大溫差溴化鋰吸收式熱泵設計計算與數值分析

葛宇　周小三　厲吉文　劉建國　王立文

【摘? 要】論文系統地整理了溴化鋰吸收式熱泵機組內部工質參數計算方法，指導并應用于國內某長距離、大溫差供熱工程中，達到了預期效果，可為類似城市集中供熱改擴建熱力站工程采用以溴化鋰為工質的吸收式熱泵機組實現大溫差供熱提供參考。論文圍繞大溫差換熱機組設計計算展開探討。

【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.

【關鍵詞】大溫差供熱;吸收式熱泵;溴化鋰;計算方法

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

【中圖分類號】TU995;TM611? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】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，制取出大量低品位熱能的特點被推廣應用于我國熱電聯產的“大溫差”集中供熱項目中[2-4]。設置于熱電廠與熱力站內的吸收式熱泵機組具有雙重功能，一方面是實現余熱利用，另一方面是實現大溫差換熱?；诖耍按鬁夭睢惫犴椖靠梢越档鸵淮蝹然厮疁囟葋硖岣吣茉蠢眯室约疤岣吖芫W供熱能力，對于城市集中供熱具有長遠意義[5]。

但是，對于基于吸收式換熱的大溫差熱泵機組的系統設計與部件選型等理論計算經驗不夠豐富。因此，本文對溴化鋰吸收式熱泵機組的設計計算等相關文獻[6-10]進行了系統梳理，整理了吸收式熱泵的系統原理、溴化鋰水溶液的物性參數、機組內部部件選型等理論計算方法，以供工程設計人員參考和探討。

2? 溴化鋰水溶液的物性參數

2.1 溴化鋰溶液的性質

溴化鋰是一種物性非常穩定的物質，其在空氣中不變質、不分解、不揮發。無水溴化鋰的基本性質如表1所示。溴化鋰除無水狀態和水溶液外，還會生成自帶結晶水的化合物等，其最大的特征是具有強烈的吸水性。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 溴化鋰溶液的結晶溫度

溴化鋰溶液的結晶溫度的計算公式如（1）所示：

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

式中：TS為溴化鋰溶液的結晶溫度（℃）;

X為溴化鋰溶液的質量分數（%）。

2.1.2 溴化鋰溶液的濃度

溴化鋰溶液的濃度的計算公式如（2）所示：

式中：X為溴化鋰溶液的質量分數（%）;

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，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算公式如（3）所示：

式中：t為壓強為P時溴化鋰溶液的飽和溫度（℃）;

t1為壓強為P時對應工質水的飽和溫度（℃）;

X為溴化鋰的質量分數（%）;

AnBn為系數，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為溴化鋰的質量分數（%）;

An、Bn、Cn、Dn為系數，其值如表4所示。

2.2 工質水的物性參數

2.2.1 飽和壓力與飽和溫度

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

式中：P為飽和水蒸氣壓力（kPa）;

T為工質溫度（K）;

A、B、C為系數，其值如表5所示。

壓力為P時，飽和水蒸氣溫度可以通過式（6）計算：

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算公式如（7）所示：

不同溫度下飽和水比焓值計算公式如（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為一定壓力下對應溶液的平衡溫度（℃）;

t1為一定壓力下對應水蒸氣溫度（℃）;

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）。

基于以上關于吸收式熱泵機組內部吸收劑（LiBr）的濃度、溫度、理論結晶溫度，以及制冷劑（H2O）的溫度、壓力、比焓值等參數的計算，可以得到吸收式熱泵機組循環工質的基本參數，為下一節熱泵機組的設計計算奠定基礎。

3? 吸收式熱泵設計計算

3.1 吸收式熱泵系統

機組內部工質流程如下：吸收器中的溴化鋰稀溶液（LiBr）經由溶液泵送至發生器，溴化鋰溶液在發生器中被驅動熱源加熱至飽和并產生冷劑蒸汽（H2O），同時溶液濃縮成溴化鋰濃溶液。溴化鋰濃溶液經發生器進入溶液換熱器，與泵送的溴化鋰稀溶液進行熱量交換后進入吸收器，溴化鋰溶液循環以此循環往復。

機組外部介質流程如下：

①一次側驅動熱源的高溫熱水進入發生器驅動溴化鋰溶液中冷劑（H2O）蒸發，而后中溫熱水經過蒸發器通過釋放熱量加熱低壓冷劑蒸汽后流出;

②二次用戶側直供循環低溫回水經過吸收器和冷凝器完成吸熱后變成中溫熱水供給熱用戶使用。

3.2 理論設計條件的假設

為了簡化計算模型，本文做出如下假設條件：

①整個系統處于熱平衡狀態，工質處于穩定流動狀態。

②高壓側：發生器的工作壓力等于冷凝器中工質的冷凝壓力;低壓側：吸收器的工作壓力等于蒸發器中工質的蒸發壓力。

③工質的冷凝溫度一般比熱水溫度高2～5℃;工質的蒸發溫度一般比低溫熱源介質出蒸發器溫度低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倍率取30，工質蒸汽循環倍率取15。

3.3 案例計算

供熱面積1萬平方米，單位面積供熱熱負荷指標為50W/m2，供熱熱負荷500kW。用戶所需熱水溫度為tHW=65℃，回水溫度tCW=45℃，理論二次側循環側流量為6kg/s（折合為21.6t/h）;低溫熱源介質為一次側驅動熱源出發生器的冷凝廢熱回水熱水，其進入蒸發器的溫度為70℃，出蒸發器的溫度25℃。

將已知條件代入第二節所述公式可得到吸收式熱泵各關鍵狀態點參數如表6所示。

濃溶液的質量濃度為0.62時，經公式（1）計算可得其結晶溫度為32.7℃。故設計工況下溶液換熱器出口處濃溶液的溫度比結晶溫度高出47.3℃，具有較好的防結晶安全性。

3.4 部件選型

本文建立的設備模型中，吸收式熱泵中的蒸發器、冷凝器、發生器和吸收器等部件的傳熱系數如表7所示。

目前吸收式換熱熱泵機組的設計計算中，對換熱設備的傳熱計算通常采用索科洛夫計算公式，本文也采用其公式進行計算，即：

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

將數據代入式（12）中經計算得到溴化鋰吸收式熱泵的部件參數如表9所示。

3.5 構建吸收式熱泵機組供熱系統

根據上述理論設計與計算，指導并構建的某實際工程的熱力站采用大溫差吸收式熱泵機組運行方式時的實際溫度參數如表10所示。

基于以上供熱和用熱溫度需求，利用吸收式熱泵機組設計了4種工況下的熱泵與板式換熱器組合的換熱設計方案，如圖2所示。

某工程首個供暖期（11月1日至3月30日）實際運行數據如圖3所示。

基于理論設計與工程實踐應用，結合圖2和圖3可得，經過板式換熱器與吸收式熱泵換熱機組的高溫側的熱水溫降可達到90℃。與此同時，二次側的供水溫度也可以滿足設計要求。通過合理配置板式換熱器與吸收式熱泵機組，可以實現一次網大溫差運行，顯著提高長輸管線輸熱能力。

4 結論

本文對“大溫差供熱”的溴化鋰吸收式熱泵機組進行了理論計算與數值分析，合理配置板式換熱器與吸收式熱泵機組的供熱系統可以在滿足用戶熱負荷需求的前提下，實現一次網側的供回水“大溫差”運行的目的。為工程實踐應用溴化鋰吸收式熱泵機組提供了簡單的設計步驟與部件選型依據，推動基于吸收式熱泵大溫差、遠距離長輸在我國集中供熱領域向前發展。

【參考文獻】

【1】劉明軍，蘇盈賀，陳濤，等.溴化鋰吸收式機組在清潔供暖領域的應用[J].智慧工廠，2020（4）：45-47.

【2】石光輝.太原太古大溫差長輸供熱引發的新探討[J].區域供熱，2019（1）：71-76.

【3】管曉軍.大型火電機組供熱技術改造與方案優化模式分析[J].價值工程，2019，38（35）：188-189.

【4】陳江濤，李玉娜，贠英，等.城市熱電聯產機組供熱能力和余熱利用分析[J].能源研究與管理，2019（1）：25-27.

【5】李巖，付林，張世鋼，等.Co-ah技術對北京市建筑能源供應事業的意義[J].暖通空調，2011，41（7）：91-100.

【6】才華，謝曉云，江億.多級大溫差吸收式換熱器的設計方法研究與末寒季性能實測[J].區域供熱，2019（01）：1-7+25.

【7】宋述生，韓大帥.一種溴化鋰吸收式大溫差復合式熱泵機組的設計[J].機電信息，2020（19）：81-83.

【8】陳東，謝繼紅.熱泵技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2012.

【9】賈明生.溴化鋰溶液的幾個主要物性參數計算方程[J].湛江海洋大學學報，2002，22（3）：52-58.

【10】高田秋一.吸收式制冷劑[M].北京：機械工業出版社，1987.

【作者簡介】葛宇（1996-），男，內蒙古鄂爾多斯人，助理工程師，從事市政集中供熱設計研究。