（热能工程专业论文）低温热源驱动溴化锂第二类吸收式热泵的实验研究.pdf

摘要 第二类吸收式热泵是回收低温位热能、获得高温位有用热能的装置，可直接 利用各种低温热源来驱动，而不需要消耗电能、机械能或其它能源，因此其节能 效果十分显著。 本文针对地热利用中尾水排放温度过高的问题，提出利用溴化锂第二类吸收 式热泵系统回收低温废热的方案：将供热系统1 排放的5 0 左右的地热尾水作 为第二类吸收式热泵的驱动热源，通过系统的热力循环，提高供热系统2 循环回 水的温度；建立了热负荷为l o k w 的l i b r - h ：0 第二类吸收式热泵系统实验台，对 废热驱动的实验系统在不同运行工况下进行了实验研究。分析了系统主要运行参 数各换热设备的进口水温和质量流量对系统性能的影响趋势和规律；在实验数据 的基础上，利用已有的经验公式，计算出在不同运行工况条件下换热设备的热阻 及总传热系数，分析了主要热阻和总传热系数的变化趋势和影响因素。通过对系 统不同运行工况下实验数据的分析，总结出影响机组性能参数的主要因素如冷凝 器冷却水进口温度和流量，发生器废热水进口温度和流量，以及冷凝器冷却水和 蒸发器废热水进口温度的经验公式：对整个系统的实际运行情况与设计计算的各 参数进行比较，分析了误差产生的主要因素；在实验和市场调研的基础上，与中 低温水源热泵、燃气锅炉等的采暖系统进行对比分析，得出溴化锂第二类吸收式 热泵在特定的条件下，具有节能降耗和环保的优越性。 关键词：第二类吸收式热泵溴化锂低温废热经济评价 a b s t r a c t a b s o r p t i o n h e a tt r a n s f o r m e r s ( a h t ) a r ed e v i c e s t h a tc a ni n c r e a s et h e t e m p e r a t u r eo fm o d e r a t e l yl o w e n t h a l p yw a s t eh e a tt o ah i g h e rl e v e l ，w h i c hc a nb e t a k e ng o o du s eo f t h ea h t c a l lb eo p e r a t e db yi n p u t t i n ga n yl o w e n t h a l p yt h e r m a l e n e r g y , s u c ha sw a s t eh e a ta n d s o l a re n e r g y , o t h e rt h a nm e c h a n i c a le n e r g y , e l e c t r i c a l e n e r g ya n dh i g ht e m p e r a t u r e t h e r m a le n e r g y t h u sa h t c a nb eap r o m i s i n gd e v i c ef o r e n e r g ys a v i n g c o n s i d e r i n gt h a tt h e r eh a db e e na l o to fm o d e r a t e l yl o w e n t h a l p yw a s t eh e a t d i s c h a r g e dd u r i n gt h ep r o c e s s e so fg e o t h e r m a lr e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，as c h e m eu s i n g a b s o r p f i o nh e a tt r a n s f o r m e rt or e c o v e rg e o t h e r m a lw a s t eh e a tw a sp r o p o s e dm t h i s p a p e r t h eg e o t h e r m a lw a t e ra ta b o u t5 0 cw h i c hc o m e s o u to fh e a t i n gs y s t e mo n e l s t a ：k e n 镐t h ed r i v i n gh e a ts o u r c eo ft h ea h t a _ f 论rt h et h e r m a lc y c l i n go f t h es y s t e m ， t h et e m p e r a t u r eo ft h er e c y c l i n gw a t e ri nt h eh e a t i n gs y s t e mt w oi sr a i s e d a10 l ( w e x l ：i c r i m e n t a la h ts y s t e mw a sd e s i g n e da n ds e tu p ，a n de x p e r i m e n t sa b o u t t h ew a s t e h e a tr e c o v e r ys c h e m ew e r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s t h ei m p a c t o fm a j o rw o r k i n gp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e so f e a c hc o m p o n e n ti n l e ta n dm a s s n o wm t e o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea h ts y s t e mw a sa n a l y z e d b a s e d o nt h e e x p e 血e n t a l ，t h e r m a lr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f e a c hc o m p o n e n t i nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sw e r ed e r i v e du s i n ge m p i r i c a lf o r m u l a s t h et e n d e n c y o ft h em a i nh e a tr e s i s t a n c ea n dt h et o t a lc o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e ra l o n gw i t ht h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h e ma r ei n v e s t i g a t e d s o m ee q u a t i o n so fm a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h e s y s t e m sc o p w e r ec o n c l u d e d ，s u c ha s w a t e ri nc o n d e n s e r , t e m p e r a t u r ea n d t h et e m p e r a t u r ea n dm e s sf l o wr a t eo fc o o l i n g m e s sf l o wr a t eo ft h ew a s t eh e a tw a t e ri n g e n e r a t o ri n l e ta n dt e m p e r a t u r e so ft h e w a t e ri nc o n d e n s e ra n de v a p o r a t o ri n l e t t h r o u g hw h i c ht h es y s t e m sc o p c a l lb ed e r i v e d t h ed i f f e r e n c eo ft h er e s u l t sb e t 、e 钮 t h ee x p e r i m e n ta n dt h ec o m p u t a t i o n a lm o d e lw e r ea n a l y z e da n dt h er e a s o nw h y t h e d i f 五e r e n c eo c c u n e dw a sd i s c u s s e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t sa n di n v e s t i g a t i o n so f d i 缗玳n th e a t i n gs y s t e m s ，i tc a nb eu n d e r s t o o dt h a ti ns p e c i f i cc o n d i t i o n s ，t h ea h t s y s t e mf o rd i s t r i c th e a t i n gc a nb em o r ec o m p e t i t i v ei ne n e r g ys a v i n g a n de n v i r o n m e t i t p r o t e c t i n gc o m p a r e dw i t ho t h e rs y s t e m ss u c ha sw a t e rs o u r c eh e a tp u m p sa n dg a s b o i l e ra n ds oo n k e yw o r d s ：a b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r l ib r 1o w e n t h a l p yw a s t eh e a t e c o n o m ye v a l u a t i o n 符号表 符号表 名称 蒸发压力 冷凝压力 蒸发温度 冷凝温度 发生温度 吸收温度 蒸发器进口的废热水温度 蒸发器出口的废热水温度 冷凝器进口的冷却水温度 冷凝器出口的冷却水温度 吸收器进口的热媒水温度 吸收器出口的热媒水温度 发生器进口的废热水温度 发生器出口的废热水温度 蒸发器压力 冷凝器压力 冷凝器管程入口冷却水质量流量 蒸发器管程入口废热水质量流量 吸收器管程入口热媒水质量流量 发生器管程入口废热水质量流量 溴化锂水溶液的焓 溴化锂水溶液的浓度 系数 溴化锂溶液的露点温度 立 肋 肋 仫 胁 傀 靴 只只 培 堙 培 堙 幼 斛 尼尼 o 乞 毛乙瓦乇乙乙乙乙暑b 矗 孝虬 b 符号表 温度 系数 饱和水的焓 热负荷 循环流体的质量流量 冷剂水的循环量 溴化锂浓溶液的浓度 溴化锂浓溶液的浓度 进行热交换两流体间的最大温差 流量 总传热系数 传热面积 溴化锂溶液的放气范围 溴化锂溶液的平均浓度 比热， 水侧放热系数 管外的放热系数 污垢系数 管子的热阻 表面积比 传热管内水的平均温度 水在传热管内的流速 传热管内径 比重 导热系数 冷凝潜热 管径在垂直方向的管子排数 k j k g w k g h k g h k g h 矿i m 2 ，矿 k 】( k g ) 矿i r t t 2 0 k 秆k 一k w m 2 k v ， m s m 堙加3 w | m k k j k g m 孝 t 既 k q m m 知 彘 g k 彳 雠 厶 c 硝础 职 乙 w 喀 y 力 ， 符号表 粘性系数 热流密度 普朗特数 相当于一排管子上的冷剂喷淋量 传热管的长度 液膜厚度 运动粘性系数 堙m s w m 2 堙i h ，竹 m 秆is 刁 g n 形 万 y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：馒确务 签字日期：五们年口月f 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨垒盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：谨绵绮 导师签名： 签字日期：硼年汐6 月巧日 齐】、金 y 签字日期：_ ) 句年占月厂日 第。革绪论 1 1 能源与环境问题 i i 1 全球常规能源现状 第一章绪论 能源是社会发展的重要物质基础，是维持和发展社会经济、人类生活及物质 文明的最基本的因素，人们的各种生产活动和日常生活都离不开能源。中国要实 现现代化，在很大程度上取决于能源的供应和有效利用，因而它是我国现代化建 设的战略重点。 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，世界各国对能源的需求也越来 越多。根据世界能源委员会( 1 】| e c ) 公布的数字，2 0 0 1 年全球能耗折合标准煤9 0 6 亿吨，并预测到2 0 5 0 年将会达到2 0 0 亿吨标准煤【l 】。 煤炭、石油、天然气是当前常规能源的主力，它们属于化石燃料，是地球内 部某些物质经过千百万年变化而成的。近年来，人类对生物化石能源的大规模甚 至近于疯狂式的开采和消耗，导致这些化石能源趋于枯竭耗尽，同时大量的使用 这些常规能源还给环境造成很大的危害。新能源与可再生能源在国际能源消费构 成中的比例正在以较快的速度增大，因此开发新能源和可再生能源特别是把它们 转化为高品位能源，因地制宜，能源互补，以逐步减少和替代化石能源的作用， 是保护生态环境，走经济社会可持续发展之路的重大措施。 1 1 2 我国能源现状及发展趋势 我国是世界排名第二的一次能源消费国，也是世界能源市场的重要参与者， 占世界一次能源需求总量的1 0 以上。当前我国正处于经济高速发展的阶段，对 能源的需求量将快速增长。 总体来说，我国的能源蕴藏量比较丰富，但是由于我国人口众多和能源的利 用率比较低，我国的人均能源占有量远远低于发达国家和世界平均水平。统计资 料显示，我国能源人均占有量只有世界能源人均占有量的一半 2 1 。在实际工艺过 程中排放的大量余热、地热、空气等温度较低的热源，其数量是相当大的，仅依 据2 7 个石油化工企业的不完全统计f 3 】每年有折合标准煤1 5 0 万吨的废热可供回 收利用。但由于这部分热量的可用性比较低，通常都是直接排放到环境中了，不 仅造成能量的浪费，还对环境造成定的热污染。如果将这部分废热进行部分回 第章绪论 收，尽管它们的可用值较低，但由于其数量之巨大，其经济效益也是不容忽视的。 从而不仅达到节能降耗的效果，同时也减少了环境的热污染。 1 2 吸收式热泵 1 2 1 概述 近年来随着环保问题日益受到重视，能源的需求量又日益增加，因此，节能 降耗和开发新型可再生能源在我国引起了前所未有的重视。2 0 0 0 年中国政府决定 实施西气东输工程，并在2 0 0 1 年年底开始启动1 4 j ，这为吸收式制冷机的发展提供 了机会。2 0 0 1 年我国成功的申办了2 0 0 8 年奥运会，这对北京环境的改善提出了一 个艰巨的任务，利用新型低污染可再生能源代替原来锅炉供暖是一个有益可行的 方案。在我国的很多生产领域里存在着大量带有余( 废) 热的中、低温废汽和废 水，如果将这部分热量利用热泵技术提升其热能品位，使得这部分热量得到充分 利用，不仅可以有效的节能实现经济效益，其环境效益也是相当可观的。 吸收式热泵是一种利用溶液的热力性能和工作循环，实现把低温热源能量向 高温物体转移成为可以利用的有用热能的装置【5 】。它突出的优点在于可直接利用 各种热源来驱动，而不是消耗电能、机械能或其它能源。 吸收式热泵需要依靠工质来实现循环，但这种工质不是单一的或混合的物 质，而是一种二元溶液。这两种溶液的沸点截然不同但是可以互相溶解。其中沸 点较低受热后容易蒸发的物质叫溶质( 或叫工质) ，沸点较高的物质叫溶剂( 吸 收剂) 。吸收式热泵的工作原理是利用溶质在溶液中溶解度随温度而变的特性来 供热的，即在一定的压力下，温度越高溶解度越小，从而产生所需的高压蒸气： 温度越低则溶解度越大，溶质易于被吸收剂吸收而溶解【i 】。 我国加入世贸组织之后，各种工业产品的市场将逐步开放，机遇增加的同时， 将面临更大的挑战。产品单产能耗过高是制约国内产品在国际市场竞争力的主要 因素之一，因此必须因地制宜，抓紧对现有装置进行节能技术改造。而且高能耗 带来的高排放、高污染，对环境造成的危害很难用经济杠杆来衡量的，所以无论 是从经济角度考虑还是从环保和节能角度考虑，工业吸收式热泵技术都应该受到 关注。 2 第一章绪论 1 2 2 吸收式热泵的基本原理及其分类 热泵按照工作原理可分为压缩式热泵和吸收式热泵两大类，另外还有一些如 化学式、蒸气喷射式和热电式等不同工作原理制成的热泵。而其中吸收式热泵根 据工作特性来分，可分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵。 第一类吸收式热泵( a b s o r p t i o nh e a tp u m p 简称a h p ) 是以消耗少量高温 位热能为代价，通过向系统输送高温热能，进而从低温热源中回收一部分热能， 提高其温位，以中温的形式供给用户，从而提高了热能的利用效率。 图1 1 是第一类吸收式热泵的工作原理图。它主要有五部分组成：发生器 ( g e n e r a t o r ) 、吸收器( a b s o r b e r ) 、蒸发器( e v a p o r a t o r ) 、冷凝器( c o n d e n s e r ) 、 溶液热交换器( e x c h a n g e r ) 和溶液泵组成。发生器在高温热源的驱动下，将易 挥发的制冷剂蒸发，进入冷凝器放热液化后经节流阀降温降压流入蒸发器，从蒸 发器低温热源吸热后，制冷剂被蒸发、气化进入吸收器被在发生器中分离后进入 吸收器的制冷剂浓溶液吸收放热，吸收后的制冷剂稀溶液离开吸收器，与来自发 生器的制冷剂浓溶液在溶液热交换器中进行换热后再次进入发生器，开始新一轮 的循环。整个循环是在高温热源的驱动下，制冷剂从蒸发器低温热源吸热，通过 吸收器和冷凝器放出中温热源供给用户。 驱动热源利用热水 利用热水低品位热源 图1 1 第一类吸收式热泵原理简图 第一类吸收式热泵也称增热型热泵，它的性能系数大于l ，一般为1 5 2 5 1 6 ，可将1 5 - - 4 0 。c 的废热源，或者将2 0 ，- - 5 0 c 的应用水加热到6 0 1 0 0 。c 的热 水供用户使用，此热泵输出热水的温度范围较宽，可用于多种工业给水的系统。 第二类吸收式热泵( a b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r 简称a h t ) 它是在不需 要提供高温热源的条件下，利用大量中温热源和低温热源的热势差，制取热量少 第一车绪论 于、但是温度高于中温热源的热量，从而提高了热源的利用品位。 图i - 2 是第二类吸收式热泵的工作原理图。它主要有发生器( g e n e r a t o r ) 、 吸收器( a b s o r b e r ) 、蒸发器( e v a p o r a t o r ) 、冷凝器( c o n d e n s e r ) 、溶液热交 换器( e x c h a n g e r ) 和溶液泵、制冷剂工质泵和连接管路构成循环系统。其溶液 及工质的循环路线与工作原理与第一类吸收式热泵相同。但两者之间也存在一定 的差异，主要表现在：驱动热源的不同，第一类吸收式热泵是利用高温和低温 热源来获取中温热源，而第二类吸收式热泵正好相反，驱动热源是中温废热，而 利用热水低品位热源 低品位热源冷却水 图1 - 2 第二类吸收式热泵原理简图 在高温和低温两个温位上输出热量；高低压部件位置的不同，对于第二类吸收 式热泵是在低压条件下进行冷凝与再生，在高压下进行吸收与蒸发，这与第一类 吸收式热泵正好相反。 第二类吸收式热泵也称升温型热泵，其性能系数通常小于1 ，一般为0 4 0 6 【6 】。第二类吸收式热泵通常采用6 0 1 0 0 。c 的中温热源，低温热源在1 0 一- - 4 0 。c 之间，输出热水或蒸汽温度在9 0 - - 一1 5 0 。c ，由此可见，其节能效果和经济性十分 明显。 表l - i 是以溴化锂的水溶液为工质的第一类和第二类吸收式热泵特点的类 比。 4 第章绪论 表卜1 l i b r h ：0 吸收式热泵的特点【7 】 类驱动热源回收热源( )输出形式最高输出温性能系数 型( ) 度( ) ( c o p ) a l l p 燃料或高温 1 5 5 0 低温热水或 5 0 9 01 5 1 7 蒸汽冷流股低压蒸汽 a h t 废热 6 0 - - - 1 0 0 高温热水或 】0 0 1 5 00 4 0 6 中低温废热高压蒸汽 1 3 吸收式热泵的发展研究与应用 1 3 1 吸收式热泵的发展研究 随着工业的不断发展，人类对能源的需求量和依赖性越来越大。能源的使用 量和利用率已经成为衡量人类社会经济发展和人民生活水平的一个重要标志。人 类赖以生存的传统能源总量的急剧减少和人类社会对能源的需求量不断的增长 之间的矛盾已经成为遏制经济发展和社会进步的主要因素。因此，开发新型可再 生能源和寻求现有能源转换利用的最优途径已成为我国现代化经济建设的战略 重点之一。 热泵是通过电能或热能从低温热源( 如地下水、工业废热等) 吸热并将热量 送给高温热源。它是一种节能装置，虽然其运行也要耗能，但是所耗的能量比常 规的能耗要小的多，经济效益比较可观。在制冷原理基础上发展起来的热泵技术 已有一百多年的发展历史。世界上第一台热泵蒸发器( p i c c a r d - w e i b l e ) 于1 8 7 9 年在法国投入运转【引。 g a x ( g e n e r a t e a b s o r b e rh e a tp u m p ) 这一概念最早是由a l t e n k i r c h 于1 9 1 3 年首先提出，但直至8 0 年代才逐步受到重视，其工业化应用也只有2 0 多年的 历史1 9 。在国外，利用吸收式热泵回收废热技术的研究已有多年。早在1 9 7 6 年【1 0 】， 美国b c l ( b a t t e l ec o l u m b e rl a b s ) 就提出了吸收式热泵的概念，并进行了市 场预测，确信该项技术有实用价值。1 9 7 9 年，该研究单位将1 8 0 t ( 冷吨) 的溴化 锂吸收制冷机改装成输出5 8 0 k w 的吸收式热泵机组，并进行实验。1 9 8 0 年b c l 与a c 公司( a d o l p h c o o sc o m p a n g e ) 合作，共同开发较为完善的a h t 装置，1 9 8 3 年已能成套生产这种装置。此外，在美国，在能源部及碳化公司( u n i o nc a r b i d e c o r p o r a t i o n ) 资助下，o a kr i d g e 国家实验室进行了大量的工作，1 9 7 9 年来发表 了多篇报告。从理论的计算，热力循环的改进，到实验操作性能报告，都说明应 第章绪论 用a h t 装置回收工厂废热是很有吸引力的。美国将热泵技术与超导技术、电动汽 车等技术一同列入作为本国可持续发展战略的1 2 个科技领域之一的“未来终端 能源使用技术，【】美国能源部和燃气暖通空调业界采用先进的吸收式技术提高能 源利用率，限制c f c s 和h c f c s 的使用，并减少对地球升温的影响。为此，制 定了包括家用燃气吸收式热泵、大型商业化冷水机组、新工质对、计算机辅助设 计和高级制冷热泵等五个重点的热能驱动热泵发展规划。除美国外，其他能源紧 缺国家如法国、日本、英国、意大利、德国都对a h t 的开发利用进行了大量的工 作【l 2 j 【l3 1 ，其中日本在吸收式热泵的制造和应用方面比较先进。日本三洋公司仅 从1 9 8 1 年以来就已为日本和世界各地建立了2 0 多套2 0 0 0 5 0 0 0 k w 规模的a h t 装置，大多用于回收石化企业蒸馏塔顶有机蒸气的热量，至今，初期建立的装置 己成功运转十多年。 我国也越来越认识到a h t 在节约和充分利用能源方面的作用，从8 0 年代 中期就开始了这方面的研究工作，至今已有一些进展。现在，中国己成为世界上 吸收式制冷机的生产大国，近十年来生产量与生产厂家呈大幅度的增长。我国第 一台溴化锂吸收式冷水机组1 9 6 6 年在上海第一冷冻机厂制造成功。九十年代， 上海交通大学为上海溶剂厂研制了3 0 万k c a l h 的溴化锂高温吸收式热泵，用于 回收塔蒸馏过程中水蒸气的潜热。上海的华亭宾馆、银河宾馆和浦东的张杨路商 业区便是商住楼宇和区域集中供热供冷系统应用溴化锂吸收式制冷的范例。胜利 油田与石油大学共同开发利用第一类吸收式热泵和钛管式换热器等回收污水余 热设备【1 4 1 ，完成了胜利油田污水余热利用项目中第一类吸收式热泵的工艺设计。 在2 0 0 1 年采暖期进行了先期试验，并取得了成功。经查新检索认定，该项目利 用吸收式热泵技术提高低品位余热资源用于民用采暖，在国内尚属首创。 国内外的许多专家、学者在热泵方面做了大量的工作，其中包括系统的模拟 计算和实验研究。党洁修【1 5 】【1 6 1 、钟理【1 7 】【18 】等对a h t 的工质对开展了研究工作， 认为h 2 0 - l i b r - z n c l 2 c a b r 2 是一种有应用价值而值得开发的混合工质对。尹娟、 史琳、朱明善【1 9 】【2 0 】【2 1 】等对单级、双级吸收式热转换器及双吸收热转换器进行了 较为详尽的研究，提出了双吸收过程中以l i b r h 2 0 为第一级而以t f e n m p 为第二 级的设想，并进行了实际过程模拟，效果较好。s j e o n g 2 2 】等人对回收低温废热 ( 3 0 - - 一4 0 ) 的吸收式热泵，进行了动态模拟，研究了不同的设计参数和操作条件 对系统性能的影响，如进入发生器的气体温度，热水温度，废热水温度，热水流 速，溶液循环倍率等对c o p 的影响。a t b u l g a n f 2 3 】依据热力学的第一定律，通过 c o p 值来评估系统的性能。他对氨水吸收这种系统建立了数学模型，通过自由度 分析确定了设计参数的数目，并对其余作为变量的参数进行了优化分析。结果表 明，当冷凝器和吸收器温度降低时，c o p 值升高，而循环倍率随发生器和蒸发器 第一章绪论 温度的升高而减小。r b e s t l 2 4 】等人对以水溴化锂l - - 醇为工质的吸收式热泵 进行了热力学分析，并建立了一个数学模型来描述系统的理论性能。他认为流率 比是确定设备尺寸和成本的一个重要参数，而c o p 值则代表系统的效率高低。他 将总温升，c o p 值几个重要的温度数据用图表列出，并比较了理论计算温升和实 验数据的差异，结果表明单级热泵的c o p 值最高，但总温升最低为6 0 摄氏度，对 二级热泵，总温升可达一百零五摄氏度。 1 3 2 吸收式热泵的应用 目前a h p 和a h t 主要用于住宅和商业建筑的供暖和制冷，工业用途的热泵只 占很小的一部分。其中机械热泵占主流，工业吸收式热泵少之又少。这些工业热 泵应用在纺织、酿造、纸浆、木材、奶制品、食品加工、石油化工、冶金、影印、 城市污水处理、海水淡化以及农业生产等领域【2 5 】【2 6 1 。a h p 主要用于加热、干燥、 浓缩、蒸馏等工业过程。如啤酒厂利用本厂的蒸汽驱动a h p ，获得冷冻和冷却用 水，同时利用吸收器产生的4 0 c 的水供啤酒生产用阿；合成纤维厂利用a h p 使 3 0 - 4 0 的循环冷却水升温至6 0 ，用作本厂洗涤水，提高了供热和用水方面 的经济性；蒸馏水厂蒸馏塔顶蒸汽驱动a h p 用于加热原料水【2 8 】；回收电厂废热加 热锅炉给水等等。a h t 主要在废热回收领域发挥了较大的作用，特别是有大量废 热，同时有蒸气需求的场合，主要用于回收橡胶厂、乙醇厂等石化、化工企业蒸 馏塔顶有机蒸汽的热量f 2 9 】；在轧钢厂可以利用a h t 回收冷却加热炉的废热，产生 低压蒸汽等等。 吸收式热泵技术已经有近2 0 年的应用实例，其可靠性和稳定性是值得信赖 的。目前，第一类吸收式热泵比第二类吸收式热泵应用得多，这主要是因为用户 的条件和要求必须与第二类吸收式热泵的功能相符，才能收到良好的节能效果。 溴化锂水溶液的特性又在一定程度上限制了溴化锂吸收式热泵的应用范围。然 而，对于那些具备热源条件的场合，采用吸收式热泵必将提高能源的利用效率， 获得良好的节能效果和经济效益。 1 4 本课题研究的背景及主要内容 1 4 1 本课题研究的背景 在人们日益关注全球气候变暖和矿物燃料利用带来的各种环境污染的今天， 地热能作为贮存于地球内部的一种巨大的能源，因其清洁、无污染的特点而倍受 各国重视。我国的地热资源非常丰富，在我国大陆地区地热资源分布丰富的地区 有西藏、云南、广东、河北、天津、北京等地。由于环保问题日益受到重视，能 第章绪论 源的需求义日益增大，因此，地热资源的研究、开发与利用在我国受剑前所未有 的重视，尤其在我国北方的供暖中越来越被关注。我国成功地申办了2 0 0 8 年奥 运会，这对北京来说改善环境是一大艰巨任务，利用地热资源代替原有锅炉供暖 是一个有益而可行的方案。 中低温地热的直接利用在我国非常广泛，已利用的地热点有1 5 0 0 多处，地 热采暖面积达1 4 0 0 多万册2 ，地热温室、地热养殖和温泉浴疗也有了很大的发展。 地热供暖主要集中在我国的北方城市，其基本形式有2 种：直接供暖和间接供暖。 直接供暖就是以地热水为工质供热，间接供暖是利用地热水加热供热介质，再利 用介质循环供热。地热水供暖方式的选择主要取决于地热水所含元素成分和温 度，但是从现有地热供热站的运行机制分析，冬季运行存在尾水排放温度较高 ( 4 5 5 5 。c ) 的问题。而且受多种条件的制约，这部分废热又不能得以充分的利 用，而被直接排放到环境中，既未能充分利用能源，又对环境造成了一定程度的 污染。本文针对这种情况，提出了相应回收地热余热的节能方案，即利用第二类 吸收式热泵技术对地热余热进行回收的方案。 1 4 2 本课题的主要研究意义 目前，实际应用或正在研究的第二类吸收式热泵系统大都用于回收6 0 以 上的废热资源，综合考虑本实验研究所对应的能源特点，本文重点研究的溴化锂 第二类吸收式热泵系统，其驱动热源温度只有5 0 左右，所以本课题不但是对 低温地热余热回收方式的研究，也是对溴化锂第二类吸收式热泵在更加苛刻的工 况下工作情况所进行的新的探索性研究。 1 4 3 本课题的主要研究内容 本论文主要是通过对溴化锂第二类吸收式热泵机组的系统实验来研究机组 在不同工况下的运行情况，在此基础上分析系统性能的影响因素，利用试验数据 讨论各换热设备的主要热阻以及总传热系数的变化，最后结合实际案例对溴化锂 第二类吸收式热泵的经济性进行分析讨论，从而直观的反应其自身的优势。 主要内容如下： 1 利用溴化锂第二类吸收式热泵实验台，分别对在不同的蒸发器和发生器 废热水、冷凝器冷却水、吸收器热媒水的进口温度和流量进行了实验研究。 2 在溴化锂第二类吸收式热泵工作原理的基础上分析不同运行工况对系统 性能的影响程度和关系。 3 根据实验数据，分析各换热设备总传热系数的主要热阻，讨论在不同运 第 章绪论 行工况下主要热阻及总传热系数的变化。 4 利用实验数据，建立不同冷凝器冷却水进口温度和流量、不同发生器废 热水进口温度和流量、不同冷凝器冷却水和发生器废热水进口温度下，系统性能 系数c o p 的经验公式。 5 通过实验数值和设计值的比较，分析系统实际运行情况偏离设计值的主 要因素。 6 在实验和市场调研的基础上，将第二类吸收式热泵系统与中低温水源热 泵、燃气锅炉等采暖系统进行比较分析其经济性。 9 第帚第一_ 类吸收式热泵基础理论模型研究 第二章第二类吸收式热泵基础理论模型研究 对第二类吸收式热泵的性能进行实验，首先要研究其基础的理论模型，对系 统进行建模，在理论上对其进行模拟研究，确定热泵机组的设计参数：另外需要 讨论吸收式热泵的主要性能参数，作为机组实验考察的目标。 2 1 溴化锂第二类吸收式热泵的基本原理 利用大量中低温的废热与低温热源的热势差来获得热量少于但温度高于中 低温废热的热水的热泵称为第二类吸收式热泵。整个系统由蒸发器、吸收器、发 生器、冷凝器和溶液热交换器五大主要部分组成，由于整个热泵机组的内部是在 真空状态下运行的，为了保持运行过程中稳定的真空度，对设备的气密性要求很 高，因此在高低压两部分中用于输送的溶液泵和冷剂泵均采用结构紧凑、密封性 能好的屏蔽泵。 图2 1 第二类吸收式热泵循环工作原理图 图2 1 所示为以废热水为驱动热源的溴化锂第二类吸收式热泵系统的循环 1 0 第_ 章第二类吸收式热泵基础理论模型研究 工作原理图。图中各符号所代表的意义见表2 一l 和表2 2 。 表2 1 各个符号流程过程说明 设备 流程 蒸发器冷凝器吸收器发生器溶液热交换器 流入 i z 无il 4 管程 流出 t 。 瓦。 瓦。乙 8 流入 l4 1 ，6 52 壳程 流出1 324 47 表2 - 2 循环中各个符号的说明 符号说明 l 蒸发器产生的冷剂蒸汽( 水蒸气) 1 离开冷凝器，由冷剂泵泵入蒸发器的冷剂水 2 吸收器底部排出的溴化锂稀溶液 3 冷凝器中冷剂蒸汽冷凝后的冷剂水 4 发生器中溴化锂溶液沸腾产生的水蒸气 4 发生器中溴化锂溶液浓缩后产生的溴化锂浓溶液 5 节流后进入发生器的溴化锂稀溶液 6 进入吸收器的溴化锂浓溶液 7 离开溶液热交换器的溴化锂稀溶液 8 离开溶液热交换器的溴化锂浓溶液 死 蒸发器进口的废热水温度 乙 蒸发器出口的废热水温度 兀 冷凝器进口的冷却水温度 i 。 冷凝器出口的冷却水温度 乙 吸收器进口的循环热水温度 l 。 吸收器出口的循环热水温度 巧 发生器进口的废热水温度 乙 发生器出口的废热水温度 整个系统包括冷剂水和溴化锂溶液两个循环： ( 1 ) 冷剂水的循环： 发生器中产生的冷剂蒸气进入冷凝器，被在管内流动的冷却水所冷却，成为 第_ 亭第一类吸收，i = 热泵基础理论模型研究 冷剂水，通过冷剂泵送往蒸发器。在蒸发器巾吸收管内流动的废热水的热量蒸发 成的冷剂蒸气，被吸收器中的溴化锂浓溶液吸收。由于吸收过程放出热量，因而 在吸收器管内流动的水被加热得到所需要的热水。吸收冷剂蒸气后的稀溶液经节 流阀进入发生器，被在发生器管内流动的废热水加热沸腾产生的冷剂蒸气被再次 送入冷凝器进行下一轮的循环。 ( 2 ) 溴化锂溶液的循环： 在发生器中经过浓缩的溴化锂浓溶液通过溶液泵进入溶液热交换器与来自 吸收器的溴化锂稀溶液进行热交换后进入吸收器吸收来自蒸发器的冷剂蒸气产。 生溴化锂稀溶液，借助两个设各之间的压力差经过节流阀进入发生器进行浓缩从 而保证循环的顺利进行。 图2 - 2 为溴化锂第二类吸收 式热泵在迪林图( p t 图) 上的 工作循环，图中足和足分别为蒸 发压力和冷凝压力，f 言、0 、k 和 f 。分别为蒸发温度、冷凝温度、 厂、 发生温度和吸收温度。6 - 2 是 邕 吸收过程；2 - 5 是稀溶液的热 。 交换过程；5 - 4 是发生器中的 沸腾、浓缩过程；4 6 是与2 _ 5 热交换过程相应的浓溶液的状态 变化。这一工作循环与普通的吸收 制冷循环正好相反。此外，蒸发器、 吸收器的压力只，要比冷凝器、发 生器的压力只要高。因此，浓溶液 送往吸收器及冷剂水送往蒸发器， 要用溶液泵和冷剂泵。 t ct g t e t a t ( ) 图2 2 第二类吸收式热泵在迪林 图上的工作循环 2 2 溴化锂第二类吸收式热泵系统的建模 2 2 1 溴化锂溶液的物理化学特性 在对系统进行模拟研究时，工质热物性求解的准确程度直接影响到模拟的准 确性。因此，工质热物性关联式的选取非常重要，必要时还要加以适当的修正， 使其能够正确反映工质的物性。本实验系统在前期的模拟优化中对溴化锂溶液的 主要参数采用了如下的数学关联式： 第_ 章第_ 类吸收j 热泵基础理论模型研究 ( 1 ) 温度和浓度己知条件f 溴化锂水溶液的焓 h = a + d ( 2 - 1 ) i = 0j = o 式中h 为溴化锂水溶液的焓( k j k g ) ，善是溴化锂水溶液的浓度( ) ，t 是溶 液的温度( ) 。系数“见文献 3 0 ，式中前半部分出自文献 3 0 ，d 为对照溴化 锂水溶液力一孝图所加的修正项。此式的应用范围为：o 毒 7 0 ，0 t 1 8 0 c 。 ( 2 ) 温度和浓度已知条件下溴化锂溶液的露点温度【3 0 1 。= 吾 喜赛易考( 3 2 + 吾，了一3 2l t 2 - 2 ， 式中乙是溴化锂溶液的露点温度( ) ， 化锂溶液的浓度( ) ，系数b j ，见文献 3 0 ， ( 3 ) 温度已知条件下饱和水的焓 t 是溴化锂溶液的温度( ) ，孝是溴 应用范围：0 善 7 0 ，o t 时， 4 2 面再再蠢毫阐 仉c g q 时， 小面百下研矛丽丽 陋3 6 ) e r n , q 时， 铲面再再丽专而网 q 3 7 其中，、q 分别为发生器中废热水的流量和比热，所。、e 分别为吸收 器中热媒水的流量和比热；c 。为发生器中的溶液等价比；a 为吸收器中的溶 液等价比；m l 为稀溶液的循环量；皱为发生器的热负荷，q 口为吸收器的热负 荷；其他参数的含义同前。 本文采用的溴化锂第二类吸收式热泵系统的各个换热设备的换热面积通过 式2 - 3 3 - - - 2 3 7 得出。 2 4 2 系统方案的描述及参数的确定 根据溴化锂第二类吸收式热泵的工作特点，可以利用地热供热排放出的尾水 作为驱动热源，产生高温的热水来继续为用户供热，同时，地热尾水的温度得到 了降低，使这部分低温热水的部分热量得到了回收。图2 3 为利用第二类吸收式 热泵回收低温地热尾水方案的原理图，即将用于供热用户l 进行地热供暖排出的 地热尾水作为溴化锂第二类吸收式热泵的驱动热源，使热泵系统进行循环，利用 产生的高温热水来为供热用户2 进行供暖，从而达到地热余热回收再利用的目 的。 一般情况下，在没有采用其他梯级利用措施或者不具备采用梯级利用条件的 系统中，特别是为散热器提供热源，地热供暖后排放的尾水温度通常较高( 5 0 左右) ，所以可以利用地热尾水作为溴化锂第二类吸收式热泵的驱动热源，分别 第_ 章第类吸收式热泵基础理论模型研究 进入系统的发生器和蒸发器，使其中的溶液沸腾蒸发。在吸收器中溶液吸收水蒸 气放出的热量使供热用户回水( 5 0 。c 左右) 加热到可以再次供热的温度( 6 0 。c 左 右) 。冷凝器中产生的冷凝热通过冷却塔带走。 图例地热水循环热水一冷却水 图2 3 第二类吸收式热泵回收废热原理图 通过以上分析，溴化锂第二类吸收式热泵驱动热源温度取5 0 。c ，并且分别 进入蒸发器和发生器；吸收器循环热水的回水温度取5 0 c ，而吸收器循环热水 出口温度为了能够满足供热需求，应该大于6 0 c ；在考虑冬季运行中冷凝器能 够将水冷凝达到的温度的情况下，取冷凝器冷却水进口的温度为6 。而各个换 热器出1 3 循环水的温度，通过分析参数f t 3 9 1 ，经过反复计算来确定。所以，通过 参考文献 3 3 中优化计算得出的结果，以及利用参考文献 3 9 中所建立的数学模 型的计算，得出本文实验所需要的溴化锂第二类吸收式热泵实验台机组的设计参 数： 表2 5 溴化锂第二类吸收式热泵的设计参数 项目 数值项目数值 蒸发器进口废热水温度 5 0 吸收器出口循环热水温度 6 1 6 ， 蒸发器出口废热水温度4 4 2 发生器进口废热水温度 5 0 冷却水进口温度6 发生器出口废热水温度、 4 3 3 冷却水出口温度 1 0 溶液热交换器效率 0 8 吸收器进口循环热水温度5 0 吸收器热负荷( 供热量) l o k w 第二章第二类吸收式热泵基础理论模型研究 利用以上设计参数经过系统热力计算以及传热计算，得出实验台机组的设计 结果，如表2 6 所示： 表2 - 6 设计计算结果 名称 内容 名称内容 蒸发压力：7 8 3 k p a 热负荷：1 0 8 4 k w 蒸发温度：4 1 2 冷凝器传热面积：0 7 0 4 m 2 冷凝压力：1 4 8 6k p a冷却水流量：2 3 3 4 5 8 冷凝温度：1 3 热负荷：1 0 o k w 系统内部参 系统c o p ：0 4 8 传热面积：0 9 2 1 m 2 溴化锂浓溶液浓度：5 3 2 吸收器 数 循环热水流量：7 4 2 4 5 溴化锂稀溶液浓度：4 8 8 8 k g h 循环倍率：1 2 3 1 5 热负荷：1 0 0 7 k w 浓溶液循环量：1 7 5 o k g h 传热面积：0 9 5 7 m 2 冷剂水的循环量： 发生器 废热水流量：1 2 9 4 6 1 1 5 4 7 k g h k g h 热负荷：1 0 7 7 k w 溶