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蒸汽压缩式水冷机 组的双冷凝器热回收及其拥分析

2011-09-30 12:14:36.750

龚光彩 常世钧 马扬 曾巍 林鑫

摘要:本文在拥分析的基 础上提出了制冷机组双冷凝器设计和冷凝热焓差再分配的概念。以某饭店的一台电动蒸汽压缩式水冷制冷机组为例综合分析了进出机组的能量流和拥流。分析结果显示蒸汽压缩式制冷机组的拥损失源于蒸汽压缩制冷原理固有的缺 陷,冷凝排出的热是机组主要的拥损失之一。在简要分析了已提出的各种冷凝热回收理论和技术的特点的基础上,提出了一种空调系统节能的新方法,采用两级冷凝直接回收制冷机组的冷凝热,并以此为依据对该宾馆的制冷机组 进行了改造。实验表明改造后该饭店热力站系统的能耗显著降低,并且与改造前相比机组的性能得到改善。

关键词:制冷机组 双冷凝器 热回收

1 前言

  目前评价制冷 机组的能耗性能的指标有两个:COPEERCOPEER的值代表了制冷机 组在某一工作状态下单位能耗所产出的冷量。但这两种指标是以能量守恒定律为出发点的,将不同质和量的能量等量齐观。如果站在第二定律的角度来看,它们掩盖了能量转换过程的本质,并不能反映制冷机组能源消耗的真实情 况。制冷量与输入能量之间的质和量是不等价的[1]。对于制冷机来说 ,冷量的做功能力很低,只是低质能,而输入能量一般是化石能源或电能,几乎可以全部转化为功,是高质能。从能级的观点看,能源利用的一个原则就是能级匹配,使产出能与投入能的品质尽量接近。显然,如果用高质能源来 生产低质能源是不合算的。从这一点来说,制冷机组的节能潜力还是有很大的。如果我们用拥分析方法来考察制冷机组的能源消耗情况,就可以找出节能的有效方法。拥是以热力学第一和第二定律为基础的,包含了能量的质和量 两个方面的信息,是能量定价的基础。不同质和量的能量在拥分析方法的基础上可以相互比较。节能的本质就是节拥和梯级用拥[3]

2 模型分析

  空调系统中制 冷机组的功能是通过排除建筑内部多余的得热量来实现其热舒适性。制冷机组节能的途径从根本上还必须去机组内部寻求。空调制冷机组的原理是逆卡诺循环。对于水冷蒸汽压缩式机组而言,制冷的原理如图5所示[14]。1─2─3′─4─4′─5─1曲线表示理论制冷 循环流程。1′─1″─a─b─c─2′─3─4─4′─1′曲线代表实际的 制冷循环流程。理论循环与实际循环的这种差别是有多种原因引起的,例如压缩机对外传热及运动摩擦、进气阀和排气阀的节流作用、蒸发器和冷凝器以及导管的传热和摩擦等等。1′─1”─a─b─c─2′─3─4─4′─5′─1曲线所围成的区域 的面积与输入功率W成正比,9─c─2─3′─4─4′─6─9曲线所未成的区域 的面积与冷凝热Qco成正比。在 4′─1′过程中,蒸发器 从冷冻水中吸收热量Qch,同时制冷剂变为 气态,这Qch就是制冷机组产生 的制冷量。c′─c─d─2′─3─3′曲线代表冷凝器 中制冷剂向冷却水发出热量Qco的过程。冷却塔中 冷却水的进出口温差一般为5─7℃。一般说来,冷 凝热Qco大约是蒸发热 Qch的1.2倍。因此冷凝热是 很丰富的,其品位很低。压缩过程a—b—c’需要消耗输入功 W

  以电动水冷蒸 汽压缩式制冷机组为例,考虑机组整体的拥流,不考虑机组内部各部件的拥流。制冷机组的拥流和能流模型可以简化如图1和图2所示(能流和拥流 的方向为假设)。

文本框: 图1 能流图文本框:图2 流图

  按照热力学第 一定律,能流过程中冷凝热Qco等于蒸发热 Qch与输入功率之和。 在拥流过程中,输入功率拥W转换为冷量拥 Ech和热量拥Eco,分别送往用户末 端和冷却塔。

3 热力学分析

  由于将制冷机 组作为一个整体考虑。拥的概念是与研究对象所处的环境密切相关的,在分析时将制冷机组及其周围的环境划分为一个系统,不考虑制冷机组内部的拥流和能流。

3.1 能流分析

  对于任何系统 ,热力学第一定律总是成立的,一次可建立如下方程:

(1)

(2)

3.2 拥流分析

  按照热力学第 二定律,系统的拥总是在不断的减少过程中,因此有:

(3)

  等号在可逆工 况下成立,而在实际运行工况下,系统总是朝着熵增的过程进行,也就是拥不断减少[16]

(4)

(5)

  工作介质—水 ,无论是冷冻水还是冷却水,都是难压缩介质。热力学方程总是成立的,而 , [16]。因此我们可以认 为cp = cv = c, c为定值比热。

(13)

(14)

  可以用两个拥 效率来表征制冷机组的热力学完善程度,一个是普遍拥效率,另一个是目的拥 效率[1]用以下两个表达式 表达[1]

(15)

(16)

  普遍拥效率 表征了制冷机组能 量转换过程中代价拥有多少转化为产出拥。越大,表明机组的 拥损失越小,机组的性能也越好。目的拥效率则表征了代价拥中 有多少转化为产品拥,表明了制冷流程的合理程度。越大,表明产品拥 的产率越大。越高越接近,机组 性能也越好。如果仔细地分析了、蒸发器和冷凝器 水侧拥流,就可以真正找到空调冷热源节能的途径。

3.3 两级冷凝热回收原 理

  在很多公共建 筑中,生活热水一般是由热水锅炉供应单独的。按照国家标准,生活热水的出水温度范围一般在40℃~45℃。而换热器设计 出水温度达到60℃。生活热水锅炉 一般都会按照历年最不利用水条件选取,一般冬季用水量最大,而夏季用水量很小。因此在夏季一方面锅炉在很低的效率下运行,另一方面大量空调冷凝热被直接排放掉了。能不能直接利用制冷机组的冷凝热生产生活热水呢?在 图6中,制冷剂在 c点的温度一般都会 65℃以上波动。如果 在压缩机和冷凝器之间加一个热交换器(原理如图3虚线所示),那么 就可以吸收大量的冷凝热来生产生活热水。从这个外加的热交换器出来的制冷剂的状态是汽—液混合物,处于如图6所示的x点。汽—液混合物 在冷凝器中进一步冷凝到4′点。改造前冷凝 负荷为:

文本框: 图3 双冷凝器热回收制
冷原理图文本框: 图4 改造后制冷机组的
 流图

(17)

  改造后,外加 热交换器的热交换量为:

(18)

  冷凝器的负荷 变为:

(19)

  由此可见,制 冷剂的冷凝焓降进行了再分配[17]。由于机组的冷凝 能力增加了,制冷剂的过冷度增大,相应于4′点沿着饱和液体 线下降。输入功率和制冷量、蒸发器的蒸发负荷会上升。x点的选择必须避免 压缩机发生湿压缩现象。因此就一定存在一个最优的x点能够在最小寿命 周期成本和最优机组性能之间达成平衡。可以预测采用该技术后结果是生活热水的锅炉负荷降低,甚至在夏季可以关闭;热力站的年度运行成本大大降低。

  图4表明了改造后机组 的拥流图。因此相应的的表达式变为:

(20)

(21)

  利用制冷机组 的冷凝热生产生活热水的设想早在1965年就有Healy [23]等人提出, 70年代以后Mason、W. M. Ying、K. C. Toh [24][25]等人针对家用空调 进行了相关实验研究和分析,在夏威夷地区进行了大规模推广[26],研究和推广结果 显示其节能效果非常显著。国内外一些空调设备制造商研制出了可回收冷凝热的双管束冷凝器制冷机组(如图5),该方法只能回 收部分高位冷凝热。按拥的梯级利用原则来看,目前已经存在的回收冷却水废热的技术和双管束冷凝器热回收技术都是有缺陷的。

3.4 实例分析

  为了验证以上 构思,我们选择长沙市某四星级饭店一台四机头活塞式制冷机组为对象,制冷剂为R22。我们根据对该机 组的拥分析结果于2001年对其进行了改造 。该制冷机组常年每天24小时运行。同时全 年由热水锅炉负责供应生活热水。夏季该锅炉容量严重超大。改造后该锅炉夏季关闭。

文本框:图5 双管束冷凝制冷原
理图

  改造过程中, 我们在每个压缩机的排气口与冷凝器之间增加了一个生活热水生产部件,其核心是一个热交换器。该部件通过吸收压缩机排气的部分冷凝热提升热水温度来生产生活热水。改造后该部件每小时生产50℃的热水6吨,热水温升 30℃。经热水拥增 Elth为5.93KW。

  热水吸收的热 量与热水拥增值差等于从冷却水中吸收的芜。我们分析了改造前后制冷机组的COPCOP的定义改造前为制 冷量与输入功率之比,改造后为制冷量和热回收量之和与输入功率之比。测试时间是2000年9月和2001年9月。所有测试数据 都经过处理后图示在图7至图16中。图中平均室外 温度指测量时段内的室外平均温度。

文本框: 图6 蒸气压缩是制冷循
环的T-s 图

文本框: 图7 改造前后制冷量对
比

文本框: 图8 改造前后COP对比

文本框:图9 改造前后普遍
 效率和目的
 效率对比

文本框: 图10 改造前后冷冻水温
差对比

文本框:图11 改造前后冷却水温
差对比

文本框:图12 改造前后输入功率
对比

文本框:图13 改造前后1#压缩机高低压对比



文本框:图14 改造前后2#压缩机高低压对比



文本框:图15 改造前后3#压缩机高低压对比


 

4 结果与讨论

4.1 COP效率的变化趋势

  无论改造前还 是改造后,都不是很高,其原 因有三:一、蒸发器和冷凝器的换热温差太大;二、管路阻力和节流效应;三、散热和热排放。改造前目的拥效率在6.6%至12.5%之间波动,改造后 在11.5%至16%之间波动。改造前 普遍拥效率在12%至20%之间波动,改造后 在16%至24%之间波动。这说明 制冷机组的能源利用程度很低,节能的潜力还很大。COP的波动在改造前为 1.5至2.3之间,改造后在 2至3.2之间,说明改造后 继续性能得到改善。改造前后COP的变化基本与平均 室外温度的变化相似。这是因为制冷负荷与拥是与室外环境温度紧密联系的。总的来说改造后COP都升高了,这是因 为改造后,产品拥增加了,而输入拥增长不大。因此制冷机组的直接和间接节能效应都提高了。

4.2 对制冷机组运行状 况的影响

  图7显示由于制冷负荷 取决于建筑维护结构性能和室外气候状况,改造前后在相同室外温度下机组制冷量几乎不变。这说明此次改造过程和外加部件对制冷机组的冷量输出没有影响。图10中,蒸发器水侧温 差增大,因此蒸发器的性能得到提高。相反,冷凝器水侧温差减小,冷凝器性能下降。四台压缩机高低压的波动要比改造前平缓的多。导致这种对比的原因就是改造后,制冷机组实际上有两个冷凝器:原冷凝器和外加热水部件, 冷凝换热面积大大增加,外加的热水部件负担了部分冷凝负荷,原冷凝器的冷凝负荷降低,因此制冷剂的冷凝较改造前更充分,蒸发器的性能升高,冷水机组总的冷凝效果也提高了。总之,改造后机组的运行状况有了很大改善。

5 结论

  由以上分析可 知,改造前大量的拥在制冷机组的能量转换过程中被浪费掉了,以芜的形式直接排放到周围环境中了;只有很少一部分以冷量拥的形式送到了用户末端。冷量拥就是产品拥。同时大量热量拥被直接排放到环境中了。这部分拥损失 是无谓的,如果采取有效措施可减少这部分损失。芜在冷量和冷却水冷凝热中占绝大多数。因此空调系统冷热源节能的有效途径除加强设备研发外还要综合利用空调系统的能耗。

  制冷机组的拥 效率是很低的;大部分输入拥都变成了芜排向了环境中,冷量拥和总输入功率之间的比率是很小的;大量的热量拥因为品位低未被利用而直接排至环境中。实验表明回收制冷机组的冷凝热余热是提高冷热源拥效率和节能的有效途 径。

Q

换热量

h

比焓

E

s

比熵

W

输入功率

c

比热容

ΔE

COP

性能系数

T

开氏温度

普遍效率

目的效率

   

下标

ch

冷冻水系统

0

环境状态

co

冷却水系统

p

定压力

o

出口

v

定容

i

进口

   

说明

  (1) 文章中用“拥”字 代替“火用”字;
  (2) 文章中用“芜”字 代替“火无”字。

参考文献

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