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任公司，哈爾濱 150090）

0 引言

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

由于熱力發電廠提供的用以驅動吸收式熱泵的蒸汽參數通常較低，無法匹配雙效吸收式熱泵對驅動汽源參數的要求，因此目前熱力發電廠循環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即COP值較小，可回收的循環水余熱量較少，降低了余熱回收項目的經濟性，因此有必要尋求一種與現有驅動蒸汽參數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的單效溴化鋰吸收式熱泵為基礎，在驅動汽源參數保持不變的前提下，通過調整熱泵系統的工藝流程，可以實現比單效吸收式熱泵更高的COP值。

1 兩段式熱泵的結構特點

兩段式熱泵由兩個既相對獨立又有一定聯系的單效熱泵組合而成，兩個熱泵內部溴化鋰溶液的循環系統是各自獨立的，熱泵之間又通過驅動氣源、高溫氣源和低溫汽源的管路聯系在一起。根據各自溴化鋰溶液系統內的壓力不同，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，吸收器內的溴化鋰稀溶液經溶液泵加壓后，通過溶液換熱器進入發生器，在發生器中由于驅動熱源的加熱產生蒸汽，濃縮后的濃溶液流回吸收器吸收來自蒸發器的蒸汽。發生器產生的蒸汽進入冷凝器凝結成飽和水，然后經節流裝置進入蒸發器，在蒸發器中吸收低溫熱源的熱量發生相變而變成蒸汽。

低溫熱源的流程是先進入高壓組蒸發器釋放一部分熱量，然后再進入低壓組蒸發器釋放剩余的熱量。高溫熱源的流程是先分成兩股支流并聯進入高、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。驅動熱源的流程是分為兩股以并聯的方式分別進入高、低壓組的發生器。

圖1 兩段式溴化鋰吸收式熱泵的系統流程

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的溴化鋰溶液的壓力、溫度和濃度三者之間的關系[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在P-T圖上的表示如圖2（a）所示，圖中下標為H的點代表高壓組的各個狀態點，下標為L的點代表低壓組的各個狀態點。作為對比，相同設計條件下的單效溴化鋰吸收式熱泵的熱力循環如圖2（b）所示。

圖2 溴化鋰吸收式熱泵熱力循環在P-T圖上的表示

從兩段式熱泵熱力循環P-T圖中可以看到，由于高溫熱源是并聯進入高、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對應兩個冷凝溫度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，如冷凝器兩側流體溫度變化曲線（圖3）所示，兩段式熱泵熱力循環的平均冷凝溫度低于單效溴化鋰吸收式熱泵熱力循環的冷凝溫度。

圖3 冷凝器兩側流體溫度變化曲線

同理，從蒸發器兩側流體溫度變化曲線（圖4）可以看到，兩段式熱泵熱力循環的平均蒸發溫度則高于單效溴化鋰吸收式熱泵熱力循環的蒸發溫度。由于溴化鋰吸收式熱泵的COP值與蒸發溫度和冷凝溫度有關，蒸發溫度越高、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 蒸發器兩側流體溫度變化曲線

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水余熱利用項目，高溫熱源進、出口溫度分別為55、68℃，低溫熱源進出、口溫度分別為38、31.5℃，驅動熱源為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，所以通過調整高、低壓組的負荷比例即循環工質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的高、低壓組工質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，利用自編程序對相同設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，兩段式熱泵的驅動熱源消耗量更少，而低溫熱源利用量更多。利用自編程序計算的結果跟第2節理論分析得出的結論也是一致的。

表1 熱泵性能參數對比

4 結論

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對選取的算例進行了定量的計算，計算結果與理論分析的結論是一致的，這種兩段式熱泵的COP值確實高于傳統的單效溴化鋰吸收式熱泵。