物理-压缩式制冷循环能量利用的分析.doc

压缩式制冷循环能量利用的分析刘超 091120080 南大物理基地摘要 对大学物理实验中的制冷实验进一步地从能量角度来分析,寻求整个制冷循环中各个部分能量的利用情况。利用火用的概念来分析制冷过程,找出制冷的能量利用薄弱的环节.关键词 制冷循环 火用 能量引言 表征制冷装置主要性能的物理量有制冷量和制冷系数以及热力完善度1,但这是从整体上反映制冷装置制冷的效率,无法分析每部分能量利用的情况.可以利用火用(exergy)的概念来重新对系统的每部分进行分析,知道其各部分能量的利用。压缩式制冷由热力学第二定律可知,要使热量从低温物体流向高温物体外界必须对系统做功,我们将这些过程称为热泵或制冷,对系统冷端进行利用的称为制冷.下图为单级蒸汽式压缩制冷系统2,由压缩机,冷凝器,膨胀阀和蒸发器组成.制冷过程:蒸发器中制冷剂在压力温度下沸腾,低于被冷却物体的温度.制冷剂蒸汽在压缩机内被压缩至冷凝压力,到冷凝器中冷凝成液体,将热量传给冷却介质,冷却介质的温度要低于冷凝温度,冷凝后的液体再通过膨胀阀进入蒸发器,在通过膨胀阀时,压力从降到,部分液体汽化,剩余液体的温度降到,这样进入一个循环。在分析的时候,做适当的简化:离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸汽是处于蒸发压力下的饱和蒸汽;离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝、压力下的饱和液体;压缩机的压缩过程为等熵压缩;制冷剂通过膨胀阀节流时其前,后焓值相等；制冷剂在蒸发和冷凝过程中没有压力损失;在各部件的连接处制冷剂不发生状态变化;制冷剂的冷凝温度等于外部热源温度,蒸发温度等于被冷却物体的温度.单位时间内制冷剂通过蒸发器吸收的被冷却物体的热量称为制冷量,它是表征制冷机制制冷功率的重要物理量，定义为制冷机的制冷系数,对于卡诺循环热机这样热力完善度为火用exergy概念在热力过程中,可以转换为机械功的那部分能量定义为火用(exergy or available energy).热量在传递时所能利用的部分称为“热量火用”,以表示,微元热量的热量火用3为其中是环境温度，是传热温度，若在恒温下传递，有这样我们可以看到,热量火用与温度有关,的大小决定了的正负情况,其取值大于1时,与同号,说明它们流向相同,但始终小于,这正体现了热力学第二定律的开氏说法,我们无法将热量全部转化为有用功.引起的环境的变化导致熵变.大于时,与异号,表明它们流向相反,也就是说在这个过程中要将温度从低温传到高温处,外界必须对系统做功,并且可以看到与大小的比值正是可逆卡诺热机的效率.在这里对于无法利用的那部分能量可由第二定律直接得出，是始末状态的熵。用exergy分析制冷循环与是表征制冷机制的重要的物理量,但制冷系数无法体现热力学完善程度,在不同的温度下工作的制冷系统若有相同的制冷系数,但它们对应的不同导致其热力完善度不同,火用的效率也不同,在这种情况下,只用制冷系数就无法区分两种系统,另一方面,只能从整体上来表明系统的热力学完善程度,无法具体描述系统各部分的损失,从而不能判断能量利用的薄弱环节.下面利用火用来分析整个制冷循环.4.1 压缩过程制冷剂由状态1到状态2,由于压缩过程是等熵过程, ,在这个条件下压缩机消耗的机械能全部转化为制冷剂的内能,火用的效率是100%.Exergy损失为0.4.2 冷凝过程制冷剂由状态2到状态3,在冷凝器内的冷却和冷凝过程是等压过程,在冷凝过程中将热量传到冷却介质中,热量全部转化为不可用能,热量火用损失为即该过程中的exergy全部损失。4.3 节流过程制冷剂由状态3到状态4是等焓节流过程，则有这是该过程中的exergy的损失。4.4 蒸发过程 制冷剂由状态4到状态1是等温等压过程，制冷剂吸收热量汽化，吸热，与环境温度相比，被冷却物体在温度下放热，从而获得exergy是循环制冷量Exergy损失为4.5 整个制冷循环在整个制冷循环中，得到的exergy为，损失的exergy为由和以及可得到这个结果可以看出整个制冷循环中各部分exergy损失的情况以及作为整体系统exergy损失的情况.直接从整体来看,外界压缩机对系统做功,整个最后只有其余全部损失.但从制冷的目的来看,制冷正是为了部分,即将低温的被冷却物质的热量传到高温的冷却介质上.而为此付出的额外能量就是损失的exergy.总结从整体上来看,用exergy来分析制冷循环系统与直接用制冷系数和热力完善度得到的结果是一样的,但exergy分析的方法却可以对系统的每部分进行分析,从而找出薄弱的环节.参考文献1 BM,CeMHOB A M 著.低温热力学基础.钱鸿章等译.北京:机械工业出版社,19982 潘元胜,冯璧华,于瑶. 大学物理实验.南京大学出版社,20043 张立伟.单级蒸汽压缩式制冷循环的火用分析.郑州轻工业学院学报,第10卷第4期,1995年12月4 Edwards, Christopher, et al. Development of Low-Exergy-Lost, High-E_ciency Chemical Engines. GCEP Tech. Rep, 2007.Analysis of energy utilization in compression refrigeration cycleAbstract Analyzing the cryogen experiment operated on physics experiments class at the angle of energy, so we can find out the utilization degree of energy. Using exergy to analyze the