关于四热源循环的一个理论问题

    1 引言

    近年来,有些学者对吸收式四热源循环作了理论分析[1~4],取得一些有用的结果。众所周知,吸收式制冷机或热变换器,既可工作在三热源之间,也可工作在四热源之间。究竟是工作在三热源之间好,还是四热源之间好,四热源制冷机或热变换器是不是制冷或泵热所必需的一种循环方式,它可否由相应的三热源循环所取代。这样一个重要理论问题显然是研究四热源循环时首先应弄清的一个基本问题。本文将应用热力学理论,对四热源循环进行理论分析,指出四热源循环并非热力学理论所必需的一种制冷或泵热循环方式,而只要在其中选出三个热源构成相应的三热源循环,将可获得更优的循环效果。

    2 三热源循环

    热力学第二定律指出,热量不可能自发地从低温热源传往高温热源而不产生其它影响。因此,要制冷或泵热(即要把热量从低温物体传往高温物体),就必定会有其它变化发生。通常是通过外界对系统做功来实现这种能量的传输,常见的压缩式制冷机(其最简单的理论模型是卡诺制冷循环)就是据此原理造成的。而外界对系统做功可以由各种形式的功源来完成,如电动机做功,热机做功,等等。这样,我们就可以用一个温度TH比卡诺制冷循环中高温热源的温度TP还要高的高温热源来取代功源实现制冷。这就构成了三热源制冷循环。三热源吸收式制冷机是实际三热源制冷机的一个典型之例。理论上,还可把功源视为是Ty∞的一个热源[5,6],于是卡诺制冷机也可视为是一部三热源制冷机,只不过它是三热源制冷机的一个特例[7]。因此可以说,三热源制冷循环是热力学理论中最简单最基本的制冷循环,不可能存在比它更简单更基本的由二热源或单热源构成的制冷循环[7]。换句话说,当把功源也视为是一个热源(即T→∞的特殊热源)时,则制冷循环至少要有三个热源构成。三热源循环(包括卡诺循环)具有重要理论意义就在于它是热力学理论中最简单最基本的热力循环,表征了热功转换过程所应遵从的热力学两大基本定律。

    技术上所指的三热源循环,一般不包括卡诺循环,它的突出优点在于它可以利用品位较低的热取代品位较高的功来达到制冷或泵热的目的。因而,发展三热源循环新技术可为开发利用低品位热源和提高能源利用率开辟广阔的前景。

    根据热力学第一和第二定律,可导得工作于温度分别为T_H,T_P和T_L(T_H>T_P>T_L)三个热源间的可逆三热源制冷机的制冷系数为[6~8]

    而工作在这三个热间的内可逆三热源制冷机的制冷数为[6,8]

    其中T1, T2和T3分别为工质与TH,TP和TL三个热源交换热量时的温度,其值决定于热传递规律和给定约束下的优化条件[6,8]。显然,应有T1TP和T3