溴化鋰吸收式熱泵供熱循環(huán)計(jì)算

楊玉華 張 帆

(1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063009;2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

0 引言

利用溴化鋰吸收式熱泵回收低溫余熱是一種將低溫余熱提質(zhì)轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)熱能，從而實(shí)現(xiàn)供熱并且對(duì)環(huán)境零污染的技術(shù)。電廠中的低溫余熱存在量大且集中的特點(diǎn)，工程上熱泵的應(yīng)用，在節(jié)能事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展方面起著舉足輕重的作用。

文章從分析溴化鋰溶液的熱力性質(zhì)入手，通過對(duì)溴化鋰吸收式熱泵熱力計(jì)算過程和傳熱特性的計(jì)算機(jī)模擬，得到精度較高的應(yīng)用程序和計(jì)算結(jié)果。利用該程序，可以在取得實(shí)際數(shù)據(jù)的前提下，對(duì)溴化鋰吸收式熱泵各裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 溴化鋰吸收式熱泵介紹

吸收式熱泵按照制熱目的不同，可以分為兩類，第一類和第二類吸收式熱泵，且常用溴化鋰—水為工質(zhì)對(duì)。文章主要分析第一類吸收式熱泵。

溴化鋰第一類吸收式熱泵(以下簡稱溴化鋰吸收式熱泵)工作原理如圖1所示。汽輪機(jī)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，加熱發(fā)生器中的濃溶液產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，進(jìn)入到冷凝器中放熱，通過節(jié)流降壓后去蒸發(fā)器中吸收低溫?zé)嵩吹臒崃浚笮纬傻牡蛪褐评鋭┱羝掌髦械墓べ|(zhì)對(duì)溶液吸收該蒸汽后經(jīng)過熱交換器被送入發(fā)生器重新形成濃溶液［1］。

2 溴化鋰工質(zhì)對(duì)的熱物性

1)水的飽和蒸汽壓力:

其中，T'為壓力為p時(shí)水的飽和溫度，K;p為溫度為T'時(shí)水的飽和蒸汽壓力，mmHg。

2)溶液的露點(diǎn)溫度:

其中，t為壓力為p時(shí)溶液的飽和溫度，℃;t'為壓力為p時(shí)水的飽和溫度，或稱露點(diǎn)，℃;x為100 kg溴化鋰水溶液中含有溴化鋰的千克數(shù)。

式(2)的適用范圍為15℃ ＜t＜30℃，0℃ ＜t'＜100℃，45% ＜x＜65%。在利用式(2)時(shí)，需要根據(jù)式(1)先把已知蒸汽壓力p換算為露點(diǎn)溫度t'。

飽和溫度方程的回歸系數(shù)見表1。

表1 飽和溫度方程的回歸系數(shù)

3)溶液的焓值:

其中，h為溴化鋰溶液的焓值，kcal/kg;t為溴化鋰溶液的溫度，℃。

溴化鋰水溶液焓值計(jì)算方程的回歸系數(shù)見表2。

表2 溴化鋰水溶液焓值計(jì)算方程的回歸系數(shù)

4)飽和水或水蒸氣的焓值:

其中，t'為壓力為p時(shí)飽和水蒸氣的溫度，℃;t為過熱水蒸氣的溫度(等于壓力p時(shí)溶液的平衡溫度)，℃;h為溫度為t時(shí)過熱水蒸氣的焓，kcal/kg;h'為溫度為t'時(shí)飽和水的焓，kcal/kg;h″為溫度為t'時(shí)飽和水蒸氣的焓，kcal/kg;r為溫度為t'時(shí)飽和水的氣化潛熱，kcal/kg;Cp為過熱水蒸氣t'～t的定壓平均比熱。

溴化鋰水溶液汽態(tài)為純水蒸氣。基于溶液在平衡態(tài)時(shí)汽液同溫的特性和溴化鋰水溶液沸點(diǎn)高于純水沸點(diǎn)的原因，該水蒸氣存在極大的過熱度。溴化鋰水溶液表面上的汽態(tài)焓值h3'(≈h4'≈h5')采用過熱水蒸氣焓值公式來計(jì)算。計(jì)算普通單級(jí)循環(huán)蒸汽焓值時(shí)，Cp≈0.46 kcal/kg［2］。

3 溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)過程建模

3.1 條件假設(shè)

在數(shù)學(xué)建模中，為了便于計(jì)算，往往將參數(shù)和條件進(jìn)行簡化和假定。在建模前，本文假定以下條件成立:

1)系統(tǒng)處于熱平衡和穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài);2)離開各部件的工質(zhì)均為飽和態(tài);3)阻力、熱損失、壓力損失泵功和忽略不計(jì)。

3.2 模型建立

忽略輸入功和熱交換等帶給系統(tǒng)的熱量。設(shè)吸收式熱泵中工質(zhì)的循環(huán)流量為D=1 kg/s，系統(tǒng)在循環(huán)過程中，熱平衡如下:

根據(jù)圖2和式(1)可以求得吸收式熱泵單體設(shè)備的單位熱負(fù)荷及性能系數(shù)。

溶液循環(huán)倍率即發(fā)生器中每產(chǎn)生1 kg水蒸氣所需要的溴化鋰稀溶液的循環(huán)量。

其中，ζ2為發(fā)生器濃溶液濃度，%;ζ1為吸收器吸收終了稀溶液濃度，%。

4 系統(tǒng)供熱循環(huán)模擬計(jì)算

已知驅(qū)動(dòng)熱源溫度th，低溫冷媒水溫度tc和循環(huán)冷卻水溫度tw，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定蒸發(fā)溫度to，冷凝溫度tk，吸收器溶液最低溫度t2和發(fā)生器溶液最高溫度t4，以及溶液熱交換器濃溶液出口溫度t8。根據(jù)上述分析過程［1］，可繪制出熱力計(jì)算圖框，如圖2所示。根據(jù)圖2應(yīng)用matlab編制了計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。在計(jì)算機(jī)上對(duì)某一工況的循環(huán)熱力計(jì)算只需要幾秒鐘的時(shí)間，并且可以更改工況條件進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。

5 溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

研究過程中，要分析的四個(gè)參數(shù)為驅(qū)動(dòng)熱源溫度、冷源水出口溫度、冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水出水溫度［4］。

汽輪機(jī)低壓抽汽的品質(zhì)變化較大，本文選取抽汽溫度變化為144℃ ～164℃［5］，在此過程中設(shè)其他參數(shù)保持不變。低溫冷媒水出口溫度為30℃，冷卻水進(jìn)/出口溫度為50℃/75℃。如圖3所示，機(jī)組COP隨驅(qū)動(dòng)熱源溫度升高而升高，在開始時(shí)升高的趨勢(shì)很明顯，隨后逐漸平緩。驅(qū)動(dòng)熱源溫度升高時(shí)，對(duì)應(yīng)的飽和溫度升高，在冷凝壓力一定時(shí)，發(fā)生器內(nèi)溴化鋰基礎(chǔ)溶液的濃度不斷增大，進(jìn)而產(chǎn)生的水蒸氣量增加，故COP上升。

電廠低溫冷媒水的溫度不僅要考慮到對(duì)汽輪機(jī)背壓的影響，也要考慮到對(duì)熱泵的影響。熱泵蒸發(fā)器的出口溫度決定系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力，選取機(jī)組冷媒水出口溫度為26℃ ～36℃，在此過程中設(shè)其他參數(shù)不變，并設(shè)驅(qū)動(dòng)熱源溫度為144℃，冷卻水進(jìn)/出口溫度為50℃/75℃。如圖4所示，隨著機(jī)組低溫冷媒水出口溫度的升高，機(jī)組COP也隨之升高，趨勢(shì)十分明顯。當(dāng)?shù)蜏乩涿剿隹跍囟壬邥r(shí)，相應(yīng)的蒸發(fā)壓力升高，吸收器內(nèi)濃溶液吸收水蒸氣的能力增強(qiáng)，故使COP升高。

冷卻水進(jìn)/出口溫度變化對(duì)熱泵也會(huì)產(chǎn)生影響，選取進(jìn)口溫度參數(shù)為45℃～55℃，出口溫度為75℃(出口溫度參數(shù)為70℃～80℃，進(jìn)口溫度為50℃)，研究對(duì)熱泵的影響，在此過程中設(shè)低溫冷媒水出口溫度為30℃、驅(qū)動(dòng)熱源溫度為144℃。冷卻水進(jìn)/出口溫度對(duì)COP的影響如圖5，圖6所示，當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度升高時(shí)，熱力系數(shù)COP下降的趨勢(shì)十分明顯，幾乎成為一條直線。冷卻水進(jìn)口溫度提高以后導(dǎo)致吸收器稀溶液出口溫度也提高，當(dāng)蒸發(fā)壓力一定時(shí)，產(chǎn)生的水蒸氣量減少，故COP下降。

當(dāng)冷卻水出水溫度升高時(shí)，熱力系數(shù)COP同樣下降的十分明顯。當(dāng)冷卻水出口溫度升高時(shí)，冷凝壓力升高，在驅(qū)動(dòng)熱源壓力不變的情況下，溴化鋰濃溶液濃度減小，造成COP下降。

6 結(jié)語

目前，汽輪機(jī)乏汽的低溫余熱利用主要有兩種方法，低真空供熱和采用熱泵加熱循環(huán)水供熱。而利用熱泵將低溫余熱提質(zhì)再利用又成為現(xiàn)階段應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱工程中的主要方式。

熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，性能指標(biāo)COP受驅(qū)動(dòng)熱源溫度、冷源水出口溫度、冷卻水進(jìn)出口溫度影響較大。驅(qū)動(dòng)熱源溫度升高使COP先升高后逐漸變得平緩;低溫冷媒水溫度升高使COP迅速增加;冷卻水進(jìn)出口溫度增加會(huì)使COP急劇下降。在將熱泵應(yīng)用到電廠循環(huán)水回收的工作當(dāng)中，應(yīng)綜合考慮這幾個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)整體性能帶來的影響。

［1］陳 東，謝繼紅.熱泵技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］陳君燕.溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的計(jì)算與分析［J］.制冷學(xué)報(bào)，1984(2):18-24.

［3］賈明生.溴化鋰水溶液的幾個(gè)主要物性參數(shù)計(jì)算方程［J］.湛江海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(3):52-58.

［4］舒 斌，戚永義，孫士恩，等.參數(shù)變化對(duì)LiBr吸收式熱泵性能的影響［J］.節(jié)能，2012(7):22-27.

［5］范仲元.水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表［M］.北京:中國電力出版社，1996.