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1、拥效率几种计算方法的分析比较 河化工学 院俞颐秦 一 问题的 提出 通常对热 工设备进行热 性能评价 的主要指 标是 热效率 但因热效率只是 从能量数量 仁进 行比较 因此带来了一系列弊病 它不 能反映 过程 内部不可逆性 引起的作功能力的下 降 其 数值并不代 表热工设备动力性能的优 劣 而仅 仅从数量上 表示了能量 转换 的水平 炯作 为一种评价能量价值 衡量作功 能力 的参数 它不 仅可从数量 和质最的结合 L 评定 能量的品位 而 且可对热力过程和循环进 行全 面 的热力学分 析 指 出内部因不可逆性所 引起 的作功能力的减少 说明热工 设备的热力学完 善程度 拥分 析是在炯平衡 基础
2、上进行热力学 分析 的一种方 法 其结果可 以用佣效率表 现出 来 拥效率是 同质能量的比值 它既考虑 了能 的数量 又 考虑了能的质量 比热效率 明确合 理 便于对用能系统和各类热工设备进行 分析 比较 以热力学 第一定律为基础的热效率 经过 近百 年的摸索 推敲和实践 对各类热工设 备已 经形成了比较一致的明确计算方法 但是 拥及 拥效率的概念 却是热 力学 近些年来新发 展的 内容 其观点 定义 计算方法很多 单就拥效 率来说 同一 种热工设备 其计算方法往往有 四 五种之 多 从计算结 果来看 数值上差别也 较大 这就给用媚参数对热工 设备进行分 析比 较的工作带来 困难 因此有 必要
3、确定比较统一 的 大 家公认的热 工设备拥效率计算方法 二 热效率的一般提法 目前对佣效率的定 义方法很多 如 收人 的烟 消耗 的拥 作功 能力的收入 作功 能 力的 消耗 流 出系统 的佣 流人 系统的姗 系 统姗 的 变化 供人能 源佣 的变化 这 里除了分子 分 母都为同质的能量相 比这一相 同点 外 上 述 定义方法并未明确地概述各种热工设 备拥效率 的 内容 对于不 同热 工设备 因其内部热力过 程和能量转换关 系各不相 同 佣效率 的定义条 件 和系统 范围也有所不 同 此外 一些国家的 学者把拥效率的概念推广应用到其他工业 民 生 和商业等领域 如炼钢 制铝 汽车运输 家 用电
4、器等 其拥效率内容 更需进行特殊的定 义 就热 工设备来说 综合比较各种佣效率表 示 法 本文认 为M A a P i o le n 和 M D u B g rh a d r t 的过程拥效率与循环佣效率的提 法比较合 理 热工设备 按工质的热力过 程 可分为 两大 类 一类是工 质在设备中只经历了某一状态变 化 过程 但并没有 构成循环 理论上工质与外 界 最大的功量交换只与过程起 终点工质状态 有 关 即与工 质在过程起点 终点的佣值差有 关 而反映作功能力和动力性能的烟效率必定 是取决于工 质在过程中佣 的变化 这类热工设 备的锅炉 换热 器 汽轮机 压气机 太阳 能集热 器 等 它们的
5、佣效率 属于过程拥效率 另一类热 工设备为工质的热力过程构成一 循 环 包括 在大气 中工质状态回到 原点 其对 外功量交换只与热源 冷源和内部不可逆程度 有 关 而与工质起 终点 状态无关 它们的佣效 率 取决于循环 与热源 和冷源间交换的 热 佣 值 以及构 成循环 各过程的佣 损 无疑 这是循环 拥效率 此类热 工设备如内燃机 燃气轮机 蒸 气 动力循环 制冷机 热泵 等 原 则上两种佣效率可 以这样表示 佣效率 刀 一 过程或循环中工质获 得或 输 出的佣 值 外界加人 能量中的拥值 但对于 不 同热工设备 因功能不 同 限定范 围不 同 其具体计算方 法也有所不同 三 热工设备溯效率
6、 1 锅炉 目前 有据可查的锅炉拥 效 率表示 方法有 下列几种 D e 一 e B p J 一 1 式中 D 蒸发量 B 燃料量 p 燃料低位 发热值 s 燃料拥系数 伽 蒸气 和给水 的拥值 通常锅炉燃用的是固体燃料煤 如果忽略 其中水份 8 1 将锅炉热效率 五汽一人水之 B p 代人上式得 D 人 一 入 一 T S汽一S水 B Q d 一 l 一 势 二李 h汽 一 合水 刀 汽 一 e水 B Q d l 一 T T 式中 了 环境温度 孔 理论燃烧温度 2 D 汽 一 水 B Q l 一 T O T刃 3 式中 T 烟气平均温度 D 亡汽 B Q 团 D e水 么换热器 对 图 1
7、 所示换热器 其拥效率有下述 各种 表示方法 石 一 石 1 E h 一 E hZ l E E几 一 E oZ 2 E E E c 3 E E 乃 E E c 4 E 一 E E 5 E E 6 式 3 及式 4 将冷热流体混合看成一个 D 汽 B Q l 一 T T c D e水 式 2 以烟气的热拥 作为外界供给锅炉的 拥值 它在燃料燃烧 热平衡的基 础上得到烟气 理论上最高温度乙 烟气的热拥 按 T 和环境 温度 T 间工作的卡 诺循环输出功 量 来代表 即 E 口 l 一 T T 在式 3 中的 T 值 是 烟气放热过程的 平均温度 但是以 E p d 臼一0 T T 作 为烟气的热拥
8、值是不合理的 因为在 E Q 和 E Q 间已经产生了温差传热 的不可逆性所引起 的 烟损失 此两式都忽略了燃烧过程不可逆性 产生的佣量损失 计算出的拥效率皆偏高 而且 式 3 高出的幅度更大些 式 4 及式 5 将给 水的佣值作为外 界供给锅沪 的佣 是不 合适的 同时 气 不 能反映蒸气在锅炉中真正获得的 佣 值 按本定义 认为式 l 比较合理 即 D 汽 一 水 D 人 汽一几 一 T S汽一S水 B 6 Q 沙 式中 五和s 分别为工质的比焙和比嫡 那 一 热流体 一 E儿 c E一一 冷流体 c a E 图1 换热器 系统 对换热器的 目的作用来说 如此计算佣效 率是 没有意义的 换
9、热 器是热流体放出热 量 冷流体接受热量 达到降温或升温 的目的 拥 效率是 衡量能量转换过程 冷流体从热流 体获得 作功能力程度的指标 将冷热流休混合计算 不能反映这 种特性 显 然 式 3 及式 4 是 不合理的 式 2 及式 3 以 Ec Z 代表冷流体获 得的拥 式 匀及式 6 以 E 代表热流体供给 的佣是不确切 的 作为炯效率 的正式 计算式 这 些表示方法不全面 本文认为式 l 较为合 理 能 确切地反映换热 器的热力学 完善 程度 3 汽轮机 目前多种文献对 汽轮机 拥效率的 表示 法比 较一致 汽轮机相对 烟效率是同一工 质理 论作 功能力与实际作功能 力的比值 工质 输 出
10、的 佣 即实际对外输出的功量 w 外 界输人的佣 理论作功能力 为蒸气进 出汽 轮机的拥 值差 产 夕 止 少 了 Z 刀 一 一 万 5 甘如 E 一E Z 在忽略工质进 出口流动 之能的情况 下 其相对拥效率为 一卫匕一 才 E 一 石 H 一H 一 T S 一 5 2 刀t l一 望兰互 圣 二皿 H 一从 式 中 汽轮机相对内效 率 月 月 2 5 1 5 2 分别为蒸气进 出口的 烩值和嫡 值 4压气机 压 气机和汽轮机一样 炯效 率的计算方法 比较 一致 在气体压缩过程 中 外 界供给的拥 值即为它实际所 消耗的机械功甲 工 质 获得 的烟 为压 缩过程 中工质拥的增加 石2一E
11、l 功量大 小 炯值 只能是想象而已 因 此都应从 地球表面考 虑 口 为地球表面接 受 太阳辐射 能量 I 为达到地球表面 太阳辐 射强度 A为在 地球表面上集 热器被照射面积 T 为太阳光照 射到 集热器 上温度 只有在 此基础上计算 才 比较科学合理 所以 本 文认为 根据 上述参数 定义 利用式 2 式 3 计算 是合理的 式 2 式 3 实质上是相等的 因为 T八 H 一H 丫 J 吸i 一一 一 月 2 一 月 i 一 逮 一一 T厂 T E Z 一 E 刃 己 一 二丁一一 一 体 H 一H 一T 5 2 一 S 体 212一厅 一 T O 5 2 一5 1 2了 一 E i 6
12、 热机循 环 对 于内燃机 燃气轮机或蒸气动力循环 电 厂 其循环炯 效率有下述 三种计算方法 5 太 阳能集热装 置 太阳能 集热装置的拥效 率 主要有下述三 种表示方法 E 一E I Q l 式中 口 太阳辐照能 量 E E Z 集热 器工质 进出 口拥 W B 夕 1一T T e l 式 中 w 循 环 向外 作 出的 功量 W B 6 Q d 2 式 中 8 燃料的佣系数 石2 一 E 2 1一一一里互 B s 夕 d 3 口0 1一T T 式 中 T 集热 器接收温度 口厂1一 T T Q l一T T c 1一T T 了 1一T O T 3 式 中 口 J 系统工质吸收热量 T 工质
13、 平均 吸热温 度 刀 集热 器热效率 式 l 中把太阳辐射能量p 看成 了 等 于 太阳能的炯值 其理 论依据即太阳表面温 度高 达 T一6 0 0 0 在环境 温度 T 2 0 的情况 下 式 l 由于忽略了燃料燃烧不可逆 性所 引 起的拥损 因此计算出的 佣效率 偏高 按式 2 计 算较 为合理 对 于内燃机和燃气轮机使用的 液 体燃料 一0 97 5 固体 燃料 出1 忽略其含 有的微量水份 所以 6 p J 一Q 于是热 机循环的烬效 率可写为 W B口J 刃r 帅 一 豹 一 帅 一 器 一仇 但在地球 表面 此一 条件已不 具备 口 I A I为辐 射强度 A为被照射面 积 此时
14、 的辐射强度 I 已非太阳表面之值 相差上亿 倍 而且在太阳表 面 其温度 T 一 60 0 0 和地球 表面 T 2 0 夕间组成卡诺循环 工作 求其 按式 3 可 计算出烬效 率 其结果与式 2 完全相同 乏E 包括 内部 和外部佣 损失 计 算 时须对 组成循环 的各个过 程分别计算出 炯 损 然后叠加算出循 环总拥损失 7 制冷热泵循环 制冷 和热泵都 为逆向 循环 图 z按本 文定 义 对制冷 循环 计算式 有 下转第1 6 页 因此 单纯供电的蒸气动力循环的 用能不合理 性 用拥分析法 是揭示不出来的 因为它的烟效 率争 二 高达8 0多 从用佣和节烟的观 点来看 是 相当理想的
15、这种不合理性 只能用能级平衡 分析法 才能揭示 出来 因为 它的 能级差 口 一 0 46夕4 所以 发 展能级平衡分析法是有必 要的 但是 我 们注意到 能 级平衡分析法是在 传统的热平 衡分析法的基础上发 展起 来的 可 以说 后者是 前者的基础 而前者又 包括了后 者 因而发展前者并不意味着否定 后者 炯 平 衡分析法既可 评价用能过程 特别是 实现能量 转换 以获得动力的用能过程 它还可以评价系 统 的热力学完善性 揭示出热力学完善性意义 上的薄弱环节 因而发展 拥平衡 分析法也是有 必 要的 以上所述 的各种节能观点是 纯技 术 性 的 如 果还要考虑 到经济性 那么除 了要节能和能
16、 级匹 配用能之外 还要节 省投资 两者是矛盾 的 因此只能是依据 给定的具体 条件在 两者之 间求得 一个最优折衷 归 结起来 关于用能过程的评价 的各种观 点 可 用附表概括地说 明 冷 弓书召肠杏矛心石创卜玉魂布魂弓 召布魂峪越书心 召 否 忿 过 弓临 毯与魂心忍侣 上接第 3 3 页 热 系数 和 代 替制冷系数 8 和奸 即 形一 华 图2 逆向循环 口 1 l 一 了2 T O W l 式中 w 外 界消耗的功量 口 向环境放 出 热量 T T Z 分别为环境温度和冷源温 度 T 一T Z 二 艺 又 T 2 2 W 2 式 中 夕 2 从 冷源吸出的数量 制冷系数 外 逆 向卡诺循环制冷 系数 式 l 与式 2 是完全相等的 因为 9 1 一 羲 一 2 欲 一 此式为理论上从冷源吸 出热量口 2 所需要 的 外功 所以制冷循环拥效 率为 刃 尸 一 卡 热 泵循环分析方法 与之相同 只不过用供 四 结束语 还 有些计算方法 本文没有收进分 析 例 如 有的文献在计算电动热泵拥 效率时 以发 电 厂燃料热拥值 为计算基础 这样 不仅把热泵的 研究分 析扩大到发电厂循环
