除工质与两物质库间的质量交换外,连接循环中的其它两个过程无物质交换,亦即不受质量流阻所耽搁,因而这两个过程所进行的时间与质量交换过程时间相比小得多,可近似设为零,因而循环周期S=t1+t2(3)*佳性能系数与泵能率间的关系注意到除L1和L2过程外的其它过程没有物质的交换,因此有$N1=$N2=$N(4)另一方面,据循环的性能系数和泵能率的定义,而Vr=LH/(LH-LL)为不考虑质量传递不可逆性(即可逆)时化学泵的性能系数。式即为一类化学泵的*佳性能系数与泵能率间的关系,同时它也表示*佳泵能率与性能系数间的关系,常称之为循环的基本优化关系,由它可讨论相应设备1的各种优化性能。
讨论1)式可知,V=Vr时,2等于零;而当V=0时,2→∞,正如所示。图中2=(h1+h2)2/(h1h2LH2)为无量纲的泵能率。显然,由V=Vr即可推得L1=LH,L2=LL.这意味着工质与两物质库间的化学势差为零,亦即无质量传递不可逆损失,是一种可逆情况。
然而实际化学泵设备总有一定的泵能率,因而存在不可避免的质量传递*小不可逆损失。因此,实际化学泵循环的性能系数总是小于Vr.当然,实际化学泵也不能工作在V等于零的另一个极端状态。因为LH和LL一定时,V趋于零,相当于L1-L2趋于无穷大,这要求外界对设备输入无穷大的功,这显然是不实际的。另一方面,还清楚地表明,只有减小性能系数才能提高泵能率,两者是相互矛盾的。在设备优化设计中,若侧重考虑泵能率,性能系数则应适当地减小,而当侧重考虑性能系数时,又得以牺牲泵能率为代价。一般两者应同时兼顾。
一类化学泵的2-V曲线2=(h1+h2)2/(h1h2LH2)2;Vr=22)对于化学泵设备,输入功率是一个重要的参量。应用(8)式可导出设备的*小输入功率与性能系数间的关系为W=h1h2LH2 3)由于质量传递的不可逆性,化学泵循环系统的熵产率不为零。设系统所处的环境温度为To,则由以上结果可求得系统的*小熵产率R=h1h2L2<1-LH(1-V-1)/LL>2/ 例如,取LH/LL=1.5,2和3,其相应的R~V关系曲线如所示,其中R=R(h1+h2)2To/(h1h2L2)为无量纲的熵产率。从可以看出,当LH/LL分别等于1.5,2和3时,化学泵分别工作在V=3,2和1.5状态点附近,其熵产率较小,进而使系统的可用能得到*大的利用。以上结论对一类化学泵设备的优化设计可提供些新的理论指导。 4)本文所建立的模型及所得结论在质量交换器、电化学、光化学及固态设备等系统中可得到应用。应该指出的是,文中的有关量对不同的系统有不同的定义。例如,在电化学和固态设备中,式(1)和(2)为流压关系式<7>,其中N为流,Lh-L(或Ll-L)为压。电子是带电量为-e的带3第4期林国星等。一类化学泵的R-V曲线R= 总之,本文是一类化学泵设备循环理论的新探索,所建立的循环模型考虑了质量传递的不可逆性,且研究了其对一类化学泵设备循环性能所带来的根本性影响,确定了系统相关性能参数的界限,所得结论可为一类实际化学泵设备的优化设计提供新的理论指导。