兩段式溴化鋰吸收式熱泵的性能分析

郝志鵬

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150090）

0 引言

隨著我國面臨的能源緊張與環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻，加強余熱回收進行能源梯級利用成為了節(jié)能減排的關(guān)鍵手段。熱力發(fā)電廠的能源利用率通常只有40%左右，有近60%的熱量隨循環(huán)冷卻水排放到環(huán)境當(dāng)中，既浪費了大量的能源，又對環(huán)境造成了污染[1-2]。為了有效地利用熱力發(fā)電廠排放的低溫余熱，國內(nèi)眾多科研單位和企業(yè)都進行了廣泛的探索和研究[3-6]。由于熱力發(fā)電廠本身就具有大量可利用蒸汽，因此以蒸汽作為驅(qū)動熱源的溴化鋰吸收式熱泵在熱力發(fā)電廠循環(huán)水余熱回收利用中成為首選。

由于熱力發(fā)電廠提供的用以驅(qū)動吸收式熱泵的蒸汽參數(shù)通常較低，無法匹配雙效吸收式熱泵對驅(qū)動汽源參數(shù)的要求，因此目前熱力發(fā)電廠循環(huán)水余熱回收項目中主要以單效吸收式熱泵為主[7]。但是單效溴化鋰吸收式熱泵的熱力系數(shù)即COP值較小，可回收的循環(huán)水余熱量較少，降低了余熱回收項目的經(jīng)濟性，因此有必要尋求一種與現(xiàn)有驅(qū)動蒸汽參數(shù)相匹配的效率更高的吸收式熱泵。本文介紹一種兩段式溴化鋰吸收式熱泵，這種吸收式熱泵以傳統(tǒng)的單效溴化鋰吸收式熱泵為基礎(chǔ)，在驅(qū)動汽源參數(shù)保持不變的前提下，通過調(diào)整熱泵系統(tǒng)的工藝流程，可以實現(xiàn)比單效吸收式熱泵更高的COP值。

1 兩段式熱泵的結(jié)構(gòu)特點

兩段式熱泵由兩個既相對獨立又有一定聯(lián)系的單效熱泵組合而成，兩個熱泵內(nèi)部溴化鋰溶液的循環(huán)系統(tǒng)是各自獨立的，熱泵之間又通過驅(qū)動氣源、高溫氣源和低溫汽源的管路聯(lián)系在一起。根據(jù)各自溴化鋰溶液系統(tǒng)內(nèi)的壓力不同，這兩個熱泵被分別稱之為兩段式熱泵的高壓組和低壓組。

兩段式熱泵的系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。高、低壓組的溴化鋰溶液的流程與單效熱泵完全一樣，吸收器內(nèi)的溴化鋰稀溶液經(jīng)溶液泵加壓后，通過溶液換熱器進入發(fā)生器，在發(fā)生器中由于驅(qū)動熱源的加熱產(chǎn)生蒸汽，濃縮后的濃溶液流回吸收器吸收來自蒸發(fā)器的蒸汽。發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽進入冷凝器凝結(jié)成飽和水，然后經(jīng)節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收低溫?zé)嵩吹臒崃堪l(fā)生相變而變成蒸汽。

低溫?zé)嵩吹牧鞒淌窍冗M入高壓組蒸發(fā)器釋放一部分熱量，然后再進入低壓組蒸發(fā)器釋放剩余的熱量。高溫?zé)嵩吹牧鞒淌窍确殖蓛晒芍Я鞑⒙?lián)進入高、低壓組的吸收器，然后匯合成一股再依次進入低壓組的冷凝器和高壓組的冷凝器。驅(qū)動熱源的流程是分為兩股以并聯(lián)的方式分別進入高、低壓組的發(fā)生器。

圖1 兩段式溴化鋰吸收式熱泵的系統(tǒng)流程

2 兩段式熱泵性能的理論分析

溴化鋰溶液的熱力圖表對溴化鋰吸收式熱泵的理論分析非常重要，其中迪林曲線圖（P-T圖）表明了氣液兩相處于平衡狀態(tài)的溴化鋰溶液的壓力、溫度和濃度三者之間的關(guān)系[8]，是吸收式熱泵理論分析最常用的工具之一。

兩段式熱泵熱力循環(huán)在P-T圖上的表示如圖2（a）所示，圖中下標(biāo)為H的點代表高壓組的各個狀態(tài)點，下標(biāo)為L的點代表低壓組的各個狀態(tài)點。作為對比，相同設(shè)計條件下的單效溴化鋰吸收式熱泵的熱力循環(huán)如圖2（b）所示。

圖2 溴化鋰吸收式熱泵熱力循環(huán)在P-T圖上的表示

從兩段式熱泵熱力循環(huán)P-T圖中可以看到，由于高溫?zé)嵩词遣⒙?lián)進入高、低壓組的吸收器的，因此高、低壓組的吸熱器出口稀溶液溫度相等，即T2H=T2L=T2。由于兩段式熱泵包含高壓和低壓兩個冷凝器，因此在冷凝器出口溫差相同的條件下，兩段式熱泵的熱力循環(huán)對應(yīng)兩個冷凝溫度TCH和TCL（圖2（a）中的3H點和3L點），其中TCH與單效溴化鋰吸收式熱泵的冷凝溫度TC相同（圖2（b）中的3點），TCL則低于TC。因此，如冷凝器兩側(cè)流體溫度變化曲線（圖3）所示，兩段式熱泵熱力循環(huán)的平均冷凝溫度低于單效溴化鋰吸收式熱泵熱力循環(huán)的冷凝溫度。

圖3 冷凝器兩側(cè)流體溫度變化曲線

同理，從蒸發(fā)器兩側(cè)流體溫度變化曲線（圖4）可以看到，兩段式熱泵熱力循環(huán)的平均蒸發(fā)溫度則高于單效溴化鋰吸收式熱泵熱力循環(huán)的蒸發(fā)溫度。由于溴化鋰吸收式熱泵的COP值與蒸發(fā)溫度和冷凝溫度有關(guān)，蒸發(fā)溫度越高、冷凝溫度越低，則熱泵COP值越高[9-10]，因此在相同設(shè)計條件下兩段式熱泵的COP值較單效溴化鋰吸收式熱泵的COP值高。

圖4 蒸發(fā)器兩側(cè)流體溫度變化曲線

3 兩段式熱泵性能的實例計算

為了對兩段式熱泵的性能進行計算，以吸收式熱泵熱力計算模型[11]和溴化鋰溶液的物性方程[12]為基礎(chǔ)并利用VB語言編制了吸收式熱泵的熱力計算程序。計算的算例取自某電廠循環(huán)水余熱利用項目，高溫?zé)嵩催M、出口溫度分別為55、68℃，低溫?zé)嵩催M出、口溫度分別為38、31.5℃，驅(qū)動熱源為0.36 MPa的飽和蒸汽。

因為兩段式熱泵高、低壓組的COP值是不同的，所以通過調(diào)整高、低壓組的負(fù)荷比例即循環(huán)工質(zhì)流量比可以改變兩段式熱泵的總COP值。高壓組的COP值較高，那么通過增加高壓組的工質(zhì)流量可以使兩段式熱泵的總COP值升高，但是增加高壓組工質(zhì)流量的同時又會降低高壓組本身的COP值，抵消兩段式熱泵的總COP值的升高效果。因此總會存在一個適當(dāng)?shù)母摺⒌蛪航M工質(zhì)流量比使得兩段式熱泵的總COP值達到最大值。通過自編程序的計算，可以得到兩段式熱泵的總COP值隨高、低壓組工質(zhì)流量比變化的曲線（圖5），從圖中可以觀察到隨著高、低壓組工質(zhì)流量比的增加，高壓組COP值逐漸變小，低壓組COP值逐漸變大，而兩段式熱泵的總COP值先升后降，在高、低壓組工質(zhì)流量比為1.2左右時達到最大值。

圖5 兩段式熱泵總COP值隨高、低壓組工質(zhì)流量比的變化

為了對兩段式熱泵的性能和單效溴化鋰吸收式熱泵的性能進行對比，利用自編程序?qū)ο嗤O(shè)計條件下的單效溴化鋰吸收式熱泵也進行了計算，兩者的計算結(jié)果對比列于表1中。從表中可以看到，兩段式熱泵的COP值比單效熱泵的COP值高大約1.2%，因此在熱泵功率相等的情況下，兩段式熱泵的驅(qū)動熱源消耗量更少，而低溫?zé)嵩蠢昧扛?。利用自編程序計算的結(jié)果跟第2節(jié)理論分析得出的結(jié)論也是一致的。

表1 熱泵性能參數(shù)對比

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于單效溴化鋰吸收式熱泵的兩段式熱泵，在理論上對其COP值進行了定性的分析，并利用自編的熱泵計算程序?qū)x取的算例進行了定量的計算，計算結(jié)果與理論分析的結(jié)論是一致的，這種兩段式熱泵的COP值確實高于傳統(tǒng)的單效溴化鋰吸收式熱泵。