葛宇　周小三　厲吉文　劉建國　王立文

【摘? 要】論文系統(tǒng)地整理了溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組內(nèi)部工質(zhì)參數(shù)計(jì)算方法，指導(dǎo)并應(yīng)用于國內(nèi)某長(zhǎng)距離、大溫差供熱工程中，達(dá)到了預(yù)期效果，可為類似城市集中供熱改擴(kuò)建熱力站工程采用以溴化鋰為工質(zhì)的吸收式熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)大溫差供熱提供參考。論文圍繞大溫差換熱機(jī)組設(shè)計(jì)計(jì)算展開探討。

【Abstract】This paper systematically sorts out the calculation methods of the internal working fluid parameters of lithium bromide absorption heat pump units， guides and applies them to a domestic long-distance， large temperature difference heating project， and achieves the expected results. It can be a reference for the reconstruction and expansion of similar urban central heating station projects using lithium bromide as the working medium of the absorption type heat pump unit to achieve large temperature difference heating. This paper discusses the design and calculation of large temperature difference heat exchange unit.

【關(guān)鍵詞】大溫差供熱;吸收式熱泵;溴化鋰;計(jì)算方法

【Keywords】large temperature difference heating; absorption heat pump; lithium bromide; calculation method

【中圖分類號(hào)】TU995;TM611? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）12-0189-05

1 引言

近年來，吸收式熱泵[1]由于其以犧牲小部分高品位熱能為代價(jià)，制取出大量低品位熱能的特點(diǎn)被推廣應(yīng)用于我國熱電聯(lián)產(chǎn)的“大溫差”集中供熱項(xiàng)目中[2-4]。設(shè)置于熱電廠與熱力站內(nèi)的吸收式熱泵機(jī)組具有雙重功能，一方面是實(shí)現(xiàn)余熱利用，另一方面是實(shí)現(xiàn)大溫差換熱?；诖?，“大溫差”供熱項(xiàng)目可以降低一次側(cè)回水溫度來提高能源利用效率以及提高管網(wǎng)供熱能力，對(duì)于城市集中供熱具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義[5]。

但是，對(duì)于基于吸收式換熱的大溫差熱泵機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與部件選型等理論計(jì)算經(jīng)驗(yàn)不夠豐富。因此，本文對(duì)溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算等相關(guān)文獻(xiàn)[6-10]進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，整理了吸收式熱泵的系統(tǒng)原理、溴化鋰水溶液的物性參數(shù)、機(jī)組內(nèi)部部件選型等理論計(jì)算方法，以供工程設(shè)計(jì)人員參考和探討。

2? 溴化鋰水溶液的物性參數(shù)

2.1 溴化鋰溶液的性質(zhì)

溴化鋰是一種物性非常穩(wěn)定的物質(zhì)，其在空氣中不變質(zhì)、不分解、不揮發(fā)。無水溴化鋰的基本性質(zhì)如表1所示。溴化鋰除無水狀態(tài)和水溶液外，還會(huì)生成自帶結(jié)晶水的化合物等，其最大的特征是具有強(qiáng)烈的吸水性。溴化鋰水溶液的水蒸氣分壓力非常小，所以溴化鋰可作為吸收式熱泵的吸收劑，水作為制冷劑。

2.1.1 溴化鋰溶液的結(jié)晶溫度

溴化鋰溶液的結(jié)晶溫度的計(jì)算公式如（1）所示：

T_S=-99431.6+640904.8X-1554210.1X²+1679810.5X³-682200.4X⁴（1）

式中：TS為溴化鋰溶液的結(jié)晶溫度（℃）;

X為溴化鋰溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。

2.1.2 溴化鋰溶液的濃度

溴化鋰溶液的濃度的計(jì)算公式如（2）所示：

式中：X為溴化鋰溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）;

t為一定壓力下溴化鋰溶液的溫度（℃）;

t1為一定壓力下溴化鋰溶液的飽和溫度（℃）;

An、Bn、Cn、Dn為系數(shù)，其值如表2所示。

2.1.3 溴化鋰溶液的溫度

溴化鋰溶液的溫度的計(jì)算公式如（3）所示：

式中：t為壓強(qiáng)為P時(shí)溴化鋰溶液的飽和溫度（℃）;

t1為壓強(qiáng)為P時(shí)對(duì)應(yīng)工質(zhì)水的飽和溫度（℃）;

X為溴化鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）;

AnBn為系數(shù)，其值如表3所示。

2.1.4 溴化鋰溶液的比焓值

溴化鋰溶液的壓力的計(jì)算公式如（4）所示：

式中：h1為溴化鋰溶液的比焓值（kJ/kg）;

t為一定壓力下溴化鋰溶液的溫度（℃）;

X為溴化鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）;

An、Bn、Cn、Dn為系數(shù)，其值如表4所示。

2.2 工質(zhì)水的物性參數(shù)

2.2.1 飽和壓力與飽和溫度

工質(zhì)H2O的飽和壓力與飽和溫度之間的關(guān)系滿足Antoine公式如（5）所示：

式中：P為飽和水蒸氣壓力（kPa）;

T為工質(zhì)溫度（K）;

A、B、C為系數(shù)，其值如表5所示。

壓力為P時(shí)，飽和水蒸氣溫度可以通過式（6）計(jì)算：

式中P的取值范圍為0.87～1553.8kPa。

2.2.2 飽和水焓值

不同壓力下飽和水比焓值計(jì)算公式如（7）所示：

不同溫度下飽和水比焓值計(jì)算公式如（8）所示：

式中：hw為飽和水的比焓值（kJ/kg）;

P為飽和水壓力（MPa）;

t為飽和水溫度（℃）。

2.2.3 過熱蒸汽焓值

式中：hg為過熱蒸汽的比焓值（kJ/kg）;

t為一定壓力下對(duì)應(yīng)溶液的平衡溫度（℃）;

t1為一定壓力下對(duì)應(yīng)水蒸氣溫度（℃）;

r為0～160℃飽和水蒸氣汽化潛熱（kJ/kg·℃-1）;

Cpg為某一溫度下水蒸氣的比熱（kJ/kg·℃-1）;

Cp1為定壓平均比熱（4.1868kJ/kg·℃-1）。

基于以上關(guān)于吸收式熱泵機(jī)組內(nèi)部吸收劑（LiBr）的濃度、溫度、理論結(jié)晶溫度，以及制冷劑（H2O）的溫度、壓力、比焓值等參數(shù)的計(jì)算，可以得到吸收式熱泵機(jī)組循環(huán)工質(zhì)的基本參數(shù)，為下一節(jié)熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

3? 吸收式熱泵設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 吸收式熱泵系統(tǒng)

機(jī)組內(nèi)部工質(zhì)流程如下：吸收器中的溴化鋰稀溶液（LiBr）經(jīng)由溶液泵送至發(fā)生器，溴化鋰溶液在發(fā)生器中被驅(qū)動(dòng)熱源加熱至飽和并產(chǎn)生冷劑蒸汽（H2O），同時(shí)溶液濃縮成溴化鋰濃溶液。溴化鋰濃溶液經(jīng)發(fā)生器進(jìn)入溶液換熱器，與泵送的溴化鋰稀溶液進(jìn)行熱量交換后進(jìn)入吸收器，溴化鋰溶液循環(huán)以此循環(huán)往復(fù)。

機(jī)組外部介質(zhì)流程如下：

①一次側(cè)驅(qū)動(dòng)熱源的高溫?zé)崴M(jìn)入發(fā)生器驅(qū)動(dòng)溴化鋰溶液中冷劑（H2O）蒸發(fā)，而后中溫?zé)崴?jīng)過蒸發(fā)器通過釋放熱量加熱低壓冷劑蒸汽后流出;

②二次用戶側(cè)直供循環(huán)低溫回水經(jīng)過吸收器和冷凝器完成吸熱后變成中溫?zé)崴┙o熱用戶使用。

3.2 理論設(shè)計(jì)條件的假設(shè)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本文做出如下假設(shè)條件：

①整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，工質(zhì)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。

②高壓側(cè)：發(fā)生器的工作壓力等于冷凝器中工質(zhì)的冷凝壓力;低壓側(cè)：吸收器的工作壓力等于蒸發(fā)器中工質(zhì)的蒸發(fā)壓力。

③工質(zhì)的冷凝溫度一般比熱水溫度高2～5℃;工質(zhì)的蒸發(fā)溫度一般比低溫?zé)嵩唇橘|(zhì)出蒸發(fā)器溫度低2～4℃。

④吸收器的放熱量與冷凝器放熱的放熱量比值取1.2～1.4。

⑤濃溶液與稀溶液的放氣范圍取0.03～0.06。

⑥吸收器出口處稀溶液的再循環(huán)倍率取30，工質(zhì)蒸汽循環(huán)倍率取15。

3.3 案例計(jì)算

供熱面積1萬平方米，單位面積供熱熱負(fù)荷指標(biāo)為50W/m2，供熱熱負(fù)荷500kW。用戶所需熱水溫度為tHW=65℃，回水溫度tCW=45℃，理論二次側(cè)循環(huán)側(cè)流量為6kg/s（折合為21.6t/h）;低溫?zé)嵩唇橘|(zhì)為一次側(cè)驅(qū)動(dòng)熱源出發(fā)生器的冷凝廢熱回水熱水，其進(jìn)入蒸發(fā)器的溫度為70℃，出蒸發(fā)器的溫度25℃。

將已知條件代入第二節(jié)所述公式可得到吸收式熱泵各關(guān)鍵狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)如表6所示。

濃溶液的質(zhì)量濃度為0.62時(shí)，經(jīng)公式（1）計(jì)算可得其結(jié)晶溫度為32.7℃。故設(shè)計(jì)工況下溶液換熱器出口處濃溶液的溫度比結(jié)晶溫度高出47.3℃，具有較好的防結(jié)晶安全性。

3.4 部件選型

本文建立的設(shè)備模型中，吸收式熱泵中的蒸發(fā)器、冷凝器、發(fā)生器和吸收器等部件的傳熱系數(shù)如表7所示。

目前吸收式換熱熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算中，對(duì)換熱設(shè)備的傳熱計(jì)算通常采用索科洛夫計(jì)算公式，本文也采用其公式進(jìn)行計(jì)算，即：

下標(biāo)max與min表示進(jìn)行熱交換的兩物質(zhì)流GC值的大小，其中（GC）max表示兩者中值較大的物質(zhì)流，（GC）min表示兩者中較小的物質(zhì)流。另外，a、b為常數(shù)系數(shù)，其與流體的具體流動(dòng)形式相關(guān)，其值如表8所示。

將數(shù)據(jù)代入式（12）中經(jīng)計(jì)算得到溴化鋰吸收式熱泵的部件參數(shù)如表9所示。

3.5 構(gòu)建吸收式熱泵機(jī)組供熱系統(tǒng)

根據(jù)上述理論設(shè)計(jì)與計(jì)算，指導(dǎo)并構(gòu)建的某實(shí)際工程的熱力站采用大溫差吸收式熱泵機(jī)組運(yùn)行方式時(shí)的實(shí)際溫度參數(shù)如表10所示。

基于以上供熱和用熱溫度需求，利用吸收式熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)了4種工況下的熱泵與板式換熱器組合的換熱設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

某工程首個(gè)供暖期（11月1日至3月30日）實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖3所示。

基于理論設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐應(yīng)用，結(jié)合圖2和圖3可得，經(jīng)過板式換熱器與吸收式熱泵換熱機(jī)組的高溫側(cè)的熱水溫降可達(dá)到90℃。與此同時(shí)，二次側(cè)的供水溫度也可以滿足設(shè)計(jì)要求。通過合理配置板式換熱器與吸收式熱泵機(jī)組，可以實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)大溫差運(yùn)行，顯著提高長(zhǎng)輸管線輸熱能力。

4 結(jié)論

本文對(duì)“大溫差供熱”的溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組進(jìn)行了理論計(jì)算與數(shù)值分析，合理配置板式換熱器與吸收式熱泵機(jī)組的供熱系統(tǒng)可以在滿足用戶熱負(fù)荷需求的前提下，實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)側(cè)的供回水“大溫差”運(yùn)行的目的。為工程實(shí)踐應(yīng)用溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組提供了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)步驟與部件選型依據(jù)，推動(dòng)基于吸收式熱泵大溫差、遠(yuǎn)距離長(zhǎng)輸在我國集中供熱領(lǐng)域向前發(fā)展。

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【作者簡(jiǎn)介】葛宇（1996-），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，助理工程師，從事市政集中供熱設(shè)計(jì)研究。