吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

1、吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué) 分析作者:日期:吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)分析韋彬貴(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州545006)摘要：從熱力學(xué)觀點(diǎn)討論了工作濕度對于制冷循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。分析了與循環(huán)時(shí)間有關(guān)的溫度效率和熵產(chǎn)數(shù)對于一個(gè)相對較短的循環(huán)時(shí)間，吸收/解吸收熱量轉(zhuǎn)換器的溫度效率在200秒后可以達(dá)到92% 熵產(chǎn)數(shù)N，由在一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)在生成的不可逆性參數(shù)和熱量 轉(zhuǎn)換器流體有效性參數(shù)之間的比率決定。結(jié)果顯示，在使用一個(gè)30C冷源的情況下高級吸收式循環(huán)系統(tǒng)的熵產(chǎn)數(shù)N，在熱水溫度是45C至55C之間時(shí)是相對較小的，而對于傳統(tǒng)循環(huán)，在使用相同冷源溫度的情況下，熱水溫度在65C到75C之間時(shí)，N,是相對較小

2、的。關(guān)鍵詞：熱泵；吸收式；制冷循環(huán)；效率；熵產(chǎn)數(shù)The thermo dyn amo ic an aly sis of absorptio n ref igerati on cycleWei Bin gui(L iuzhou V ocational and Technical College, L iuzhou 545006 , China)Abstract: This paper discussed the worki ng temperature in flue nee on refrigerati on cycle system performanee from thermody2nam

3、ics。 The temperature efficiency and the entropy generation related with cycle time were analyzed。 Regarding relatively short cycle time, absorption / desorption end other mi c quantity switch' s temperature efficiency could reach 92in 200 seconds later。 The entropy generations is defined by rati

4、o between irreversibilityparameter and thermal switch fluid valid parameter in a refrig2eration cycle system. The result showed that when a 30 °C cold resource was used the entropy generation Ns of advaneed absorp2ti on refrigerati on cycle system was relatively small whe n the hot water temper

5、ature was 45C to 55 C, but for traditional absorption refrigeration cycle system , s was relatively small when the hot water temperature was 65 C to 75 C。個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用 作商業(yè)用途Keywords : Heat pump , Absorption , Refrigeration cycle , Efficiency, Entropy generation1刖言熱泵的效率和潛力已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。其在工業(yè)和城市生

6、活中的許多重要設(shè)備發(fā)揮著重要的作用。硅膠一水吸收式循環(huán)系統(tǒng)和其他的系統(tǒng)比起來，在周圍環(huán)境溫度驅(qū)動(dòng)的能力上有顯著的優(yōu)勢。高于60C的多余熱能可以使用傳統(tǒng)的硅膠-水吸收式制冷器來利用.高級硅膠一水 吸收式制冷器可以實(shí)現(xiàn)只有50 C的地?zé)崮芘c30 C冷源成功高效地進(jìn)行熱交換。大部分吸收式熱量交換系統(tǒng)使用了三組吸收劑/制冷劑，例如，沸石/水、活性炭/甲醇和硅膠冰系統(tǒng)在三吸收劑/制冷劑對中，硅膠冰吸收式循環(huán)系統(tǒng)比其他的循環(huán)系統(tǒng)在低溫?zé)?源驅(qū)動(dòng)的能力上更高一些使用一個(gè)30C的冷源，60C以上的熱能可以通過使用傳統(tǒng)的硅膠 水吸收式制冷器利用。為了在30 C冷源情況下，使吸收式制冷器在一個(gè)50 C驅(qū)動(dòng)熱源下可

7、以實(shí)際應(yīng)用，需要對三階段的高級吸收式循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文從熱力學(xué)觀點(diǎn)討論了操作溫度對于循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。單階段和三階段吸收式制冷器制冷性能與溫度之間表現(xiàn)為線性關(guān)系，這意味著兩種的性能在很大程度上受不可逆熱量損失的影響，也就是有限熱量轉(zhuǎn)換損失的影響，有限熱量轉(zhuǎn)換損失在數(shù)量上與內(nèi)部固體蒸汽交互作用損失和熱量泄露有關(guān)。在這個(gè)研究中，對溫度效率以及與循環(huán)時(shí)間有關(guān)的熵產(chǎn)數(shù)都進(jìn)行了分析本文使用有Bejan和Meunier介紹的熵產(chǎn)數(shù) N，作為熵產(chǎn)數(shù)的概念，而已 Randt 的放射本能（exergy concept）作為熵產(chǎn)數(shù)的概念，這樣可以更加直接的面向工程師的需要， 更好地對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。收稿日期：

8、2009-11 13作者簡介：韋彬貴（1978）,男，講師，在讀碩士，主要研究方向：工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，空調(diào)制 冷技術(shù)2吸收式循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)分析吸收式熱泵制冷器熱力學(xué)循環(huán)的 T-S圖（如圖1所示）表示了熱量引擎（解吸收 -冷凝） 循環(huán)和制冷（吸收-蒸發(fā)）循環(huán)之間的結(jié)合。兩個(gè)循環(huán)使用相同的冷凝流體（制冷劑），沒有轉(zhuǎn)化成機(jī)械能.圖1吸收式循環(huán)T-S圖Fig。1 Absorpti on cycle T S diagram在解吸收一冷凝循環(huán)中，制冷劑分子從吸收階段（解吸收溫度為Tdcs）轉(zhuǎn)換成冷凝溫度為Tcond的流體階段，其中伴隨著內(nèi)部能量（U ）的增加。在吸收-蒸發(fā)階段過程中，制冷劑分子從較低溫度為T

9、cro的流體階段轉(zhuǎn)換為吸收溫度為Teds的吸收流體階段，其中伴隨著系統(tǒng)中自由能的降低在解吸收一冷凝過程中產(chǎn)生的內(nèi)部能量U的作用與壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)中的動(dòng)力輸入W相當(dāng)。內(nèi)部能量的縮減使得制冷劑分子在吸收階段停留在吸收劑的表面，或者在吸附劑 表面的二維方向上自由移動(dòng).但是，制冷劑分子在蒸汽階段可以在三維方向上自由移動(dòng)。而吸收劑表面中的原子在干燥的情況下容易遭受非平衡力的影響，從而產(chǎn)生表面張力降低的趨勢.原因在于表面原子向內(nèi)的拉力大于向外的拉力。當(dāng)制冷劑分子被吸收時(shí)，這些非平衡力 達(dá)到局部飽和并且趨向不穩(wěn)定平衡。在這不穩(wěn)定平衡狀態(tài)中，一個(gè)非常小的力都會(huì)在系統(tǒng)的狀態(tài)中引起一個(gè)徹底而持久的變化。關(guān)于熵的

10、變化，因?yàn)槲针A段的分子比氣體階段的分子的轉(zhuǎn)移和循環(huán)自由度要差，因此制冷劑熵在吸收階段的變化（S=Sadcotbedphase-Srapotphase必然是一個(gè)負(fù)值。3吸收式循環(huán)系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)分析3.1溫度效率溫度效率表示在實(shí)際溫度差異和最大溫度差異的不同情況下，吸收劑元素交換熱量的能(3)力.假定最大溫度差異( Tmax)與厶Tregen (熱源溫度一熱容溫度)相等：maxsourcesin kin hotin cool(1)實(shí)際溫度差異如下：endstartactualdes/ adsdes/ads(2)endstart在 ， des/ads 和 des/ads分別表示在解吸收/吸收結(jié)束

11、時(shí)和顯者加熱/冷卻開始時(shí)的吸收劑元素溫度。因此，可以給出溫度效率&為:endstartr 二actualdes/adsdes/adsCman'Th：tTincool3.2 COP和制冷器效率nCOP和制冷器效率n可以用 Saha給出的等式定義：COP二二"皿的(4)其中=xx(TtS(5)= : x -x (二一 )(6)可以得到 n 為：n =COP/ '-descond /desevaadseva(8)其中des, cond, ads, eva分別表示解吸收劑、冷凝器、吸收劑和蒸發(fā)器內(nèi)部在一個(gè)循環(huán)過程中(330 s)的平均溫度。傳統(tǒng)的制冷器效率和高級制冷器

12、效率曲線在圖2中表示。息級制冷器循環(huán)“ 恥熱籟度知" 800圖2吸收式制冷器的制冷器的效率曲線Fig。2 Efficie ncy curves of absorpti on refrigerati on3. 3參考溫度習(xí)慣上將參考溫度 （T）作為外部環(huán)境溫度。在這項(xiàng)研究中-被作為顯著加熱和解吸 收過程中冷卻水的入口溫度（"J ），以及顯著冷卻和吸收過程中熱水的入口溫度（一）。采用兩個(gè)參考溫度是因?yàn)樵谘芯恐?，循環(huán)系統(tǒng)的冷源趨向于環(huán)境溫度水平，如果冷卻水有效性參數(shù)（-）和顯著冷卻循環(huán)過程中解吸收劑熱量交換的不可逆性參數(shù)使用 和熱源驅(qū)動(dòng)溫度相關(guān)的溫度來計(jì)算，那么冷源所作的有用的冷

13、卻工作可以被更好的表示參考溫度烏的定義如下：丫嚴(yán)小叫一一（9） 記"曲二二.（10）本文分析的循環(huán)系統(tǒng)中，由熱容執(zhí)行的冷卻工作量由熱源驅(qū)動(dòng)的溫度水平?jīng)Q定：對于熱量轉(zhuǎn)換和吸收劑熱量遷移， 熱源溫度越高，就需要熱容做更多的冷卻工作。而且，吸收劑/解吸收劑溫度轉(zhuǎn)換將會(huì)伴隨著到熱容（如冷卻塔）的大量的熱量轉(zhuǎn)儲(chǔ)，這會(huì)削弱它的制冷能力。3。4 熵產(chǎn)數(shù)熵產(chǎn)數(shù)帆，的概念用于分析在兩個(gè)不同有限溫度差異之間進(jìn)行熱量遷移所產(chǎn)生的熵（不可逆性參數(shù)），也就是在熱量遷移流體和吸收劑元素之間的（T馬t-T»）；以及排出的熱量遷移流體和熱容或熱源驅(qū)動(dòng)之間的（工畫-，,- ）。熵產(chǎn)數(shù)定義如下：一個(gè)嶠環(huán)過稈中

14、產(chǎn)生的不可逆性（11）通過參考溫度贓產(chǎn)生的熵厶S定義了產(chǎn)生的不可逆性參數(shù)。熱力學(xué)的有效性參數(shù)（冷卻水用型半阿表示，熱水用-一表示）表示了熱量遷移所可能執(zhí)行的最大程度的冷卻或加熱 工作。對于這項(xiàng)研究中所分析的高級循環(huán)系統(tǒng)，【依賴于每種實(shí)際情況所采用的熱源驅(qū)動(dòng)和熱容溫度。熱力學(xué)有效性參數(shù)可以定義為：H water0T rein _ c water,ylH _t(12)A=-“_In(13)在一個(gè)循環(huán)中生成的平均作為在熱量遷移流體和每個(gè)元素之間進(jìn)行熱量遷移的結(jié)果,熵 'eth 表 示 為（14）其中，下標(biāo)ad和water分別表示顯著冷卻和吸收作用的吸收劑和冷卻水，或者執(zhí)行顯著加熱和解吸收作用

15、的解吸收劑和熱水。在吸收劑元素中生成的平均熵:門和在熱量遷移流體中生成的平均熵 上沖:北表示如下：-rOUt1 water J1(15)1 water(16)排出的熱量遷移流體和熱容或熱源驅(qū)動(dòng)之間的熱量遷移所產(chǎn)生的平均熵下：p waterOUt1 water - 1 o 如(17)熵產(chǎn)數(shù)變?yōu)?理丁宀f（18）315S其中：=（1 :二-.）I（19）I* =匚一）II*千（20）4吸收式循環(huán)系統(tǒng)效率分析在傳統(tǒng)和高級循環(huán)系統(tǒng)中，熱水溫度對制冷器效率n的影響情況。 雖然CO P的值比較差 但是高級循環(huán)系統(tǒng)的制冷器效率比傳統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)的制冷器效率要高20% 這個(gè)優(yōu)越性說明了#«削據(jù)使用低再生

16、溫度提升來驅(qū)動(dòng)吸收循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢。時(shí)閭圖3吸收劑元素的溫度效率Fig. 3 Absorbe nt eleme nt temperature efficie ncy diagram如圖3所示是在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)時(shí)間中吸收劑元素溫度效率的變化情況（對于顯著熱量交換循是0到30秒，對于吸收I解吸收循環(huán)是31到330秒）。溫度效率&在顯著冷卻（階段3 ）和吸收作用開始時(shí)（階段4）比加熱（階段1）和解吸收作用開始時(shí)（階段2）要高。曲線斜度在階段3和階段4 （或階段1和階段2）之間變化明顯。階段1和3的陡峭曲線表示顯著 熱量交換，階段2和階段4在31到200秒之間的平滑曲線分別表示和顯著熱量交換結(jié)合的解

17、吸收和吸收作用.在200秒之后，對于吸收過程，&保持在0。92左右的常數(shù),對于解吸收過 程，保持在0。94左右的常數(shù).解吸收過程的溫度效率比較高，這是因?yàn)樵诖穗A段仍然有少量的制冷劑被加熱，與此相反的是在吸收作用的末段，越來越多的制冷劑需要冷卻。如圖4所示為熱水溫度對熵產(chǎn)數(shù)s的影響。對于高級制冷器，使用30C的冷源，熱水溫度在45到55C之間時(shí)可以獲得最小的s值。當(dāng)熱水溫度低于45C,熱量遷移流體的有效性參數(shù)A是非常小的，并且大部分的有效性參數(shù)A用于吸收劑的顯著加熱和冷卻當(dāng)熱水的進(jìn)口溫度高于55 C （例如 segen > 25K）時(shí)，再生溫度的急劇提升會(huì)導(dǎo)致生成較大的不可逆 性參

18、數(shù)。對于傳統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)，在使用與高級循環(huán)系統(tǒng)相同的熱容溫度情況下，熱水溫度在65到75 C之間時(shí)可以得到最小的s值。傳統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)的s值小于高級循環(huán)系統(tǒng)的s值的原因是在高級制冷器中，兩對吸收/解吸收熱量交換器被用于壓力交換，而沒有執(zhí)行有用的操作。A75高級制冷需循環(huán)065II1II100530噴 a70,0曲0熱水溫度圖4熱水溫度對熵產(chǎn)數(shù)的影響Fig。 4The effect of hot water temperature on en tropy gen erati on通過分析可知，當(dāng)按照1 /CO P和1 /Qch ill描述時(shí)，單階段和三階段吸收制冷器會(huì)展現(xiàn) 出線為。這意味著，關(guān)鍵損失是內(nèi)

19、部固體蒸發(fā)交互作用損失和熱量泄露造成的有限的熱遷移 損失。在使用30C冷卻水情況下，傳統(tǒng)的循環(huán)制冷器的效率在熱水溫度在65到75C時(shí)為最大.使用相同的冷卻水溫度，高級循環(huán)制冷器的效率在40到50C時(shí)達(dá)到最大。這使得高級循環(huán)系統(tǒng)適于在再生溫度提升幅度較小的情況下使用。此外，由于硅膠吸收的熱量比其他吸收劑吸收的熱量要低，因此在相對較短的循環(huán)時(shí)間，吸收劑溫度交換器的溫度效率只需要200秒就可以達(dá)到92%.5總結(jié)中高溫度的多余熱能可以通過使用現(xiàn)有的熱量交換技術(shù)重新利用.但是，與外部環(huán)境溫度非常接近時(shí)的熱交換利用技術(shù)仍然是一個(gè)技術(shù)難題。對于傳統(tǒng)制冷器，理想的驅(qū)動(dòng)源溫度在65到75C之間。但是本文研究的高級制冷器， 使用一個(gè)30C的冷源,熱水溫度在45到55 C 之間時(shí)，熵產(chǎn)數(shù)是比較小的.說明這個(gè)驅(qū)動(dòng)源的溫度對于高級制冷器進(jìn)行高效操作是很理想 的