w h i l et oc o n s i d e ri nt h er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo f r e a lt h e r m o d y n a m i c c y c l e s t h er e s u l t so b t a i n e dh e r ea r eq u i t eg e n e r a l t h e ym a yb eu s e dt od i s c u s st h e o p t i m a lp e r f o r m a n c eo f ar e f r i g e r a t i o ns y s t e ma sl o n ga so n ec h o o s e ss u i t a b l yt h e v a l u e so ft h em a i np a r a m e t e r si nt h ec y c l em o d e l a n dc o n s e q u e n t l y , t h e yp r o v i d e s o m en e wt h e o r e t i c a lb a s e sf o rt h eo p t i m a ld e s i g na n ds e l e c t i o no f o p t i m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o no f r e a l r e f r i g e r a t i o ns y s t e m s k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t i o ns y s t e m d r i v e nb yag a st u r b i n eo r ac o m b u s t o r ，f i n i t et i m e t h e r m o d y n a m i c s ，e c o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n ，i r r e v e r s i b l e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日期： 纠字 弘巧3 了 南京航空航天大学硕士学位论文 主要单位符号 英文字符 c ：定压比热，五； c 。：燃气工质的恒定热容率，k w k p ：生态学准则方程，k w ； e ：换热有效度； f ：压缩制冷循环的面积分配比； f ：传热面积，m 2 ： ，：不可逆度； k ：传热系数，七吖( 研2 足) ；绝热指数 历：燃气工质的质量流率，堙肛； h ：热导率分配比； q ：热量流率，k w ： ，：制冷率，k w ； 月：热漏比例： 5 ：比熵，k w k ； s ：熵，k s k ； f ：时间，s ； t ：温度，足； u ：热导率，k w k i w ：功率，k w ： z ：布雷顿热机循环等熵温比 希腊字母 ：性能系数； q ：有效功率系数； a ：制冷率的耗散系数： 1 1 ：循环效率； a ：熵产率，k w k ； 兀：布雷顿热机循环压比； 下标： a ：环境的，有效的 a ：吸收制冷循环 a i ：吸收制冷循环的热漏 b ：布雷顿热机循环 c ：压缩制冷循环冷凝器的 c ，c o m ：压缩制冷循环 c 口：吸收制冷循环冷凝器和吸收器的 c ，：压缩制冷循环的热漏 p ：吸收制冷循环蒸发器的 g ：发生器的 日：高温热源的 ：低温热源的，制冷空间的 m a x ：最大的 0 ：压缩制冷循环蒸发器的 o p t ：优化的 s ：等熵的，系统的 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着全世界对环保和节能的要求不断提高，最大限度地利用现有矿物燃料蕴 藏的能源，成为世界各国竟相研究的热门课题，发达国家的空调、制冷的耗能已 占总能耗的三分之一以上。而随着我国经济的高速发展，能源需求特别是电力需 求的高速增长与电力供应的相对滞后的之间的矛盾日益突出。特别是近年来我国 大部分地区夏季出现持续高温，用电负荷普遍大幅攀升，电网安全运行受到威胁。 而电力高峰负荷的出现在很大程度上是居民空调系统的大量使用而造成用电量 激升的缘故，为保证居民生活用电，许多城市不得不对企业紧急实行大面积拉闸 限电。然而电力建设虽然要跟上经济发展的速度，但不可能也不应该按照电力负 荷高峰来规划建设的规模，特别是不可能按空调需求来确定电力负荷量。但是电 力高峰负荷对我国的经济健康高速的发展构成了阻碍。如何避开或降低电力的高 峰负荷成为迫切需要解决问题。显然空调系统的改进可以成为控制能源消耗的有 效手段。 本文所研究的燃气动力空调机组是一种结合压缩式和吸收式制冷的制冷机 组，其基本设计思路是以燃气为动力，发动机直接带动制冷压缩机进行蒸发冷凝 循环制冷利用发动机排出的废气作吸收式制冷循环制冷。 该机组较其他类型空调机组，具有环境和性能上的优势。 在环境方面。采用天然气作为热源，相比一般燃料煤炭等，可减少4 0 温 室气体的排放量，是真正意义上的清洁能源；可以缓解燃气和电力需求的季节不 平衡性，不仅能削减夏季电力高峰，还对燃气起到填谷的作用，实现能源资源的 均衡利用；对于能源的利用更为有效，同时可减少排气热量的排放，改善了城市 环境。 在性能方面。这种新型制冷机组在能源利用率方面较其他燃气空调机组有着 较为明显的优势，有初步研究认为，其c o p 值可较目前应用最广的直燃型溴化锂 吸收式冷热水机组为高。 我国把发展优质、高效、清洁的天然气能源作为解决大气污染的根本途径， 而燃气动力空调机组是国内首创的一种全新的空调机组形式，可以减少环境污 染、合理使用能源、调整燃气冬夏峰谷负荷、削减夏季电力高峰。所以对该机组 的研究具有一定的理论价值和现实意义。 1 燃气动力双能源空调机组的研究 1 2 文献综述 本文采用有限时间热力学的方法对燃气动力空调机组进行研究。 1 2 1 有限时问热力学的产生和发展 经典热力学起初研究的重要内容是热和功的相互转化以及怎样提高热机效 率和改善热机性能，后来发展成研究热运动的一般规律和物质热性质的科学，为 生产发展和科学进步起到了重要作用。但经典热力学也有局限性。 首先，经典热力学所研究的过程是由一系列连续变化的准静态过程或可逆过 程组成的，许多涉及不可逆现象的实际问题在经典热力学中无法得到圆满的解 释； 其次，从理论上说准静态过程或可逆过程都需要无限长的时间才能完成，因 此在经典热力学中没有引入时间变量，无法有效地研究与速率有关的性能参数， 如功率、制冷率等。 第三，由经典热力学所确立的性能界限，即所谓的经典热力学界限或可逆界 限，如卡诺效率7 7 = 1 一瓦乃、逆卡诺循环的制冷系数。= r l ( r 一瓦) ，虽然在 理论上有重要意义，但这些可逆界限都要在可逆过程中才能实现。实际的热力学 过程总是存在热阻、摩擦、涡流等种种不可逆因素，使得可逆界限与实际值有很 大的差别。 因此，有必要寻求新的能反映在有限时间约束下受不可逆因素影响的热力学 界限。由于经典热力学的这些局限性，先驱者们进行了许多研究，寻找新的热力 学理论和研究方法来研究经典热力学所无法解决的一大类问题。 在二十世纪三十年代建立起来的非平衡态热力学，考虑了不可逆过程的演化 规律，成功地描述了许多不可逆的现象。它试图从微观角度对热力学的宏观过程 进行描述，把系统的状态参数看作是空间坐标和时间的函数，通过建立状态参量 的局域微分方程，了解状态参数随时间和空间的变化规律。但是构成的局域微分 方程一般非常复杂，像功、热量等重要过程函数在特定过程中的变化静效果，难 以从它求得。因此，非平衡态热力学难以推广应用于解决热力学过程的实际问题。 对经典热力学进行改造和革新，求出存在系统与环境间有限速率热交换的有 限时间过程和有限尺寸装置的热力学性能界限，就是有限时间热力学最初所要研 究的主要内容。1 9 7 5 年c u r z o n 和a h l b o r n 在最大输出功率时卡诺热机的效率 一文中求出了工作在高温热源乃和低温热源乃之间受传热不可逆因素影响的热 南京航空航天大学硕士学位论文 机在最大输出功率时的效率为“1 7 7 d = 1 - 4 f l i t 它为具有有限速率和有限周期特征的热机提供了不同于c a r n o t 效率的新的 性能界限，是有限时间热力学的奠基性结果。 随后，在7 0 年代中期，由a n d r e s e n 、b e r r y 和s a l a m o n 等人提出“1 ，并经 国内外众多学者共同研究而创立了有限时间热力学。 在2 0 多个国家和组织的研究基金资助下。一大批学者对这一新学科分支 进行了大量的研究工作，研究对象涉及热机、制冷机、热泵等传统热力设备和量 子热力系统、直接能量转换装置、流体流动过程、传热过程、换热器、传质过程、 化学反应过程、热绝缘系统、热能存贮系统以及时间相关过程的运行，通过一些 简化模型指出了大量的热力学优化机会，结合实际复杂模型得到了一大批具有工 程实际应用价值的结果，发现了一批新现象和新规律。如今，它己发展成现代热 力学理论的一个重要分支。 1 2 2 有限时间热力学的内涵 有限时间热力学以热力学与传热学和流体力学相结合促使热力学发展为基 本特征，在有限时间和有限尺寸约束条件下，以减少系统不可逆性为主要目标， 优化存在传热、流体流动和传质不可逆性的实际热力系统性能。 有限时间热力学的研究对象是多方面的，它可以是各种动力循环、制冷循环、 泵热循环、有限热源循环等等。研究思路是：对实际过程作一定的假设，得到热 力学模型，给定一系列约束定义可能的过程时间路径，然后找出给定路径下的目 标极值或所取目标为极值时的最优路径，并求出与时间( 或尺寸) 有关的目标值， 进一步求出最佳的时间( 或尺寸) ，得到所定义过程的最佳性能指标。为此，应建 立实际系统的理想化循环模型。这种理想化的模型必须能反映有限时间的约束和 不可逆因素对系统的影响。再根据热力学基本定律和最优控制理论求出模型的基 本优化关系，然后才能求出各种需要的性能界限以及讨论不可逆因素的影响。在 这过程中，应特别注重建立理想化模型的意义。实际上，建立普遍的理想化模型 是理论研究的一种重要方法，也是有限时间热力学研究并解决问题的一个重要环 节。建立恰当的理想化模型，可以简单明了地包含所要解决的问题的本质，突出 所要解决的问题的主要因素，忽略次要细节。例如，在有限时间热力学中得到广 泛应用的内可逆模型，忽略工质内部的不可逆因素，把整个系统的不可逆性都归 结到工质与热源之间的热交换过程。 有限时间热力学是传统的不可逆热力学的进一步扩展，是用函数求极值法、 3 燃气动力双能源空调机组的研究 变分法或最优控制理论方法研究不可逆过程，因此，a n d r e s e n 等。1 首次把这类热 力过程极限问题的研究称为“有限时间热力学”，而o r l o v 等“1 则称之为“优化 热力学”或“不可逆热力过程极值问题的最优控制”。当人们把研究对象从住复 式装置( 以有限时间为特征) 拓广到定常态流装置( 以有限尺寸为特征) 时，进一步 认识到了问题的实质是在热力过程的热力学分析中引入了传热学理论，有限温差 传热是其物理本质，因此g r a z z i n i ”3 建议称为“有限温差热力学”，l u m 则建议 称为“有限面积热力学”。而b e j a n 等在熵产分析中引入温差传热对系统总熵产 的影响，以系统熵产最小为目标优化热力过程与装置，故称其为“熵产生最小 化”或“热力学优化”理论m 。 1 2 3 有限时间热力学的研究进展 经典热力学研究可逆循环，所需的运动周期( 或所需换热器面积) 为无限 大，因而对时间平均的输出率( 或对总面积平均的比输出率) 为零。有限时间热 力学强调性能系数和输出特性间的协调，内可逆循环是有限时间热力学研究的基 本物理模型。该循环内工质经历准静态过程，循环中的唯一不可逆损失是热源与 工质问的热阻损失。这是c u r z o n 与从a h l b o r n “3 最早应用，r u b i n 0 1 最早定名的 理论模型。当工质内部经历准静态c a r n o t 循环时，称为内可逆c a r n o t 循环，也 称为c a 循环。在大量的研究中，还认为工质与热源间的传热服从牛顿定律，且 热源为无限热容( 等温) 热源。这样的热力系统称为无限热源牛顿定律系统“。 对这类系统的研究可分为两类：求给定的热力系统下对应的目标函数极值及目标 函数问的相互关系，即求出有限时间热力学界限、基本优化关系和性能优化准则； 求最佳目标函数对应的最佳热力过程( 最优路径) 。所取目标包括功、功率、效 率、熵产率、利润率、比功率( 对总传热面积平均的功率输出) 、功率密度( 对 循环最大比容平均的功率输出) 和兼顾功率与熵产率的“生态学”目标等。 在燃气轮机循环的研究方面。近年来，用有限时间热力学理论和方法分析燃 气轮机( 布雷顿) 循环的性能取得了一批成果，研究了恒温和变温热源条件下内可 逆和内不可逆、开式和闭式、简单燃气轮机循环和回热式燃气轮机循环的功率、 比功率及功率密度等的优化问题，相关文献有1 5 0 余篇。 c h i hw u “”1 在简单内可逆燃气轮循环的有限时间热力学研究中做了大量工 作，得到了一些成果。这些研究工作由于未注意到定常态连续流热机与活塞式热 机的区别，因而有误，但它对理解循环特性起了一定的作用。陈林根等“3 “1 在严格 区分定常态流热机与活塞式熟机模型的基础上，导出了内可逆闭式布雷顿循环的 最大功率及其效率界限，并求出了功率与效率的最佳关系。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 c h e n g 等“”以生态学函数e 为优化目标讨论了内可逆布雷顿循环的优化问题 导出了生态学函数最大时的最佳功率和效率。s a h i n 等“”以功率密度( 功率与循 环最大比容之比) 为优化目标，根据经典的热平衡理论对不存在任何损失的可逆 布雷顿循环进行了性能优化与比较，研究表明，以功率密度为目标进行优化时将 使发动机具有较小的尺寸和较高的效率。 内可逆简单布雷顿循环是一种理想的模型，它没有考虑实际燃气轮机装置中 压气机和涡轮机的不可逆压缩、膨胀损失，因此针对其进行的循环性能分析还不 够完善。c l k a o 等“”、c h i h w u 等“”引入压气机和涡轮机的不可逆损失，分别研 究了内不可逆开式和闭式布雷顿循环，分析了内不可逆性对功率输出的影响，并 对功率进行了优化。其中文献“”还给出了最大功率及其相应效率随涡轮机及压气 机效率的变化关系。姚寿广“”对其他文献未注意定常态流热机与活塞式热机差别 的失误进行了纠正，并用不可逆程度因子，表示内不可逆损失，抽象出了两恒温 热源间燃气轮机不可逆循环分析模型，推得了功率与效率的一般关系，导出了循 环的最大功率及其相应的效率界限。 在制冷循环的研究方面。当内可逆循环中工质经历c a r n o t 制冷循环时，称 其为内可逆c a r n o t 制冷循环。l e f f 等1 最先考虑把c u r z o n 和a h l b o r n 的研究 方法引入制冷循环研究，由于最大制冷率时牛顿定律系统的制冷系数界限为零， 故没有进一步深入探讨。r o z o n o e r 等“在研究热机构型的同时最早导出给定输 入功率时内可逆c a r n o t 制冷机的最大制冷系数界限，严子浚o ”和g o t h 等汹1 分别 导出了一定制冷率下的最佳制冷系数，即基本优化关系。孙丰瑞等 2 4 把热机的 特征参数推广到了制冷机，强调定常流循环的面积比优化和制冷率与制冷系数问 的协调优化，由此得到了两热源制冷机的优化准则。陈林根等。”导出了c a r n o t 制冷机机的生态学优化目标。k l e i n 和w u 。”讨论了定常流制冷机的性能优化。 严子浚等曙7 唧建立了吸收式制冷循环的理论模型内可逆三热源制冷循 环，并导出了牛顿定律下最大制冷率所对应的性能界限和基本优化关系。陈林根 等3 ”则导出了传热规律下的基本优化关系，并研究了其生态学目标和利润率目 标特性。v a r g a s o ”1 ，w u 。”和w i j e y s u n d e r a 。”研究了比制冷率优化、换热面积 和热导率最优分配以及内部不可逆性的影响。 燃气动力空调机组由燃气轮机、压缩制冷机组和吸收制冷机组三部分所组 成。已有一些学者采用有限时间热力学的方法对这三种热力机构的一些理论模型 进行了研究，取得了一些有意义的成果“”，本文将在这些研究工作的基础上对 具有这三种热力机构特征的燃气动力空调机组进行有限时间热力学的分析研究。 首先构建出燃气动力空调机组的不可逆循环模型，讨论在有限的投资成本下内可 燃气动力双能源空调机组的研究 逆系统的优化关系及其优化性能，并对系统的生态学优化性能进行探讨。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章燃气动力空调机组的不可逆模型 本文研究的燃气动力空调机组是一种结合压缩式和吸收式制冷的空调机组， 其基本原理是以燃气为动力，燃气轮机直接帝动制冷压缩机进行压缩制冷循环， 并利用燃气轮机排出的废气作吸收式制冷循环。也就是说，本文建立的系统是一 个包括燃气轮机循环、压缩式制冷循环和吸收式制冷循环的复合型制冷系统。 本章采用有限时间热力学方法分别建立组成系统的三种循环的不可逆模型。 并根据系统特性将三个模型耦合。 2 1 燃气轮机循环模型 燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变 为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。 主要结构有三部分：1 压气机( 空气压缩机) ；2 燃烧室；3 透平( 动力涡轮) 。 其工作原理为：轴流式压气机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃 料( 气体或液体燃料) 也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行定 压燃烧。生成的高温高压烟气进入透平膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，从而 使得转子旋转做功。 燃气轮机中，最简单的工作循环称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂 循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环：此外，还有工 质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装 置。 燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃 气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。 本文的主要目的是研究整个燃气动力空调机组的特性，研究的燃气轮机的模 型主要建立在对开式简单燃气轮机循环，即开式布雷顿热机循环之上。 布雷顿热机循环的流程如图2 - 1 所示，由下述过程所组成 ( 1 ) l 2 ，绝热压缩( 压气机) ( 2 ) 2 3 ，等压加热( 燃烧室) ( 3 ) 3 4 ，绝热膨胀( 透平) ( 4 ) 4 i 。等压放热( 排入大气) 燃气动力双能源空调机组的研究 图2 1 布雷顿热机循环的流程示意图 考虑一个定常态连续流开式布雷顿热机循环，其有限时间热力学分析模型图 如图2 2 所示。由于燃气轮机中工质的吸、放热是同时连续发生在不同的设备中 的，因此循环的热交换遵循t = t l = t 2 ，这里f 表示循环周期，t 2 分别表示吸、 放热的时间。 过程l 一2 ；- 3 - 4 ，表示内可逆循环模型，过程l 一2 3 4 表示不可逆循环模 型。 s 图2 。2 布雷顿热机循环的有限时间热力学分析模型图 考虑到燃气轮机中气流处于高速定常态连续流动状态，燃烧室内连续喷油燃 烧基本上维持一个恒定的高温，气流在其中定压加热。因此高温热源可抽象为温 度恒定为的具有无限热容流率的热交换器，排往大气的燃气可视为在大气环 境所组成的恒定温度为的无限热客流率热交换器中放热至压气机的进口状态， 南京航空航天大学硕士学位论文 而燃气轮机循环自身构成封闭循环。 压气机出口 图2 3 压缩式制冷循环模型图 进一步考虑装置中压气机和透平机的不可逆压缩、膨胀损失，分别用其内效 率来表示 r 。= ( 正，一r 1 ) ( r = 一墨) ( 2 1 ) 讯2 ( 五一瓦) ( 正一五，) ( 2 2 3 有限时间热力学研究表明：在各种热交换器中，只有逆流式是最佳的。因此 本文设热源与工质问的热交换器为逆流式，设工质与高、低温热源间的热导率( 传 热系数k 与换热面积f 的乘积) 分别为u 。、乩，由热源与工质间传热规律，有： 工质的吸热流率 舀2 蕞端 眩s ， 式中：= 品 工质的放热流率 幺= u 最端 4 ， 式中：玑= 丸f o 又由工质性质，有吸、放热流率为 燃气动力双能源空调机组的研究 l o 鲔= c 。嘎一e ) 骁= c 0 ( 五一互) ( 2 。5 ) ( 2 6 ) 式中：c 町为燃气工质的恒定热容率，c 叮= n f n g m 定压比热巳 由( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 四式，有 1 1 1 【( 巧一r 0 ( r 一正) 】- 白= ( 2 7 ) h 【( 瓦一r o ) ( t , 一瓦) 】- 瓯c 盯= 兢 ( 2 8 ) 式中： _ 、m 为工质与高、低温热源间热交换的传热单元数。 定义高、低温侧热交换器的抉热有效度取，e ，令 耳= 1 一e x p ( 一n m ) ( 2 9 ) e = l e x p ( 一虬) ( 2 1 0 ) 则由式( 2 7 ) 、( 2 _ 8 ) ，得到 五= 易瑶+ ( 1 一目) 正 ( 2 1 1 ) 五= e ：r o + ( 1 一e ：) 五 ( 2 1 2 ) 将( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 式代入式( 2 5 ) 、( 2 6 ) ，有 岛= 毋( 巧一瓦) ( 2 1 3 ) q = c 吖乞一瓦) ( 2 1 4 ) 对内可逆布雷顿热机循环l 一2 ，一3 4 ，由热力学第二定律 蝇= ( 是，一s ) + ( 墨一是。) + ( 蜀，一s ) + ( s 一蜀；) = o + c p m ( r d r l 。) + o + c p m ( r , r ，) = o ( 2 1 5 ) 则循环中四个温度的关系为 五，瓦，= 五正( 2 1 6 ) 定义布雷顿热机循环的等熵温比 x = 瓦，五= 墨五，= ( p 2 p 1 ) “肛= 疗“1 肚 ( 2 1 7 ) 南京航窆航天大学硕士学位论文 式中：，r 为压气机的压比，k 为绝热指数 则由热力学第一定律，得到循环输出功率为 w = 鲔一q 则循环效率为 铲訾 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) ，有 瓦= ( 1 一亿) 五+ 孔瓦。 正，= ( 1 7 7 。) 墨+ 仉正 由( 2 1 7 ) ，有瓦；= r , x ，代入式( 2 1 9 ) 疋= a 五 式中：口= 1 - 7 7 + r l t x 。 又由( 2 1 7 ) ，有正，= 碣，代入式( 2 1 9 ) 卢互= 叶。正 式中：芦= x - l + r l 。 由( 2 1 1 ) 、( 2 2 0 ) 有 五= 口【露巧+ ( 1 一晶) 正 由( 2 1 2 ) 、( 2 2 2 ) ，有 五= e + a 0 - e o ) e r + ( 1 一e 0 ) 正】 由( 2 , 2 1 ) 、( 2 2 3 ) ，得到 7 = ：盟垒圣竺! ! 二墨! 鱼圣】 ， = _ 。；_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - 。- _ - _ _ _ _ _ 。一 7 7 。一a f t ( 1 一三h ) ( 1 一e 口) 从而 ，a h 晶巧+ f l ( 1 - z ) e o r o 】 ，- = ：- _ = - _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 4 7 7 。一c 咿( 1 一e h ) ( 1 一e ) 由( 2 1 3 ) 、( 2 2 4 ) 得到 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 燃气动力双能源空调机组的研究 磊= 勺舀 磊一笔舞器掣 q 2 s ， 由( 2 1 4 ) 、( 2 2 5 ) 得到 幺= 吼 絮蒜黜一4 旺2 ， 则循环输出功率 旷= “一龟= c 町 町c - a 3 ( 1 - e o ) + o 。e 】 巧 一 j b 口( 1 一晶) + 晶卜叩。) 瓦e ( 2 3 0 ) 加。一叩( 1 一晶) ( 1 一e ) 】1 循环效率为 驴皆小 式中：f = 磊疋 ( 2 3 1 ) 币宵顿热机循环的输出功率包括两个部分：第一部分用来驱动自身的压气机 工作，称之为压气机耗功率旷；第二部分是用来驱动压缩制冷循环的压缩机工 作，称之为有效输出功率吃。 为了得到压缩制冷循环的性能，需要得到有效输出功率吮的表达式。 由燃气轮机理论，得到布雷顿热机循环的有效功率系数 州一等斗糕小暑x 晓s z ， 而由式( 2 i i ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) ，得到五、l 的解析表达式 巧= e + o e ，竺4 j ；! ；磊i ；! 措 c 2 ，。， e = 易州，吲笔舞镣掣 旺s 4 ， 于是有效输出功塞 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 疵= 缈= ( - 一纠矿 眩s s ， 以上推导建立了一个包含压气机和涡轮中的非等熵压缩、膨胀损失和工质与 高、低热源间热交换器的不可逆传热( 热阻) 损失的不可逆布雷顿热机循环的模 型。 2 2 压缩式制冷循环模型 考虑一个简单的不可逆压缩式制冷循环，循环流程如图2 4 所示，由下述过 程组成 ( a ) 1 2 ，绝热压缩( 压缩机) ( b ) 2 3 ，等温放热( 冷凝器) ( c ) 3 4 ，绝热膨胀( 膨胀阀) ( d ) 4 l ，等温吸热( 蒸发器) 其有限时间热力学分析模型图如图2 5 所示，该循环模型是一个非常简化的 制冷循环模型，称为不可逆卡诺制冷循环模型。 i i 。 厂叶兰廿 2 l 冷瑗器 陋 1 il 4 l! 网l i 夏一 图2 4 压缩式制冷循环的流程示意图 s 图2 5 压缩式制冷循环的有限时间热力学分析模型图 燃气动力双能源空调机组的研究 该循环从温度为互( 制冷空间湿度) 的热源吸热，向温度为( 环境湿度) 的冷源放热。瓦为冷凝器内流体的温度，瓦为蒸发器内流体的温度。 温度为瓦的环境对温度为瓦的制冷空间的热漏率可以用热导率的形式表示 为 q c f = ，亿一五) ( 2 3 6 ) 式中：= 毛 1 4 冷凝温度凡 蒸发温度凡 图2 6 压缩式制冷循环模型图 从压缩制冷循环流向环境的热流率为 q = q l ) 式中：址= t c 从冷却空间流向压缩制冷循环的热流率为 包= 虬( 瓦一l ) 式中：u o = 心e 而热端得到的净热流率和冷端失去的净热流率为 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 南室塾窒堑丕盔堂堡主堂垡笙奎 一一 一一。 彭：巍一如 2 3 9 彭：晓一如 ( 2 4 0 ) 由热力学第一定律，该循环所需输入功翠为 吃= 包一龟= 龟一包 由热力学第二定律，对于不可逆循环，有 d 塑；鱼一盟s 0 1t 正 为了定量描述工作流体内部耗散的影响，引入不可逆度 l ：! 匹 。 而一s 4 如l ，当且仅当循环为内可逆时，i c 。l 则式( 2 4 2 ) 可写为 k 鲁号棚 于是有 包= 精 而循环的制冷系数( c o p ) 定义为 铲学 由式( 2 4 4 ) ，式( 2 4 6 ) 可写为 1 一以， c2 可赫 式中：如幺，表示循环的热漏比例，假设为已知常数。 由式( 2 3 7 ) 、( 2 3 8 ) 、( 2 4 1 ) 、( 2 4 4 ) ，有 ( w - + 毛w ，) 宏+ ，c 亿+ 虻1 吮) + ( 嵋1 疵一瓦) 龟一吃瓦= o 令：蟊： 1 + l c u 1 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) 1 5 燃气动力双能源空调机组的研究 4 = 丘( 疋+ 匹1 吃) + ( 阪1 吃一瓦) 砖= 一吃五 则得到包的解析表达式为 包= - d 2 + 届瓦- 一4 d i d 3 ( 2 4 9 ) 则循环制冷率的解析表达式为； 七= 包一如：( 卜如) 尘唔监 ( 2 5 。) 以上推导建立了一个包含热漏和耗散、摩擦等内部损失以及m 质与高、低热 源间热交换器的不可逆传热( 热阻) 损失的不可逆压缩式制冷循环的模型。 2 3 吸收式制冷循环模型 吸收式制冷系统主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器组成，如图2 7 所 示。发生器和吸收器中装有大量的制冷机和吸收剂的混合溶液。发生器中溶液含 制冷剂的浓度比吸收器中的大，所以称发生器中的溶液为浓溶液，吸收器中自q 溶 液为稀溶液。当温度为t 的热源加热发生器时，由于相同压强下制冷剂的沸点温 度低于吸收剂，因此浓溶液中的制冷剂吸热后先开始沸腾，形成的制冷剂蒸汽进 入冷凝器。而发生器中的浓溶液在失去制冷剂变成稀溶液后就流回吸收器。制冷 剂蒸汽在冷凝器中向温度为的热源放热。吸收器中的稀溶液吸收制冷剂变成浓 溶液后由泵增压送入发生器中，再被加热至沸腾。如此溶液与制冷荆不间断的循 环，在蒸发器中就能不断产生制冷效应。在整个循环中，相对于从发生器中吸收 的热量，输入泵的功是很小的，可以忽略不计。可见，吸收式制冷系统是用热能 代替功产生制冷效果的，压缩制冷系统中的压缩机被一个蒸汽发生器、一个吸收 器和一个耗功很少的泵所代替。 本文考虑的吸收式制冷循环的发生器直接对布雷顿热机循环排出的温度为 瓦的尾气进行换热，吸收式制冷循环模型为有限高温热源的循环。 南京航空航天大学硕士学位论文 ll 图2 7 吸收式制冷循环的流程示意图 磊芨盈厦i ； 图2 8 吸收式制冷循环模型图 制冷循环模型图如图2 8 所示，由于循环有三个外部热源，所以该模型称为 三热源制冷循环模型。 温度为t o 的冷源对温度为死的热源的热漏率可以用热导率的形式表示为 g f = u 。，( t o 一乏) ( 2 5 1 ) 式中：u a ，= 丸，e 又由高温热源工质性质，有 龟= c 盯( 瓦一瓦) ( 2 5 2 ) 式中石为与发生器换热结束后布雷顿热机循环排出气体的温度。 设发生器与布雷顿热机循环的尾气的换热方式为逆流式，采用与布雷顿 1 7 燃气动力双能源空调机组的研究 热机循环类似的定义，于是有发生器的吸热流翠 幺= i ( 7 瓦, - = t d i - 沥( t 丽：- r d = c 盯乓( 瓦一i ) ( 2 - 5 3 ) 式中：u = k 层；以定义为发生器与其高温热源的换热有效度，设为已知 定值。 于是有 正= 乓乏+ ( 1 一乓) 瓦t ( 2 。5 4 ) 设换热过程中尾气的平均温度为正。，由则 瓦m2 i 面i 兰巧( 五一i ) 2 5 5 g = u g ( 瓦，一i ) = ( 五一巧) ( 2 5 6 ) 式中2 一i # 兰西。 由于冷凝器和吸收器均对相同的冷源放热，为简化起见，认为冷凝器和吸收 器中的工质均具有相同的温度毛和相同的传热系数k 。 从吸收制冷循环流向环境的热流率为 屯= ( 瓦- t o ) ( 2 5 7 ) 式中：叱= k f 甜，兄= 只+ e 从冷却空间流向吸收制冷循环的热流率为 龟= 址( 疋一i ) ( 2 5 8 ) 由热力学第一定律，有 幺+ 龟一色= 0 ( 2 5 9 ) 由热力学第二定律，循环存在内不可逆性，有 鱼+ 垒一盈o ( 2 6 0 ) i 正乙 为了定量描述工作流体内部耗散等的影响，引入不可逆度 南京航空航天大学硕士学位论文 铲盎 ( 2 6 1 ) l 1 ，当且仅当循环为内可逆时，l = 1 由熵定义，有 堡+ 立一立：o( 2 6 2 ) zl 咒 由( 2 5 1 ) ( 2 6 2 ) 得到有限面积下的循环制冷率 _ = 龟一幺， 卸吨) 南嬲+ 志+ 南黝卜( 2 6 3 这里e = e + 圪+ e ，为吸收制冷循环总热交换面积； 式中：r a ，= 幺，龟，表示循环的热漏比例，假设为已知常数。 而由于吸收式制冷循环高温热源的是有限的，由式( 2 5 3 ) 、( 2 5 9 ) 、( 2 6 2 ) ， 循环制冷率也可通过布雷顿热机循环工质的放热率表示为 棚一如= ( 1 - r a t ) 粼幺 眩。0 _ ( 1 吨) 焉罴粥司 由式( 2 5 2 ) 、( 2 ，6 1 ) ，可以得到吸收制冷循环的总换热面积的表达式： c 专+ 志+ 高群器k t ( h t , 护- l r 叫- ) c , ：e c m 心彤， 以上推导建立了一个包含热漏，和耗散、摩擦等内部损失以及工质与高、低 热源间热交换器的不可逆传热( 热阻) 损失的不可逆吸收式三热源制冷循环的模 2 4 系统的总体模型 本文研究的燃气动力空调机组的工作循环如图2 9 所示。 因为燃气动力空调机组是一个以燃气轮机的输出功和废气所带热能作为驱 动源的空调机组，所以布雷顿热机循环的有效输出功率是压缩式制冷循环的主要 燃气动力双能源空调机组的研究 控制变量，而布雷顿热机循环排出的温度为瓦的废气是吸收式制冷循环的主要控 制变量。由于有效输出功率和排气温度可作为布雷顿热机循环等熵温比( 压比) 的函数，因此，系统总体模型可建立在对布雷顿热机循环等熵温比x ( 或压比，r ) 的控制之上。 2 0 图2 9 燃气动力空调机组的工作循环示意图 由组成系统的三个循环模型，得到整个系统的制冷率为 r = ( 1 一如) 龟+ ( 1 一心，) 龟 南京航空航天大学硕士学位论文 - ( 1 喇“卜蚴鬈舞粥哪 ( 2 6 6 ) 由性能系数的定义。系统的性能系数( c o p ) 为 。2 3 函 这样得到了系统制冷率和性能系数的基本表达式。 2 5 本章小结 ( 2 6 7 ) 1 本章从有限时间热力学的角度出发，分别建立了组成燃气动力空调机组的三 种热力学循环：布雷顿热机循环、卡诺制冷循环、三热源制冷循环的有限时 间热力学模型。在建立模型的过程中，考虑到了机组的运行特征，建立的三 种模型直接组成了本文所研究的空调机组的总体模型。推出了系统制冷率及 性能系数的表达式。 2 热力系统的内在不可逆性包含工作流体的耗散、摩擦等内部损失等，本章在 模型中采用布雷顿循环的压气机内效率町。和透平机内效率巩、压缩制冷循环 的内不可逆度七、吸收制冷循环的内不可逆度l 来表示系统的内不可逆性 质。 3 外部热源间的热漏损失用压缩制冷循环的热漏率如和吸收制冷循环的热漏 率包，来表示。并采用热漏比例如和羁，来表示热漏率与制冷循环制冷率之间 的关系。 燃气动力双能源空调机组的研究 第三章燃气动力空调机组的基本优化关系 考虑到系统的复杂性因素，本文仅对包含热漏的内可逆系统模型进行优化分 析。 3 1 系统的内可逆模型 考虑一个内可逆系统，假设在系统中，布雷顿热机循环，压缩制冷循环和吸 收制冷循环在各自循环中都不存在耗散、摩擦等内部损失。 由内可逆模型的定义 对于布雷顿热机循环：= 7 ，= 1 对于压缩式制冷循环：l = 1 对于吸收式制冷循环：，。= l 3 1 1 内可逆布雷顿热机循环 由于巩= 7 。= 1 ，于是有口= 工，卢= 工： 这样得到了布雷顿热机循环各变量的在内可逆情况下的表达式： 压气机入l = i 温度 巧= 疋瓦+ c ，一e ，旦o i ；! ：l i ；错 蝴柙圳毫辫 涡轮进气温度 正= 易训吲笔亲器掣 = 占一巧+ o e ”，兰墨i ；鬻 排气温度 r ：竺匦鱼& 星! ! 二鱼2 垦型 ：苎：鱼互! ! = 刍2 垦圣 e