[发明专利]一种等价热力变换分析法

摘要

本发明提出一种等价热力变换分析法，其特征在于：根据有效能消耗总伴随着热量输运全过程的各环节的物理事实，定义了制冷/热泵系统各换热过程的等效热力平均温度、实际循环的等价循环的高、低温热源温度，把实际有限热容热源变温源传热问题，等价变换为两个恒定热源传热问题处理，把实际不可逆循环的制冷/热泵循环系统等价变换为简单的逆卡诺循环系统进行分析，并提出了温度-热量TR-q图，辅助分析系统的性能和各环节的有效能消耗，使得实际复杂的制冷/热泵循环系统的性能和有效能消耗分析，简便得如同分析逆卡诺循环系统一样；另外，本发明的等价热力变换分析法也可以用于热力系统的性能分析。

主权项

1.一种等价热力变换分析法，分析制冷/热泵设备的性能系数COP和输入功量的消耗情况，被分析设备是包括有工质循环，工质与高、低温热源流体换热，工质与功源进行机械能交换的制冷/热泵系统，制冷/热泵系统的工质循环包括从低温热源吸热，压缩工质输入功，向高温热源放热和节流膨胀四个过程；设备在吸收和排放热量过程以及工质循环中都存在有效能的消耗，能量的迁移和转换遵从能量守恒定律或热力学第一定律：即工质与高温热源的换热量q_h减去工质与低温热源的换热量q_e等于工质与功源交换的功量w，数学式为q_h-q_e＝w；在制冷热泵设备中，工质循环被输入功，热泵设备的性能系数COP定义为工质循环输出量q_h与输入功量w之比，数学式为：COP＝q_h/w；无传热温差和无循环不可逆损失的制冷/热泵循环称为逆卡诺循环，逆卡诺循环的热泵具有最高的性能系数COP_C，其数学式为：COP＝1/η＝1/(1-T_e/T_h)；把包括热源流体在内的制冷/热泵设备称作制冷/热泵系统，实际的制冷/热泵系统都存在换热器传热和工质循环不可逆过程的有效能消耗；本发明提出的一种等价热力变换分析法，就是为分析实际制冷/热泵系统的性能和各环节有效能消耗：内不可逆工质循环的有效能消耗，工质与高温、低温热源换热过程的有效能消耗，高温和低温热源流体带来的有效能变化，提供简便的新方法； 其特征在于：对所论制冷/热泵系统的过程或循环采用等价热力变换原则，在保证能量变化量和有效能变化量在变换前后相等的约束下，定义循环工质和热源流体的换热过程等效热力平均温度，替换实际制冷/热泵系统的工质和热源流体的过程中变化的温度，把实际有限热容热源的变温热源传热问题等价变化为两个恒定温度传热的问题进行分析；定义工质等价循环的高温、低温热源平均温度，把实际热泵循环系统的工质不可逆循环等价变换为逆卡诺循环进行分析； 所述的换热过程等效热力平均温度T_R，ab的一般定义式为：工质或热源流体在过程中的焓变化量Δh_ab与其熵变化量Δs_ab的比值，或在过程中的换热量q_ab的绝对值与其熵变化量Δs_ab的绝对值之比值，其数学定义式为： 工质或热源流体的在过程中的有效能变化量ΔE_ab采用由过程等效热力平均温度T_R，ab与环境温度T₀的两个热源之间等价的逆卡诺循环热泵的输入功量表示，具体定义式为：在过程等效热力平均温度T_R，ab高于环境温度T₀时，过程中的有效能变化量ΔE_ab等于过程的吸热量q_ab与过程等效热力平均温度T_R，ab与环境温度T₀的两个热源之间等价的卡诺热机的效率η_R的乘积，相当于过程理论最大输出功量w_ab，数学式为： 在过程等效热力平均温度T_R，ab低于环境温度T₀时，过程中的有效能变化量ΔE_ab等于过程的吸热量q_ab与过程等效热力平均温度T_R，ab与环境温度T₀的两个热源之间等价的逆卡诺循环制冷机制冷系数ε_R的商，相当于过程理论最小输入功量w_ab，数学式为： 所述的工质等价循环低温热源平均温度T_R，e，也是实际循环中工质的低温换热过程等效热力平均温度，其定义式为：工质与低温热源换热过程14中的焓变化量Δh₁₄，也记作Δh_e，与其熵变化量Δs₁₄，也记作Δs_e的比值，或工质与低温热源的换热量q_e的绝对值与工质的熵变化量Δs_e的绝对值之比值，其数学定义式为 所述的工质等价循环高温热源平均温度T_R，h定义为：工质与高温热源的换热量q_h的绝对值或焓变化量Δh_h与工质与低温热源换热过程产生熵变化量Δs_e的绝对值之比，其数学定义式为 所述的工质循环中工质与高温热源流体的换热过程的等效热力平均温度记为T_R，23，定义式为：工质与高温热源的换热过程的焓变化量Δh₂₃与工质的熵变化量Δs₂₃之比值，或工质与高温热源的换热量q_h的绝对值与工质的熵变化量Δs₂₃的绝对值之比值，数学定义式为： 。