热力学第二定律与冷库微机控制节能

    1前言

    任一设备或装置实施自动化控制的目的无非有四:一是减轻劳动强度;二是提高劳动生产率;三是提高控制精度;四是节能。应该说,采用常规控制的冷库,其控制自动化程度已可达到很高的水平。它能实现库温、制冷剂过热温度、冷却水量等参数的自动控制,也能根据负荷变化自动起停制冷压缩机或改变其工作缸数。但要使其能随环境温度的变化而自动改变运行参数,从而达到进一步节能的目的,虽说不是完全不可能,但可能会使整个控制系统变得非常复杂而不可行。然而,一旦冷库采用微机控制,这一问题的解决变得很现实。在任一工况下使制冷剂的蒸发温度自动地随环境温度(即制冷负荷)的变化而变化,并在满足冷库对制冷量要求的前提下使之与冷库温差达到最小值时,此时其能耗最小,其理论基础是热力学第二定律。

    2热力学第二定律及制冷系数

    热力学第二定律有多种表达方式(但各种表达之间是完全等效的),其中克劳修斯表述为:/不可能把热从低温物体传至高温物体而不产生其他变化。0换句话说,热量从高温向低温传递是一不可逆过程:热量不会自发地从低温热源向高温热源传递,要使这一过程向着相反方向进行,即要使热量从低温热源向高温热源传递,外界就一定要花费代价。很显然,温差越大,外界所要花费的代价就越高。制冷装置的功能就起着热泵的作用,将热量从低温热源(如冷库)泵送到高温热源(即外部环境)。其代价即是制冷压缩机所消耗的压缩功(严格地说是整个制冷循环消耗的净功)。

    为叙述方便,本文以逆卡诺循环替代实际冷库常用的蒸汽压缩式制冷循环来进行论述,即以绝热膨胀过程替代实际的节流膨胀;以等温放热过程替代实际的冷凝过程。由此所得出结论可直用于实际的制冷循环。图1为表达在温)熵图上的逆卡诺循环。其中1~2为等温吸热过程,2~3为绝热压缩过程,3~4为等温放热过程,4~1为绝热膨胀过程。在整个热力循环过程中,系统从低温热源T2所吸收热量(即相当于制冷量)Q2=面积A1-2-6-5-1(kJPkg);系统排放到高温热源T1的热量(即相当于冷凝热)Q1=面积A3-4-5-6-3(kJPkg);制冷系统消耗净功(等于过程2~3消耗的压缩功减去过程4~1所回收的膨胀功)W=面积A1-2-3-4-1(kJPkg)。且:W=Q1-Q2。

     逆卡诺循环的制冷系数:

    这里,Q2为制冷装置通过热力循环所获得的产品即制冷量,W则为外界为获得此制冷量所花费的代价。很显然,T2越低,T1越高(即温差越大),则F越小。也就是说,为获得相同的制冷量Q2所要花费的代价即机械功W就越多。而当T2等于T1时,W为零,F为无穷大。但此时的/循环0和/制冷量0已毫无意义。