吸收循环卡诺模型及大温差系统理论效率

    1 引言

    吸收循环技术以其热泵方式的能源利用本质,在能源生产和消费环节发挥着越来越重要的作用。随着应用领域的不断扩展,吸收循环自身也不断完善。在能源转换及利用方面,如何使吸收循环适应新的工作环境的需要,如何提高吸收循环的效率,是经常需要面对的问题。已有的改进工作诸如增加溶液换热器改善单效循环的效率,开发双效、多效循环以更有效利用高温热源的热量。在利用吸收机集中供冷或集中供热的时候,吸收机的工作条件往往有其特殊性。在集中供冷工程中,常常采用冷水大温差输送,需要降低冷水的出温,以弥补集中供冷系统的冷量输配损失。这样做可以降低冷水输配流量,节约输送能耗,并减小输送管径及泵耗,降低设备初投资。但这会造成吸收机组效率下降,从而为吸收循环热力学效率改进提出了新的问题和优化空间。有学者在理想吸收循环热力学方面进行了研究[1,2,3],所采用的热力学方法多是从理想循环的能量平衡和熵平衡入手,导出循环的卡诺效率,过程不直观,且相对繁琐。寻求一条直观、简洁的分析途径,对推动吸收循环的研究和应用有重要意义。空调大温差系统在能源利用方面与常规系统相比存在更多要考虑的因素,殷平等对空调大温差系统若干特性进行了探讨[4,5,6]。要从吸收式热泵与一般两热源热泵的热力学原理出发,通过类比分析,建立吸收循环联合卡诺模型,推导循环热力学效率。并结合冷水大温差空调系统,探讨吸收循环冷水大温差系统可行的节能途径,提出改进措施,为实际工作提供理论依据。

    2 吸收循环卡诺模型

    热泵循环(这里指广义热泵,包括热泵和制冷,下同)可以理解为热机循环的逆循环。对二热源系统,如图1-A所示的压缩式热泵,可以从低温取热和向高温放热,所需要的理论最小功可按照卡诺定义计算。可以构建如图1-B所示的卡诺模型,其制冷的卡诺效率COP(性能系数)为

    对于三热源系统,在热力学基本定律的基础上探讨该系统的能量转换行为,会发现两个很有意义的过程,如图2所示。图中水平线代表不同温位的热源,箭头表示能量流动方向。这样图中系统1成为吸收式制冷和热泵的热力学出发点,而系统2则引出了吸收式热变换器的构想,仅就热泵系统展开讨论。

    吸收式热泵的热力学出发点是基于热机和热泵的联合循环原理。将高温热源的热量通过热机循环向低温排放的同时对外有功的输出,这部分功被注入热泵循环,用于从低温端提取部分热量到更高温度,实现制冷或供热的作用。实际的吸收循环通常运行在四个温度之间,可称为四热源热泵,四个温度分别是发生温度TG,冷凝温度TC,吸收温度TA和蒸发温度TE。一个简单的单效吸收循环如图3-A所示,将其虚线框内的部分与图1-A的虚线框内部分进行比较,可知吸收热泵用吸收工质对在TG与TA温度间的吸收P解析作用代替了压缩机做功,溶液的吸收P解析循环起到了一个虚拟热机的作用。由此可以将简单吸收循环表示为图3-B所示的联合卡诺循环,其卡诺制冷效率为