雙效溴化鋰吸收式熱泵余熱回收系統數值模擬研究

王虹雅 周 勃 黃詩雯 朱里昂

雙效溴化鋰吸收式熱泵余熱回收系統數值模擬研究

王虹雅 周 勃 黃詩雯 朱里昂

（沈陽工業大學建筑與土木工程學院 沈陽 110870）

溴化鋰吸收式熱泵機組可以有效回收利用工業和建筑中的各種形式低溫余熱，提高余熱資源回收率，但設備參數對熱泵性能影響很大。因此本文基于溫度對口和梯級利用的原則，對蒸汽型雙效溴化鋰吸收式熱泵機組內傳熱部件進行熱力及傳熱分析，通過質量和能量守恒建立熱泵機組數學模型，分析熱網供水溫度、蒸發器進口低溫余熱水溫度和驅動熱源溫度這三個外部因素的變化對系統性能的影響。研究結果表明：熱網供水溫度在49℃左右，熱泵系統COP最佳為2.67；蒸發器進口低溫余熱水溫度在47℃左右時，熱泵系統COP最佳為2.67；隨著驅動熱源溫度的上升，熱泵系統的COP呈上升趨勢。為吸收式熱泵實際運行過程中，合理設置設備參數提高熱泵性能提供指導。

余熱回收；吸收式熱泵；數值模擬；性能系數

0 引言

工業和建筑業是我國最主要的熱消耗領域。其中，工業能耗較多。此外化工、制藥、造紙、有色金屬冶煉等工序中排除的工業余熱占總能耗的40%。在這些余熱中有大量30~80℃的低品位余 熱[1]。目前，國內工業余熱資源回收率大約為33%，還約有67%的余熱資源未被利用[2]，因此余熱利用率有很大的提升空間。溴化鋰吸收式熱泵可有效回收利用各種工序中的各種形式低溫余熱，從而提高余熱資源回收率。

近年來，國內外學者對于溴化鋰吸收式熱泵的研究主要集中在不同工況對溴化鋰吸收式熱泵的性能影響。邱中舉分析出溴化鋰吸收式熱泵系統可以利用電廠30℃~45℃冷卻水作為低溫余熱熱源，制熱系數在2.2以上[3]。成嶺等分析出當熱水入口溫度、高溫蒸汽入口溫度和循環倍率增加時，熱泵系統性能均變差，蒸發器入口低溫熱源水溫度升高時，系統性能變好[4]。車德勇等人分析出當熱網水出口溫度升高時，熱泵性能變差[5]。S Jeong[6]等分析了熱源溫度對COP的影響，但是對雙效溴化鋰吸收式熱泵系統運行最佳工況分析較少。

本文通過質量和能量守恒方程建立了雙效溴化鋰吸收式熱泵的數值模型，并分析了熱網供水溫度、蒸發器進口低溫余熱水溫度和驅動熱源溫度這三個外部因素的變化對系統性能的影響，找到熱泵性能最佳時的運行工況。為雙效溴化鋰吸收式熱泵在實際運行過程中，合理設置設備參數提高熱泵性能提供指導。

1 模型建立

1.1 雙效溴化鋰吸收式熱泵簡介

熱泵機組運行過程如圖1所示，系統主要由①蒸發器、②吸收器、③低溫溶液熱交換器、④高溫溶液熱交換器、⑤高壓發生器、⑥低壓發生器和⑦冷凝器組成。

冷劑水流程：高壓發生器中產生的冷劑蒸汽14經由⑥變為冷劑蒸汽6，與低壓發生器中產生的冷劑蒸汽15一起進入冷凝器被冷凝，輸出冷劑水3，蒸發器中冷劑水3吸收余熱水的熱量后，輸出冷劑蒸汽16。

溴化鋰水溶液流程：濃溶液9在吸收器噴淋過程中吸收水蒸汽，變為稀溶液2，分別被輸送至高、低溫熱交換器，經過熱交換升溫至10和7進入高、低壓發生器，輸出冷劑蒸汽14和15后輸出稀溶液12和4，再進入高、低溫熱交換器中進行熱交換，降溫輸出濃溶液13和8[7]。

圖1 雙效溴化鋰吸收式熱泵流程圖

1.2 數值模型建立

數值法即根據水、水蒸氣以及溴化鋰水溶液的熱物性建立數學關聯式，與雙效溴化鋰吸收式熱泵中各部件的數值模型組成數學方程式，計算熱力系數[8,9]。建立模型時為了使系統在保證一定精度的條件下，需要對系統做如下假設[10]：

（1）假設系統為穩定運行狀態；

（2）忽略部件與外界環境之間的傳熱損失；

（3）系統中存在氣液兩相的部件處于平衡狀態；

（4）吸收器和發生器出口溴化鋰水溶液均處于飽和狀態；

（5）出發生器的冷劑蒸汽為對應發生器壓力下的過熱蒸汽，溫度為該發生器進口與出口溫度的平均值；

（6）忽略泵功。

根據上述假設，考慮雙效溴化鋰吸收式熱泵機組各部件在工作中滿足質量和能量守恒，因此其各部件數值模型如下：

（1）蒸發器

能量守恒方程：

式中，為工質冷劑流量kg/s。

蒸發器傳熱溫差方程為：

（2）低壓發生器

質量守恒方程：

式中，G2為溴化鋰稀溶液低壓循環流量，kg/s。

能量守恒方程：

（3）吸收器

能量守恒方程：

式中，Q為吸收器的放熱量，kW。

式中，G1為溴化鋰稀溶液高壓循環流量，kg/s；1、2分別為溴化鋰水溶液高、低壓循環倍率。

傳熱溫差方程為：

（4）高壓發生器

質量守恒方程：

能量守恒方程：

式中，Q為高壓發生器的放熱量。

（5）冷凝器

質量守恒方程：

能量守恒方程：

式中，Q為冷凝器的放熱量。

傳熱溫差方程可表示為：

（6）低溫熱交換器

能量守恒方程為：

傳熱溫差方程為：

（7）高溫熱交換器

能量守恒方程為：

傳熱溫差方程為：

（8）系統制熱系數

2 模型求解

圖2 熱泵機組數值模型求解流程

Fig.2 Solution process of heat pump unit numerical model

根據雙效溴化鋰吸收式熱泵數值模型可知，其主要為7個部件的熱力、傳熱耦合過程，因此本文采用牛頓法進行迭代求解，模型求解流程如圖2所示。輸入熱泵機組的已知參數定義如下：

（1）從低溫余熱熱源吸收的熱量50kW；

（2）低溫余熱熱源水進口溫度c1為30℃；

（3）低溫余熱熱源水出口溫度c2為20℃；

（4）熱網回水溫度t1為35℃；

（5）熱網供水溫度t2為55℃；

（6）加熱蒸汽壓力0.7MPa；

（7）加熱蒸汽溫度165℃；

（8）稀溶液濃度54%。

根據上述參數，使用Matlab對熱泵機組數值模型進行計算，得到各狀態點求解結果如表1所示。為驗證本文數值模型的正確性，將運行程序后計算出的結果與文獻[3]中的過程法結果進行對比，如表2所示。從比較結果可知，本文數值模型的熱泵設備負荷平均誤差率為0.001，性能系數誤差率為0.004，表明本文熱泵機組數值模型的合理性和正確性。

表1 熱泵機組典型狀態點參數對比

表2 過程法與數值計算法熱泵各設備負荷和性能系數對比

3 雙效溴化鋰吸收式熱泵性能分析

吸收式熱泵機組運行性能主要受熱網供回水溫度、低溫余熱進出口水溫和驅動熱源溫度等外部因素影響。因此，本文通過分別計算各因素變化時的雙效溴化鋰吸收式熱泵系統的性能系數,從而明確不同工況對雙效溴化鋰吸收式熱泵系統性能系數的影響。

圖3為系統在熱網回水30℃，蒸發器進口低溫余熱水溫度為45℃，低溫余熱水溫差為5℃，驅動熱源溫度分別為160℃、170℃和180℃的情況下，熱網供水溫度在45℃至60℃時對系統COP的影響。

從圖3可以看出在，其他條件不變時，隨著熱網供水溫度上升，系統COP有所降低，在49℃左右達到峰值。由方程（12）可知，熱網供水溫度影響冷凝溫度的大小，出水溫度降低間接使發生器熱負荷減少，系統COP增大。

圖4為系統在熱網供水50℃，蒸發器進出口低溫余熱水溫差為5℃，驅動熱源溫度分別為160℃、170℃和180℃的情況下，蒸發器進口低溫余熱水溫度對系統COP的影響。

從圖4可以看出，熱泵系統的COP都是隨著蒸發器進口低溫余熱水的溫度升高而增大的，47℃左右達到峰值。從該圖中也可以發現，系統COP會隨驅動熱源飽和蒸汽溫度的上升而增大。

圖3 熱網供水溫度-COP

圖4 低溫余熱進口溫度-COP

圖5 驅動熱源溫度-COP

圖5為系統在熱網回水溫度為30℃，蒸發器進口低溫余熱水溫度為45℃，蒸發器進出口低溫余熱水溫差為5℃，熱網供水溫度50℃、55℃和60℃的情況下，驅動熱源溫度對系統COP的影響。

從圖5可以看出，當驅動熱源溫度逐漸升高時，系統COP增大。這是因為升高驅動熱源溫度，使機組內壓力升高，產生的高溫蒸汽變多，再經由冷凝器成為冷劑水，這樣吸收低溫余熱的熱量也增加了，使系統COP增大。

4 結論

本文通過能量和質量守恒建立了雙效溴化鋰吸收式熱泵系統數值模型，計算結果表明本文數值模型的熱泵機組設備負荷平均誤差率為0.001，性能系數誤差率為0.004，表明本文熱泵機組數值模型的合理性和正確性。

通過熱泵機組數值模型對機組性能系數與熱網供水溫度、蒸發器進口低溫余熱水溫度等進行分析。隨著熱網供水溫度的升高，在49℃左右熱泵性能COP達到最佳約為2.67；隨著蒸發器進口低溫余熱水的溫度升高，在47℃左右時熱泵性能COP達到最佳約為約為2.67。模擬結果與文獻[3]的系統COP實測值比較，發現結果較為準確。此外，隨驅動熱源溫度的升高，系統COP增大。在雙效溴化鋰吸收式熱泵實際的運行過程中，合理設置熱網供水溫度、蒸發器進口低溫余熱水溫度可有效改善熱泵性能。

[1] 張立國,張紅巖.新型溴化鋰吸收式制冷機的設計研究[J].流體機械,2005,(8):67-68,27.

[2] 吳永飛,沈致和.煙氣型雙效溴化鋰制冷機的可視化設計[J].低溫與超導,2012,40(3):73-77.

[3] 邱中舉.溴化鋰吸收式熱泵系統的研究[D].杭州:浙江大學,2011.

[4] 成嶺,張婧,金璐,等.LiBr-H2O吸收式熱泵的熱力學分析[J].制冷學報,2019,40(1):128-134.

[5] 車德勇,呂婧,高龍,等.溴化鋰吸收式熱泵回收循環水余熱的模擬研究[J].熱力發電,2014,43(12):38-43.

[6] S Jeong, B H Kang. Dynamic simulation of an absorption heat pump for recovering low grade waste heat[J]. Applied Thermal Engineering, 1998,18(1):197- 205.

[7] 周振起,崔春暉,袁猛,等.吸收式熱泵回收火電廠冷凝熱供暖的技術經濟性[J].制冷與空調,2017,31(1):77-80.

[8] 賈明生.溴化鋰水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,(3):52-58．

[9] The International Association for the Properties of Water and Steam. Revised release on the IAPWS international formulation 1997 for the thermodynamic properties of water and steam[R]. Erlangen, Germany, 1997.

[10] 田澤輝,解國珍,張凡.溴化鋰吸收式熱泵循環理論分析與計算機模擬[J].制冷與空調,2014,28(2):116-121.

Numerical Simulation Study on Waste Heat Recovery System of Double-effect LiBr Absorption Heat Pump

Wang Hongya Zhou Bo Huang Shiwen Zhu Li’ang

( School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, 110870 )

Lithium bromide absorption heat pump units can effectively recover and utilize various forms of low-temperature waste heat in industry and construction, and improve the recovery rate of waste heat resources, but the equipment parameter has a great impact on the performance of the heat pump. Therefore, in this paper, based on the resources of temperature matching and cascade utilization, thermal and heat transfer analysis are carried out on the heat transfer components in the steam double-effect lithium bromide absorption heat pump units and analyze the influence of three external factors on system performance, such as the hot net water supply temperature and evaporator imported low temperature residual hot water temperature and the temperature of driving heat source through the establishment of mathematical model for heat pump unit mass and energy conservation. The results show that the COP of the heat pump system is 2.67 when the water supply temperature is about 49℃. The COP of the heat pump system is 2.67 when the temperature of the evaporator inlet low-temperature residual hot water is about 47℃. The COP of the heat pump system is on the rise with the increase of the driving heat source temperature. It provides guidance for reasonably setting equipment parameters to improve heat pump performance in the actual operation of absorption heat pump.

waste heat recovery; absorption heat pump; numerical simulation; coefficient of performance

TB611

A

1671-6612（2021）01-032-05

遼寧省重點研發項目（2017229002）；沈陽市中青年科技創新人才項目（RC190365）

王虹雅（1996.10-），女，在讀碩士研究生，E-mail：821291088@qq.com

周 勃（1976.09-），女，教授，博士生導師，E-mail：liguodapple@sina.com

2020-07-10