制冷循环的热力学分析和冷量损失研究

赵德天

（中国石油天然气管道工程有限公司沈阳分公司）

摘要：为了提高循环的热力学效率，找出产生不可逆性的主要因素，本文通过对制冷循环进行了热力分析，总结了功耗种类及计算方法，提出了减少功耗的措施，同时分析总结出产生冷量损失的产生原因，提出一些措施，给实践和设计提供了参考。

关键词：制冷循环；功耗；冷量损失；

理想的制冷循环是由一系列可逆的热力过程构成。可逆过程所需功耗均比同一始终态的任何不可逆过程小^[1-2]，为了提高循环的热力学效率，找出产生不可逆性的主要因素，就必须估计功耗在循环中各部位的分配情况，这就需要对循环进行热力分析。此外，冷量平衡是装置启动和正常运转的保证，尽量减少冷量损失，降低功能，也需要了解冷量损失的场合和部位。

1. 制冷循环的热力分析

每一个实际的制冷循环，功耗都可划分为两部分，一是过程在可逆情况下进行所需的功耗，即理论功耗 ；二是过程偏离可逆状态而增加的功耗 ，所以工程的总功耗为 。实际制冷循环偏离可逆状态而增加的功耗 主要包括以下几项:

(1) 气体在压缩机中压缩时，偏离可逆等温压缩过程而增加的功耗^[3-4]，即

（1）

式中： —实际压缩过程偏离可逆压缩过程而增加的功耗， ； —压缩机的效率； —可逆压缩过程的理论功耗， 。

(2) 气体在膨胀机中膨胀时，偏离等熵膨胀而增加的功耗 ，即

（2）

式中： —进入膨胀机的气体流量， ； —气体膨胀前后的实际熵变， ； —环境温度， 。

(3) 换热器中换热截面上冷热气体存在温度差而增加的功耗 ，即

（3）

—冷、热流体的流量， ； —冷、热流体的熵变化， 。

(4) 因节流过程不可逆性而增加的功耗 ，即

（4）

式中： ­—进入节流阀的流体流量， ； —节流前后熵的变化值， 。

(5) 环境漏入热量（也称跑冷损失）而增加的功耗 ，即

（5）

式中： —所分析部位漏入的热量，即相对于计算基准的跑冷损失， ； —分析部位低温度位的温度， 。

(6) 换热器热端存在着的温度差而造成冷量回收不完全增加的功耗 ，其值采用将相当于这部分不能完全回收的冷量，从相应出口温度条件下转移到环境温度所需消耗的功耗来计算，即

（6）

式中： —最后离开换热器的工作质流量， ； —温度 和 之间工作质的平均恒压比热， ； —环境温度， ； —换热器热端出口工作质的温度， 。

(7) 换热器、管道及其他设备中，流体流动时存在着阻力而增加的功耗 ，即

（7）

式中： ­—所分析流体的流量， ； —由于阻力而引起熵变， 。对于各个设备或同一设备不同股流道， 均须分别进行计算。

实际的制冷循环因过程的不可逆而增加的功耗除上述各项外，如不平衡条件下相际间的交换、不同温度的气体混合等不可逆过程，也会增加功耗。实际表明，压缩机、膨胀机及换热器截面温差造成的过程不可逆性而增加的功耗较大，特别是压缩机尤为显著^[5-6]。因此，提高压缩机和膨胀机的效率，对提高整个制冷循环具有重要的意义。对于因换热器截面温差造成的不可逆功耗。可采用适当减小换热截面温度差的方法来降低，但是随着截面温度差的减小，换热器面积很快增大，故截面温差的减小是有限的。

其次，因节流过程的不可逆性和跑冷损失两因素而增加的功耗也不可忽略，它们在不可逆功耗中也占有相当的比例。使气体在尽可能低的温度情况下进行节流，或者用两相膨胀机等高效设备代替节流阀，可以减小节流不可逆性而增加的这部分功耗，而改善绝热条件，减少跑冷损失，特别是减少低温度位的冷量损失，也是提高制冷循环热力学效率的一个重要方面。

2. 冷量损失

在制冷循环中，冷量损失越大，要求制冷系统提供的冷量越多，所需功耗也就越大，相应的运转费用上升^[7-8]。了解产生冷量损失的部位和原因，在循环过程中的设计和操作中，就可以采取一些措施来减少冷量损失，以保证系统冷量平衡和装置的正常启动及运行。

1. 1. 正常冷量损失

正常冷量损失，是系统稳定操作阶段的冷量损失，它包括以下几项。

(1) 跑冷损失

跑冷损失即环境冷损，由环境通过绝热层传入热量所致。跑冷损失一般以单位加工气体量为计算基准，其大小与装置容量和形式、绝热情况及环境条件等因素有关。

不同容量的装置，装置相对表面积不同，跑冷损失也不同，容量越大，装置的相对面积越小，跑冷损失也就越小。对于相同容量（加工气体能力相同）的装置，如采用不同的工艺及设备形式，则装置的相对表面积也不相同，所以跑冷损失也不一样。

装置的绝热情况，如绝热材料的性能、填充情况、绝热层厚度以及支、吊架的绝热措施等均对装置外壁温度和相对外表面积有影响，从而对平跑冷损失的大小产生影响。

环境条件对跑冷损失的影响，主要是环境温度的影响。环境温度越高，跑冷损失越大。因此安装在气温较高地区的制冷装置，其跑冷损失比气温低的地区高；在同一地区，夏天时的跑冷损失比冬天高。此外，保温箱内低温管道、阀门及其他附件若布置不合理，特别是液相管线布置不合理，均会使跑冷损失增加。

(2) 冷量回收不完全

冷量回收不完全损失，是由于换热器热端离开装置的气体，未被加热到进入装置的另一气体所具有的温度而造成的冷量损失，其大小决定于换热器热端的温度差。

(3) 随液体产品带走的冷量损失

根据能量平衡的观点，随液体产品带走的冷量也是制冷循环中的一种冷量损失。其大小按下式计算：

（8）

式中： —单位时间随液体产品带走的冷量， ； —排出液体的流量， ； —被液化气体在装置进口温度和液体产品排出压力下的焓值， ； —排出液体产品的焓值， 。

(4) 泄露损失

泄露损失是指装置在运行中漏气、吹洗及换热器切换所损失的一部分加工气体而带走的冷量。其大小由泄露状况（漏气、吹洗等损失的加工气量）和换热器形式、大小、切换周期和切换前压力差等因素决定。

1. 2. 启动冷量损失

启动冷量损失是指从装置启动到装置正常运行这段时间的冷量损失。

启动过程是一个不稳定过程，在此过程中各种冷损随时间而变化，直到正常操作才会稳定下来。例如跑冷损失，在开始启动装置时，装置处于环境温度下，此项冷损根本不存在。但是随着装置的逐渐冷却，跑冷损失量逐渐增加，其增加趋势需要一个较长时间，甚至在启动过程结束后，由于保温层绝热材料还在继续冷却，跑冷损失的增加趋势仍然存在，一直到绝热材料达到稳定温度后，跑冷损失的大小才能相对稳定下来。

参 考 文 献

[1] 沈维道，童钧耕. 工程热力学[M].北京:高等教育出版社，2007.

[2] 吴业正,韩宝琦.制冷原理及设备（第2版）[M].西安西安交通大学出版社,1997:101-114.

[3] 盛健，李蕊，申晓宇等. 两级压缩制冷循环热力分析[J].制冷与空调，2008，22(5)：100—103.