内可逆四热源吸收式制冷循环的热经济性能优化

    0　引　言

    吸收式制冷机是利用廉价能源或“低品位”热能代替功产生制冷效应的一种有效制冷装置,它对减少主要热源的浪费和降低环境污染有着重要的意义。近年来,许多学者用有限时间热力学理论[1, 2]对吸收式制冷循环模型[3～14]进行了探索,获得了一些比经典热力学理论对于工程设计更具有实际指导意义的新结论。在这些研究中,陈林根等[13]首先利用有限时间经济分析法分析制冷机的热经济性能;Sahin和Kodal等[14,15]则引入另一热经济性目标,定义为每单位费用(投资费用和工作时耗能费用之和)的制冷率,并以此目标分析了三热源吸收式制冷循环的性能。但是三热源吸收式制冷循环是指冷凝过程和吸收过程合并为一的简化的吸收式制冷循环模型,而在实际吸收式制冷机中,冷凝过程和吸收过程往往不是处于相同温度下。因此,四热源模型[3, 8～11]更接近于实际吸收式制冷循环。本文将在前人工作的基础上,以单位费用的制冷率为优化目标,分析内可逆四热源制冷循环在牛顿传热定律下主要热经济性能特征。所得结论可以为吸收式制冷机的热经济性能优化设计提供一些理论依据。

    1　循环模型[8～11]

    如图1所示,考虑仅存在工质与热源间传热不可逆性,工作于TH、TL、TO和TM热源间的内可逆四热源制冷循环,工质的工作温度为T1、T2、T3和T4,且TH>T1、TL>T2、TO

    式中:Qi(i= 1,2,3,4)为通过各换热器的换热量,Ai(i= 1,2,3,4)为各换热器的传热面积,总传热面积A为定值,即有

A=A1+A2+A3+A4(5)

    2　热经济性能优化关系

    根据热力学第一定律,可得

Q1+Q2-Q3-Q4= 0 (6)

    根据热力学第二定律,且循环是内可逆的,因此

    引进参数A表示循环总放热量在吸收器和放热器之间的分配率

a=Q4/Q3(8)

    由式(1)～(8)可得内可逆四热源制冷循环的性能系数∈和比制冷率r分别为

    这里考虑优化四热源制冷循环的热经济性[14,15]。热经济性目标定义为单位费用的制冷率(kW/元),费用由投资费用和工作耗能费用两部分组成。因此优化目标定义为

    式中:Ci和Ce分别代表投资费用(元)和工作耗能费用(元)。在吸收式制冷循环中,可假定投资费用与循环总传热面积成正比,因此

Ci=k1A(12)

    式中:k1为传热面积折算价格,元/m2。工作耗能费用假定和高温热源向系统的供热率成正比,因此