吸收式熱泵能效分析及模擬研究

周 勇 魏 航 李永田 阮曉娜

1．陜西新奧新能能源發(fā)展有限公司

2．光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，導(dǎo)致北方省份冬季供暖需求大幅度增長，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到11 957百萬m2[1]，在北方城鎮(zhèn)建筑采暖方式中，以集中供暖占主導(dǎo)地位。以長春為例[2]，集中供熱率為95．7%；另以西安市為例[3]，集中供熱面積占比達(dá)57．54%。在北方城鎮(zhèn)的集中供暖方式中，熱電聯(lián)產(chǎn)是能源綜合利用效率最高的一種方式[4]，隨著燃煤電廠熱電聯(lián)產(chǎn)的改造，集中供暖方式占比會(huì)進(jìn)一步增大。

隨著集中供暖面積的擴(kuò)大，以及電廠進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)改造的推行，長距離大溫差供熱技術(shù)由于可以提高熱電廠供熱能力、提升熱網(wǎng)輸送能力、提高長距離供熱的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。吸收式熱泵機(jī)組作為長距離大溫差供熱技術(shù)的核心裝備，已進(jìn)行了大量的研究，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。本文結(jié)合吸收式熱泵在集中供熱系統(tǒng)中的研究現(xiàn)狀，對能效進(jìn)行了分析，結(jié)合流程模擬軟件，建立了吸收式熱泵的模擬模型，對參數(shù)進(jìn)行了模擬，并采用靈敏度分析的方法對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，為吸收式熱泵的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 能效評估分析

能效評估方法主要以系統(tǒng)?分析方法為主[5，6]。能量的形式主要有功和熱，受熱力學(xué)第二定律限制，功和熱之間的轉(zhuǎn)換是不可逆的，熱轉(zhuǎn)換為功是需要代價(jià)的，而功可以完全轉(zhuǎn)化為熱。熱、功之間的不可逆性也說明不同形式的能量，在數(shù)量上沒有差異，但是在質(zhì)量上存在差異，需要統(tǒng)一到同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，以理想卡諾循環(huán)效率作為計(jì)算依據(jù)，將熱量轉(zhuǎn)換為功的能力作為能量品位的量度。因此，將不同能源在理想情況下對外所能夠做功的大小和總熱量的比值定義為該種能源的能級(jí)系數(shù)。用λ表示，其計(jì)算公式如下：

式中：λ——能級(jí)系數(shù)；Q——該種形式能源的總能量/kJ；W——總能量中可以轉(zhuǎn)化為功的部分/kJ。

1.1 各種能源能級(jí)系數(shù)計(jì)算方法

1）燃料燃燒后的煙氣

燃料燃燒后煙氣的能級(jí)系數(shù)可以根據(jù)煙氣的溫度與環(huán)境溫度來進(jìn)行計(jì)算。

式中：λfuel——燃料燃燒后煙氣的能級(jí)系數(shù)；T0——環(huán)境參考溫度/K；Tfuel——燃料完全燃燒后煙氣的溫度/K；η——平均轉(zhuǎn)化效率。

2）熱水、蒸汽

熱水的能級(jí)系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Tg——供水溫度/K；Th——回水溫度/K。

3）市政蒸汽的能級(jí)系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Tsteam——蒸汽的飽和溫度/K。

4）供冷和供熱能級(jí)系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：λc——供冷能級(jí)系數(shù)；λh——供熱能級(jí)系數(shù)；T——室內(nèi)溫度/K。

5）能源轉(zhuǎn)化系數(shù)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：E——熱電聯(lián)產(chǎn)輸出的電量/GJ；WHVACi——冷熱源所需消耗的第i種能源的總量/GJ；λi——第i種能量的能級(jí)系數(shù)。

1.2 傳統(tǒng)換熱與大溫差吸收式換熱的能質(zhì)系數(shù)對比分析

1）傳統(tǒng)換熱過程

熱力網(wǎng)一次供水的能質(zhì)系數(shù)為：

熱力網(wǎng)二次供水的能質(zhì)系數(shù)為：

過程的?效率為：

以圖1中參數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)環(huán)境溫度取0℃時(shí)，130℃供水，該換熱過程的?效率為62．89%；當(dāng)供水溫度降低至85℃時(shí)，該換熱過程的?效率提高至75．84%?？梢?，這種不可逆損失是由參與換熱的冷熱物流溫度不匹配導(dǎo)致傳熱溫差大所造成的。

2）吸收式換熱過程

吸收式換熱過程T-Q圖如圖1所示，一次網(wǎng)由于供水溫度較高，先作為溴化鋰吸收式熱泵熱源發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)熱源，然后經(jīng)過板式換熱器與二次網(wǎng)給水加熱后，作為溴化鋰吸收式熱泵蒸發(fā)器的熱源后返回。二次網(wǎng)供水分三路加熱，一路通過板式換熱器加熱，第二路通過熱泵的冷凝器加熱，第三路通過熱泵的吸收器加熱。

圖1 普通換熱過程與吸收式換熱過程T-Q示意圖

依據(jù)上述計(jì)算公式，板式換熱器換熱的?效率為78．08%；吸收式熱泵換熱的?效率為77．74%；吸收式換熱過程整體?效率為77．88%。

因此，吸收式換熱過程較傳統(tǒng)的板式換熱過程熱力學(xué)完善度有所提高。從熱力學(xué)第一定律來看，熱流體大溫降所釋放的熱量全部換熱到冷側(cè)流體中；從熱力學(xué)第二定律來看，充分利用熱流體高溫段的有效能，作為驅(qū)動(dòng)力，使低溫向高溫傳熱，進(jìn)而降低回水溫度。

通過分析，當(dāng)作為驅(qū)動(dòng)力的一次網(wǎng)供水溫度越高，或二次網(wǎng)供回水溫度越低，則可以將一次網(wǎng)回水溫度降得更低，熱量的利用效率也會(huì)越高。

2 溴化鋰吸收式熱泵模型建立

2.1 溴化鋰吸收式熱泵模擬物性選擇

在進(jìn)行溴化鋰熱力計(jì)算時(shí)，溴化鋰水溶液的比熱容、比焓及平衡方程尤為重要，結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]、關(guān)聯(lián)式計(jì)算數(shù)據(jù)[8]與Aspen Plus內(nèi)置數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確定了軟件內(nèi)置物性數(shù)據(jù)的可靠性，誤差均在3%以內(nèi)，模擬軟件的物性參數(shù)和計(jì)算值可以用來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。根據(jù)電解質(zhì)的性質(zhì)，溴化鋰是一種極易溶于水的強(qiáng)電解質(zhì)，Aspen Plus推薦采用ELECNRTL物性方法來進(jìn)行計(jì)算，并選擇用軟件自帶的電解質(zhì)導(dǎo)向（Elec Wizard），確定過程中的離子組分，主要電離反應(yīng)如下：

2.2 模型搭建

1）流程描述

依據(jù)溴化鋰單效吸收式熱泵原則流程(見圖2)，大致可分為如下幾個(gè)過程：稀溶液的加壓和預(yù)熱過程（從點(diǎn)1-3）；發(fā)生器蒸汽發(fā)生過程（從點(diǎn)3-4/7）；濃溶液的換熱冷卻及節(jié)流過程（從點(diǎn)4-6）；吸收過程（從點(diǎn)6-1）；冷劑水循環(huán)過程（從點(diǎn)7-10）。

圖2 吸收式換熱流程圖

2）基本假設(shè)

a．忽略過程中的壓力損耗；忽略過程中的散熱損失。

b．模擬過程為穩(wěn)態(tài)過程；吸收器簡化為混合及換熱兩個(gè)單元過程，前者為傳質(zhì)過程，后者為傳熱過程。

c．各個(gè)換熱設(shè)施的平均傳熱溫差需保證在5℃以上。

3）模型搭建

Aspen Plus提供了多種不同的傳熱、傳質(zhì)單元，由于軟件中沒有單獨(dú)的吸收器模塊，可采用Mixer和HeatX模塊進(jìn)行組合替代，即水蒸氣和濃溶液先混合，混合過程吸收放熱，溶液溫度上升后再通過換熱器給二次網(wǎng)進(jìn)水加熱；同樣，可采用HeatX和Flash2組合模塊模擬發(fā)生器，即一次網(wǎng)進(jìn)水給稀溶液加熱，溶液溫度上升后進(jìn)入閃蒸罐進(jìn)行蒸發(fā)；濃溶液與稀溶液換熱、冷凝器、節(jié)流閥軟件中都有自帶的模塊來進(jìn)行模擬，分別為HeatX和Valve。

結(jié)合本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，確定本次模擬運(yùn)行的初始參數(shù)：溴化鋰稀溶液濃度初步確定為58%；冷凝器需要將40℃的熱水加熱至50℃，水蒸氣的出口狀態(tài)為飽和液相，在冷凝器平均傳熱溫差為6℃時(shí)，確定發(fā)生器的蒸發(fā)壓力為13．5 kPa；根據(jù)氣液相平衡，濃溶液液相溫度為100℃。為了保證熱網(wǎng)一次網(wǎng)回水溫度在20℃以下，蒸發(fā)溫度初步定為17．5℃，對應(yīng)的飽和蒸汽壓力為2 kPa。根據(jù)以上初始數(shù)據(jù)搭建流程模擬模型，并進(jìn)行模擬計(jì)算，Aspen Plus流程模擬流程見圖3。

圖3 吸收式換熱Aspen Plus流程模擬示意圖

2.3 靈敏度分析

1）提高一次網(wǎng)進(jìn)水溫度

制熱系數(shù)COP隨一次網(wǎng)進(jìn)水溫度的升高而增大；隨著一次網(wǎng)進(jìn)水溫度升高，一次網(wǎng)出水溫度逐漸降低，濃溶液濃度逐漸增大，即：放氣范圍增大。提高一次網(wǎng)進(jìn)水溫度相當(dāng)于提高了發(fā)生器的蒸發(fā)能力，有利于提高系統(tǒng)供熱能力，見圖4。

圖4 一次網(wǎng)高溫?zé)崴疁囟葘ξ帐綗岜玫挠绊?/p>

2）提高發(fā)生器壓力

隨著發(fā)生器壓力的升高，一次網(wǎng)出水溫度逐漸升高，濃溶液濃度逐漸下降，制熱系數(shù)COP逐漸下降，一次網(wǎng)總放熱量逐漸下降。提高發(fā)生器壓力相當(dāng)于降低了發(fā)生器的蒸發(fā)能力，不利于系統(tǒng)供熱能力的提高，但也不是發(fā)生器壓力越低越好，發(fā)生器壓力過低將會(huì)影響冷凝器的冷凝溫度，不利于傳熱，且壓力低，濃溶液濃度會(huì)逐步增加，會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。詳見圖5。

圖5 發(fā)生器壓力對吸收式熱泵的影響

3）改變稀溶液濃度

隨著稀溶液濃度的升高，一次網(wǎng)出水溫度逐漸升高，濃溶液濃度逐漸升高，制熱系數(shù)COP和一次網(wǎng)總放熱量逐漸下降。降低稀溶液濃度相當(dāng)于提高發(fā)生器的蒸發(fā)能力，有利于提高系統(tǒng)供熱能力，但隨著稀溶液濃度降低將會(huì)降低吸收溫度，影響傳熱溫差。詳見圖6。

圖6 稀溶液濃度對吸收式熱泵的影響

3 結(jié)論

1）采用系統(tǒng)?分析方法可以有效地對吸收式熱泵進(jìn)行評價(jià)分析，吸收式熱泵是一種系統(tǒng)?效率較高的換熱方式之一；

2）采用Aspen Plus可以對吸收式換熱器進(jìn)行模擬計(jì)算；

3）提高一次網(wǎng)進(jìn)水溫度、降低發(fā)生器壓力、降低稀溶液濃度可以提高熱泵COP值，并提高系統(tǒng)供熱能力。