湿空气热力过程的火用分析喷漆房

湿空气热力过程的火用分析

湿空气热力过程的火用分析 2011年12月09日 来源： 0 引言火用（exergy）分析是研究能量转化的重要方法，已在能源领域得到广泛的应用。在空调领域，由于在处理湿空气的时候既存在热量的传递又存在物质的传递（湿度的变化），使得湿空气的火用分析复杂程度增加。在能源、化工、材料等领域的火用分析方法已经发展得比较完善，很多可以借鉴到湿空气处理过程中。但是，针对空调的具体应用条件，侧重点有所不同。火用分析的关键问题是参考点的选择，下面简要介绍一下历史上对零火用参考点的论述。从60年代末至今，关于参考状态选择的争论从来没有停止过。所谓参考状态是人为定义的一个环境状态，它实质是一个在一定压力下的无穷大的热源和无穷大的物质源。参考状态不是随意选定的，对于参考状态的选择原则，Brodjanskij指出作为参考状态的环境介质模型应该具备3个条件：一、与系统作用时保持不变；二、环境介质应该在热力学平衡的范围内；三、接近实际运行的条件或不能相差太远。至今已经提出了许多环境模型来确定参考状态，如Ahrendts的环境模型、Szargut的环境模型以及Kameyama和Yoshida环境模型以及郑丹星等提出的环境模型等。这些模型并不是专门针对湿空气，而是涵盖了能源、化工、材料等等诸多领域的第二定律分析的参考点，其中包涵了自然界中所有存在的物质，涉及到每种化学元素复杂形态。专门针对湿空气火用分析的理论最早是由Szargut（1969）和Wepfer et al.（1979）提出的，后来陆续有国内外学者如朱明善（1985），Moran（1989），Bejan（1996，1997）等对该理论进行过阐述。继之，有学者应用热力学第二定律的思想来思考湿空气的热力学过程，Jung Yang San(1985)，Cammarata(1997)，Fratzscher(1997),任承钦等应用该理论分析实际的湿空气处理过程，湿空气火用分析问题的焦点是环境参考点的选择，不同参考点令分析结果大相径庭。已经有大量的文献对环境状态的选择的文献做过综述，由于篇幅限制本文只对涉及到湿空气火用分析参考点的选择进行归纳。总结所有的环境模型，大致可以将它们分为以下三类：1）取环境大气参数作为火用分析参考点；2）取环境大气平均气象参数作为火用分析的参考点；3）取环境温度下的饱和空气状态为火用分析的参考点。其中第一种取法目前最为广泛的被采用。Wepfer et al.（1979）选择ARI的标准室外工况作为湿空气的零火用状态，推导了湿空气的火用的表达式，并分析了基本的几个湿空气处理过程。Jung Yang San (1985)利用该参考点分析的转轮除湿冷却系统的火用耗散。在Moran (1989)及Bejan et al.（1996，1997）的著作中，对湿空气的火用分析的理论进行的综述，介绍及分析该理论时采用的参考点为ARI的标准室外工况。Cammarata et al. (1997)采用了与Moran同样的方法，对全空气系统进行了火用经济分析及优化。以上的分析的共同特点都是选取的ARI的标准室外状态为参考点的。第二种参考点的取法实质上跟第一种取法没有本质区别，只是考虑了室外状态的波动，取某一时段平均气象参数为火用分析的参考点。开创这种参考状态选取办法的是东欧的J. Szargut和Styrylska（1969）。之后，Brodjanskij总结了局部环境介质的概念，采用局部环境模型来分析热力过程；并且还做过空调系统的火用分析的计算，取用的湿空气的零火用参考点分时间区段计算环境参数平均值。前两种参考点的确定都是选取大气参数，而大气一般是不饱和的，不饱和的空气与水接触，会有一定的吸水能力。第三类参考点的选取方式就是考虑到空气与水的平衡状态，选择环境温度下饱和空气为零火用参考点。Ahrendts的环境模型与Kameyama和Yoshida环境模型就是选取的饱和湿空气作为零火用参考点。Koro Kato (1985)在对干燥过程进行火用分析的时候，采用饱和湿空气作为零火用参考点。另外，任承钦 (2001)在用不饱和室外状态为零火用参考点分析表冷器火用效率时，发现如此算出的表冷器的火用效率极低，在选择饱和湿空气为参考点分析后得到了更为理想的结果。本文在分析选择零火用值参考点的基础上，着重研究了利用不饱和湿空气和水以及具有吸放湿能力的介质，在不投入其它能源的情况下，忽略风机水泵的能耗，可以得到高于常温的热源，较低温度的冷源以及比大气更干燥的空气。通过对上述问题的分析，验证了零火用值参考点选择的合理性。进而从热力学第二定律出发，探讨各种湿空气处理过程中的可用能转换规律以及自然界非饱和空气中可用能利用的可行性。1 湿空气火用分析参考状态的选择在空调系统中，湿空气火用参考点应选用上述第三种选择方法。具体理由阐述如下：空调设备所针对的现实环境中空气和水都是大量存在物质，可以认为是无代价可以得到的物质。把空气作为无限大的热源，水作为无限大的水蒸汽源，不饱和湿空气和水尚未达到热力学平衡态，不饱和空气与水接触会自发发生水蒸发、空气趋向饱和态的过程。这种自发进行的过程进行的终点就是上述的饱和点，即0火用值参考点。这个点应该是大气温度下的饱和湿

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