提高蒸发温度，或 降低冷凝温度，制冷压缩机节能的量化计算

kingeng

The calculable work input under a higher evaporation temperature or lower condensation temperature.

* f7 t" V) U0 S. v' U$ a
3 v; P$ K) Y$ W- Y' I6 j) ]
8 i, V6 s9 Q* D6 ^/ [  ▼  热力学第二律图解

" l) r1 n; y& D& g6 ]

全世界在讲节能减碳。
/ x# {- [) ^* f/ u3 `6 a+ ?* G半导体业者对冰机场站（chiller plant）的用量犹大。
因此节能可供发挥的空间也满大。

一）一个冰机节能计算公式
* {( D$ l( H8 r$ {
公式  【1】
当蒸发温度发生变量△Te 时。压缩机用电量△Wt可以降低多少？
4 m- q+ \+ m" ~2 M( S  

   ------------ 【1】  
- f5 b0 L- I5 f$ x
6 r9 q, g  o" n7 k公式  【2】
当冷凝温度发生变量△Tc 时。压缩机用电量△Wt又能降低多少？

  -----------------------  【2】  

上式中：
Q_e --- 蒸发器制冷量（kW）
W_t --- 压缩机（理论）功率（kW）
" p, t5 k7 b! M' ?2 Q' xT_e --- 蒸发温度 （°K，273.15 + °C）
T_c --- 冷凝温度 （°K，273.15 + °C）
# n1 O# T4 k9 E9 a0 G; K( [" T
& v, @0 Y2 t! q8 P! Y1 F例题计算：
; Q' z  A0 g  F1 S' E设，冰机的额定条件和工况：蒸发器制冷量 5000kW。蒸发温度Te =5℃，冷凝温度Tc= 35℃。

+ D* T( C4 J  h设，蒸发温度提升值，△Te  = 6℃ -5℃ =  1℃，压缩机功率减少量△Wt = ？
代入等式【1】  ，有：        
△Wt = - (Qe•Tc / Te^2  )•△Te  
= -（5000 •[273.15+35℃]）/ (273.15+5℃)2•1
5 Y% |" X6 z5 J7 a( r= - 19.77 kW           （负值表示功率输入量减少）
& {9 n0 t) ]6 R9 n! \) w
9 p- j0 K. _1 ^6 F$ r同上条件，
7 z+ O( `9 I8 |3 i设，冷凝温度降低值 ， △Tc  = 34℃ -35℃ = - 1℃，压缩机功率减少量△Wt = ？
- @5 _! a# b$ y/ {. ^代入等式【2】  ，有：
△Wt =  ( Qe / Te )•△Tc   
= (5000 / 278.15℃)• -1℃
6 a* N+ U. I5 s* p$ T9 w7 x7 K= - 17.98 kW         （负值表示功率输入量减少）
4 E* `$ g5 R8 P0 N) ~8 @: [2 W: X
以上面例题【2】的计算结果（单机省电额）。假设， 某厂3台冰机运行在85% 负荷，冷凝温度Tc降低一度，能够降低冷媒压缩机用电 45.85 kW。一般, 制冷量5000kW冰机，冷却塔风扇单机配电功率为 40～45kW。省出的电量够支持一台冷却塔风扇运行。

3 {* F/ |5 o1 u& q/ g0 }公式计算是“兵棋推演”。实际情况的结果还是要实测数据说话。
/ y" b8 t% {- G2 J9 k6 C2 s有兴趣、有条件的同业朋友，不妨在冰机运营跑车时做短时间的实证。假设，冰水的离机温度为n（°C）。暂且调低以n – 1 （°C） 作短暂运行。
0 P) l" G7 J$ x8 U! ]% x8 x待新工况稳定后，做 n 和n – 1（°C）的用电比较。2000年以后出厂的冰机一般有LED显示屏看FLA （Full Load Amps ）trend 。
- ~$ f- o9 R! O7 `
/ O* z9 q5 A5 l$ b7 D==========================
+ V" R) }* ^$ x7 c- V5 P

' _% k/ G0 d- y3 w
# N. J& a  q2 w

" b! ]! t8 s4 ]# O1 n
; s  |' r. P* O# c3 Y& J[ 本帖最后由 kingeng 于 2010-9-27 21:56 编辑 ]

kingeng

二）前述等式【1】，【2】的推导：

  A3 y' n- ~4 ]1 a( ~有通用的制冷系数COP（或称能效比）方程式：

   ------------------ [ a ]
% d2 Z% G" C) a0 o* H( x
0 l' G. Z# V: f- ]根据热力学卡诺逆循环原理，在可逆过程条件下有：

    -------------- [ b ]
  {2 P) l- d! ?# D' s
合并等式 [ a ], [ b ] 得：

    -----------  [ c ]

整理得：

8 f( C$ H) W; |! t8 s( x/ v

-----------  [ c ]

4 B  `" P2 b7 s" a% B5 D, ?9 e
0 t7 H. U  F4 {( t$ \
对等式  [c] 两边的变量，以（压缩机输入功）Wt 为函数，对自变量（蒸发温度） Te 求导，得:
) W3 f0 j" z  Y. ~% D

: x2 u3 g$ S6 Z$ o- d3 v/ Y
8 x. q# G6 o1 e' Q. R


当函数 Wt = f (Te) 在自变量Te 处，导数f ’(Te) ≠ 0，且|△Te | 很小时，我们有近似值公式：

3 Q! @, p* ^0 Y2 D5 D
3 S6 g3 v- h& \, g+ @

  
; F5 m# p) w7 \& m; l/ f

  R5 f+ d" Q. C5 f. J/ y. ]2 V4 k即：
$ m, n# s* r2 _8 h8 w2 _  ?4 d
2 M7 Q* R7 S, V. a

    ---------------  【1】
: [+ A- o% M# @; \

3 |0 F8 A1 z0 M' Z8 {! R) [再，以（压缩机输入功）W_t 为函数对自变量（冷凝温度） T_c 求导，得：
5 i" U( m$ O  I+ U) \& V
5 Z: [: U1 {/ m7 r( f  e

0 E+ d8 ?; f8 H/ ?4 V& T8 T; J
同理，得：
+ a! L" z3 r! g3 Z/ v  e/ I

   ----------------------- 【2】

) F6 ~; D- e$ b% d- R/ p3 y6 F1 ?
推导完毕。
; |% T0 h/ E' |  m  e% s! \
有关计算的给定条件，及与实际结果可能误差的几点说明：

# [/ B! {' V/ f6 F% z1）制冷系数COP方程式 [ a ] 是通用式。

2）一旦导入了等式 [ b ]的条件，COP = Tc /（Tc – Te ）。即，直接由低温热源温度Te和高温热源温度Tc算出的，是为封顶的最大值COP （例如，当Te=5°C，Tc= 35°C的COP最大值 = 9.27）。这里，摒弃了所有冷媒（汽态/液态）流程的、机械的、电气的损失，是不含“杂质”的，纯粹推动热从低温热源Te流向高温热源Tc的纯功Wt。


3）等式 [ b ]的条件，基于理论原理作了热力交换过程，是可逆的过程的假定。而任何实际的热力过程都是不可逆的。

: M; ]2 `1 K2 V% e# }: a% G举例说，
/ o1 b/ N( S* R8 R. P+ m2 a*  饱和冷凝温度Tc 和与之对应的饱和冷凝压力Pc，理论假设的是蒸汽工质“通过准静态过程”达到的“准静止状态”。而实际情形的蒸汽工质是通过压缩机叶轮出口，扩压环、膨胀蜗壳管高速度“飞”出来的，由动能转化为静态的压力势能。这种工质实际“飞行”的动能在压焓图并不反映（压焓图只反映静态参数），而实际上却客观地存在着，可视为能量的“流程损失”。
$ B1 v3 O- k7 a, X2 W8 U* m*  其次，驱动蒸汽工质“飞行”，工程师有很多手段。可以用活塞式、螺杆式、叶片式、离心式，等等。各种压缩机有自己的压力、流量、效率特性，业者根据各种设计的需求做最佳效率配置。但机械能不可能百分之百转化成蒸汽流的动、势能。是为又一种能量的“机械损失”。
*  再其次，电动机传递功给压缩机，也不是百分之百过账。一部分转化成机械功，一部分在线圈绕组发热。所以再加一能量的“电气损失”。
& a, @# i* o4 G& Z& j
% B2 [) F1 s! [  U) d, A0 I由于包含了上述的各种“损失”，使得为制冷空调所投入的功量就相当的“不纯”。实际测试的结果，不管在OEM的样机试车台，还是在客户运营现场，相同的Te/ Tc条件下，制冷设备的蒸发制冷量Qe和压缩机电气功量Wt之比，都必定小于等式 [ b ]，COP = Tc /（Tc – Te ）的计算结果。

8 H8 R/ L0 W) _1 k+ T
4）因此由等式【1】、【2】计算出的冰机节能数值ΔWt 也是保守的、谨慎的纯值。其实测数值应该较之为大。
: j0 d/ \4 O, `; }
工程 是实证性科学。终究以产品的实测数据为依归。在资源投入之前做个估算，可以帮助了解大概的方向和深浅。

( |: @( C  g; O4 `' c3 ]. C& H欢迎切磋。

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: N& s3 T# [& B! U# u




9 t2 s+ q+ M  d! F' ^/ M* Z
, W, H/ @7 L  Q4 L$ ]3 F
[ 本帖最后由 kingeng 于 2010-9-27 17:09 编辑 ]

Dailei31

希望看到有更多同行参与讨论,有实际测量数据最好.

eversky

我看楼主发了几个比较好的帖子，想必楼主是做技术的，而且是主机厂家的

kingeng

2008年10月14日上午。
本冰机 FLA 100%  时为 125A，工作电压 6.6KV

▼  9点23分，离机温度 12.4°C，电量输入FLA（full load amps）99%。
( p) b) c/ D9 ^8 n# x4 |& O

, |5 z% ^3 k; w- R
" Z4 H% |' X8 m+ P. t▼ 9点40分，离机温度 13.0°C，电量输入FLA  87%。降幅12%。

% ~* L# X+ N  S7 m; {) F& K▼ 9点33分，上面两个时间点之间的，电量输入FLA 的变化趋线（红色线）。

3 l- G. w* A) f! m) \有兴趣的朋友可以尝试自己调试，体验一下制冷深度变化后……，能量消耗变化的感觉。
) p4 N, u' g. Y& \9 T之后，我们可以再讨论一些节能的方法。

[ 本帖最后由 kingeng 于 2010-9-8 14:33 编辑 ]

lake2011

很专业的节能点子，此理论再结合冰机的性能曲线，我想一定有节能的功效。

mle

感谢分享资料！
+ n! p) H3 D- d3 ^4 A