高溫LiBr雙吸收式熱變換器火用分析

郝 兆 龍， 馬 學(xué) 虎＊， 蘭 忠， 白 濤

（大連理工大學(xué) 化學(xué)工程研究所，遼寧 大連 116024）

0 引 言

目前在石油化工和冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中存在大量的高溫廢熱源，這些廢熱的價值并沒有被充分地加以利用，而是應(yīng)用到需要較低溫位熱能的地方.由熱力學(xué)第二定律可知，熱能品質(zhì)上是有差別的，若把高品質(zhì)的熱能用于僅需低品質(zhì)熱能的地方，雖然熱能在數(shù)量上是相等的，但是造成了可用能（火用）值的極大浪費.吸收式熱變換器（AHT）可以將部分廢熱熱能回收提高溫位后重新在高溫位進行利用，在能量品質(zhì)利用方面實現(xiàn)了節(jié)約，近年來在工業(yè)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注［1－3］.然而，目前 AHT 技術(shù)在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域還沒有得到應(yīng)有的大范圍推廣，其中一個主要原因是其適用溫度范圍的限制，常規(guī)AHT一般應(yīng)用于回收120℃以下的廢熱源.溴化鋰溶液－水作為吸收式系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的工質(zhì)對，其在高溫狀態(tài)下對金屬的強腐蝕性是制約AHT適用工況范圍擴展的瓶頸.針對AHT應(yīng)用于高溫工況下存在的關(guān)鍵問題，大連理工大學(xué)化學(xué)工程研究所進行了一系列的研究.Chen等［4］實驗研究了高溫（150～200℃）條件下不銹鋼在溴化鋰溶液中的腐蝕特性，得到了高溫條件下基礎(chǔ)腐蝕實驗數(shù)據(jù).根據(jù)溴化鋰溶液中不銹鋼腐蝕特性，Chen等［5］提出了一種改進的水熱法在不銹鋼304表面制備SiO2膜，實驗分析該膜的抗腐蝕性表明，該膜可以有效減小溴化鋰溶液在高溫條件下對不銹鋼的腐蝕.應(yīng)用該SiO2膜在線成膜工藝，郝兆龍等［6］建立了首臺高溫工況條件下吸收式熱變換器（HAHT）實驗樣機，其功率為5kW，工質(zhì)對為溴化鋰溶液－水，工作溫度為150～205℃.實驗測試表明，該HAHT輸出可用熱溫度大于200℃，系統(tǒng)溫升大于40℃，COP大于0.4，達到設(shè)計要求，實驗過程中無明顯腐蝕現(xiàn)象.為了提高HAHT熱力學(xué)性能，馬學(xué)虎等［7］提出一種新的高溫雙再生器吸收式熱變換器，其在傳統(tǒng)AHT的再生器和冷凝器之間增加了一個再生器，分析表明系統(tǒng)COP可以提高20%，達到0.61.

本文在文獻報道關(guān)于HAHT相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，采用雙吸收式熱變換器（DAHT）進一步提高回收熱的溫位，基于熱力學(xué)第二定律火用分析方法對高溫雙吸收式熱變換器（HDAHT）進行研究，分析在高溫工況下操作溫度、循環(huán)倍率（Rf）、溶液熱交換器換熱效率（Ef）和系統(tǒng)溫升（Tgl）對系統(tǒng)火用性能（ECOP）、主要部件火用損失（Ed）和總火用損失（Et）的影響規(guī)律，以期為下一步研制高溫位、大溫升的HDAHT提供熱力學(xué)工況和系統(tǒng)性能等數(shù)據(jù)，為實驗樣機設(shè)計和運行提供理論指導(dǎo).

1 高溫LiBr雙吸收式熱變換器工作原理

HDAHT工作循環(huán)如圖1所示，包括吸收器（AB）、再生器（GE）、吸收－蒸發(fā)器（AE）、冷凝器（CO）、蒸發(fā)器（EV）和溶液熱交換器（HX）.高溫廢熱量提供給再生器，使LiBr稀溶液在中間溫度tg（大于150℃）和低壓pg（正壓）條件下濃縮產(chǎn)生水蒸氣工質(zhì)，水蒸氣進入冷凝器，在低溫tc和低壓pc條件下冷凝放出熱量被循環(huán)冷卻介質(zhì)帶走.冷凝器冷凝水一部分經(jīng)由泵進入蒸發(fā)器，吸收高溫廢熱量在中間溫度te和高壓pe下蒸發(fā)；另一部分冷凝水經(jīng)由泵進入吸收－蒸發(fā)器吸收熱Qae在高溫tae和最高壓力pa下蒸發(fā).質(zhì)量分數(shù)為X1的濃溶液從再生器經(jīng)由泵經(jīng)過溶液熱交換器進入吸收器，在最高溫度ta和最高壓力pa條件下吸收來自吸收－蒸發(fā)器的蒸汽，放出吸收熱Qa（高品位輸出可用熱）成為中間質(zhì)量分數(shù)X2的溶液.該中間質(zhì)量分數(shù)溶液一部分經(jīng)過溶液熱交換器回到再生器完成一次循環(huán)，而另一部分進入吸收－蒸發(fā)器吸收來自蒸發(fā)器的蒸汽工質(zhì)，放出吸收熱Qae后成為低質(zhì)量分數(shù)X3的稀溶液流回再生器完成循環(huán).

圖1 高溫雙吸收式熱變換器循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic of high temperature double effect absorption heat transformer

2 熱力學(xué)模型

基于熱力學(xué)第一、第二定律火用分析方法建立HDAHT熱力學(xué)模型，基本假設(shè)如下：

（1）吸收器、吸收－蒸發(fā)器和再生器出口溶液處于平衡狀態(tài)；

（2）蒸發(fā)器、吸收－蒸發(fā)器和冷凝器出口蒸汽（水）工質(zhì)均為飽和狀態(tài)；

（3）再生器出口蒸汽處于過熱狀態(tài)；

（4）忽略系統(tǒng)部件的熱損失和壓降；

（5）流體經(jīng)過節(jié)流閥是等焓過程；

（6）用高溫水作為廢熱源向再生器和蒸發(fā)器提供熱量，并且?guī)ё呶掌鞣懦龅奈諢?，低溫水作為冷卻介質(zhì)帶走冷凝器釋放的熱量；

（7）環(huán)境參考溫度（T0）為298.15K.

忽略核效應(yīng)、電磁效應(yīng)、電子效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，流體的火用計算式為［8］

其中h0和s0為參考環(huán)境溫度（T0）下的值.

穩(wěn)態(tài)時控制體火用平衡速率方程為

對主要部件建立能量、質(zhì)量和火用平衡.

蒸發(fā)器：

冷凝器：

吸收器：

再生器：

吸收－蒸發(fā)器：

溶液熱交換器：

泵：

其中v為比體積，m3·kg－1.

系統(tǒng)總火用損失

循環(huán)倍率定義為

溶液熱交換器換熱效率是指實際換熱量與最大可能換熱量之比：

系統(tǒng)溫升定義為

溴化鋰溶液物性由Kaita［9］提出的公式計算，水和水蒸氣物性數(shù)據(jù)來自文獻［10］.

3 結(jié)果與討論

系統(tǒng)的主要操作溫度、蒸發(fā)器輸入功率和溶液熱交換器換熱效率作為模型的初始已知條件：tc為108～128℃，te和tg為163～180℃，ta為236～257℃，吸收－蒸發(fā)溫度tae為192～210℃，Ef為0.1～0.9，Qe為5kW.

3.1 再生溫度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)的影響

圖2和3給出te和tg對各個主要部件Ed、系統(tǒng)ECOP和Et的影響.由圖可知，隨著te和tg從168℃增加到177℃，吸收器Ed占系統(tǒng)Et比例從28%減小到24%；再生器Ed占系統(tǒng)Et比例從13%增加到30%，成為火用損失最大的部件；而溶液熱交換器Ed占系統(tǒng)Et比例從23%減小到5%，成為火用損失最小的部件.隨著te和tg的增大，雖然吸收器的蒸汽和進出口溶液溫差減小，但是溶液與熱源的溫差仍然較大，所以吸收器Ed占系統(tǒng)Et比例下降幅度較?。浑S著tg增加，再生器出口溶液質(zhì)量分數(shù)X1增大而吸收－蒸發(fā)器出口溶液質(zhì)量分數(shù)X3減小，再生器進出口溶液濃度差增大，所以成為火用損失最大的部件.而隨著再生器出口溶液溫度增大，進入溶液熱交換器的溶液溫差減小，所以溶液熱交換器Ed急劇減小.由圖3可知，隨著te和tg的增大，系統(tǒng)Et先減小后緩慢增加，并且隨著ta增大，系統(tǒng)Et增大.系統(tǒng)ECOP先是急劇增加，當(dāng)te和tg增加到某一值時，ECOP增加變緩，同時可看出ta越高，ECOP越低.

圖2 再生溫度和蒸發(fā)溫度對各個部件火用損失的影響Fig.2 Variation of percentage of exergy destruction in each component with the generator and evaporator temperatures

圖3 再生溫度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)ECOP和Et的影響Fig.3 Variation of ECOPand Etwith the generator and evaporator temperatures

3.2 冷凝溫度對系統(tǒng)的影響

圖4 和5是tc對各個主要部件Ed、系統(tǒng)ECOP和Et的影響.由圖4可知，再生器Ed占Et比例從tc為113℃的33%減小到123℃時的16%.這是由于當(dāng)tc增大，再生器內(nèi)溶液的濃度差減小，其溶液混合引起的不可逆因素減小.由圖2和4可知，再生器不可逆因素主要是由進出口溶液濃度差引起的.隨著tc增大，吸收器Ed占Et比例從24%略微增加到27%，雖然tc升高，吸收器進出口溶液濃度差減小，但是吸收器溶液與熱源溫差仍然較大，所以吸收器Ed占Et比例不僅沒有減小反而略微增加.由此可知，吸收器Ed主要是溶液與蒸汽和熱源之間溫差引起的.由圖5可知，隨著tc增大，系統(tǒng)ECOP在較低tc時緩慢減小，當(dāng)tc超過某一值時急劇減??；Et先減小后增大.由圖還可知，ta越高，系統(tǒng)Et損失越大，ECOP越小.

圖4 冷凝溫度對各個部件火用損失的影響Fig.4 Variation of percentage of exergy destruction in each component with the condenser temperature

圖5 冷凝溫度對系統(tǒng)ECOP和Et的影響Fig.5 Variation of ECOP and Etwith the condenser temperature

3.3 吸收－蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)的影響

圖6 和7是tae對各個部件Ed、系統(tǒng)ECOP和Et的影響.由圖6可知，吸收器Ed占Et比例較大且受tae影響較小.與圖2類似，隨著tae增大，再生器Ed占Et比例隨之增大而溶液熱交換器Ed占Et比例隨之減小.原因與前文討論的相同，當(dāng)tae增大，再生器進出口溶液濃度差增大，溶液熱交換器進出口溫差減小.由圖7可知，ECOP隨著tae增大而增大，Et隨著tae增大而減?。籺ae越高，系統(tǒng)的熱力學(xué)性能越差.由此可知，提高tae可以有效提高系統(tǒng)的性能.

3.4 吸收溫度對系統(tǒng)的影響

圖8和9是ta對各個主要部件Ed、系統(tǒng)ECOP和Et的影響.由圖8可知，隨著ta增大，吸收器Ed占Et比例從25%略微增加到28%.當(dāng)ta增大時，吸收器出口稀溶液濃度增大，吸收器進出口溶液濃度差減小，但是吸收器溶液與熱源和蒸汽的溫差增大，最終的耦合效果使其Ed略微增加.再次證明了影響吸收器Ed的主要因素是其溶液與熱源和蒸汽的溫度差.另一方面，隨著ta增大，再生器Ed占Et比例從31%減小到17%，這是由于ta增大，再生器溶液濃度差減小，同樣再次證明了影響再生器的Ed主要原因是溶液濃度差.由圖9可知，隨著ta增大，系統(tǒng)Et增大而ECOP減小，系統(tǒng)性能降低.

圖6 吸收－蒸發(fā)溫度對各個部件火用損失的影響Fig.6 Variation of percentage of exergy destruction in each component with the absorber－evaporator temperature

圖7 吸收－蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)ECOP和Et的影響Fig.7 Variation of ECOP and Etwith the absorber－evaporator temperature

圖8 吸收溫度對各個部件火用損失的影響Fig.8 Variation of percentage of exergy destruction in each component with the absorber temperature

圖9 吸收溫度對系統(tǒng)ECOP和Et的影響Fig.9 Variation of ECOPand Etwith the absorber temperature

3.5 循環(huán)倍率對系統(tǒng)的影響

圖10給出了Rf對系統(tǒng)ECOP和Et的影響.由圖可知，隨著Rf增大，系統(tǒng)ECOP急劇減小，而Et先減小而后急劇增大；減小ta，能得到較好的系統(tǒng)性能.

圖10 循環(huán)倍率對系統(tǒng)ECOP和Et的影響Fig.10 Variation of ECOPand Etwith the flow ratio

3.6 溶液熱交換器換熱效率對系統(tǒng)的影響

圖11 是Ef對系統(tǒng)ECOP和Et的影響.由圖可知，Ef越高，其回收的熱量越多，吸收器和再生器內(nèi)部溫差越小，其火用損失就越低，系統(tǒng)性能越好.所以，溶液熱交換器是HDAHT重要的部件，其換熱效率對系統(tǒng)性能影響明顯.

3.7 系統(tǒng)溫升對系統(tǒng)的影響

圖12給出了Tgl對系統(tǒng)ECOP和Et的影響.一般來說，對于AHT，系統(tǒng)溫升越高，其熱力學(xué)性能就越差.由圖12可知，隨著Tgl增加，ECOP開始基本保持不變，當(dāng)Tgl超過72K，系統(tǒng)ECOP開始減小并且減小速率隨著Tgl增加而加快.而系統(tǒng)Et隨著溫升增加先是緩慢減小后急劇增加.所以HDAHT系統(tǒng)溫升不應(yīng)超過72K.

圖11 溶液熱交換器換熱效率對系統(tǒng)ECOP和Et的影響Fig.11 Variation of ECOPand Etwith the effectiveness of solution heat exchanger

圖12 系統(tǒng)溫升對系統(tǒng)ECOP和Et的影響Fig.12 Variation of ECOPand Etwith the gross temperature lift

4 結(jié) 論

（1）吸收器和再生器是高溫LiBr雙吸收式熱交換器火用損失最大的部件.吸收器不可逆因素主要是由溶液與熱源和蒸汽之間溫差引起的；再生器不可逆因素主要是由進出口溶液濃度差引起的.

（2）系統(tǒng)ECOP隨著再生溫度、蒸發(fā)溫度和吸收－蒸發(fā)溫度增大而增大；隨著吸收溫度和冷凝溫度增大而減小.

（3）溶液熱交換器換熱效率直接影響系統(tǒng)的性能，應(yīng)該盡可能提高；該部件火用損失受操作溫度影響較大，可以通過對操作溫度優(yōu)化來減少該部件的不可逆因素.

（4）為了獲得更好的系統(tǒng)性能，循環(huán)倍率應(yīng)該盡可能低.

（5）對于高溫LiBr雙吸收式熱變換器，系統(tǒng)溫升越高，系統(tǒng)性能越差，為了獲得較好的系統(tǒng)性能，系統(tǒng)溫升不應(yīng)超過72K.

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