熱力系統(tǒng)（火用）分析及其在壓縮式熱泵中的應(yīng)用

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發(fā)布日期：2008-05-08 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽次數(shù)：415

摘要：從“量”和“質(zhì)”兩個方面規(guī)定了能量的“價值”，解決了熱力學(xué)中長期以來沒有一個參數(shù)可以單獨評價能量價值的問題，改變了人們對能的性質(zhì)、能的損失和能的轉(zhuǎn)換效率等問題的傳統(tǒng)看法，提供了熱工分析的科學(xué)基礎(chǔ)。本文簡要介紹了熱力學(xué)上（火用）的相關(guān)概念及其在熱力系統(tǒng)能量平衡分析中的應(yīng)用，并運用這種方法對采用壓縮式熱泵的采暖系統(tǒng)進行了（火用）分析。

關(guān)鍵詞：熱力系統(tǒng) （火用）分析壓縮式熱泵

0 引言

“（火用）”，作為一種評價能量價值的參數(shù)，從“量”和“質(zhì)”兩個方面規(guī)定了能量的“價值”，解決了熱力學(xué)中長期以來沒有一個參數(shù)可以單獨評價能量價值的問題，改變了人們對能的性質(zhì)、能的損失和能的轉(zhuǎn)換效率等問題的傳統(tǒng)看法，提供了熱工分析的科學(xué)基礎(chǔ)。同時，它還深刻揭示了能量在轉(zhuǎn)換過程中變質(zhì)退化的本質(zhì)，為合理用能指明了方向。

熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給加熱的對象（溫度較高的物體）。目前國外熱泵技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用，并且仍在不斷發(fā)展。隨著國家對節(jié)能和環(huán)境保護工作的重視，我國熱泵的研制和推廣工作也得到了迅速發(fā)展。在我們暖通空調(diào)領(lǐng)域，熱泵尤其是壓縮式熱泵有著非常廣泛的應(yīng)用前景。本文從“（火用）”這個角度出發(fā)，對壓縮式熱泵在采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了（火用）分析。

1 （火用）與能量

以前很長一段時間，人們習(xí)慣于從能量的數(shù)量來量度能的價值，卻不管所消耗的是什么樣的能量。眾所周知，各種不同形態(tài)的能量，其動力利用的價值并不相同。即使是同一形態(tài)的能量，在不同條件下也具有不同的作功能力。“焓”與“內(nèi)能”雖具有“能”的含義和量綱，但它們并不能反映出能的質(zhì)量。而“熵”與能的“質(zhì)”有密切關(guān)系，但卻不能反映能的“量”，也沒有直接規(guī)定能的“質(zhì)”。為了合理用能，就需要采用一個既能反映數(shù)量又能反映各種能量之間“質(zhì)”的差異的同一尺度。“（火用）”正是這樣一個可以科學(xué)評價能量價值的熱力學(xué)物理量。

1.1 （火用）和（火無）的概念

各種形態(tài)的能量，轉(zhuǎn)換為“高級能量”的能力并不相同。如果以這種轉(zhuǎn)換能力為尺度，就能評價出各種形態(tài)能量的優(yōu)劣。但是轉(zhuǎn)換能力的大小與環(huán)境條件有關(guān)，還與轉(zhuǎn)換過程的不可逆程度有關(guān)。因此，實際上采用在給定的環(huán)境條件下，理論上最大可能的轉(zhuǎn)換能力作為量度能量品味高低的尺度，這種尺度稱之為（火用）（Exergy）。它的定義如下：

當系統(tǒng)由一任意狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時，理論上可以無限轉(zhuǎn)換為任何其他能量形式的那部分能量，稱之為（火用）^[1]。

因為只有可逆過程才有可能進行最完全的轉(zhuǎn)換，所以可以認為（火用）是在給定的環(huán)境條件下，在可逆過程中，理論上所能作出的最大有用功或消耗的最小有用功。

與此相對應(yīng)，一切不能轉(zhuǎn)換為（火用）的能量，稱之為（火無）（Anergy）。

任何能量E均由（火用）（Ex）和（火無）（An）兩部分所組成，即

E＝Ex＋An

1.2 能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律

從（火用）和（火無）的觀點來看，能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律可歸納為以下幾點：

（1）（火用）與（火無）的總量保持守恒，即我們常說的能量守恒原理。

（2）（火無）再也不能轉(zhuǎn)換為（火用），否則將違反熱力學(xué)第二定律。

（3）可逆過程不出現(xiàn)能的貶值變質(zhì)，所以（火用）的總量守恒。

（4）在一切實際不可逆過程中，不可避免地發(fā)生能的貶值，（火用）將部分地“退化”為（火無），成為（火用）損失。因為這種退化是無法補償?shù)模裕ɑ鹩茫p失才是能量轉(zhuǎn)換中的真正損失。

（5）孤立系統(tǒng)的（火用）值不會增加，只會減少，至多維持不變，此即孤立系統(tǒng)（火用）減原理。所以（火用）與熵一樣，可用作自然過程方向性的判據(jù)。

1.3 熱量（火用）

若某系統(tǒng)的溫度高于環(huán)境溫度，當系統(tǒng)由任意狀態(tài)可逆地變化到與環(huán)境狀態(tài)相平衡的狀態(tài)（又稱“死態(tài)”）時，放出熱量Q，與此同時對外界作出最大有用功。這種最大有用功稱為熱量（火用）Ex_Q。如果從熱力學(xué)溫度為T的恒溫熱源取得熱量Q，當環(huán)境溫度為T₀時，由熱量可能得到的最大功W_max，即熱量（火用）Ex_Q為

Ex_Q＝W_max＝＝Q

熱量（火用）具有下列性質(zhì)：

（1）熱量（火用）是系統(tǒng)放出的熱量中所能轉(zhuǎn)換的最大有用功。

（2）熱量（火用）的大小不僅與Q的大小有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的溫度T和環(huán)境溫度T₀有關(guān)。

（3）相同數(shù)量的Q，不同溫度T下具有不同的熱量（火用），當環(huán)境溫度確定以后，T越高，（火用）越大。

（4）熱量（火用）與熱量一樣是過程量，不是狀態(tài)量。

2 （火用）平衡與（火用）分析

在我們對熱力系統(tǒng)進行能量分析時，希望通過對能量形態(tài)的變化過程分析，定量計算能量有效利用及損失等情況，弄清造成損失的部位和原因，以便提出改進措施，并預(yù)測改善后的效果。我們通常采用的能量平衡分析分為熱平衡（焓平衡）分析及（火用）平衡分析兩種。

2.1 （火用）平衡與（火用）損失

能量守恒是一個普遍的定律，能量的收支應(yīng)保持平衡。但是，（火用）只是能量中的可用能部分，它的收支一般是不平衡的，在實際的轉(zhuǎn)換過程中，一部分可用能將轉(zhuǎn)變成不可用能，（火用）將減少，稱之為（火用）損失。這并不違反能量守恒定律，（火用）平衡是（火用）與（火用）損失（不可用能）之和保持平衡。

設(shè)穿過體系邊界的輸入（火用）為Ex_in，輸出（火用）為Ex_out，系統(tǒng)各項內(nèi)部（火用）損失為I_i，外界作功為W，則它們的平衡關(guān)系為

∑Ex_in＋W＝∑Ex_out＋∑I_i

（火用）平衡不僅考慮了能量的數(shù)量，而且還顧及了能量的質(zhì)量。在考慮（火用）平衡時，關(guān)鍵是需要記入各項（火用）損失才能保持平衡。其中，內(nèi)部不可逆（火用）損失項在熱平衡中并無反映。因此，兩種分析方法有著質(zhì)的區(qū)別。但是，兩者相互之間又存在著內(nèi)在的聯(lián)系，（火用）平衡是建立在熱平衡的基礎(chǔ)之上的。

2.2 （火用）分析與（火用）效率

通常的熱量平衡和能量轉(zhuǎn)換效率并不能反映出（火用）的利用程度，因而我們引入了（火用）效率的概念。（火用）效率與能量轉(zhuǎn)換效率由類似的定義，所不同的是，（火用）效率是收益（火用）與支付（火用）的比值。（火用）效率_Ex為

有了（火用）效率的概念，我們就可以針對某個熱力系統(tǒng)建立（火用）平衡關(guān)系式，并對其進行（火用）分析，從而達到以下目的：

（1）定量計算能量（火用）的各項收支、利用及損失情況。收支保持平衡是基礎(chǔ)，能流的去向中包括收益項和各種損失項，根據(jù)各項的分配比例可以分清其主次。

（2）通過計算效率，確定能量轉(zhuǎn)換的效果和有效利用程度。

（3）分析能量利用的合理性，分析各種損失大小和影響因素，提出改進的可能性及改進途徑，并預(yù)測改進后的節(jié)能效果。

3 壓縮式熱泵的（火用）分析

“熱泵”是一種能使熱量從采暖物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用裝置。適當運用熱泵可以把那些不能直接利用的采暖熱能變?yōu)橛杏玫臒崮埽瑥亩岣邿崮芾寐剩?jié)約大量燃料。不僅如此，借助于熱泵，還可能把大氣、海洋、江河、大地中蘊藏著的取之不盡的低品味熱源利用起來。熱泵本身雖然不是自然能源，但從它能夠輸出可用能量這個角度來說，它的確起到了“能量”的作用，所以人們稱它為“特種能源”^[2]。

3.1 壓縮式熱泵的工作原理

熱泵的工作原理與制冷裝置相同，也采用逆循環(huán)。但其目的不是致冷而是致熱，即工作溫度的范圍與制冷機不同。它有兩種型式：壓縮式和吸收式。下面簡要介紹下壓縮式熱泵的工作原理。

壓縮式熱泵是以消耗一部分高質(zhì)能（機械能或電能）為代價致熱的，如圖3-1所示。低沸點工質(zhì)通過壓縮機壓縮，消耗外功W，使工質(zhì)的壓力和溫度升高。由于它的溫度高于供熱所需的溫度T_H，讓它通過冷凝器向室內(nèi)供出熱量Q₁而本身被冷凝。然后通過膨脹閥節(jié)流降壓，同時溫度也降低。由于它的溫度將低于采暖熱源的溫度T_L（一般為環(huán)境溫度T₀），在蒸發(fā)器中吸收外界熱量Q₂而蒸發(fā)。蒸氣再回到壓縮機繼續(xù)壓縮，完成一個循環(huán)。

　　　　　　　圖3-1 壓縮式熱泵系統(tǒng)
　　　　　　　　1－壓縮機；2－冷凝器；3－膨脹閥；4－蒸發(fā)器

衡量壓縮式熱泵的性能指標是“致熱系數(shù)”，即“性能系數(shù)”COP（Coefficient of Performance）。它是指熱用戶得到的熱量與消耗外功之比，即

COP＝＝

如熱泵完全可逆，即按逆卡諾循環(huán)1-2-3-4-1進行，如圖3-2所示，則此時的致熱系數(shù)最大，即

＝＝＝

實際上由于傳熱必然存在溫差，工質(zhì)向室內(nèi)放熱時的冷凝溫度T₁高于T_H，從采暖熱源吸熱時的工質(zhì)溫度T₂低于T_L。如果按工質(zhì)實際工作溫度范圍（T₁－T₂）計算其最大的致熱系數(shù)，則為

＝＝

由上式可知，如果（T₁－T₂）越小，或T₂/T₁越大，則越大。始終大于1。當T₂/T₁接近1時，將趨于無窮大。這說明熱泵所能提供的熱量在數(shù)量上是超過所消耗的功的。并且，當轉(zhuǎn)移熱量的溫差越小時，它的效果越大。就這點來說，利用熱泵采暖是最合適的。

實際的熱泵除有傳熱不可逆損失外，由于在壓縮機及膨脹閥中也存在著不可逆損失，所以實際致熱系數(shù)將小于理論值，即

＜＜

在確定了熱泵的工質(zhì)、熱力循環(huán)參數(shù)及壓縮機的效率后，可以利用工質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)圖表，計算出實際致熱系數(shù)值

＝

式中 ——熱泵有效系數(shù)。

3.2 壓縮式熱泵的（火用）分析

對熱泵的（火用）分析，其（火用）流圖如圖3-3所示。圖中斜線部分表示（火用）流，其余部分為（（火無））流。如果冷源的溫度T_L高于環(huán)境溫度T₀，則熱泵所吸取的熱量Q₂中，含有少量的（火用），其（火用）值為

Ex_Q,L＝Q₂＝(Q₁－W)

熱泵提供給室內(nèi)的熱量Q₁所具有的（火用）為

Ex_Q,H＝Q₁

圖3-3中，A為熱泵內(nèi)的各項（火用）損失之和。B為工質(zhì)向室內(nèi)傳熱時，由溫差（T₁－T_H）造成的（火用）損失。總（火用）損失為∑I_i。（火用）的損失系數(shù)為

＝＝∑_i

根據(jù)前面的（火用）平衡關(guān)系式

W＝Ex_Q,H－Ex_Q,L＋∑I_i

將前面幾個式子的關(guān)系代入上式后經(jīng)整理得

W＝Q₁

實際致熱系數(shù)為

＝＝＝

由上式可知，實際致熱系數(shù)偏離可逆卡諾熱泵的理想致熱系數(shù)的大小是取決于熱泵的各項（火用）損失系數(shù)之和的。（火用）損失越大，則實際致熱系數(shù)值越低。

熱泵的（火用）效率_e,H可表示為

_e,H＝＝1－

由上式可知，熱泵（火用）效率_e,H是包括了傳熱溫差（火用）損失在內(nèi)的有效系數(shù)，_e,H將小于熱泵有效系數(shù)。

4 供暖系統(tǒng)中應(yīng)用熱泵的（火用）分析

采用熱泵供熱是從室外（大氣、水和大地等）中取得熱量向室內(nèi)供暖。它能提供的熱量大于消耗的電能。相比其它的采暖方式，熱泵供熱存在著很大的優(yōu)勢。

4.1 節(jié)約電能

我們平常的冬季采暖要求室溫維持在20℃左右。如果直接用電加熱器采暖，在用能上是最大的浪費。因為電加熱器雖然能將電能全部轉(zhuǎn)換成熱能，1kW·h也只能產(chǎn)生3600kJ的熱。如果采用電動熱泵，由于其致熱系數(shù)遠大于1，因此可以向室內(nèi)提供幾倍于電量的熱量。例如，如果室溫T_H為20℃，室外氣溫T₀為-5℃，設(shè)它們與工質(zhì)的傳熱溫差為5℃，則

＝＝＝11.72

＝＝＝8.51

假設(shè)熱泵有效系數(shù)為0.6，則實際致熱系數(shù)為

＝＝0.6×8.51＝5.1

這說明可以提供消耗電力5倍多的熱量。換言之，在提供相同熱量的情況下，利用熱泵采暖可以節(jié)約80％的電力。

從能量的合理利用角度來看，消耗的電能W轉(zhuǎn)換成熱能后，提供給室內(nèi)的熱量（火用）為Ex_Q，其（火用）效率_e,H為

_e,H＝＝1－＝1－＝0.085

由上式可知，在電加熱過程中有91.5％的高級電能轉(zhuǎn)變?yōu)椋ǎɑ馃o））。而熱泵的（火用）效率_e,H為

_e,H＝＝＝0.43

為電加熱的5.1倍。熱泵將環(huán)境中的大量（（火無））轉(zhuǎn)移到了室內(nèi)加以利用，所以減少了（火用）的消耗，合理地利用了能量。

4.2 提高采暖余熱的利用率

余熱的有效利用程度與它的溫度水平有關(guān)，大量的余熱由于溫度水平過低未能被直接加以利用。而熱泵可以提高熱能的溫度水平，如果將余熱源作為熱泵的采暖熱源，熱泵從余熱源吸熱后向外供出更高溫度的熱能，以滿足用戶的需要，使采暖熱能得到了有效利用。因為采暖余熱源的溫度高于環(huán)境溫度，減少了熱泵的溫升（T_H－T_L），從而提高了熱泵的致熱系數(shù)，最終節(jié)約了電能的消耗。文獻[3]也從（火用）和熱經(jīng)濟學(xué)的角度對此作了詳盡闡述。

4.3 其他

除低溫余熱外，還可利用太陽能、地熱能、地下水等作為熱泵的低溫熱源，構(gòu)成一套總和用能系統(tǒng)，是有效利用自然界的可再生能源、改善人類生活環(huán)境的很有前途的措施之一。此外，熱泵供熱與鍋爐供熱相比，也可節(jié)約燃料，具體可參閱文獻[2]的相關(guān)內(nèi)容。

5 結(jié)束語

由上文可以看出，（火用）分析可以幫助我們找到更好更合理的采暖方式。總體來看，（火用）分析比能量分析更能分析事物的本質(zhì)，對不同品質(zhì)的能有了同一的量度標準。（火用）分析的作用主要有三點：①合理評價能量有效利用程度；②科學(xué)診斷各項能量損失的大小及比例；③指導(dǎo)正確的節(jié)能方向。隨著（火用）分析法的發(fā)展，目前正在形成一門新的學(xué)科——“熱經(jīng)濟學(xué)”，它為設(shè)計整個系統(tǒng)最優(yōu)提供了一條新途徑。

此外，我們可以看到，熱泵能夠使采暖熱能得到有效利用，達到節(jié)約能源、提高能源利用率的目的，應(yīng)該受到我們的高度重視。目前熱泵不僅是在采暖方面，而且還在干燥、蒸餾、蒸發(fā)等方面得到了廣泛應(yīng)用，并取得很好的經(jīng)濟效益。我國是一個能源并不富裕的國家，有著遼闊的采暖區(qū)域，同時也大量存在著可供利用的低位熱源。發(fā)展熱泵技術(shù)為解決工業(yè)和民用對100℃以下用能的需要，節(jié)省高位能量的消耗，將會有廣闊的前景^[4]。