溴化鋰吸收式熱泵變設計工況分析

陳清 王錫

華北電力大學能源動力與機械工程學院

我國的現代化工業生產在不斷消耗著能源，但在一次能源變成熱能再轉換成各種形式能量的過程中，超過一半的能量以排氣、蒸汽、低溫熱水等形式損失掉，這種低溫熱量在我國工業部門每年消耗的總能量中占據的比例是非常大的。若對較低品質的熱量加以回收利用，可提高能源的利用效率[1]。如果能采用合理的熱泵系統將其加以回收利用，將會產生顯著的經濟效益[2]。吸收式熱泵是一種以熱能為動力、回收利用低位熱能的有效裝置，具有節約能源和保護環境作用。

1 單效溴化鋰吸收式機組設計

1.1 各狀態點參數設計

熱泵機組各已知參數如表1 所示。

表1 已知設計參數

根據溴化鋰水溶液以及飽和水、飽和水蒸汽的各物性參數關系[3]，對熱泵機組做熱平衡時的理論分析，通過給定的已知參數，計算其他未知狀態量的數值。其中循環各內部參數考慮如下，蒸發溫度低于低溫熱源出口溫度2 ℃，冷凝溫度高于冷凝器出口熱水溫度2.5 ℃，吸收器壓力低于蒸發壓力72 Pa，吸收器出口稀溶液溫度高于吸收器出口熱水溫度 2.5 ℃，溶液熱交換器出口濃溶液溫度高于吸收器出口稀溶液溫度15 ℃，發生器出口濃溶液溫度低于驅動熱源溫度20 ℃，發生器壓力與冷凝壓力一致。循環各狀態點如圖1 所示。

圖1 吸收式熱泵各狀態點h-ξ 圖

1.2 各部件熱負荷計算

放氣范圍Δξ，是發生器出口濃溶液濃度（以下簡稱濃溶液濃度）與吸收器出口稀溶液濃度（以下簡稱稀溶液濃度）的差值：

溶液循環倍率a：

發生器單位熱負荷q g：

冷凝器單位熱負荷q k：

蒸發器單位熱負荷q0：

吸收器單位熱負荷qa：

溶液熱交換器單位熱負荷qτ：

冷劑水循環量D：

1.3 熱平衡及供熱系數計算

加入機組的熱量Qin：

帶出機組的熱量Qout：

誤差E：

供熱系數ε：

2 溴化鋰吸收式機組的性能分析

2.1 低溫熱源溫度對機組性能的影響

在僅改變低溫熱源溫度時，研究熱泵機組的熱力性能。除低溫熱源溫度外，其他計算基于表 1，各內部參數的溫差和壓差亦同1.1，即假設熱水進口的溫度為20 ℃，出口溫度為 60 ℃，驅動熱源為 140 ℃，在這基礎之上，改變低溫熱源溫度，并假設低溫熱源進出口溫差為5 ℃，分別針對低溫熱源進口溫度為 15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃和 35 ℃時進行熱泵機組的熱力設計計算，供熱系數數值如圖所示。從圖得知，熱泵機組的供熱系數ε隨著低溫熱源入口溫度的升高而逐步提高。

圖2 不同低溫熱源下系統的ε 曲線

圖3 為不同低溫熱源溫度時吸收器出口稀溶液濃度和放氣范圍變化曲線。由圖 3 可知，當低溫熱源溫度升高時，稀溶液濃度降低，放氣范圍提高。為了防止溶液發生結晶，將濃溶液的濃度設定為 62.67%（也是后文中濃溶液濃度最大值），對應的濃溶液出口溫度為120 ℃。由于蒸發溫度取決于低溫熱源出口溫度，當只提高低溫熱源出口溫度時，蒸發溫度升高，對應蒸發壓力也升高，吸收器壓力（與蒸發壓力假設為定值 72 Pa）也升高，導致稀溶液的質量分數降低，因濃溶液質量分數不變，則放氣范圍提高，循環倍率減小，所以供熱系數增加。

圖3 不同低溫熱源下放氣范圍Δ ξ 和稀溶液濃度ξa曲線

根據圖2 和圖3 可得，低溫熱源溫度為15 ℃，放氣范圍3.24%和ε值 1.67；低溫熱源溫度升到35 ℃，放氣范圍升高到18.31%，ε升高到1.84。理論上，低溫熱源溫度越高，供熱系數ε越大，但由圖3 得隨著低溫熱源溫度的升高，ε的增幅逐漸降低。

由于稀溶液質量分數范圍一般不超過 60%[4]，因此將稀溶液所能達到的最高質量分數設定為 60%時，可得到對應的最小低溫熱源溫度14.6 ℃，即在本節設計計算的條件下，有最低的低溫熱源溫度 14.6 ℃。另外，低溫熱源溫度越高，稀溶液質量分數越低，當稀溶液質量分數過低時，發生器中溶液會劇烈沸騰，溶液易通過擋板進入冷凝器，造成冷劑水污染。因此，機組運行中也要避免較高的低溫熱源溫度。

2.2 熱水進口溫度對系統性能的影響

在設計條件下（熱水出口溫度為 60 ℃，低溫熱源進出口溫差為5 ℃，驅動熱源為140 ℃）改變熱水進口溫度，研究熱泵機組的性能。考慮熱水進口溫度分別為14 ℃，16 ℃，18 ℃，20 ℃，22 ℃和24 ℃時，熱泵機組的性能隨低溫熱源變化情況，具體數值如圖所示。根據圖4 得知，相同的熱水進口溫度下，熱泵機組的ε與低溫熱源溫度的關系與圖2 吻合，隨著低溫熱源溫度升高ε也隨之升高。在相同低溫熱源溫度下，熱泵機組ε值隨著熱水進口溫度的升高而降低。

圖4 不同熱水進口溫度下ε隨低溫熱源溫度變化曲線

圖5 為不同熱水進口溫度下熱泵機組稀溶液質量分數和放氣范圍隨低溫熱源溫度的變化曲線。由圖 5可知，相同的熱水進口溫度下，系統的稀溶液濃度及放氣范圍與低溫熱源溫度的關系與圖3 吻合。相同低溫熱源溫度下，當系統熱水進口溫度升高時，吸收器出口稀溶液溫度升高，而低溫熱源水進出口溫度不變代表蒸發壓力不變，吸收壓力也不變，因此稀溶液質量分數升高，而濃溶液濃度不變，故系統放氣范圍降低，溶液循環倍率提高，而溶液循環泵的流量不變，即相同的稀溶液流量下冷劑水循環量減少，供熱系數值降低。

圖5 不同熱水進口溫度下ξa和Δξ 隨低溫熱源的變化曲線

因熱水進口溫度升高，稀溶液質量分數升高。設定稀溶液質量分數上限為60%[4]，從而得出不同低溫熱源溫度下熱水進口溫度的最大值，表列出了不同低溫熱源溫度下熱水進口溫度的極限值。若對稀溶液質量分數不設下線，則不同低溫熱源溫度下熱水進口溫度最低可取到零點溫度。但是，熱水進口越低，稀溶液質量分數過低，發生器中溶液會劇烈沸騰，溶液易通過擋板進入冷凝器，造成冷劑水污染。因此，熱泵機組運行中不允許熱水進口溫度過低[13]。

表2 不同低溫熱源溫度下熱水進口溫度的極大值

2.3 熱水出口溫度對系統性能的影響

在設計條件下（熱水進口溫度為 20 ℃，低溫熱源進出口溫差為5 ℃，驅動熱源 140 ℃）改變熱水出口溫度時，研究熱泵機組的熱力性能。改變熱水出口溫度為55 ℃，60 ℃，65 ℃和70 ℃時，熱泵機組的性能隨低溫熱源變化情況，具體數值如圖6 所示。

圖6 不同熱水出口溫度下ε隨低溫熱源溫度變化曲線

由圖 6 可得，相同熱水出口溫度下，系統的ε與低溫熱源溫度的關系與圖吻合，隨著低溫熱源溫度升高ε也隨之升高。相同低溫熱源溫度下，系統供熱系數隨著熱水出口溫度的升高而降低。從圖 6 中還可得，低溫熱源溫度越高，熱水出口溫度變化對供熱系數的影響越小。由于發生器出口濃溶液質量分數與發生器壓力（即冷凝壓力）和濃溶液的溫度（與驅動熱源溫度有關，本文固定發生器端溫差20 ℃）有關，當熱水出口溫度升高時，冷凝溫度升高，發生器內壓力也隨之升高，若溫度不變（驅動溫度不變，設計發生器傳熱溫差不變），由焓濃圖可知，濃溶液濃度將隨之降低。

圖7 為不同熱水出口溫度下系統濃溶液質量分數隨低溫熱源溫度變化曲線。如圖7 所示，熱水出口溫度從55 ℃升高到 70 ℃時，濃溶液濃度從64.92%降至58.55%。可以看出熱水出口溫度55 ℃時濃溶液濃度64.92%，高出前文給出的預警濃度 62.67%，為保證不發生結晶，在熱水出口溫度較低時即發生器壓力較低，需要增大發生器端溫差或降低驅動熱源溫度。或者可以說熱水出口溫度較低時，所需要的驅動熱源溫度較低。

圖7 濃溶液濃度隨熱水出口溫度的變化

圖8 為不同熱水出口溫度下系統稀溶液質量分數和放氣范圍隨低溫熱源溫度變化曲線。由圖8 可知，相同熱水出口溫度下熱泵機組稀溶液質量分數及放氣范圍與低溫熱源溫度的關系與圖3 吻合。這是由于僅升高熱水出口溫度時，吸收器和冷凝器的溫度升高，因吸收壓力不變則吸收器稀溶液濃度也隨之升高，濃溶液濃度減小（如圖7），所以放氣范圍減小，系統ε減小。在其他條件不變化時，若提高制取的熱水溫度，則對低溫熱源的溫度要求也相應提高，如表2。當低溫熱源溫度一定時，制取的熱水出口溫度亦有極大值（具體解釋見表3），所以如圖 8 中，在低溫熱源溫度為35 ℃的情況下，將熱水出口溫度從55 ℃提高到70 ℃，熱泵機組放氣范圍從28.5%降低到14.42%。

圖8 不同熱水出口溫度下ξa和Δξ 隨低溫熱源溫度變化曲線

如圖 8，因熱水出口溫度（如 55 ℃）減小，濃溶液濃度升高，故設定濃溶液質量分數上限為62.67%。當熱水出口溫度升高（如 65 ℃，70 ℃）時，濃溶液濃度減小將低于 62.67%,可得出不同低溫熱源溫度下熱水出口溫度的最小值。設定稀溶液質量分數上限為 60%，可得出不同低溫熱源溫度下熱水出口溫度的最大值。表列出不同低溫熱源溫度下熱水出口溫度極限值。

表3 不同低溫熱源溫度下熱水出口溫度的極限值

2.4 驅動熱源溫度對系統性能的影響

在改變驅動熱源溫度時，研究熱泵機組的熱力性能。其中熱水進口溫度為 20 ℃，出口溫度為 65 ℃，70 ℃或 75 ℃，低溫熱源進出口溫度分別為 30 ℃和25 ℃。驅動熱源溫度分別為 135 ℃，140 ℃，145 ℃，150 ℃和 155 ℃時熱泵機組的供熱系數，具體數值如圖所示。由圖可知，相同驅動熱源溫度下，熱水出口溫度越高熱泵機組供熱系數越低，這也吻合與圖6 的結論。熱泵機組的供熱系數隨驅動熱源溫度的升高而增加，但隨著驅動熱源的升高，供熱系數的增幅減小。

圖9 不同熱水出口溫度下系統ε隨驅動熱源溫度變化曲線

圖10 為不同熱水出口溫度下濃溶液質量分數隨驅動熱源溫度變化曲線。濃溶液質量分數與發生器壓力（即冷凝壓力）和驅動熱源溫度有關。當驅動熱源溫度變化時（傳熱溫差不變），濃溶液溫度升高，而發生器壓力一定（熱水出口溫度一定，則冷凝溫度一定，對應的冷凝壓力一定），所以濃溶液質量分數增大（如圖10所示），發生器出口冷劑蒸汽量增多，放氣范圍增大，所以供熱系數增大。如圖所示，當熱水溫度70 ℃時，驅動熱源溫度從135 ℃升高到155 ℃，系統濃溶液質量分數從 56.45% 升高到 64.57%（但超出預警濃度62.67%）。

圖10 不同熱水出口溫度下ξr隨驅動熱源溫度變化曲線

由于稀溶液濃度與吸收器壓力和稀溶液溫度有關，因在此處蒸發溫度不變（在此節只改變驅動熱源溫度），故吸收器壓力亦不變，所以稀溶液溫度取決于吸收器出口熱水溫度（稀溶液溫度低于吸收器出口熱水溫度2.5 ℃）。又因為熱水在熱泵機組中以串聯方式依次通過吸收器和冷凝器，因此當熱水進出口溫度不變（即熱水總溫升不變，或者說吸收器和冷凝器熱負荷之和不變）時，吸收器出口熱水溫度隨吸收器與冷凝器之間的熱負荷比值而變化，當吸收器與冷凝器的熱負荷比降低時，吸收器出口熱水溫度降低。當驅動熱源溫度升高時，發生過程終了時的濃溶液（圖 1 上的狀態點 4）的溫度升高（驅動熱源溫度和濃溶液溫差為20 ℃），根據溴化鋰焓濃圖（圖 1）可分析出，產出的冷劑蒸汽 3'的溫度也相應升高，當冷劑蒸汽冷凝時由于顯熱的增加而使得整體在冷凝器中的熱負荷提高，從而吸收器與冷凝器的熱負荷比降低。所以當驅動熱源溫度升高時，由于吸收器與冷凝器的熱負荷比降低，在熱水總溫升不變條件下，吸收器出口熱水溫度降低，從而稀溶液溫度降低，最終導致稀溶液濃度降低。因為冷凝器中顯熱部分占比相對較小，故吸收器與冷凝器的熱負荷比降低值不是很大，所以最終導致稀溶液濃度降低不是很明顯，如圖所示。

圖11 不同熱水出口溫度下ξa和Δξ 隨驅動熱源溫度變化曲線

同樣如圖11 所示，同一驅動熱源溫度下，供應的熱水溫度升高，則稀溶液濃度升高，而濃溶液濃度變低（如圖 10 所示），所以熱泵機組放氣范圍減小，供熱系數降低。

從圖11 中還可以得到，若要提高熱水溫度，則驅動熱源的溫度也需相應提高。熱泵機組放氣范圍隨驅動熱源溫度升高而增加，但驅動熱源溫度增大會引起濃溶液質量分數的增加，從而增加了熱泵機組結晶的危險。表列出了不同驅動熱源溫度下熱水出口溫度的極大值。

表4 不同驅動熱源溫度下熱水出口溫度的極大值

5 總結

1）當低溫熱源進口溫度升高時，熱泵機組稀溶液濃度降低，放氣范圍升高，供熱系數升高。

2）當熱水進口溫度升高時，熱泵機組稀溶液濃度升高，放氣范圍降低，供熱系數降低。設定熱泵機組稀溶液濃度上限為 60%，可得到不同低溫熱源溫度下熱水進口溫度的最大值。

3）當熱水出口溫度升高時，熱泵機組稀溶液濃度升高，放氣范圍降低，供熱系數降低。設定熱泵機組稀溶液濃度上限為 60%，濃溶液濃度上限為62.67%，則分別可得到不同低溫熱源溫度下熱水出口溫度的最大值和最小值。

4）當驅動熱源溫度升高時，熱泵機組稀溶液濃度降低，放氣范圍升高，供熱系數升高。不同驅動熱源溫度不同時熱水出口溫度亦有最大值。