吸收式制冷循环系统的热力学分析.doc

吸收式制冷循环系统的热力学分析韦彬贵（柳州职业技术学院，柳州545006）摘要：从热力学观点讨论了工作湿度对于制冷循环系统性能的影响。分析了与循环时间有关的温度效率和熵产数。对于一个相对较短的循环时间，吸收/解吸收热量转换器的温度效率在200秒后可以达到92%。熵产数N，由在一个循环系统内在生成的不可逆性参数和热量转换器流体有效性参数之间的比率决定。结果显示，在使用一个30冷源的情况下高级吸收式循环系统的熵产数N，在热水温度是45至55之间时是相对较小的，而对于传统循环，在使用相同冷源温度的情况下，热水温度在65到75之间时，N，是相对较小的。关键词：热泵；吸收式；制冷循环；效率；熵产数The thermo dynamo ic analy sis of absorption ref igeration cycleWei Bingui(L iuzhou Vocational and Technical College, L iuzhou 545006, China)Abstract: This paper discussed the working temperature influence on refrigeration cycle system performance from thermody2namics. The temperature efficiency and the entropy generation related with cycle time were analyzed. Regarding relatively short cycle time, absorption / desorption end other mi c quantity switch s temperature efficiency could reach 92% in 200 seconds later. The entropy generation is defined by ratio between irreversibility parameter and thermal switch fluid valid parameter in a refrig2eration cycle system. The result showed that when a 30cold resource was used the entropy generation Ns of advanced absorp2tion refrigeration cycle system was relatively small when the hot water temperature was 45to 55, but for traditional absorption refrigeration cycle system , was relatively small when the hot water temperature was 65to 75。Keywords: Heat pump , Absorption, Refrigeration cycle, Efficiency, Entropy generation1前言热泵的效率和潜力已经被广泛认可。其在工业和城市生活中的许多重要设备发挥着重要的作用。硅胶-水吸收式循环系统和其他的系统比起来，在周围环境温度驱动的能力上有显著的优势。高于60的多余热能可以使用传统的硅胶-水吸收式制冷器来利用。高级硅胶-水吸收式制冷器可以实现只有50的地热能与30冷源成功高效地进行热交换。大部分吸收式热量交换系统使用了三组吸收剂/制冷剂，例如，沸石/水、活性炭/甲醇和硅胶/水系统。在三吸收剂/制冷剂对中，硅胶/水吸收式循环系统比其他的循环系统在低温热源驱动的能力上更高一些。使用一个30的冷源，60以上的热能可以通过使用传统的硅胶-水吸收式制冷器利用。为了在30冷源情况下，使吸收式制冷器在一个50驱动热源下可以实际应用，需要对三阶段的高级吸收式循环系统进行研究。本文从热力学观点讨论了操作温度对于循环系统性能的影响。单阶段和三阶段吸收式制冷器制冷性能与温度之间表现为线性关系，这意味着两种的性能在很大程度上受不可逆热量损失的影响，也就是有限热量转换损失的影响，有限热量转换损失在数量上与内部固体蒸汽交互作用损失和热量泄露有关。在这个研究中，对温度效率以及与循环时间有关的熵产数都进行了分析。本文使用有Bejan和Meunier介绍的熵产数N，作为熵产数的概念，而已Randt的放射本能（exergy concept）作为熵产数的概念，这样可以更加直接的面向工程师的需要，更好地对系统进行优化。收稿日期：2009-11-13作者简介：韦彬贵（1978-），男，讲师，在读硕士，主要研究方向：工业自动化技术，空调制冷技术2吸收式循环系统热力学分析吸收式热泵制冷器热力学循环的T-S图（如图1所示）表示了热量引擎（解吸收-冷凝）循环和制冷（吸收-蒸发）循环之间的结合。两个循环使用相同的冷凝流体（制冷剂），没有转化成机械能。图1吸收式循环T-S图Fig.1 Absorption cycle T-S diagram在解吸收-冷凝循环中，制冷剂分子从吸收阶段（解吸收温度为Tdcs）转换成冷凝温度为Tcond的流体阶段，其中伴随着内部能量（U）的增加。在吸收-蒸发阶段过程中，制冷剂分子从较低温度为Tcro的流体阶段转换为吸收温度为Teds的吸收流体阶段，其中伴随着系统中自由能的降低在解吸收-冷凝过程中产生的内部能量U的作用与压缩机驱动制冷循环中的动力输入W相当。内部能量的缩减使得制冷剂分子在吸收阶段停留在吸收剂的表面，或者在吸附剂表面的二维方向上自由移动。但是，制冷剂分子在蒸汽阶段可以在三维方向上自由移动。而吸收剂表面中的原子在干燥的情况下容易遭受非平衡力的影响，从而产生表面张力降低的趋势。原因在于表面原子向内的拉力大于向外的拉力。当制冷剂分子被吸收时，这些非平衡力达到局部饱和并且趋向不稳定平衡。在这不稳定平衡状态中，一个非常小的力都会在系统的状态中引起一个彻底而持久的变化。关于熵的变化，因为吸收阶段的分子比气体阶段的分子的转移和循环自由度要差，因此制冷剂熵在吸收阶段的变化(S=Sadcotbedphase-Srapotphase)必然是一个负值。3吸收式循环系统主要参数指标分析3.1温度效率温度效率表示在实际温度差异和最大温度差异的不同情况下，吸收剂元素交换热量的能力。假定最大温度差异(Tmax)与Tregen(热源温度-热容温度)相等： （1）实际温度差异如下: （2）在此，和分别表示在解吸收/吸收结束时和显著加热/冷却开始时的吸收剂元素温度。因此，可以给出温度效率为：= （3）3.2 COP和制冷器效率COP和制冷器效率可以用Saha给出的等式定义: COP =/ (4) 其中=（ -） (5) =（ -） (6) 可以得到为：=COP/ (7) （8）其中 分别表示解吸收剂、冷凝器、吸收剂和蒸发器内部在一个循环过程中(330 s) 的平均温度。传统的制冷器效率和高级制冷器效率曲线在图2中表示。图2吸收式制冷器的制冷器的效率曲线Fig. 2 Efficiency curves of absorption refrigeration3. 3 参考温度习惯上将参考温度 () 作为外部环境温度。在这项研究中被作为显著加热和解吸收过程中冷却水的入口温度 () , 以及显著冷却和吸收过程中热水的入口温度 ()。采用两个参考温度是因为在研究中，循环系统的冷源趋向于环境温度水平, 如果冷却水有效性参数 () 和显著冷却循环过程中解吸收剂热量交换的不可逆性参数使用和热源驱动温度相关的温度来计算, 那么冷源所作的有用的冷却工作可以被更好的表示。参考温度的定义如下:= (9) = (10) 本文分析的循环系统中, 由热容执行的冷却工作量由热源驱动的温度水平决定: 对于热量转换和吸收剂热量迁移, 热源温度越高, 就需要热容做更多的冷却工作。而且, 吸收剂/解吸收剂温度转换将会伴随着到热容 (如冷却塔 )的大量的热量转储, 这会削弱它的制冷能力。3. 4 熵产数熵产数的概念用于分析在两个不同有限温度差异之间进行热量迁移所产生的熵 (不可逆性参数 ), 也就是在热量迁移流体和吸收剂元素之间的(); 以及排出的热量迁移流体和热容或热源驱动之间的()。熵产数定义如下：= (11)通过参考温度产生的熵S定义了产生的不可逆性参数。热力学的有效性参数 (冷却水用表示, 热水用表示 )表示了热量迁移所可能执行的最大程度的冷却或加热工作。对于这项研究中所分析的高级循环系统,依赖于每种实际情况所采用的热源驱动和热容温度。热力学有效性参数可以定义为:A=()- （12）A=-In() (13)作为在热量迁移流体和每个元素之间进行热量迁移的结果, 在一个循环中生成的平均熵 表示为: =- (14) 其中，下标ad和water分别表示显著冷却和吸收作用的吸收剂和冷却水，或者执行显著加热和解吸收作用的解吸收剂和热水。在吸收剂元素中生成的平均熵和在热量迁移流体中生成的平均熵表示如下：= (15)=() (16)排出的热量迁移流体和热容或热源驱动之间的热量迁移所产生的平均熵如下： （17）熵产数变为: =+ （18）其中：=（.）/ (19) =.）/ (20)4 吸收式循环系统效率分析在传统和高级循环系统中,热水温度对制冷器效率的影响情况。虽然CO P的值比较差,但是高级循环系统的制冷器效率比传统循环系统的制冷器效率要高20%。这个优越性说明了使用低再生温度提升来驱动吸收循环系统的优势。图3 吸收剂元素的温度效率Fig. 3 Absorbent element temperature efficiency diagram如图3所示是在标准循环时间中吸收剂元素温度效率的变化情况 (对于显著热量交换循是0到30秒,对于吸收/解吸收循环是31到330秒 )。温度效率在显著冷却 (阶段3 )和吸收作用开始时 (阶段4)比加热 (阶段1)和解吸收作用开始时 (阶段2)要高。曲线斜度在阶段3和阶段4 (或阶段1和阶段2)之间变化明显。阶段1和3的陡峭曲线表示显著热量交换,阶段2和阶段4在31到200秒之间的平滑曲线分别表示和显著热量交换结合的解吸收和吸收作用。在200秒之后,对于吸收过程,保持在0. 92左右的常数,对于解吸收过程,保持在0. 94左右的常数。解吸收过程的温度效率比较高,这是因为在此阶段仍然有少量的制冷剂被加热,与此相反的是在吸收作用的末段,越来越多的制冷剂需要冷却。如图4所示为热水温度对熵产数的影响。对于高级制冷器,使用30的冷源,热水温度在45到55之间时可以获得最小的值。当热水温度低于45,热量迁移流体的有效性参数A是非常小的,并且大部分的有效性参数A用于吸收剂的显著加热和冷却。当热水的进口温度高于55（例如25K）时，再生温度的急剧提升会导致生成较大的不可逆性参数。对于传统循环系统,在使用与高级循环系统相同的热容温度情况下,热水温度在65到75之间时可以得到最小的值。传统循环系统的值小于高级循环系统的值的原因是在高级制冷器中,两对吸收/解吸收热量交换器被用于压力交换,而没有执行有用的操作。图4热水温度对熵产数的影响Fig. 4The effect of hot water temperature on entropy generation通过分析可知,当按照1 /CO P和1 /Qch ill描述时,单阶段和三阶段吸收制冷器会展现出线为。这意味着,关键损失是内部固体蒸发交互作用损失和热量泄露造成的有限的热迁移损失。在使用30冷却水情况下,传统的循环制冷器的效率在热水温度在65到75时为最大。使用相同的冷却水温度,高级循环制冷器的效率在40到50时达到最大。这使得高级循环系统适于在再生温度提升幅度较小的情况下使用。此外,由于硅胶吸收的热量比其他吸收剂吸收的热量要低,因此在相对较短的循环时间,吸收剂温度交换器的温度效率只需要200秒就可以达到92%。5总结中高温度的多余热能可以通过使用现有的热量交换技术重新利用。但是,与外部环境温度非常接近时的热交换利用技术仍然是一个技术难题。对于传统制冷器,理想的驱动源温度在65到75之间。但是本文研究的高级制冷器,使用一个30的冷源,热水温度在45到55之间时,熵产数是比较小的。说明这个驱动源的温度对于高级制冷器进行高效操作是很理想的。对于对热量迁移媒介进行了不同改进的热量系统来说,新工质对的测试和对热量交换器形式的改进开发将会有助于生产出更加紧凑的吸收制冷器并加强性能。参考文献 1 黄珍珍,廖胜明,谌盈盈. 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