濕空氣熱力過程的火用

濕空氣熱力過程的火用分析摘要：第二定律分析或火用（exergy）分析的方法曾經(jīng)在30多年前蓬勃的發(fā)展起來。在空調(diào)領(lǐng)域，有眾多的學(xué)者提出了不同火用分析的觀點(diǎn)，其主要分歧就在于環(huán)境參考狀態(tài)的選擇上。本文針對(duì)濕空氣處理過程第二定律分析，綜述了從70年代末期至今的關(guān)于濕空氣第二定律分析的參考點(diǎn)選擇問題的文獻(xiàn)，介紹了應(yīng)用在空調(diào)領(lǐng)域濕空氣火用的參考點(diǎn)選擇方法，并應(yīng)用火用分析方法分析幾個(gè)典型的空氣處理過程，研究了濕空氣火用的轉(zhuǎn)化關(guān)系。關(guān)鍵字：火用參考點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻0引言（exergy）分析是研究能量轉(zhuǎn)化的重要方法，已在能源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在空調(diào)領(lǐng)域，由于在處理濕空氣的時(shí)候既存在熱量的傳遞又存在物質(zhì)的傳遞（濕度的變化），使得濕空氣的分析復(fù)雜程度增加。在能源、化工、材料等領(lǐng)域的分析方法已經(jīng)發(fā)展得比較完善，很多可以借鑒到濕空氣處理過程中。但是，針對(duì)空調(diào)的具體應(yīng)用條件，側(cè)重點(diǎn)有所不同。分析的關(guān)鍵問題是參考點(diǎn)的選擇，下面簡(jiǎn)要介紹一下歷史上對(duì)零參考點(diǎn)的論述。從60年代末至今，關(guān)于參考狀態(tài)選擇的爭(zhēng)論從來沒有停止過。所謂參考狀態(tài)是人為定義的一個(gè)環(huán)境狀態(tài)，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)在一定壓力下的無窮大的熱源和無窮大的物質(zhì)源。參考狀態(tài)不是隨意選定的，對(duì)于參考狀態(tài)的選擇原則，Brodjanskij指出作為參考狀態(tài)的環(huán)境介質(zhì)模型應(yīng)該具備3個(gè)條件：一、與系統(tǒng)作用時(shí)保持不變；二、環(huán)境介質(zhì)應(yīng)該在熱力學(xué)平衡的范圍內(nèi)；三、接近實(shí)際運(yùn)行的條件或不能相差太遠(yuǎn)。至今已經(jīng)提出了許多環(huán)境模型來確定參考狀態(tài)，如Ahrendts的環(huán)境模型、Szargut的環(huán)境模型以及Kameyama和Yoshida環(huán)境模型以及鄭丹星等提出的環(huán)境模型等。這些模型并不是專門針對(duì)濕空氣，而是涵蓋了能源、化工、材料等等諸多領(lǐng)域的第二定律分析的參考點(diǎn)，其中包涵了自然界中所有存在的物質(zhì)，涉及到每種化學(xué)元素復(fù)雜形態(tài)。專門針對(duì)濕空氣分析的理論最早是由Szargut（1969）和Wepferetal.（1979）提出的，后來陸續(xù)有國(guó)內(nèi)外學(xué)者如朱明善（1985），Moran（1989），Bejan（1996，1997）等對(duì)該理論進(jìn)行過闡述。繼之，有學(xué)者應(yīng)用熱力學(xué)第二定律的思想來思考濕空氣的熱力學(xué)過程，JungYangSan(1985)，Cammarata(1997)，F(xiàn)ratzscher(1997),任承欽等應(yīng)用該理論分析實(shí)際的濕空氣處理過程，濕空氣分析問題的焦點(diǎn)是環(huán)境參考點(diǎn)的選擇，不同參考點(diǎn)令分析結(jié)果大相徑庭。已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)對(duì)環(huán)境狀態(tài)的選擇的文獻(xiàn)做過綜述，由于篇幅限制本文只對(duì)涉及到濕空氣分析參考點(diǎn)的選擇進(jìn)行歸納。總結(jié)所有的環(huán)境模型，大致可以將它們分為以下三類：1）取環(huán)境大氣參數(shù)作為分析參考點(diǎn)；2）取環(huán)境大氣平均氣象參數(shù)作為分析的參考點(diǎn)；3）取環(huán)境溫度下的飽和空氣狀態(tài)為分析的參考點(diǎn)。其中第一種取法目前最為廣泛的被采用。Wepferetal.（1979）選擇ARI的標(biāo)準(zhǔn)室外工況作為濕空氣的零狀態(tài)，推導(dǎo)了濕空氣的的表達(dá)式，并分析了基本的幾個(gè)濕空氣處理過程。JungYangSan(1985)利用該參考點(diǎn)分析的轉(zhuǎn)輪除濕冷卻系統(tǒng)的耗散。在Moran(1989)及Bejanetal.（1996，1997）的著作中，對(duì)濕空氣的分析的理論進(jìn)行的綜述，介紹及分析該理論時(shí)采用的參考點(diǎn)為ARI的標(biāo)準(zhǔn)室外工況。Cammarataetal.(1997)采用了與Moran同樣的方法，對(duì)全空氣系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析及優(yōu)化。以上的分析的共同特點(diǎn)都是選取的ARI的標(biāo)準(zhǔn)室外狀態(tài)為參考點(diǎn)的。第二種參考點(diǎn)的取法實(shí)質(zhì)上跟第一種取法沒有本質(zhì)區(qū)別，只是考慮了室外狀態(tài)的波動(dòng)，取某一時(shí)段平均氣象參數(shù)為分析的參考點(diǎn)。開創(chuàng)這種參考狀態(tài)選取辦法的是東歐的J.Szargut和Styrylska（1969）。之后，Brodjanskij總結(jié)了局部環(huán)境介質(zhì)的概念，采用局部環(huán)境模型來分析熱力過程；并且還做過空調(diào)系統(tǒng)的分析的計(jì)算，取用的濕空氣的零參考點(diǎn)分時(shí)間區(qū)段計(jì)算環(huán)境參數(shù)平均值。前兩種參考點(diǎn)的確定都是選取大氣參數(shù)，而大氣一般是不飽和的，不飽和的空氣與水接觸，會(huì)有一定的吸水能力。第三類參考點(diǎn)的選取方式就是考慮到空氣與水的平衡狀態(tài)，選擇環(huán)境溫度下飽和空氣為零參考點(diǎn)。Ahrendts的環(huán)境模型與Kameyama和Yoshida環(huán)境模型就是選取的飽和濕空氣作為零參考點(diǎn)。KoroKato(1985)在對(duì)干燥過程進(jìn)行分析的時(shí)候，采用飽和濕空氣作為零參考點(diǎn)。另外，任承欽(2001)在用不飽和室外狀態(tài)為零參考點(diǎn)分析表冷器效率時(shí)，發(fā)現(xiàn)如此算出的表冷器的效率極低，在選擇飽和濕空氣為參考點(diǎn)分析后得到了更為理想的結(jié)果。本文在分析選擇零值參考點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重研究了利用不飽和濕空氣和水以及具有吸放濕能力的介質(zhì)，在不投入其它能源的情況下，忽略風(fēng)機(jī)水泵的能耗，可以得到高于常溫的熱源，較低溫度的冷源以及比大氣更干燥的空氣。通過對(duì)上述問題的分析，驗(yàn)證了零值參考點(diǎn)選擇的合理性。進(jìn)而從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，探討各種濕空氣處理過程中的可用能轉(zhuǎn)換規(guī)律以及自然界非飽和空氣中可用能利用的可行性。1濕空氣分析參考狀態(tài)的選擇在空調(diào)系統(tǒng)中，濕空氣參考點(diǎn)應(yīng)選用上述第三種選擇方法。具體理由闡述如下：空調(diào)設(shè)備所針對(duì)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中空氣和水都是大量存在物質(zhì)，可以認(rèn)為是無代價(jià)可以得到的物質(zhì)。把空氣作為無限大的熱源，水作為無限大的水蒸汽源，不飽和濕空氣和水尚未達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)，不飽和空氣與水接觸會(huì)自發(fā)發(fā)生水蒸發(fā)、空氣趨向飽和態(tài)的過程。這種自發(fā)進(jìn)行的過程進(jìn)行的終點(diǎn)就是上述的飽和點(diǎn)，即0值參考點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)應(yīng)該是大氣溫度下的飽和濕空氣狀態(tài)點(diǎn)，如圖1所示。該點(diǎn)為水與空氣這兩個(gè)無限大源接觸所能夠?qū)崿F(xiàn)的熵值最大的點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)針對(duì)每一個(gè)具體的工況來說是唯一的。根據(jù)我們選定的參考點(diǎn)，就可以計(jì)算各個(gè)狀態(tài)下濕空氣的，就可以在復(fù)雜的熱濕交換過程中判斷某一過程的的利用情況。而且，利用上述方法可以分析自然界中不飽和大氣中蘊(yùn)藏的。參考點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)可表示為：大氣壓力P0（Pa），溫度為T0（K），含濕量為w0（kg/kg干空氣）；干空氣氣體常數(shù)Ra=0.287kJ/kgK，水蒸氣的氣體常數(shù)Rv=0.461kJ/kgK，干空氣的定壓比熱cp,a=1.003kJ/kgK，水蒸氣的定壓比熱cp,v=1.872kJ/kgK，濕空氣的用E表示，根據(jù)Bejan(1997)濕空氣的表達(dá)式，以此參考點(diǎn)的任意濕空氣狀態(tài)（P，T，w）的表達(dá)式為：（1）公式（1）中的第一項(xiàng)表代表濕空氣中熱的，即表示由于溫差而具有的；第二項(xiàng)代表機(jī)械的，在我們研究的恒壓開式系統(tǒng)范疇內(nèi)，這一項(xiàng)為零，本文后文如無特殊說明，大氣壓都為P0=101325Pa的情況；第三項(xiàng)代表濕空氣的化學(xué)，是在研究濕空氣熱力過程主要要考慮的部分。根據(jù)公式（1），選擇環(huán)境空氣溫度為37.8℃，則參考點(diǎn)狀態(tài)為溫度37.8℃，相對(duì)濕度為100％。圖2為計(jì)算得到的濕空氣隨溫度t（℃），w(kg/kg干空氣)變化的情況。圖2濕空氣的參考點(diǎn)選擇在飽和狀態(tài)，使得常壓下液態(tài)水可以被看作只具有熱量，而無化學(xué)，由于濕空氣處理中，參與在過程中的水量相對(duì)量很少，其熱量的影響可忽略。這種做法是切合實(shí)際運(yùn)行條件的。2不飽和濕空氣間接蒸發(fā)冷卻過程根據(jù)我們選定的參考點(diǎn)，就可以計(jì)算各個(gè)狀態(tài)下濕空氣的，就可以在復(fù)雜的熱濕交換過程中判斷某一過程的利用情況。而且，自然界中比如比較熱干的環(huán)境就有我們可以利用的能量，可以分析這些能量可利用的潛力。氣壓不變的情況下，濕空氣的包括擴(kuò)散和熱能，擴(kuò)散和熱能部分可以相互轉(zhuǎn)化。有很多的途徑可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化，如可以通過直接或間接蒸發(fā)式冷卻來得到冷量，輸出較低溫度的水或低溫但加了濕的空氣。水表面和濕空氣內(nèi)的水蒸汽分壓力差是產(chǎn)生冷量的直接動(dòng)力，類似于蒸汽壓縮式制冷中，壓縮機(jī)所維持的不同壓力區(qū)一樣。理想的即能夠把濕空氣的化學(xué)完全釋放，轉(zhuǎn)化為冷量的過程應(yīng)是如圖3所示。該循環(huán)的核心思想是采用逆流換熱、逆流傳質(zhì)來減小不可逆損失，以得到較低的供冷溫度和較大的供冷量。如圖所示，空氣在和水接觸前，先經(jīng)過逆流汽水換熱器1被冷卻，換熱器的冷源是與空氣接觸被蒸發(fā)冷卻的水，這部分水的溫度理論極限值應(yīng)該是空氣的露點(diǎn)溫度。被冷卻后的循環(huán)水的另一部分被用來作為冷水輸出冷量。與空氣交換顯熱后溫度較高的水，在直接接觸換熱器2內(nèi)與空氣直接接觸。這個(gè)過程也是逆流的，空氣被加濕，升溫，水被冷卻。如此完成循環(huán)，不斷制出冷水。整個(gè)過程進(jìn)行的過程在溫濕圖上表示如圖4所示。圖5所示的是理想的處理過程，進(jìn)風(fēng)被冷卻到了露點(diǎn)，而且排風(fēng)的狀態(tài)達(dá)到了進(jìn)風(fēng)的干球溫度的飽和狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)過程，可以得到公式（1）的化學(xué)即擴(kuò)散的一種推導(dǎo)方法。由于濕空氣中的干空氣由A狀態(tài)到C狀態(tài)沒有變化，只是B狀態(tài)到C狀態(tài)輸出了冷量，并且吸收了外界的水。這部分吸收來的水是有的，公式（1）中對(duì)這部分水的沒有考慮，為了與公式（1）結(jié)果吻合，這里也不作考慮。這樣的處理帶來的誤差經(jīng)分析是可以被忽略的。篇幅所限，該設(shè)備的計(jì)算分析本文沒有包括。通過對(duì)間接蒸發(fā)供冷裝置的研究，可以清晰的認(rèn)識(shí)濕空氣化學(xué)和熱量的轉(zhuǎn)化過程，是對(duì)參考點(diǎn)選擇的合理性最好的詮釋。3不飽和濕空氣的轉(zhuǎn)化基于濕空氣理論，可以提出下面各個(gè)過程，都是采用自然界存在的物質(zhì)，采用循環(huán)過程中不發(fā)生變化的介質(zhì)，得到制熱、制冷、加濕或除濕的目的。各個(gè)過程的推動(dòng)力都是濕空氣具有的。1)不飽和空氣的加濕冷卻過程。由于不飽和空氣有容納水蒸汽的能力，所以跟水相互作用，自發(fā)發(fā)生水蒸發(fā)，空氣被加濕的過程。該過程為吸熱過程，可以使溫度降低。采用間接蒸發(fā)冷卻的設(shè)備可以把環(huán)境空氣無代價(jià)的處理到干球溫度以下，露點(diǎn)溫度以上，濕度直至飽和的區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)。2)吸濕介質(zhì)的再生過程。吸濕介質(zhì)如溶液及固體吸附材料等，與不飽和的大氣接觸，發(fā)生吸濕或放濕過程，其最終達(dá)到的表面水蒸汽分壓力與大氣的水蒸汽分壓力相同。若介質(zhì)發(fā)生放濕過程，則稱為介質(zhì)被再生。3)吸濕介質(zhì)除濕過程。被再生的吸濕介質(zhì)，與比大氣含濕量高，溫度相同或更低的空氣接觸，就會(huì)吸收空氣中的水蒸汽。該過程為放熱過程，溫度升高。通過以上三個(gè)過程的組合，在吸濕介質(zhì)（下文中采用有吸放濕能力的溶液）的參與下，利用不飽和濕空氣和水，可以實(shí)現(xiàn)制熱、制冷、加濕和除濕的目的。具體實(shí)施的流程如下圖：1）O點(diǎn)為大氣的狀態(tài)，起通過加濕冷卻過程及與環(huán)境的換熱可以實(shí)現(xiàn)O－A－B－O圍成的狀態(tài)，其中A－B為100％相對(duì)濕度線。該過程可以實(shí)現(xiàn)加濕和制冷的目的。2）利用大氣再生得到具有一定吸濕能力的溶液，與B點(diǎn)的濕空氣接觸，發(fā)生吸濕過程，不考慮溶液的顯熱，可以空氣可以被等焓的處理到C點(diǎn)。該過程的溫度升高，可以實(shí)現(xiàn)制熱的目的。進(jìn)而，如果采用環(huán)境來冷卻該過程，O－B－C－O圍成的區(qū)域也可以實(shí)現(xiàn)。3）利用大氣再生得到的與O點(diǎn)有相同水蒸汽分壓力的溶液，與A點(diǎn)的濕空氣接觸，發(fā)生吸濕過程，不考慮溶液的顯熱，可以空氣可以被等焓的處理到D點(diǎn)。該過程得到比大氣更干燥的空氣。進(jìn)而，O－D－A－O圍成的區(qū)域也可以實(shí)現(xiàn)。4）利用上訴的各個(gè)過程的組合，可以得到其他狀態(tài)的空氣。如利用C點(diǎn)的熱加熱狀態(tài)O的空氣，可以得到比O點(diǎn)溫度高而濕度跟O點(diǎn)相同的空氣，用該空氣可以再生溶液，得到比用O點(diǎn)再生得到的更濃的溶液，通過過程2）可以得到比C點(diǎn)更高的溫度；C點(diǎn)通過加濕，可以得到比B點(diǎn)更濕的空氣；D點(diǎn)的空氣，可以通過蒸發(fā)冷卻，得到比A點(diǎn)溫度更低的制冷效果；…….進(jìn)而，由4）我們可推斷，在只消耗不飽和空氣和水的情況下，我們可以實(shí)現(xiàn)制熱、制冷、加濕或除濕的目的。而且理論上可以達(dá)到濕空氣I-D圖上任意的溫度，濕度值。要實(shí)現(xiàn)值離不飽和空氣越大，消耗的不飽和空氣就越多，系統(tǒng)復(fù)雜性也越大。4結(jié)論本文綜述了濕空氣處理領(lǐng)域0參考點(diǎn)的選取問題。給出了合理的濕空氣0參考點(diǎn)的選取方法，以此為基礎(chǔ)，計(jì)算了I-D圖上濕空氣的值。通過分析不飽和濕空氣的蒸發(fā)冷卻過程，揭示了濕空氣參考點(diǎn)選取的合理性。進(jìn)而，在理論的指導(dǎo)下，研究了不飽和空氣的的轉(zhuǎn)化。得出在只消耗不飽和空氣和水的情況下，可以實(shí)現(xiàn)制熱、制冷、加濕或除濕的過程，而且理論上可以達(dá)到濕空氣I-D圖上任意的溫度，濕度值。為自然界非飽和空氣中可用能利用可行性提供了理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)1)J.Ahrendts,ReferenceStates,energy,Vol.5,pp.667-677,19802)A.Bejan,G.Tsatsaronis,andM.Moran,ThermalDesignandOptimization,Wiley,NewYork,19963)A.BejanThermodynamicEngineeringThermodynamics(SecondEdition)JohnWiley&Sons,NewYork,19974)A.BejanEnergyandtheEnvironment,pp.1-10,KluwerAcademicPub,19995)B.M.Brodjanskij方法及其應(yīng)用（王加旋譯）中國(guó)電力出版社19966)G.Cammarata,A.Fichera,L.Mammino,L.Marletta,ExergonomicOptimizationofanAir-conditioningSystem,JournalofEnergyresourcesTechnology,Vol.119,pp.62-69,19977)W.Fratzscher,ExergyandPossibleApplications,RevGenTherm,1997,36,pp.690-6968)W.L.R.Gallo,andL.F.Milanez,ChoiceofaReferenceStateforExergeticAnalysis,energy,Vol.15,pp.113-121,19909)W.V.Gool,ThermodynamicofChemicalReferencesforExergyAnalysis,EnergyConvers.Mgmt,Vol.39,NO.16-18,pp.1719-1728,199810)H.Kameyama,K,Yoshida,S.YamauchiandK.Fueki,EvaluationofReferenceExergiesfortheElements,AppliedEnergy,Vol.11,pp.69-83,198211)KoroKato,ExergyEvaluationinGrainDrying,Drying’s85,pp.420-427,HemispherePubCorp.198512)T.J.Kotas,TheExergyMethodofThermalPlantAnalysis,GreatBritain,198513)MichaelJ.Moran,AvailabilityAnalysis:AGuidetoEfficientUse，ASMEPress,NewYork,198914)R.Morris,andJ.Szargut,StandardChemicalExergyofSomeElementsandCompoundsonthePlanetEarth,energy,Vol.11,pp.733-755,198615)J.Y.San,