制冷工质与热源匹配性能的理论分析与计算

    自从产生制冷行业，制冷剂就在不断地更新换代，而在能源危机和环境污染的双重压力下，混合工质以其独特的优势逐渐成为当今工质替代的一种发展趋势[1]. 文献[2]从热源的特性出发，结合热力学的基本原理以及制冷工质与热源间传热不可逆损失的特点，建立了传热过程不可逆损失与匹配性能之间的重要关系式，从理论上揭示混合工质节能的本质以及提高节能效果的有效途径.

    本文结合实际热力循环效率的高低受到循环介质和热源匹配关系的影响，利用文献[2]中的主要结论，通过两个计算实例，论证了改善循环工质与热源匹配特性的方法.

    1 匹配性能准则

    热源与热量虽说是两个不同的概念，但两者有着必然的内在联系，热源与系统以传递热量的方式联系着. 对于热源的概念，在经典的热力学中有一个精辟的解释，日常生活中遇到的“热源”，可以归纳为温度、时间或空间的函数. 传热量的基本公式可表示为：

    对(1)式求导可得

    因此，热源可以描述为其质量流率和物性参数(温度、比热容、密度)的函数[3]：

    根据文献[2]中的匹配性能指标 C 定义的关系式, 可以做如下修改：

    根据热力学基本原理可以推导出的工质与热源匹配性能指标 C 与传热不可逆损失 Ni 之间的关系式[2]：

    把式（5）反映在图 1 中可见，传热不可逆损失Ni 随无因次温度 Tr的增加而增加，改变 Tr的实质就是在热源和工质的进口温度确定的前提下，就是调整最小传热温差minΔT ，且当 Tr=1.0 时，在 C 为[0，1]区间上所有的 Ni 值都为 0；而 Ni 随 C 的增加逐步下降.

    当满足条件时，可以得到匹配性能指标C 的最佳值：

    对于传热过程中经历几个相区（如冷凝过程，经历了过热区、两相区和过冷区）的情况，可以表示为：

    2 实例分析

    匹配性能指标 C 不仅能评估热交换的性能，而且揭示影响这一过程的几种因素. 为了提高热力学循环，尤其是改善热交换过程中的热源与冷源间的传热效果，匹配性能指标有很大的作用. 为了使匹配性能指标 C 趋于 1，主要有两种方式提高换热过程中的匹配性能：一是改变工质的比热容 Cp，二是调整热源与工质两种流体的质量流量比值.

    2.1 改变工质的比热容 CP

    这种方法就是通常所说的采用非共沸混合工质作为工作介质的循环. 由于这时外界条件为单一流体的热源（或冷源），随着传热过程的进行，流体在不停地吸热（或放热），同时流体的温度也逐渐上升（或下降）. 对于纯工质来说，在等压相变过程中泡点和露点是相同的，则该过程中的匹配性能指标C 值趋于 0；而应用非共沸混合工质，其相变过程中存在着温度滑移现象，可以得出 CP不为 0，则该过程的匹配性能指标 C 也不为 0. 图 2、图 3 给出了纯工质和混合工质的循环示意图.