一種等價熱力變換分析法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種等價熱力變換分析法，其特征在于：根據(jù)有效能消耗總伴隨著熱量輸運全過程的各環(huán)節(jié)的物理事實，定義了制冷/熱泵系統(tǒng)各換熱過程的等效熱力平均溫度、實際循環(huán)的等價循環(huán)的高、低溫?zé)嵩礈囟龋褜嶋H有限熱容熱源變溫源傳熱問題，等價變換為兩個恒定熱源傳熱問題處理，把實際不可逆循環(huán)的制冷/熱泵循環(huán)系統(tǒng)等價變換為簡單的逆卡諾循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并提出了溫度-熱量TR-q圖，輔助分析系統(tǒng)的性能和各環(huán)節(jié)的有效能消耗，使得實際復(fù)雜的制冷/熱泵循環(huán)系統(tǒng)的性能和有效能消耗分析，簡便得如同分析逆卡諾循環(huán)系統(tǒng)一樣；另外，本發(fā)明的等價熱力變換分析法也可以用于熱力系統(tǒng)的性能分析。
【專利說明】ー種等價熱カ變換分析法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動カ機械工程領(lǐng)域，特別提供了熱カ設(shè)備或制冷/熱泵設(shè)備的性能分析方法
【背景技術(shù)】
[0002]動カ機械是能量轉(zhuǎn)換裝置，包括利用熱能產(chǎn)出功能類的蒸汽發(fā)動機、內(nèi)燃機類等，也包括消耗功能產(chǎn)生熱能或冷量的熱泵或制冷設(shè)備。熱泵和制冷系統(tǒng)也可以看作是熱量輸運系統(tǒng)。評價這類設(shè)備優(yōu)劣，熱力學(xué)定義收益能量與投入能量之比為設(shè)備能量利用系數(shù)，即設(shè)備性能系數(shù)。熱力學(xué)采用熱力學(xué)第一定律分析法⑴可以獲得設(shè)備能量利用系數(shù)。熱カ學(xué)第一定律分析法，是以系統(tǒng)進(jìn)出能量平衡方程為根據(jù)，計算単位時間內(nèi)系統(tǒng)的收益能量、投入能量和排放不能利用的熱量，求得收益能量與投入能量之比，即系統(tǒng)性能系數(shù)。其缺點是沒有區(qū)分能量的品質(zhì)，例如，熱轉(zhuǎn)功的裝置或電廠的發(fā)電效率45%，是指電廠輸出的電功量W與燃料消耗的熱量Q之比，其最高效率是卡諾熱機效率n。= 1-T1A2 < 1，T1和T2分別是卡諾熱機的低溫和高溫?zé)嵩吹臏囟?；逆卡諾循環(huán)的制冷機或熱泵在相同制冷或熱泵エ況下有最高的性能系數(shù)，例如，逆卡諾循環(huán)熱泵的性能系數(shù)為COP= I/(1-Te/Th) > I。熱カ學(xué)第一定律分析法不能區(qū)分熱能和機械能(功能量)的品質(zhì)差別，不能提供能量品質(zhì)的利用程度，不能反映系統(tǒng)不同過程的能量品質(zhì)消耗情況。因此，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，第二定律本質(zhì)是如何自發(fā)過程是不可逆過程，不可逆過程一定會發(fā)生能量品位的降低或消耗高品位能量，例如自發(fā)的傳熱過程，熱能從溫度高傳遞到溫度低時溫度降低了，熱泵把空氣中熱量送到高溫，要消耗高品位的電能。熱力學(xué)第二定律的熱カ分析法，即火用分析方法[1’4]或熵分析法[3]，就是分析能量傳遞或交換過程消耗有效能的情況，有效能是能量中可做有用功的能量?；鹩梅治龇椒ú捎没鹩闷胶夥匠?，即計算系統(tǒng)或過程的進(jìn)出有效能差值，求出系統(tǒng)或過程的有效能消耗量；熵分析法是通過計算系統(tǒng)或過程的進(jìn)出熵流的差值，扣除物系和能量進(jìn)出的熵差值，求出因為不可逆過程產(chǎn)生的熵增量，再與環(huán)境溫度的乘積求出系統(tǒng)或過程消耗的有效能。顯然，火用分析方法或熵分析法需要計算所有參與能量交換系統(tǒng)的初始和終止?fàn)顟B(tài)的焓、熵參數(shù)以及質(zhì)量流，而求取多種流體的不同狀態(tài)點的具體熵參數(shù)的エ質(zhì)是十分麻煩。因此，火用分析方法和熵分析法，都只停留在對系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)已知情況有效能消耗分析層面，不能方便應(yīng)用在系統(tǒng)變エ況的有效能消耗的推算和預(yù)測，也沒有時間變量或流率變量，不能分析系統(tǒng)性能與傳熱速率、輸出功率的關(guān)系。有限時間分析法[4]把引入時間參數(shù)，可以彌補火用分析法的不足，但是其模型所假定條件相對簡單，即使我國學(xué)者[6_8]已經(jīng)做了很大改進(jìn)，但是與實際系統(tǒng)要求能夠全面考慮有限熱容熱源傳熱和エ質(zhì)循環(huán)不可逆損失以及實際エ質(zhì)影響的目標(biāo)還有一定距離。目前，所有傳統(tǒng)熱力分析法，使用的輔助分析圖都只是輔エ質(zhì)循環(huán)的溫度-熵T-s圖和壓力-焓p-h圖。T-s圖和p-h圖，不能表示不可逆過程，也難以把復(fù)雜熱力系統(tǒng)多個流體的能量、有效能量變化關(guān)系在同一圖上顯不。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是，為了克服現(xiàn)有熱力學(xué)中使用的第一定律熱カ分析法、火用分析法、熵分析法和有限時間分析法的不足，特別提出ー種等價熱カ變換分析法，把實際不可逆循環(huán)的熱カ/熱泵循環(huán)系統(tǒng)等價變換為正/逆卡諾循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析，使熱カ系統(tǒng)的性能分析，各環(huán)節(jié)的有效能消耗計算，簡便得如同卡諾循環(huán)或逆卡諾循環(huán)一祥。
[0013]本發(fā)明提出了ー種等價熱カ變換分析法，分析制冷/熱泵設(shè)備的性能系數(shù)COP和輸入功量的消耗情況，被分析設(shè)備是包括有エ質(zhì)循環(huán)，エ質(zhì)與高、低溫?zé)嵩戳黧w換熱，エ質(zhì)與功源進(jìn)行機械能交換的制冷/熱泵系統(tǒng)，制冷/熱泵系統(tǒng)的エ質(zhì)循環(huán)包括從低溫?zé)嵩次鼰?，壓縮エ質(zhì)輸入功，向高溫?zé)嵩捶艧岷凸?jié)流膨脹四個過程；設(shè)備在吸收和排放熱量過程以及エ質(zhì)循環(huán)中都存在有效能的消耗，能量的遷移和轉(zhuǎn)換遵從能量守恒定律或熱力學(xué)第一定律:即エ質(zhì)與高溫?zé)嵩吹膿Q熱量qh減去エ質(zhì)與低溫?zé)嵩吹膿Q熱量I等于エ質(zhì)與功源交換的功量《，數(shù)學(xué)式為qh_qe = w ;在制冷熱泵設(shè)備中，エ質(zhì)循環(huán)被輸入功，熱泵設(shè)備的性能系數(shù)COP定義為エ質(zhì)循環(huán)輸出量qh與輸入功量w之比，數(shù)學(xué)式為:C0P = qh/w ;無傳熱溫差和無循環(huán)不可逆損失的制冷/熱泵循環(huán)稱為逆卡諾循環(huán)，逆卡諾循環(huán)的熱泵具有最高的性能系數(shù)C0P。，其數(shù)學(xué)式為:C0P= 1/n = 1/(1-Te/Th);把包括熱源流體在內(nèi)的制冷/熱泵設(shè)備稱作制冷/熱泵系統(tǒng)，實際的制冷/熱泵系統(tǒng)都存在換熱器傳熱和エ質(zhì)循環(huán)不可逆過程的有效能消耗；本發(fā)明提出的ー種等價熱カ變換分析法，就是為分析實際制冷/熱泵系統(tǒng)的性能和各環(huán)節(jié)有效能消耗:內(nèi)不可逆エ質(zhì)循環(huán)的有效能消耗，エ質(zhì)與高溫、低溫?zé)嵩磽Q熱過程的有效能消耗，高溫和低溫?zé)嵩戳黧w帶來的有效能變化，提供簡便的新方法；
[0014]其特征在于:對所論制冷/熱泵系統(tǒng)的過程或循環(huán)采用等價熱カ變換原則，在保證能量變化量和有效能變化量在變換前后相等的約束下，定義循環(huán)エ質(zhì)和熱源流體的換熱過程等效熱カ平均溫度，替換實際制冷/熱泵系統(tǒng)的エ質(zhì)和熱源流體的過程中變化的溫度，把實際有限熱容熱源的變溫?zé)嵩磦鳠釂栴}等價變化為兩個恒定溫度傳熱的問題進(jìn)行分析；定義エ質(zhì)等價循環(huán)的高溫、低溫?zé)嵩雌骄鶞囟?，把實際熱泵循環(huán)系統(tǒng)的エ質(zhì)不可逆循環(huán)等價變換為逆卡諾循環(huán)進(jìn)行分析；[0015]所述的換熱過程等效熱力平均溫度Tk,ab的一般定義式為:工質(zhì)或熱源流體在過程中的焓變化量△ hab與其熵變化量△ Sab的比值，或在過程中的換熱量qab的絕對值與其熵變化量Asab的絕對值之比值，其數(shù)學(xué)定義式為:
【權(quán)利要求】
1.ー種等價熱カ變換分析法，分析制冷/熱泵設(shè)備的性能系數(shù)COP和輸入功量的消耗情況，被分析設(shè)備是包括有エ質(zhì)循環(huán)，エ質(zhì)與高、低溫?zé)嵩戳黧w換熱，エ質(zhì)與功源進(jìn)行機械能交換的制冷/熱泵系統(tǒng)，制冷/熱泵系統(tǒng)的エ質(zhì)循環(huán)包括從低溫?zé)嵩次鼰?，壓縮エ質(zhì)輸入功，向高溫?zé)嵩捶艧岷凸?jié)流膨脹四個過程；設(shè)備在吸收和排放熱量過程以及エ質(zhì)循環(huán)中都存在有效能的消耗，能量的遷移和轉(zhuǎn)換遵從能量守恒定律或熱力學(xué)第一定律:即エ質(zhì)與高溫?zé)嵩吹膿Q熱量qh減去エ質(zhì)與低溫?zé)嵩吹膿Q熱量I等于エ質(zhì)與功源交換的功量W，數(shù)學(xué)式為qh-qe = w ;在制冷熱泵設(shè)備中，エ質(zhì)循環(huán)被輸入功,熱泵設(shè)備的性能系數(shù)COP定義為エ質(zhì)循環(huán)輸出量qh與輸入功量w之比，數(shù)學(xué)式為:C0P = qh/w ;無傳熱溫差和無循環(huán)不可逆損失的制冷/熱泵循環(huán)稱為逆卡諾循環(huán)，逆卡諾循環(huán)的熱泵具有最高的性能系數(shù)C0P。，其數(shù)學(xué)式為:C0P = 1/n = 1/(1-Te/Th);把包括熱源流體在內(nèi)的制冷/熱泵設(shè)備稱作制冷/熱泵系統(tǒng)，實際的制冷/熱泵系統(tǒng)都存在換熱器傳熱和エ質(zhì)循環(huán)不可逆過程的有效能消耗；本發(fā)明提出的ー種等價熱カ變換分析法，就是為分析實際制冷/熱泵系統(tǒng)的性能和各環(huán)節(jié)有效能消耗:內(nèi)不可逆エ質(zhì)循環(huán)的有效能消耗，エ質(zhì)與高溫、低溫?zé)嵩磽Q熱過程的有效能消耗，高溫和低溫?zé)嵩戳黧w帶來的有效能變化，提供簡便的新方法； 其特征在于:對所論制冷/熱泵系統(tǒng)的過程或循環(huán)采用等價熱カ變換原則，在保證能量變化量和有效能變化量在變換前后相等的約束下，定義循環(huán)エ質(zhì)和熱源流體的換熱過程等效熱カ平均溫度，替換實際制冷/熱泵系統(tǒng)的エ質(zhì)和熱源流體的過程中變化的溫度，把實際有限熱容熱源的變溫?zé)嵩磦鳠釂栴}等價變化為兩個恒定溫度傳熱的問題進(jìn)行分析；定義エ質(zhì)等價循環(huán)的高溫、低溫?zé)嵩雌骄鶞囟?，把實際熱泵循環(huán)系統(tǒng)的エ質(zhì)不可逆循環(huán)等價變換為逆卡諾循環(huán)進(jìn)行分析； 所述的換熱過程等效熱カ平均溫度Tk,ab的一般定義式為:エ質(zhì)或熱源流體在過程中的焓變化量△ hab與其熵變化量△ Sab的比值，或在過程中的換熱量qab的絕對值與其熵變化量Asab的絕對值之比值，其數(shù)學(xué)定義式為:
2.按照權(quán)利要求1所述的一種等價熱力變換分析法，其特征在于:根據(jù)所定義獲得的等價循環(huán)的高溫、低溫?zé)嵩雌骄鶞囟萒k,h、Tu，把實際制冷/熱泵循環(huán)等價變換為逆卡諾循環(huán)進(jìn)行分析，等價變換后實際熱泵循環(huán)的性能系數(shù)COP為等價逆卡諾循環(huán)的熱泵性能系數(shù)COPk，數(shù)學(xué)式為
3.按照權(quán)利要求1所述的一種等價熱力變換分析法，其特征在于:所述的內(nèi)不可逆循環(huán)工質(zhì)的有效能消耗量AEir,。，等于平均溫度為Tk,h的高溫?zé)嵩淳哂行芰緼Eh與溫度為Te,23的熱源的有效能量A E23之差值；等價循環(huán)的高溫?zé)嵩吹挠行芰緼Eh,等于平均溫度為Tk, h的假想熱源與環(huán)境溫度為Ttl熱源的假想卡諾熱機在吸熱量為qh時可以輸出的功量Wh或具有的有效能量A Eh;溫度為Tk,23的熱源具有的有效能量A E23，等于工質(zhì)高溫?fù)Q熱過程工質(zhì)的等效熱力平均溫度Tk,23的假想熱源與環(huán)境溫度為Ttl熱源的假想卡諾熱機在吸熱量為qh時可以輸出的功量W23或具有的有效能量AE23之差值，數(shù)學(xué)式為:
4.按照權(quán)利要求1所述的一種等價熱力變換分析法，其特征在于:所述的高溫?zé)嵩戳黧w換熱過程的等效熱力平均溫度記為Tk,w，定義式為:高溫?zé)嵩戳黧w與工質(zhì)換熱過程的換熱量qh的絕對值與熱源流體換熱過程的熵變化量△ Sw的絕對值之比值，或是高溫?zé)嵩戳黧w在換熱過程的焓變化量Ahw與熱源流體換熱過程的熵變化量Asw之比值；當(dāng)換熱過程中熱源流體的比熱容不隨溫度變化時，熱源流體的等效熱力平均溫度定義式演化為熱源流體換熱過程的高、低溫度Tw2、Twl的對數(shù)平均溫度，其數(shù)學(xué)定義式為
5.按照權(quán)利要求1所述的ー種等價熱カ變換分析法，其特征在于:所述的低溫?zé)嵩戳黧w換熱過程的等效熱カ平均溫度記為Tk,a，定義式為:低溫?zé)嵩戳黧w與エ質(zhì)換熱過程的換熱量qe的絕對值與熱源流體換熱過程的熵變化量△ Sa的絕對值之比值，或是低溫?zé)嵩戳黧w在換熱過程的焓變化量Aha與熱源流體換熱過程的熵變化量Asa之比值；當(dāng)換熱過程中熱源流體的比熱容不隨溫度變化時，熱源流體的等效熱カ平均溫度定義式演化為熱源流體換熱過程的高、低溫度Ta2、Tal的對數(shù)平均溫度，其數(shù)學(xué)定義式為
6.按照權(quán)利要求1所述的ー種等價熱カ變換分析法，其特征在于:利用直角坐標(biāo)的溫度-熱量TK-q圖或T_q圖輔助分析實際熱力或制冷/熱泵循環(huán)的性能和各環(huán)節(jié)的有效能消耗；直角坐標(biāo)系的縱軸為溫度T軸，用于表示工質(zhì)、高、低溫?zé)嵩戳黧w在換熱過程的等效熱力平均溫度，和工質(zhì)等價循環(huán)高、低溫?zé)嵩雌骄鶞囟?，以及工質(zhì)、高、低溫?zé)嵩戳黧w在循環(huán)過程的實際溫度；橫軸為熱量軸，用于表示循環(huán)和換熱過程的熱量和功量的變化；具體操作方法是: 熱泵的等價循環(huán)的高溫?zé)嵩雌骄鶞囟萒k, h和熱泵輸出的熱量qh，由坐標(biāo)點(O，Te, h)到坐標(biāo)點(qh，TEjh)的線段表示； 工質(zhì)與高溫?zé)嵩戳黧w的換熱過程的等效熱力平均溫度Tk,23和換熱量qh，由坐標(biāo)點(O，TEj23)到坐標(biāo)點(qh，TEj23)的線段表示； 高溫?zé)嵩戳黧w的等效熱力平均溫度Tk, w和換熱量qh，由坐標(biāo)點(0，Tk,w)到坐標(biāo)點(qh，TEjW)的線段表示； 環(huán)境溫度線由坐標(biāo)點(O，T0)到坐標(biāo)點(qh，T0)的線段表示； 低溫?zé)嵩戳黧w的等效熱力平均溫度Tk, a和低溫?fù)Q熱量q6，由坐標(biāo)點(0，TK,a)到坐標(biāo)點(qe，Te, a)的線段表示; 等價循環(huán)的低溫?zé)嵩雌骄鶞囟萒k, 6和熱泵吸熱量q6，由坐標(biāo)點(0，Tk,6)到坐標(biāo)點(q6，Te, e)的線段表示； 熱泵循環(huán)的輸入功W，由線段 qh與線段qe之差值線段W表示； 各個過程的線段與環(huán)境溫度線可構(gòu)成相應(yīng)過程的等價卡諾循環(huán)，相應(yīng)過程的等價卡諾循環(huán)的輸出功量，即為對應(yīng)的過程段工質(zhì)，或熱源流體的有效能量； 在進(jìn)行實際換熱器設(shè)計時在TK-q圖上添加工質(zhì)、高、低溫?zé)嵩戳黧w在循環(huán)過程的實際溫度曲線。
【文檔編號】G01M99/00GK103528835SQ201310190500
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月15日
【發(fā)明者】陳則韶 申請人:陳則韶