蒸汽壓縮式水冷機(jī)組-雙冷凝器熱回收及其擁分析

1、蒸汽壓縮式水冷機(jī)組-雙冷凝器熱回收及其擁分析            龔光彩 常世鈞 馬揚(yáng) 曾巍 林鑫摘要：本文在擁分析的基礎(chǔ)上提出了制冷機(jī)組雙冷凝器設(shè)計(jì)和冷凝熱焓差再分配的概念。以某飯店的一臺(tái)電動(dòng)蒸汽壓縮式水冷制冷機(jī)組為例綜合分析了進(jìn)出機(jī)組的能量流和擁流。分析結(jié)果顯示蒸汽壓縮式制冷機(jī)組的擁?yè)p失源于蒸汽壓縮制冷原理固有的缺陷，冷凝排出的熱是機(jī)組主要的擁?yè)p失之一。在簡(jiǎn)要分析了已提出的各種冷凝熱回收理論和技術(shù)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的新方法，采用兩級(jí)冷凝直接回收制冷機(jī)

2、組的冷凝熱，并以此為依據(jù)對(duì)該賓館的制冷機(jī)組進(jìn)行了改造。實(shí)驗(yàn)表明改造后該飯店熱力站系統(tǒng)的能耗顯著降低，并且與改造前相比機(jī)組的性能得到改善。 關(guān)鍵詞：制冷機(jī)組 雙冷凝器 熱回收 1 前言目前評(píng)價(jià)制冷機(jī)組的能耗性能的指標(biāo)有兩個(gè)：COP或EER。COP和EER的值代表了制冷機(jī)組在某一工作狀態(tài)下單位能耗所產(chǎn)出的冷量。但這兩種指標(biāo)是以能量守恒定律為出發(fā)點(diǎn)的，將不同質(zhì)和量的能量等量齊觀。如果站在第二定律的角度來看，它們掩蓋了能量轉(zhuǎn)換過程的本質(zhì)，并不能反映制冷機(jī)組能源消耗的真實(shí)情況。制冷量與輸入能量之間的質(zhì)和量是不等價(jià)的1。對(duì)于制冷機(jī)來說，冷量的做功能力很低，只是低質(zhì)能，而輸入能量一般是化石能源或電能，幾乎可

3、以全部轉(zhuǎn)化為功，是高質(zhì)能。從能級(jí)的觀點(diǎn)看，能源利用的一個(gè)原則就是能級(jí)匹配，使產(chǎn)出能與投入能的品質(zhì)盡量接近。顯然，如果用高質(zhì)能源來生產(chǎn)低質(zhì)能源是不合算的。從這一點(diǎn)來說，制冷機(jī)組的節(jié)能潛力還是有很大的。如果我們用擁分析方法來考察制冷機(jī)組的能源消耗情況，就可以找出節(jié)能的有效方法。擁是以熱力學(xué)第一和第二定律為基礎(chǔ)的，包含了能量的質(zhì)和量?jī)蓚€(gè)方面的信息，是能量定價(jià)的基礎(chǔ)。不同質(zhì)和量的能量在擁分析方法的基礎(chǔ)上可以相互比較。節(jié)能的本質(zhì)就是節(jié)擁和梯級(jí)用擁3。2 模型分析空調(diào)系統(tǒng)中制冷機(jī)組的功能是通過排除建筑內(nèi)部多余的得熱量來實(shí)現(xiàn)其熱舒適性。制冷機(jī)組節(jié)能的途徑從根本上還必須去機(jī)組內(nèi)部尋求。空調(diào)制冷機(jī)組的原理是逆卡

4、諾循環(huán)。對(duì)于水冷蒸汽壓縮式機(jī)組而言，制冷的原理如圖5所示14。1234451曲線表示理論制冷循環(huán)流程。11abc23441曲線代表實(shí)際的制冷循環(huán)流程。理論循環(huán)與實(shí)際循環(huán)的這種差別是有多種原因引起的，例如壓縮機(jī)對(duì)外傳熱及運(yùn)動(dòng)摩擦、進(jìn)氣閥和排氣閥的節(jié)流作用、蒸發(fā)器和冷凝器以及導(dǎo)管的傳熱和摩擦等等。11”abc234451曲線所圍成的區(qū)域的面積與輸入功率W成正比，9c234469曲線所未成的區(qū)域的面積與冷凝熱Qco成正比。在41過程中，蒸發(fā)器從冷凍水中吸收熱量Qch，同時(shí)制冷劑變?yōu)闅鈶B(tài)，這Qch就是制冷機(jī)組產(chǎn)生的制冷量。ccd233曲線代表冷凝器中制冷劑向冷卻水發(fā)出熱量Qco的過程。冷卻塔中冷卻水的

5、進(jìn)出口溫差一般為57。一般說來，冷凝熱Qco大約是蒸發(fā)熱Qch的1.2倍。因此冷凝熱是很豐富的，其品位很低。壓縮過程abc需要消耗輸入功W。以電動(dòng)水冷蒸汽壓縮式制冷機(jī)組為例，考慮機(jī)組整體的擁流，不考慮機(jī)組內(nèi)部各部件的擁流。制冷機(jī)組的擁流和能流模型可以簡(jiǎn)化如圖1和圖2所示（能流和擁流的方向?yàn)榧僭O(shè)）。按照熱力學(xué)第一定律，能流過程中冷凝熱Qco等于蒸發(fā)熱Qch與輸入功率之和。在擁流過程中，輸入功率擁W轉(zhuǎn)換為冷量擁Ech和熱量擁Eco，分別送往用戶末端和冷卻塔。3 熱力學(xué)分析由于將制冷機(jī)組作為一個(gè)整體考慮。擁的概念是與研究對(duì)象所處的環(huán)境密切相關(guān)的，在分析時(shí)將制冷機(jī)組及其周圍的環(huán)境劃分為一個(gè)系統(tǒng)，不考慮

6、制冷機(jī)組內(nèi)部的擁流和能流。3.1 能流分析對(duì)于任何系統(tǒng)，熱力學(xué)第一定律總是成立的，一次可建立如下方程：(2)3.2 擁流分析按照熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)的擁總是在不斷的減少過程中，因此有：(4)總是成立的，而16。因此我們可以認(rèn)為cp = cv = c, c為定值比熱。(14)可以用兩個(gè)擁效率來表征制冷機(jī)組的熱力學(xué)完善程度，一個(gè)是普遍擁效率1。用以下兩個(gè)表達(dá)式表達(dá)1：(16)普遍擁效率越大，表明機(jī)組的擁?yè)p失越小，機(jī)組的性能也越好。目的擁效率越大，表明產(chǎn)品擁的產(chǎn)率越大。越高越接近，機(jī)組性能也越好。如果仔細(xì)地分析了、蒸發(fā)器和冷凝器水側(cè)擁流，就可以真正找到空調(diào)冷熱源節(jié)能的途徑。3.3 兩級(jí)冷凝熱回收原理

7、在很多公共建筑中，生活熱水一般是由熱水鍋爐供應(yīng)單獨(dú)的。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，生活熱水的出水溫度范圍一般在4045。而換熱器設(shè)計(jì)出水溫度達(dá)到60。生活熱水鍋爐一般都會(huì)按照歷年最不利用水條件選取，一般冬季用水量最大，而夏季用水量很小。因此在夏季一方面鍋爐在很低的效率下運(yùn)行，另一方面大量空調(diào)冷凝熱被直接排放掉了。能不能直接利用制冷機(jī)組的冷凝熱生產(chǎn)生活熱水呢？在圖6中，制冷劑在c點(diǎn)的溫度一般都會(huì)65以上波動(dòng)。如果在壓縮機(jī)和冷凝器之間加一個(gè)熱交換器（原理如圖3虛線所示），那么就可以吸收大量的冷凝熱來生產(chǎn)生活熱水。從這個(gè)外加的熱交換器出來的制冷劑的狀態(tài)是汽液混合物，處于如圖6所示的x點(diǎn)。汽液混合物在冷凝器中進(jìn)一步

8、冷凝到4點(diǎn)。改造前冷凝負(fù)荷為：(18)冷凝器的負(fù)荷變?yōu)椋汉?(20)改造過程中，我們?cè)诿總€(gè)壓縮機(jī)的排氣口與冷凝器之間增加了一個(gè)生活熱水生產(chǎn)部件，其核心是一個(gè)熱交換器。該部件通過吸收壓縮機(jī)排氣的部分冷凝熱提升熱水溫度來生產(chǎn)生活熱水。改造后該部件每小時(shí)生產(chǎn)50的熱水6噸，熱水溫升30。經(jīng)計(jì)算熱水擁增Elth為5.93KW。熱水吸收的熱量與熱水擁增值差等于從冷卻水中吸收的蕪。我們分析了改造前后制冷機(jī)組的COP和。COP的定義改造前為制冷量與輸入功率之比，改造后為制冷量和熱回收量之和與輸入功率之比。測(cè)試時(shí)間是2000年9月和2001年9月。所有測(cè)試數(shù)據(jù)都經(jīng)過處理后圖示在圖7至圖16中。圖中平均室外溫度

9、指測(cè)量時(shí)段內(nèi)的室外平均溫度。    4 結(jié)果與討論4.1 COP、擁效率的變化趨勢(shì)無(wú)論改造前還是改造后，、COP的變化基本與平均室外溫度的變化相似。這是因?yàn)橹评湄?fù)荷與擁是與室外環(huán)境溫度緊密聯(lián)系的。總的來說改造后COP、都升高了，這是因?yàn)楦脑旌?，產(chǎn)品擁增加了，而輸入擁增長(zhǎng)不大。因此制冷機(jī)組的直接和間接節(jié)能效應(yīng)都提高了。4.2 對(duì)制冷機(jī)組運(yùn)行狀況的影響圖7顯示由于制冷負(fù)荷取決于建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)性能和室外氣候狀況，改造前后在相同室外溫度下機(jī)組制冷量幾乎不變。這說明此次改造過程和外加部件對(duì)制冷機(jī)組的冷量輸出沒有影響。圖10中，蒸發(fā)器水側(cè)溫差增大，因此蒸發(fā)器的性能得到

10、提高。相反，冷凝器水側(cè)溫差減小，冷凝器性能下降。四臺(tái)壓縮機(jī)高低壓的波動(dòng)要比改造前平緩的多。導(dǎo)致這種對(duì)比的原因就是改造后，制冷機(jī)組實(shí)際上有兩個(gè)冷凝器：原冷凝器和外加熱水部件，冷凝換熱面積大大增加，外加的熱水部件負(fù)擔(dān)了部分冷凝負(fù)荷，原冷凝器的冷凝負(fù)荷降低，因此制冷劑的冷凝較改造前更充分，蒸發(fā)器的性能升高，冷水機(jī)組總的冷凝效果也提高了。總之，改造后機(jī)組的運(yùn)行狀況有了很大改善。5 結(jié)論由以上分析可知，改造前大量的擁在制冷機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程中被浪費(fèi)掉了，以蕪的形式直接排放到周圍環(huán)境中了；只有很少一部分以冷量擁的形式送到了用戶末端。冷量擁就是產(chǎn)品擁。同時(shí)大量熱量擁被直接排放到環(huán)境中了。這部分擁?yè)p失是無(wú)謂的，如果采取有效措施可減少這部分損失。蕪在冷量和冷卻水冷凝熱中占