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梢抱雷越
5 years ago
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1 低温热源驱动溴化锂第二类吸收式热泵的实验研究张伟, 朱家玲, 董瑞芬, 李志强, 刘立伟 ( 天津大学地热研究培训中心, 天津 ) 摘要本文根据溴化锂第二类吸收式热泵系统的传热传质平衡以及各部件的传热关系, 建立了系统的稳态数学模型利用模拟计算得出了相应的设计参数, 建立了热负荷为小型 LiBr-H2O 第二类吸收式热泵系统实验台, 对废热驱动的实验系统在不同运行工况下进行了实验研究分析了系统主要运行参数各换热设备的进口水温和质量流量对系统性能的影响趋势和规律关键词第二类吸收式热泵 ; 实验研究 ; 地热余热 ; 回收 0 引言地热能是来自地球深处的可再生能源, 它作为一种新型能源越来越受到人们的关注, 其应用也越来越广泛天津地区拥有 200 多眼地热井, 供暖面积达 1000 多万平方米, 占全国地热供热总数的 77% 但其中相当数量的旧有供暖系统, 存在冬季运行尾水排放温度较高的问题 ; 同时这些老供暖系统由于受建筑等条件的限制, 不能采用地板辐射, 风机盘管等低温散热设备, 仅能利用原有散热温度较高的铸铁散热器供暖在这种情况下, 如果要充分利用这部分地热废热, 提高地热利用率, 就需要将这部分低品味废热提升温度, 以利于回收再投入使用而第二类吸收式热泵技术是回收低品位热能的有效技术之一, 它以中低温的废热作为驱动热源产生较高温度的热源, 而不需要消耗其他高品位能源, 节能效果显著所以对旧有地热供暖系统进行改造, 需要开展低温热源驱动溴化锂第二类吸收式热泵的实验研究 1 第二类吸收式热泵循环的模拟计算第二类吸收式热泵 (Absorption Heat Transformer, 简称 AHT) 又称吸收式热变换器, 靠输入的中低温热能 ( 废热 ) 驱动系统运行, 将其中一部分能量供给高温热源, 另外一部分释放给温度更低的低温热源该系统的运行是不需要额外的高品位热源的图 1 为溴化锂第二类吸收式热泵循环在焓浓度图上的表示图中 6 2 是吸收过程 ;2 7 是溴化锂稀溶液在溶液热交换器中的换热过程 ;7 5 是稀溶液在发生器被加热至沸腾 ; 5 4 是稀溶液的发生过程 ;4 8 是浓溶液在溶液热交换器中的换热过程 ;8 6 是浓溶液在吸收器中的换热过程 ;4 点是发生器中的过热蒸汽的状态 ;1 点是蒸发器中冷剂蒸汽的状态

2 焓浓度图 1 溴化锂第二类吸收式热泵循环在 h-x 图上的表示 1.1 溴化锂工质对的热物性数学关联式在对溴化锂第二类吸收式热泵系统进行模拟计算时, 所需的溴化锂溶液和水蒸气主要的热物性数学关联式如下 : ⑴ 饱和水蒸气的压力 [1] : ln p = (1) ( t ) 式中 :t 为包和水蒸气的温度, ;p 为饱和水蒸气的压力,MPa ⑵ 溴化锂溶液的露点温度 [2] ( 相应饱和水蒸气的温度 ): 5 2 j 5 i 9 td( T, X) = aijx t (2) 9 i= 0 j= 0 5 式中 :t d 是溴化锂溶液的露点温度, ;t 是溴化锂溶液的温度, ;X 是溴化锂溶液的浓度,%; 系数 a ij 值见文献 [2]; 应用范围为 0<X<70%,4.4<t<180 ⑶ 溴化锂溶液的焓值 [2] : hxt (, ) 5 2 = (3) i= 0 j= 2 i j axt ij 式中 a ij 的值参见文献 [2] 8 ⑷ 饱和水的焓 [3] i 1 : hw( t) = a1 + at i R (4) i= t 式中 : tr =,h w 是饱和水的焓值,kJ/kg,t 是溴化锂溶液的温度,, 系数 a 1 和 a i 参见文献 [3] ⑸ 饱和水蒸气的焓值 [1] :

3 hv 2 = P 2 3 t P t P 100 t P 11 t (5) 式中 :h v 是饱和水蒸气的焓值,kJ/kg,t 是饱和水蒸气的温度,,P 是饱和水蒸气的压力, kpa 1.2 溴化锂第二类吸收式热泵的主要性能参数溴化锂第二类吸收式热泵各主要设备热负荷以及系统主要性能参数的描述如下 : 蒸发器热负荷 : Q W ( h h ) E = (6) 1' 1 冷凝器热负荷 : Q W ( h h ) C = (7) 4' 3 Q = W CR 1 h + h CR h (8) 吸收器热负荷 : A ( ) 8 1' 2 Q = W CR 1 h + h CR h (9) 发生器热负荷 : G ( ) 4 4' 7 溶液热交换器热负荷 : Q W( CR 1)( h h ) W CR( h h ) H = = (10) 获得的热量 QA 系统性能系数 : COP = = 消耗的热量 Q + Q E G (12) 放气范围 : Δ X = XH XL (13) 以上各式中 :W 为冷剂循环量,kg/h;h 为焓值,kJ/kg;t 为温度, ;Q 为各换热器的热负荷,kJ/kg;X H 为溴化锂浓溶液的浓度,%;X L 为溴化锂稀溶液的浓度,% 1.3 溴化锂第二类吸收式热泵系统的建模通过对上述方程的分析可知, 当给定系统的 4 个独立变量时, 系统的状态即可确定本文选择蒸发温度 T E 冷凝温度 T C 吸收温度 T A 和发生温度 T G 作为已知变量, 确定整个系统的操作状态和各设备的热负荷, 来完成对系统的模拟计算 2 实验设计参数本文针对低温地热尾水回收这一问题, 将供热系统排放出的 50 的地热尾水作为第二类吸收式热泵的驱动热源, 通过系统的热力循环将供热系统的循环回水由 50 提高到 60 左右, 利用铸铁散热器供暖设定了如表 1 所示的供热量为 10kW 的第二类吸收式热泵系统的设计条件 : 表 1 设计条件蒸发器进口废热水温度 50 冷却水出口温度 10

4 蒸发器出口废热水温度 44.2 吸收器进口循环水温度 50 发生器进口废热水温度 50 吸收器出口循环水温度 61.6 发生器出口废热水温度 43.3 吸收器热负荷 ( 供热量 ) 10kW 冷却水进口温度 6 涉及工况的计算结果如表 2 所示其中对系统中各换热设备的计算所采用的是索柯洛夫近似特性方程, 其具体内容参见文献 [4] 表 2 计算结果名称内容名称内容系统内部参数蒸发压力 :7.83kPa 冷凝器热负荷 :10.84kW 蒸发温度 :41.2 传热面积 :0.704m 2 冷凝压力 :1.486kPa 冷却水流量 : kg/h 冷凝温度 :13 吸收器热负荷 :10.0kW 系统 COP:0.48 传热面积 :0.921m 2 溴化锂浓溶液浓度 :53.2% 循环水流量 :742.45kg/h 溴化锂稀溶液浓度 :48.88% 发生器热负荷 :10.07kW 放气范围 :4.32% 传热面积 :0.957m 2 循环倍率 : 废热水流量 : kg/h 蒸发器热负荷 :10.77kW 溶液热交换器热负荷 :1.98kW 传热面积 :0.793m 2 传热面积 :0.691m 2 废热水流量 : kg/h 3 实验结果分析实验主要考察各换热设备在不同进口水温和质量流量下对机组运行性能和传热效果的影响 3.1 不同进口温度对 COP ξ 和各换热设备热负荷的影响在本实验中发生器与蒸发器的废热水都是来自地热尾水, 其进口温度相同, 如图 2 所示图 2 是在吸收器热媒水冷凝器冷却水进口温度分别为 55 7, 蒸发器废热水质量流量为 1820kg/h, 发生器废热水质量流量为 1600kg/h, 吸收器热媒水质量流量为 704kg/h, 冷凝器冷却水质量流量为 1950kg/h 时 ( 图 2 至图 4 所得数据都在上述相同的质量流量下获得 ), COP ξ 和各换热设备热负荷随蒸发器废热水进口温度 T ei 的变化曲线图 0.28 ξ COP T ei ξ(%) T ei 图 2 蒸发器 ( 发生器 ) 废热水进口温度对系统 COP ξ 和各换热设备热负荷的影响

5 由图可以发现, 随着进入蒸发器管内废热水温度的提高,COP ξ 和各换热设备热负荷逐渐增大, 但增大的趋势减缓这是因为蒸发器废热水进口温度 T ei 的增大使得出口温度 T eo 增大,T ei 与蒸发温度有直接关系 [5], 进而引起蒸发压力的提高, 吸收器的吸收能力增强 ; 由于蒸发器和发生器的废热水进口温度是同步增加的, 发生器进口温度提高, 发生温度提高, 发生器的发生能力增强, 热负荷增大, ξ 增大, 系统的性能提高运行过程中吸收能力的增强会引起蒸发压力的下降, 发生能力的增强使得冷凝压力的上升反而制约了吸收和发生能力的进一步提高, 因此增加的趋势减缓 T ci T ci 图 3 冷凝器冷却水进口温度对系统 ξ 和各换热设备热负荷的影响图 3 是在吸收器热媒水发生器和蒸发器废热水进口温度均为 50 时,COP 和各换热设备热负荷随冷凝器冷却水进口温度 T ci 的变化曲线图由图可以发现, 随着进入冷凝器管内冷却水温度的降低, 溴化锂第二类吸收式热泵的性能系数 COP 和各换热设备热负荷逐渐增大, 但增大的趋势减缓这是因为 T ci 的降低使得 T co 相应的减小,T ci 与冷凝温度有直接关系, 引起冷凝压力变小, 发生器的发生起始温度降低, 发生器的发生能力增强, 吸收器内吸收的终了温度降低, 吸收能力增强, 各换热设备热负荷增大, 系统的性能提高但是吸收能力的增强会引起蒸发压力的下降, 发生能力的增强使冷凝压力的上升会制约吸收和发生能力的进一步提高, 因此增加的趋势减缓图 4 是在蒸发器和发生器废热水进口温度冷凝器冷却水进口温度分别为 ,COP ξ 和各换热设备热负荷随吸收器热媒水进口温度 T ai 的变化曲线图 5.0 ξ ξ(%) T ai T ai 图 4 吸收器热媒水进口温度对系统 ξ 和各换热设备热负荷的影响由实验可知, 随着吸收器进口温度的降低, 系统的性能系数 ξ 和各换热设备的

6 热负荷缓慢增大, 并且增大的趋势减缓这是因为 T ai 的降低使得 T ao 相应的减小, 吸收温度降低, 吸收的终了温度降低, 吸收效果增强, 蒸发压力降低, 但是, 相对于吸收器进出口温度的改变, 蒸发压力的降低对系统性能的影响较小吸收温度降低, 发生的起始温度减小, 发生效果变好, 冷凝压力增加, 但是, 相对于发生起始温度的改变, 冷凝压力的增加对系统性能的影响较小最终使系统的放气范围 ξ 增大 [6], 各换热设备热负荷增大, 系统的性能提高但是吸收能力的增强将会引起蒸发压力的进一步下降, 发生能力的增强使得冷凝压力的上升会制约吸收和发生能力的进一步提高, 因此增加的趋势减缓 3.2 各换热器不同质量流量对 COP ξ 和各换热设备热负荷的影响 Q(w) m e m e 图 5 蒸发器废热水质量流量 m e 对系统 ξ 和各换热设备热负荷的影响各换热设备质量流量增大, 换热器管内水的流速增大, 传热效果增强, 从而使各换热设备的热负荷增加图 5 是在吸收器热媒水发生器和蒸发器废热水冷凝器冷却水进口温度分别为 , 发生器废热水质量流量为 1600, 吸收器热媒水质量流量为 704, 冷凝器冷却水质量流量为 1950 时,COP 和各换热设备热负荷随蒸发器废热水质量流量 m e 的变化曲线图由上系统性能系数 COP 和各换热设备热负荷随着蒸发器废热水质量流量的增加而增加这是因为, 蒸发器废热水进口温度恒定时, 流量增加会引起废热水出口温度升高, 一方面会使蒸发压力提高, 吸收器吸收的起始温度增加, 吸收效果增强, 发生器的发生终了温度提高, 发生能力增强 m c m c 图 6 冷凝器冷却水质量流量 m c 对系统 ξ 和各换热设备热负荷的影响图 6 是在吸收器热媒水发生器和蒸发器废热水冷凝器冷却水进口温度分别为 50

7 , 发生器废热水质量流量为 1600, 吸收器热媒水质量流量为 920, 蒸发器废热水质量流量为 1820 时,COP 和各换热设备热负荷随冷凝器冷却水质量流量 m c 的变化曲线图由实验可知, 随着冷却水量的增加,COP 和各换热设备的热负荷升高这是因为, 一方面当冷却水进口温度恒定时, 冷却水流量的增加, 出口温度降低, 冷凝压力降低, 发生器的发生起始温度降低, 发生器的发生能力增强, 吸收器内吸收的终了温度降低, 蒸发压力降低但相对于吸收终了温度的改变对机组性能的影响较小, 吸收能力增强根据实验可知, 通过提高冷凝器冷却水质量流量的方法同样可以提高系统的性能但是要考虑流量过大引起的水侧冲刷腐蚀给机组的使用寿命带来的影响 ξ ξ(%) Q(w) m a m a 图 7 吸收器热媒水质量流量 m a 对系统 ξ 和各换热设备热负荷的影响图 7 是在吸收器热媒水进口温度蒸发器和发生器废热水进口温度冷凝器冷却水进口温度分别为 , 蒸发器废热水质量流量为 1820, 发生器废热水质量流量为 1600, 冷凝器冷却水质量流量为 1950 时,COP ξ 和各换热设备热负荷随吸收器热媒水质量流量 m a 的变化曲线图由实验可知, 系统 COP ξ 和各换热设备热负荷随吸收器热媒水质量流量 m a 的增大缓慢增大这是因为, 一方面当吸收器热媒水进口温度恒定时, 出口温度随着热媒水质量流量的增加而降低, 吸收温度下降, 吸收的终了温度降低, 吸收效果增强, 蒸发压力降低, 但是, 相对于吸收终了温度的改变, 蒸发压力的降低对于吸收效果的影响较小吸收温度下降, 发生的起始温度降低, 发生效果变好, 系统性能变好 6.5 ξ ξ(%) m g m g 图 8 发生器废热水质量流量 m g 对系统 ξ 和各换热设备热负荷的影响

8 图 8 是在吸收器热媒水进口温度蒸发器和发生器废热水进口温度冷凝器冷却水进口温度分别为 , 蒸发器废热水质量流量为 1820, 吸收器热媒水质量流量为 704, 冷凝器冷却水质量流量为 1950 时,COP ξ 和各换热设备热负荷随发生器废热水质量流量 m g 的变化曲线图由实验可知, 随着进入发生器管内废热水质量流量的提高,COP ξ 和各换热设备热负荷逐渐增大这是因为, 一方面, 发生器废热水进口温度恒定时, 增大废热水的质量流量, 出口温度提高, 发生温度上升, 发生的终了温度提高, 发生效果增强, 冷凝压力上升, 但是相对于发生终了温度的变化, 压力的改变对机组性能的影响较小, 系统性能提高提高发生器废热水质量流量可以提高系统的性能但是废热水的回收效果会降低, 所以, 在尽量考虑提高系统性能的同时, 也要考虑废热水的利用效果和流量的增加对机组使用寿命的影响结论本文对溴化锂第二类吸收式热泵循环进行分析, 对回收低温地热尾水的方案进行了模拟计算, 得出了相应的设计参数, 对小型热泵系统进行了实验研究本文所研究的第二类吸收式热泵系统是以 50 左右地热废水作为驱动热源, 所进行的研究不但是对回收地热余热的一种新方式进行研究, 而且也是对第二类吸收式热泵在新工况下工作情况的探索式研究实验表明由 45~55 废热水驱动溴化锂第二类吸收式热泵装置以提高热媒水的温度是可行的系统在不同的运行工况下, 可在性能系数 COP 为 0.3~0.4 制热量为 4~7.5kW 范围内获得温升为 4~8 的热媒水在各换热设备质量流量恒定时, 通过提高蒸发器和发生器废热水进口温度降低冷凝器冷却水和吸收器热媒水进口温度来提高系统的性能 ; 在各换热设备进口水温恒定时, 可通过适当的增大质量流量来提高系统的性能, 在以上的工况调节过程中, 调节温度对系统性能的影响比调节流量要显著同时系统运行中还应综合考虑地热尾水的回收效果获得低温冷却水的难易程度溶液结晶以及流速对机组寿命的影响等问题 [ 参考文献 ] [1] Da-Wen Sun. Thermodynamic design data and optimum design maps for absorption refrigeration systems[j]. Applied thermal engineering, 1997, 17(3): [2] M.R. Patterson and H. Perez-Blanco. Numerical fits of the properties of lithium-bromide water solutions[j]. ASHRAE Trans, 1988, 94(2): [3] T.F. Irvine and T. Uemura. Steam and Gas Tables with Computer Equations. Academic Press, New Yourk, [4] 高田秋一. 吸收式制冷机 [M]. 北京 : 机械工业出版社,1987,7. [5] 王长庆陆震. LiBr/H2O 高温吸收式热泵及变工况性能分析 [J]. 能源技术, 1991(2): [6] 马庸颇,LiBr-H2O 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 :[D], 大连 ; 大连理工大学, Experimental Study on the Absorption Heat Transformer for Recovering the Low-temperature Waste Heat Zhang We i, Zhu Jialing, Dong Ruifen, Liu Liwei, Li Zhiqiang (Tianjin Geothermal Research and Training Center, Tianjin University, Tianjin , China) Abstract: A steady state simulation model had been developed to predict the performance of the absorption heat transformer system using LiBr/H 2 O as working pair. The model was based on

9 detailed mass and energy balances and heat transfer relationships of the system and its components. A scheme employing absorption heat transformer system for geothermal waste heat recovery was proposed according to the analysis of the system, and detailed design data were derived. A 10kW experimental AHT system was designed and set up, and experiments about the waste heat recovery scheme were carried out under different working conditions. The impact of major working parameters such as temperatures of each component inlet and mass flow rate, on the performance of the AHT system was analyzed. Keywords: absorption heat transformer; experimental study; geothermal waste heat; recycle 联系人 zhang_wei@tju.edu.cn 作者简介 : 张伟 (1976 ), 男, 天津人, 天津大学机械学院, 讲师, 博士, 主要从事地热能利用研究

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