热力学完善度与有效能分析法

热力学完善度的计算和有效能分析法热力学完善度的基础理论1热力学完善度的计算与应用实例2热力学完善度的影响因素3热力完善度的特性4SEER和IPLV的热力学完善度5热力学完善度的基础理论1.热力学第一定律和热效率热力学中有两个重要的定律，即热力学第一定律和热力学第二定律。第一定律是能量守恒定律在热科学中的体现，表述为：热力系内的物质的能量是可以传递的，其形式可以转换，在转换和传递的过程中各种形式能量的总量保持不变。或者表述为：不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造而成的。热力学把研究的对象称为系统，如果流入系统的能量为Ein，流出系统的能量为Eout，系统中增加的能量为ΔE，则第一定律可以表示为EEEoutin为了表示有各种损失的能量利用水平，我们引入了第一定律效率即热效率inoutiEE热力学完善度的基础理论对于制冷和热泵系统：热效率应该是系统得到的冷量或热量与输入的电能之比。这两个效率即为EER和COP。它们通常都是大于1的数，更确切的说，是EER可能小于1，但COP永远大于1。通常用热力学第一定律效率表示实际循环的效率，在大多数情况下第一定律效率可以表示实际循环的用能效率水平。在我国的标准制定中，也主要是以热力学第一定律效率为主导，包括各种热机的热效率、制冷装置的制冷系数、热泵装置的制热系数等。热力学完善度的基础理论2.逆向卡诺循环制冷与热泵产品的蒸气压缩制冷循环，采用压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等部件，通过输入电能，完成将热量从低温物体输送到高温物体，如右图：对于实际的蒸气压缩制冷循环，它的理想循环是卡诺循环。卡诺循环是在两个无限大的热源下工作，由两个等温过程和两个等熵过程组成，在T-S图上是一个矩形。1234TSThT1热力学完善度的基础理论卡诺制冷系数：1h1-TTTEERC卡诺制热系数：1hh-TTTCOPC以上两式中，Th和T1分别是循环的高温热源和低温热源的温度，单位为K。容易看出，卡诺制冷循环系数可能大于1，也可能小于1；而卡诺制热系数永远大于1。热力学完善度的基础理论3.热力学第二定律和循环的第二定律效率热力学第一定率给出了能量间的数量关系，但能量在转换时是有方向的。开尔文和普朗克给出的热力学第二定律表述为：不可能制造一种只是连续的从单一热源取热并制成等量功量的热机，而不产生其他效果。（只有一个热源就可以循环做功的第二类永动机是不可能制造成功的）克劳修斯从热量传递的角度表述热力学第二定律：不可能制造出一种机器，可以连续的从冷的物体取热并排放到热的物体，而不产生其他效果。这个表述对制冷和热泵装置再合适不过了，制冷和热泵装置就是连续的向低温物体取热，而将热量排放到高温物体。但这个过程是有代价的，那就是必须输入电能或机械能。热力学完善度的基础理论我们知道卡诺循环是理想循环，它的循环过程是可逆的，循环过程没有产生熵的增加，理想循环的效率是最高的极限。对于实际动力循环或是制冷（热泵）循环装置，各种不可逆因素都会引起熵增。例如：在换热器中有传热温差，在热量传递过程中伴随着熵增；汽轮机、内燃机或压缩机等热力机械中会有零件之间的摩擦，工质流动与热力机械零件之间的摩擦，以及工质本身在高速流动中产生的扰动和内部摩擦等，这些摩擦都将机械能转变为热能，绝大部分耗散到环境中去使得实际循环的热效率下降。将实际循环的第一定律效率比上相同工况下卡诺循环的第一定律效率，就得到了实际循环的第二定律效率。热力学第二定律效率表示实际循环偏离理想循环的程度，或是实际热力循环接近完善的程度，也可以称为循环的完善度或热力完善度。它永远都是小于1的数。热力学完善度的基础理论热力完善度的意义：人们比较习惯用热力学第一定律效率表示实际循环装置的用能水平，这在通常也是完全合理的。实际上，所有实际循环第一定律效率的测量都是有条件的，如规定热源的温度、压力等。许多同类的热力循环装置的第一定律效率都是在相同工况或是相同热源条件下测量的，这样的测量结果的高低就是装置的用能水平高低。但有的热力循环装置是在不同的工况下进行测量的，特别是制冷或热泵装置会有这种情况。例如，有的热泵出水温度是45℃，有的出水温度是55℃，很明显这两种热泵的COP是不能直接比较的，如果一定要做出装置性能的比较，这就需要用热力完善度来比较。热力学完善度的基础理论4.热力学完善度与㶲效率㶲简介：㶲的英文名为exergy，是1956年首次由朗特提出的，随着节能工作的发展需要，首先在欧洲，继而在美国、日本及其他国家陆续接受了朗特关于㶲的命名，并已经把㶲分析法广泛运用于热能动力、石油化工、制冷、冶金等行业。日本已于1980年颁布了关于㶲的工业标准。大约在20世纪80年代初，在我国造出了“㶲”这个字，表示有用的能量，对应能量的不可用部分称之为“火无”。之后，中国文字改革委员会接受了㶲，并收录到新华字典中，但是没有接受火无。但是这两个字在指导计算机字库的国家标准中还没有，给论文写作、打印和发表造成了一定的不便，也在一定程度上影响了概念的推广使用。㶲的定义：系统由任意状态可逆变化到环境状态（死态）时，能量最大限度转换的有用功，称为㶲。热力学完善度的基础理论QTTEQX）0,1(QTTAQ0n，各类能源㶲的计算：(1)热量㶲：热量乘以卡诺系数，即以该热量的温度及环境温度形成的卡诺循环效率。热量㶲定义为：式中，括号里的一项即为卡诺系数。而不可转变为可用能的部分为火无：(2)机械能、电能：本身是做功能力，全都是㶲(3)燃料化学㶲：一种观点按燃料电池，燃料的化学能可全部变为㶲；另一种观点是燃烧后的热量㶲，受燃烧温度和环境温度的卡诺系数决定。热力学完善度的基础理论)(-h-he000xSST）（)-h-he-ew210212x1xrevSST（）（（4）工质的焓㶲定义为焓㶲是状态参数，取决于工质的状态和环境的状态。㶲是广延量，具有可加性。可逆的稳定流动系统进出口状态的㶲差称为最大有用功或可逆有用功：热力学完善度的基础理论㶲平衡式与㶲效率：（1）㶲平衡式对于开口系统稳态稳流过程在右图中所有能量都折合成㶲。ex1m1ex2m2e1（㶲损）exq①可逆的稳态稳流过程中㶲损e1=0，这时可输出最大有用功，㶲平衡的方程式是式中，下角标iso表示孤立系统。②不可逆稳态稳流过程中㶲损e10，这时输出的可用功是w12，㶲平衡的方程式是；1max1212eww，isoSTe01热力学完善度的基础理论供给（或消耗）的火用利用的火用ex112max12xqxxexeeew11max12xqxexeew（2）㶲效率㶲效率主要根据第二定律观点，也称第二定律效率。因研究对象不同有各种㶲效率，而㶲效率的普遍式为①可逆过程，可得注意，上式中余㶲也要利用，如果余㶲没有利用，则有热力学完善度的基础理论11111221xqxxqxxexeeeeeewxqxeee11111112112xqxxqxxxqxexeeeeeeeewxqxxeee12②不可逆过程，如果利用余㶲，则有式中，为不可逆㶲损失率。如果不利用余㶲，则有式中，为不可逆㶲损失率。上式把㶲效率分为三部分，即㶲效率=1-余㶲损失率-不可逆㶲损失率这是分析能源利用㶲效率的基本公式。热力学完善度的基础理论hTexQXhhCarnolrealperEWTTQWTTQW,11)1()1()(热力学完善度与㶲效率的等价性设给定高温热源和低温热源T1，可构成卡诺循环。在同样热源温度下有一实际热机，可求热力学完善度或热力学第二定律效率。按定义实际热机的循环热力学完善度为如果低温热源温度T1=T0，T0是环境温度，上式右侧即为㶲效率。用同样方法分析热泵循环，也可得出热力学完善度的基础理论exQXhhhCarnolrealperWEWTTQTTTWQCOPCOP,11)1()()(所以说，热力学完善度既是热力学第二定律效率，也是循环的㶲效率。也就是说，循环的第二定律效率有两种计算方法：一是用循环的实际效率比上同工况卡诺循环的效率；二是用循环的输出㶲比上输入㶲。当计算热量㶲所用的环境温度T0与循环的低温热源温度一致时，这两者是相同的。只是需要明确，当计算制冷循环㶲效率时，计算冷量㶲值时的环境温度T0就是卡诺循环的高温热源温度Th，这样也可得出与上面一致的结果。热力学完善度的计算与应用实例22...1.11outhinhhoutinTTTTTT在热力学中所有的可逆循环都可等效为卡诺循环，虽然一开始是从劳伦兹循环入手，但如果它们的高低温热源的热力学平均温度相等，它们的循环效率也相等。经分析可知，热源为变温的劳伦兹循环，其热源的热力学平均温度都可用热源进出口温度的算术平均温度来计算。1逆卡诺循环高低温热源温度逆卡诺循环高低温热源温度按照下式计算：T1.in/T1.out为冷冻水进出口温度，Th.in/Th.out为冷却水进出口温度。热力学完善度的计算与应用实例11TTTEERhcCRreEEREER2制冷工况热力学完善度逆卡诺循环制冷工况下能耗比EERc依据下式计算：实际蒸气压缩循环制冷工况下能耗比EERR按照规定的测试方法由实际测试所得。制冷工况热力学完善度由下式计算：3制热工况热力学完善度逆卡诺循环制热工况下性能系数COPc按照下式计算：（3-1）热力学完善度的计算与应用实例1ThThTCCOPCRhpCOPCOP实际蒸气压缩循环制热工况下性能系数COPR按照规定的测试方法由实际测试所得。制热工况热力学完善度由下式计算：热力学完善度的应用实例1.实例1两台相同的水源热泵机组，样本工况为标准工况（7℃/15℃、40℃/45℃），样本COP为4.56，经计算热力完善度是0.450。在工程安装后运行的工况是：机组A工作温度为冷冻水进出口12.3℃/8.4℃，冷却水进出口36.1℃/44.1℃，逆卡诺循环效率为9.52，实测COPR为4.26；机组B工作温度为13.8℃/9.8℃，32.4℃/40.2℃，逆卡诺循环效率为11.65，实测COPR为5.39。热力学完善度的计算35.28324.2813.2852.1.11outinTTT1.31321.3171.3092..outhinhhTTT25.30922.3133.30528.2842..28.2828.286.1.11outhinhhoutinTTTTTT那么，机组A和机组B的热力学完善度分别为0.448和0.463。表面上机组B的COPR高不少，而实际上两台机组都在原设计的热力学完善度范围内，没有本质差别。计算过程：机组AEERc=T1/Th-T1=283.35/313.1-283.35=9.52机组A的热力学完善度为COPR/EERc=0.448机组BEERc=T1/Th-T1=284.8/309.25-284.8=11.65机组B的热力学完善度为COPR/EERc=0.463热力学完善度的计算2.实例2在变工况测量或实际应用中，冷水机组可能不按名义工况运行。例如，某1000kW的冷水机组，蒸发器侧用较大温差送冷，冷冻水进出口温度为14℃/6℃；冷凝器侧进出口温度为33℃/29℃，实测的EERR为5.60，分析一下这台冷水机组能效水平。这时，只要用热源温度计算EERC=13.38，用式(3-1)可算出其热力完善度为0.419，相当于2级能效水平，属于节能级产品。这是根据热力学完善的稳定性，即使不在名义工况下，仍然可推算出等级。热力学完善度的计算与应用实例3.实例3螺杆式水源热泵的热力学完善度，冬季工况高，夏季工况低。根据理论计算和大量实测数据的统计规律，两者的比值约为1.4。原因在于冬季工况设计的压缩比比夏季工况时高，压缩机的设计以冬季工况为主，夏季运行处于过压缩状态:一次水源热泵招标会上，标底是夏季高温供水(18℃/21℃、30℃/35℃);冬季低温供水(28℃/31℃、6℃/11℃)。两家公司产品