热阻、热漏和内不可逆性对四热源制冷循环性能的影响

    吸收式制冷机由于采用环境无害的工质,并利用低品位热能作为动力制取冷量,能有效地节约能源,减少环境污染,因而备受重视.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[3～12]进行了探索,研究了循环各主要不可逆因素对吸收式制冷机性能的影响,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.严子浚[4]和陈林根等[5,6]分别分析了牛顿定律和线性唯象定律条件下内可逆三热源制冷循环的性能,Goktun[7]、陈金灿等[8]和李晔等[9]分别分析了牛顿定律和线性唯象定律下存在热阻、热漏以及工质内不可逆性损失的不可逆三热源制冷循环的性能.但是三热源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循环中,冷凝过程和吸收过程往往不是处于相同温度下.因此,四热源模型更接近于实际制冷循环.陈金灿[10]、施哲强等[11]和郑飞等[12]分析了牛顿传热规律下,考虑热阻和工质内不可逆性损失的不可逆四热源制冷循环的性能.本文将在前人研究的基础上,用有限时间热力学的方法分析热阻、环境热源到制冷空间的热漏以及工质内不可逆性损失对不可逆四热源吸收式制冷循环性能的影响,导出其最优特性.所得结论可以为实际吸收式制冷机的优化设计提供一些理论依据.

    1　循环模型

    吸收式制冷循环系统的主要组成部件是发生器、吸收器、冷凝器和蒸发器,如图1所示.吸收式制冷机的制冷量比Q2小,是因为从环境热源到制冷空间有热漏.工质作稳定的流动并在整个循环周期S内和外部热源交换热量,由于循环中泵所需要的输入功与发生过程中的输入热量相比很小,通常可忽略不计.根据热力学第一定律有Q1+Q2-Q3-Q4=0.吸收式循环中工质的四个过程分别与温度为TH、TL、TO和TM的四个热源接触进行热交换,工质的工作温度分别为T1、T2、T3和T4.设热源与工质的传热和热漏均服从牛顿定律,且热传递过程是等温的,可得

    式中,Q_L为从环境热源到制冷空间的热漏,Ui(i=1,2,3,4)为传热系数,KL为热漏系数,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.引进参数a=Q4/Q3,表示循环总放热量在吸收器和冷却器之间的分配率.

    实际吸收式制冷设备是复杂的,且经历一系列不可逆因素,除了上述热阻和从环境热源到制冷空间的热漏不可逆性外,还存在其他不可逆性源,如工质内部耗散,这些都会引起吸收式制冷机的制冷系数和制冷率的降低.引进参数I来表示工质循环内部的不可逆程度[11～13]I= (Q3/T3+Q4/T4)/(Q1/T1+Q2/T2)≥1.由热力学第二定律,得Q1/T1+Q2/T2-Q3/IT3-Q4/IT4=0.