吸收式制冷循环系统的热力学分析

　　1 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,在周边环境温度驱动的能力上有显著的优势。高于60e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50e的低热能与30e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30e的冷源, 60e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30e冷源情况下,使吸收式制冷器在一个50e驱动热源下可以实际应用,需要对三阶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,这意味着两种制冷器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。本文使用由Bejan和Meunier介绍的熵产数Ns作为熵产数的概念,而用Randt的放射本能(exergyconcept)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。

　　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。

　　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Tdes)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Teva的流体阶段转换为吸收温度为Tads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。