毕业论文（设计）回收低温显热的吸收-压缩复合高温热泵系统集成

1、收低温显热的吸收-压缩复合高温热泵系统集成摘 要 针对过程工业中人量低温烟气宜接排放带来的能源浪费和热污染问题，本文提出一种吸收- 压缩复合高温热泵系统，i珂收200 °c以下的低温烟气余热，制备0.5 mpa低压工艺蒸汽。该系统将热 圧缩利机械压缩方法有机结合，完成高圧比低功耗圧缩过程，并通过吸收放热过程完成高温蒸汽的制 取。建立了热泵系统模型，并模拟了系统的热力性能，系统排烟温度为82 °c,消耗的功与回收烟气余 热比例为7.4 %,可将烟气余热的38.5 %转化成高温热吊:。通过对系统进行热力学分析，得到系统炯 损失的分布，便于系统性能优化。此外，本文研究了发生压力、

2、浓溶液浓度、精馆塔塔顶温度对系统 性能的影响，为系统的实验设计提供了理论依据。关键词升温型热泵；低温烟气；吸收压缩式热泵；热力学分析0前言工业是主要的能耗领域，在各种生产过程中会产生大量的余热，对于高温余热，可 作为动力回收利用，而大量中低温余热(约占工业能耗的50%)由于缺乏有效的利用 技术，而直接排放到环境中，不仅造成了大量的能源浪费且给坏境造成了巨大的压力。 对于低温余热，一种有效的利用方式是利用升温型热泵提升其利用价值，将较低温度的 热能转变成温度较高、可有效利用的热能。输出温度低于50七民用升温型热泵应用广 泛，而输出温度为150-300 °c的工业用升温型热泵发展较少。现

3、有的升温型热泵主要分为压缩式和吸收式两种，当温升要求较高时，压缩式热泵 的性能系数较低，而吸收式热泵的热效率较低。吸收-压缩升温型热泵综合了两种热泵 的优势，输出温度较高且温升幅度大，被认为是最具发展潜力的工业用升温型热泵。 吸收-压缩升温型热泵釆用非共沸混合物为工质，相比釆用纯工质的热泵，蒸汽圧力降 低，且吸收和发生过程都是非等温过程，循环接近洛伦兹循环，循环效率提高，因而吸 收-压缩升温型循环适用于输出温度较高的热泵系统役osenbruck在1895年就提岀了吸收压缩升温型热泵的概念，altenkirch最早对吸收 压缩型热泵进行了理论研究，此后，除了少暈理论研究一直没有取得实质性进展，直

4、 到20世纪70年代的能源危机才引起了各国学者的广泛关注，但很多学者研究的吸收. 压基金项目：国家自然科学基金(no. 51576191)：国家重点研究973项目(no. 20i3cb228302) 缩式热泵的输出温度低于80 °cl5jo为了进一步提升输出温度，rane6提出了双级吸收. 压缩升温型热泵，外部热源为蒸发器提供热量，而冷凝器为发生器提供热量，该系统的 最高温度大于100 °c,温升范围高于100 k,相比以氨为工质的单级蒸气压收压缩升温 型热泵，最大压力定在1.9 mpa,热源温度为53弋时，供热温度为117弋，缩式热泵， 其cop增大了一倍而压比减少了 2

5、/3； sveine等设计了以氨水为工质的双级吸cop为 3.8。双级吸收压缩升温型热泵的温升提高，但系统结构复杂，对此，hult和等冈将单 级吸收压缩升温型热泵的吸收圧力提升到4 mpa,同时加长管壳式吸收器和解吸器的膜 降管长度，热源温度为40-50 °c,供热温度达到7080 °c,cop提升10 %。此外,nordtvcd、 borgas等乩刃先后对两级压缩/吸收式热泵进行了模拟，nordtvcd的模拟将50 °c热水提 升至96 °c, cop为3.41,同吋nordtved对系统进行实验验证，可将50弋热水提升到 93 °c, co

6、p为2.47； borgas的模拟以50 °c余热为热源，将100 °c热水加热到150 °c, 若控制输出温度为180 °c, cop最高为1.81,若对获得的最高温度没有限制，则cop 最高可以达到2.53。jonas等“针对单级吸收压缩式热泵，基于详细的经济性分析 和对设计参数（氨水的质量浓度分数和循环比率）的综合研究，估计了吸收压缩式热 泵可以工作的范围，其输出温度可以达到150 °c,并将该系统应用于喷雾干燥。现有的吸收-压缩升温型热泵多针对50-100 °c热源，供热温度多低于150 °c,在 工业领域的应用具有

7、很多局限性，为了并进一步提升吸收-压缩升温型热泵的升温范围， 扩大其在工业领域的应用，木文提岀一种吸收-压缩复合高温热泵系统，改进了原有的 压缩过程，将热压缩和机械压缩方法有机结合，完成高压比低功耗压缩过程。该系统可 以利用200 °c烟气作为驱动热源，制取压力为0. 5 mpa饱和工业蒸汽。1系统描述1.1回收低温显热的吸收-压缩复合高温热泵系统工业上采用余热锅炉回收余热是提高能源利用率的有效手段，但利用3501000 °c 高温烟气的余热锅炉居多，低于200 °c的烟气往往无法被余热锅炉有效利用。本文在 系统集成吋,针对无法被余热锅炉利用的200弋烟气,提出新

8、型吸收-压缩升温型热泵， 利用吸收器输出的热量可制得0.5 mpa饱和蒸汽。现有吸收压缩升温型热泵具有温升大、 但电耗较高的特点，本文提出的系统将耗电较高的压缩过程分成压缩机压缩和泵压缩两 个过程，200 °c烟气作为精饰塔塔釜热源，塔釜排烟作为蒸发器热源，当吸收器的输出 相同时，系统耗电量降低，而余热利用率提高。1.2回收低温显热的吸收-压缩复合高温热泵系统介绍回收低温显热的吸收压缩复合高温热泵系统流程如图1所示。该系统主要包括压 缩式子系统和吸收式子系统，其中压缩式子系统主耍包插压缩机、蒸汽回热器、液氨冷 凝器、液氨泵、蒸发器，吸收式子系统主要包扌舌精懾塔、溶液泵、溶液热交换器、

9、节流 阀和吸收器。在压缩式子系统中，低温烟气hl驱动精憾塔生产低压氨蒸汽1,经圧缩机 压缩得到常温水可冷凝的氨蒸汽2,经蒸汽回热器冷却、冷凝器冷凝产生压力较高的液 氨4,再用泵进一步压缩液氨4至吸收压力得到高压液氨5,从精憎塔排出的低温烟气 h2完成高压氨液蒸发，产出高压氨蒸汽6,经蒸汽回热器加热后进入混合器；在吸收式 子系统屮，精饰塔塔釜产出的低压氨水溶液8,先由溶液泵压缩至吸收压力，再进入溶 液热交换器同浓溶液换热得到温度较高的稀溶液10,最后同高压氨蒸汽7 一同进入混合 器、吸收器，在吸收器内完成吸收过程，放出来的热量制得饱和蒸汽w2。图1余热和电复合驱动的升温型热泵系统流程图2系统模拟

10、及分析2.1系统设计条件本研究采用aspen plus软件对系统进行模拟，采用refprop物性方程计算 nh3/h2o溶液和水的热力参数，采用peng-rob物性方程计算烟气的热力学参数。烟 气温度200 °c,压力为0.101 mpa；环境温度和压力分别为25弋 和0.101 mpa,冷却水 温度30弋。假设系统各个部件和管路的热损失和压力损失忽略不计，精惴塔塔顶出口、 蒸发器出口的工质为饱和气态，吸收器、冷凝器出口的工质均处于饱和液态，吸收器产 品侧水蒸汽处于饱和状态。系统主要部件的相关参数在表1中列出。表1模拟参数规定项目数值塔釜最小换热温差/弋30蒸汽冋热器最小换热温差/o

11、c30蒸发器最小换热温差/°c20吸收器最小换热温差/°c6溶液热交换器最小换热温差/°c10冷凝器最小换热温差/oc6泵效率/%0.8压缩机等爛效率/%0.82. 2系统评价准则回收低温显热的吸收压缩复合高温热泵系统，有低温余热、电两种形式的能量输 入，输出只有温度较高的热。对于既有高品位能源输入又有低品位能源输入的系统，主 要釆用cop对系统性能进行评价，而cop 乂有不同的定义形式，对于吸收压缩复合升 温型热泵，比较常见的定义方式是用单位制热量除以压缩机功耗和低品位输入热能之和4,9,12.13,这种方式将两种不同品位的能源加在一起，存在一定问题。由于回收低

12、温显 热的吸收压缩复合高温热泵系统的提出主要为了有效利用低温显热，高品位电能的输 入起保障系统运行的作用，因而主本文采用“扣除高品位能源对系统的贡献”的评价方 法，只考虑低温余热制高温热的能力。1)余热制热性能系数cop余热制热性能系数cop (coefficient of performance)定义为纯余热制热量与输入系 统的热量之比。qabs cop =(comp +x rjg(1)qrec + qeva+ qghe其为吸收器放热量，为精镭塔塔釜吸热量，qwa为蒸发器吸热量，qg曲 烟气回热器的吸热量，wcomp为压缩机耗功量，lump为泵耗功量，、為和分别表示 输电效率、热电效率和锅炉

13、效率。2)系统烟效率?炯效率对输入系统的热和电两种不同能源的品质进行了区分，系统炯效率为系统产 出热炯同输入热拥和输入功之和的比值:ehem + “其中，eh为系统产出的热炯，即从吸收器中能够获得的热炯，表达式为:eh = mvap (vapfout bap,in) t° (svaptout 5vapjn)上式尬必戸表示吸收器产出的工业蒸汽的质量流量；vap,out、svap,out vap,in、svap>in分别表示吸收器输出的工业蒸汽的焙值和爛值以及输入吸收器的饱和水的焙值和 嬌值。to表示环境温度。以空气模拟烟气，输入热炯eqh的表达式为:=wh ° wh.i

14、n上式机讪为进入系统的热空气的质量流量，仏叫n，swkiin表示进入系统的热空气焙 值和嫡值，ho, so分别表示环境温度下的空气焙值和爛值。 3系统模拟及分析3.1基本工况系统热力学性能系统采用200弋低温烟气作为驱动热源,浓溶液浓度为30 %,放气范韦i为11.8%,发生压力取0.7 mpa,采出的氨蒸汽温度为80 °c,压缩机出口压力为1.44 mpa,吸收压力为3.061 mpa,制得0.5 mpa蒸汽。通过对系统进行模拟计算，得到系统各关键物流状态参数如表2所示。表3列出了系统在该工况下的热力性能参数。当烟气的流量为20000 kg/h时，烟气 所携带的热量为992 kw，

15、其屮被发生器和蒸发器利用的热量为669.53 kw,系统输入功 49.63 kw,吸收器放出热量257.74 kw,如表2所示，进入精憾塔的浓氨水的温度为100.8 °c,经过压缩式子循环和吸收式子循环升温后，温度达到166.3 °c,可以制得0.5 mpa 的饱和蒸汽402.8 kg/h。余热制热性能系数cop为0.198,系统炯效率仏达到28.7 %。序号温度压力浓度质量流气相分焙(kj/kg)爛(kj/kg k)/°c/mpa/%量(kg/h)率/%1800.795.8938.91003056.9-6.22921541.4495.8938.91002896.

16、301-6.1533151.51.4495.8938.91002902.647-6.167438.91.4495.8938.904397.412-10.722539.53.06195.8938.904394.04-10.7196121.53.06195.8938.9100-3031.631-6.8227123.63.06195.8938.91003025.285-6.8068114.70.718.25225.30 13446.884&341101473.0611&25225.304394.04-10.71911166.33.061306164.20-11731.827-7.77

17、3121573.061306164.20-11878.463&1114100.80.7306164.20-12003.314-8.379hl2000.10120000100178.2770.619h2144.70.10120000100121.4650.491h3300.10120000100-0.2810.148wl1200.5402.80-15466.92-7.9w2151.80.5402.8100-13222.816-2.607表3系统热力学性能参数项目数值烟气流塑/(kg/h)20000发生器吸热量/kw315.38蒸发器吸热量/kw355.39吸收器放热量/kw251.26输

18、入功/ kw47.7制得蒸汽量/(kg/h)402.8电热比(输入功/输入热量)0.048余热制热性能系数cop0.198系统烟效率/%2&73. 2系统性能机理分析为了对系统内部的机理进行较为深入的研究，在流程模拟的基础上，对系统进行了 炯平衡分析，如表4所示，该系统输入的热畑和功共259.73 kw,输出的热炯占输入热 炯的28.68 %。炯损失主要分布在精馄塔、冷凝器、蒸发器以及排烟损失中，分别占输 入炯的19.14 %、13.75 %、10.93 %和10.5 %。如表2所示，进入冷凝器中的氨蒸汽为 151.5 °c,远髙于冷却水的温度，因而冷凝器屮的炯损失较大；精饰

19、塔和蒸发器屮的烟 损失主要来源于烟气同发生器和蒸发器的换热过程，因而对精憎塔、蒸发器同烟气的换 热过程做进一步分析。表4系统烟平衡表项目炯/kw比例/%输入烟259.73-各部件畑损失185.2471.32精憎塔49.7019.14压缩机5.932.28泵0.170.07溶液泵0.760.29蒸汽回热器0.090.03冷凝器35.7113.75蒸发器28.4010.93吸收器4.411.70混合器12.284.73溶液热交换器5.051.94节流阀15.465.95排烟损失27.2710.50输出热炯74.5128.68吸收器74.5128.68图2是该系统低温烟气同发生器、蒸发器换热过程的t

20、q图，英屮横坐标表示过程 换热量同烟气携带的热量(991.99 kw)的比值。如图所示,200 °c 144.7 °c段烟气驱 动精镉塔产出80 °c的氨蒸汽和114.7 °c的稀氨水溶液，144.7弋82 °c的烟气驱动精 is塔将高压液氨蒸发产出高压氨蒸汽，实现了烟气余热的梯级利用。精惚塔采用釜式发 生器，最小换热温差为30弋，最大换热温差高达99.2 °c,发生器内工质同烟气的匹配 较差，换热温差大，是导致炯损失较大的主要原因；蒸发器内烟气同工质为逆流换热, 最小换热温差为20 °c,但进入蒸发器的高压液氨的温度为39

21、.5 °c,同144.7 °c的烟气 相比温差也很大，因而蒸发器内的炯损失也较大。图2低温烟气同发生器、熬发器换热过程/-q图4参数分析与讨论对于吸收器来说，假设制得的蒸汽为饱和蒸汽，当蒸汽压力为0.5 mpa时，蒸汽的 温度为151.8 °c，考虑到吸收器的最小换热温差为6 °c,将吸收器工质侧出口温度设定 为157 °c,由于吸收器出口工质处于饱和液态，因而吸收压力鬥1会随着工质浓度血的 增加而增大，因而工质浓度或者吸收压力影响着吸收器的热力性能；対于压缩式子系统, 由于假设进入压缩机的氨蒸汽为饱和态，因而精係塔的发生压力和精懈塔塔顶温度

22、乃影响进入压缩机的氨蒸汽浓度，而冷凝器工质侧出口在35弋时为饱和液态，因而发 生压力巴和精锚塔塔顶温度乃会进一步影响冷凝压力（也即压缩机出口压力）；蒸发器 工质侧出口为饱和气态，蒸发压力同吸收压力相同，故氨蒸汽浓度的变化也会影响蒸发 器出口的工质温度，从而影响系统的排烟温度，进而影响烟气热量在精憎塔、蒸发器内 的匹配情况。下面就从浓溶液浓度少、精懈塔塔顶温度件、发生压力鬥这三个参数对 系统性能的影响进行讨论。4.1浓溶液浓度co对系统性能的影响图3表示当精馆塔塔顶温度为45七、发生压力为0.7 mpa吋，浓溶液浓度血对系 统性能的影响。从图屮可以看出，当浓溶液浓度从30 %增加到55 %时，余

23、热制热性 能系数cop先升高后降低，并在浓溶液浓度为42.5 %时达到最大值0.17；系统炯效率 也随着浓溶液浓度少的增大先升高后降低，并在浓溶液浓度少为35 %时达到最大值 25.47 %o对于精憎塔塔顶，由于假设塔顶出口的氨蒸汽为饱和气态，当浓溶液浓度血变大吋 在发生压力和塔顶温度不变的条件下，塔顶采出的氨蒸汽浓度不变，因而，精憾塔塔釜 输入的热量减少、进入系统的浓溶液的流量变小，在烟气流量不变的条件下，精憾塔塔 釜排烟温度会升高，塔顶采出的氨蒸汽流暈减少，从而使通过精係塔、蒸发器输入的余 热热量减少、压缩机功耗降低、系统输出的热量减少；对于蒸发器，考虑到最小换热温 差为20 °

24、c,排烟温度的升高会使进入吸收器的高压氨蒸汽温度升高，同吋高压氨蒸汽 的流量降低，因而吸收器的放热量存在最大值，所以当系统利用的余热量近乎降低时, 余热制热性能系数cop先升高后降低。图3浓溶液浓度e对系统性能的影响对于系统炯效率x，rfl于输入系统的烟气的温度和流量不变，因而输入系统的炯 值不变；由于吸收器产出的蒸汽的品位不变，蒸汽的炯值完全由产出的蒸汽流量决定, 也即由吸收器的放热量决定，因而系统炯效率%也存在最佳值。4. 2精f留塔塔顶温度7；对系统性能的影响0.260.240.220.200.180.160.140.120.100.08图4精憎塔塔顶温度八对系统性能的影响图4表示当发生

25、压力p为0.7 mpa、浓溶液浓度co为30 %吋，精憎塔塔顶温度八 对系统性能的影响。从图中可以看出，相比浓溶液浓度e対制热性能系数cop的影响， 精脩塔塔顶温度八对cop的影响较大，余热制热性能系数cop随着精馆塔塔顶温度 石的升高而升高,当精憾塔塔顶温度乃从45。（3增加到90弋时,cop从0.117增加到 0.243,系统炯效率%先随精锚塔塔顶温度阳的升高而增大，在八为82.5 °c时达到最 大值29.17%,此后，当厲继续增大，沧逐渐降低。当塔顶温度从45 °c升高到82.5 °c时，氨蒸汽浓度从99.6 %降低到95%,这会使压 缩机压比降低、氨蒸汽的

26、流量略有降低，而流量降低会使压缩机功耗进一步降低；氨蒸 汽浓度的降低会使蒸发器排烟温度略有升高（从79.9弋增加到82.6 °c）,从而使输入 系统的烟气热量降低，输入系统的工质流量降低；排烟温度的升高会使进入吸收器的工 质温度升高，但进入吸收器的高压氨蒸汽的流量减少，因而吸收器输出的热量存在最大 值，系统畑效率tjex存在最大值，同时压缩功耗的降低，会使纯余热的制热量增大，因 而余热制热系数cop增大。4. 3发生器发生压力p、对系统性能的影响图5表示精憾塔塔顶温度石为45 °c浓溶液浓度血为30 %时，发生压力p对系 统热力性能的彫响。从图中可以看出，发生压力巴对系统性

27、能系数cop的影响也最小， 而对系统炯效率的影响最大。当发生压力尺从0.35 mpa增加到0.75 mpa时，系统 炯效率先增加后降低，在发生压力巴为0.5 mpa时达到最大值0.135；系统炯效率从 30.95 %降低到23.89%。当发生压力增大，精饰塔采出的氨蒸汽的浓度将增大，由氨蒸 汽浓度变化而引起的蒸发器排烟温度变化较小，排烟温度会略有降低，排烟温度的降低 会使输入系统的热量升高，相应地，输入系统的工质流量升高、氨蒸汽流量升高；同吋， 发生压力增大会使压缩机压比降低，压缩机出丨1氨蒸汽的温度降低，从而使进入吸收器 的高压氨蒸汽的温度大大降低；吸收器放热量降低，系统炖效率讥x降低。压缩

28、功耗的 降低会使纯余热制热暈占吸收器放热暈的比例增大，余热制热性能系数cop存在最大 值。图5发牛压力对系统热力学性能的影响5结论木文基于现有的升温型热泵输出温度较低、传统的吸收压缩升温型热泵耗电量较 高，提出一种冋收低温显热的吸收压缩复合高温热泵系统，该系统以200 °c低温烟气 作为驱动热源，仅消耗少量电能，就能制得0.5 mpa饱和蒸汽。相比传统的吸收压缩升 温型热泵，该系统的压缩机压缩采用压缩机和泵复合压缩的方式，降低了压缩功耗，同 时蒸发器利用发生器排烟，提高了余热利用率，为余热利用提供了新的方法。为了分析系统的热力性能，模拟了发生压力为0.7 mpa、采出温度为80。浓溶

29、液 浓度为30 %时的工况，余热制热性能系数cop为0.198,系统炯效率屁达到28.7%。； 通过对该工况下的系统进行炯分析发现炯损失主要分布在精馆塔、冷凝器、蒸发器以及 排烟损失中，这为以后的系统优化指明了方向。为了研究精镭塔、吸收器、蒸发器对系统性能的影响，为系统的实验设计提供依据， 本文研究了浓溶液浓度、精憾塔塔顶温度、发生压力对系统性能的影响。具体结论如下：1) 精啊塔塔顶温度t对余热制热性能系数cop的影响较大，浓溶液浓度3、发生 压力戸对余热制热性能系数cop的影响相对较小。cop随塔顶温度的升高而增大，随 浓溶液浓度的升高先增大后略有减小，在浓溶液浓度为42.5%时达到最大值0

30、.17； cop 随发生压力的增大而增大，并在发生压力为0.5 mpa时达到最大值0.135。2) 系统炖效率讥x受浓溶液浓度少、精馆塔塔顶温度n以及发生压力p、的影响都 较为明显，且系统烟效率的变化规律同吸收器放热量相同，受系统排烟温度、氨蒸汽流 量、以及高压氨蒸汽温度的彫响较大。参考文献1 金红光，郑丹星，徐建4分布式冷热电联产系统装置及应用m.北京；中国电力岀版社.2008.2 brunin o, feidt m, hivet b. comparison of the working domains of some compression heat pumps and a compres

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