三热源互补吸收式热泵模拟分析

闫晓娜 陈光明 唐黎明 闫继位 陈 琪

(1浙江大学能源清洁利用国家重点实验室制冷与低温研究所 杭州 310027)

(2河南科技大学土木工程学院 洛阳 471023)

1 引言

在能源危机和环境污染日益严重的情况下，建筑节能的重点应放在采暖和空调能耗的减少上。在电力紧张的情况下，以热能为驱动力的吸收式热泵是回收利用低温位热能的有效装置，具有节约能源、保护环境的双重作用［1］。太阳能由于清洁、可再生且容易获得等优点被越来越多地应用于吸收式系统中。研究结果表明，传统单效吸收式系统需要热源温度90℃以上，因此低品位的太阳能热不能用于驱动单效吸收式系统。由于传统的两级吸收式系统效率太低使得低品位太阳能热在吸收式中的应用受到限制。一些改进的吸收式制冷系统相继被提出以提高其效率［2-5］。比如双效循环、吸收-喷射复合循环、GAX循环和三效循环以及四效循环等，但这些循环对驱动热源的要求也更高，并且GAX、三效和四效等系统结构比较复杂。为降低热源温度，2011年陈光明提出1.x效吸收喷射复合吸收式制冷循环［6］。这些循环的共同特点是采用单一热源，会受到热源数量和场地的限制。随着太阳能集热技术以及地热能开采技术的发展，在全球“低碳”的呼声下，将工业动力余热、低温太阳能和地热能这几种低品位热源应用于吸收式系统对建筑节能具有重大意义。Giovanni A.Long等人提出一种单双效耦合系统［7］，该系统由引擎排气和引擎冷却水驱动，但是该系统针对的主要是较高温度的废热。如何降低对热源温度的需求，并充分利用低品位热源来制冷或制热，就显得尤为重要。本文提出一种结构简单的新型动力余热、低温太阳能热和地热能联合驱动吸收式热泵系统。将传统单效系统无法利用的低品位太阳能热作为联合驱动热源，由低品位的地热能提供热量给蒸发器，从而在减少了高温热源消耗的同时使得系统具有较高的效率。

2 循环介绍

本文研究一种三热源互补吸收式热泵循环，如图1所示，工作流程如下:

图1 三热源互补吸收式热泵循环Fig.1 Triple heat sources-driven absorption heat pump

高压发生器采用动力余热作为热源，图中(33)点和(34)点分别表示高压发生器动力余热入口与出口;部分高压发生器产生的过热冷剂蒸气释放出潜热和显热作为低压发生器1的热源，见图中(2)点和(3)点;低温太阳能热水作为低压发生器2的热源，见图中(35)点和(36)点;地埋管水向蒸发器提供热量，见图中(41)点和(42)点。冷凝器与吸收器排放的热量提供给空调末端热水，空调末端热水采用并联的方式进入冷凝器和吸收器，图中(37)点和(38)点分别表示吸收器空调末端热水入口和出口，(39)点和(40)点分别表示冷凝器空调末端热水入口和出口。

冷剂工作过程:从高压发生器产生出来的冷剂蒸气(1)分为两股，其中一股高压蒸气(2)作为低压发生器1的热源释放出潜热和显热后(3)经节流阀V2节流后进入冷凝器进行冷凝。另一股高压蒸气(5)作为引射器的工作流体将由低压发生器1与低压发生器2产生的冷剂蒸气混合的低压蒸气(9)引射至冷凝压力下的制冷剂蒸气，接着引射器出口的蒸气(10)进入冷凝器进行冷凝。冷凝过程放出的热量提供给空调末端热水，以达到制热效果。从冷凝器出来的制冷剂液体(11)经节流阀V3节流至蒸发压力(12)并进入蒸发器吸收来自地埋管水的热量进行蒸发，蒸发器出口冷剂蒸气(32)进入吸收器被溶液吸收，吸收过程放出的热量提供给空调末端热水，制冷剂工作过程结束。

溶液循环回路:在吸收器中吸收冷剂蒸气后的溶液(14)经溶液泵升压后(15)，分为两路(17)和(22)分别输送至高温溶液换热器和低温溶液换热器，由调节阀V4控制流量。流经高温溶液换热器的溶液被从高压发生器流出的高温溶液预热至(18)然后流进高压发生器，高压发生器出口的溶液(19)经高温溶液换热器预冷后至(20)被节流至吸收压力(21)，接着流进吸收器。进入低温溶液换热器的溶液(22)被从低压发生器1和低压发生器2流出的溶液预热至(23)，然后分为两路(25)和(28)分别流进低压发生器1和低压发生器2，由调节阀V6和V7控制流量。低压发生器1的出口溶液(26)和低压发生器2的出口溶液(29)混合后至(30)流经低温溶液换热器并预冷，预冷后的溶液(31)被节流至吸收压力(32)，接着流进吸收器，溶液环路结束。

3 循环模拟计算

建立系统各组成部件数学模型，各个部件均可看作一个控制容积，由控制方程描述，为简化模型，本文做出如下假设:

(1)系统运行处于稳定状态，忽略各换热部件和管道的漏热损失;

(2)忽略溶液和蒸气在各换热器及其连接通道中的压力降，也即冷凝器及其冷剂蒸气进出口状态点压力等于冷凝压力，吸收器、蒸发器部件及其工质进出口状态点压力都等于蒸发压力;

(3)高低压发生器和吸收器出口溶液均完全达到饱和状态;

(4)节流过程为等焓过程;

(5)冷凝器出口冷剂被冷却为饱和液体，蒸发器出口冷剂蒸发为饱和蒸气;

(6)低压发生器1的热源出口温度与溶液出口温度差为5℃;

(7)高温溶液热交换器和低温溶液热交换器冷端换热温差均为10℃;

(8)忽略溶液循环泵的耗功。

新循环中各主要部件平衡方程如下所示:

式中:G为工质摩尔流量，mol/s;X表示溴化锂溶液摩尔分数，mol/mol;h为工质摩尔比焓，J/mol;下标i和o分别表示部件进口状态与出口状态;Q为各部件与外界的换热量，吸热为正，放热为负，W。

由于结构简单，引射器被广泛应用于吸收式制冷系统中［8］，它是三热源互补吸收式热泵循环中的一个关键部件，高压工作流体(高压发生器产生的冷剂蒸气)经过喷嘴后变成高速低压的流体进入接受室，再把以较低压力进入接受室的引射流体(低压发生器1和低压发生器2产生的冷剂蒸气)从接受室中吸走。之后这两股流体在混合室中进行速度的均衡和压力提高至冷凝压力，引射器工作性能的好坏直接影响到整个系统的制热性能。一般以引射系数的大小来表示引射器工作性能，定义为引射流体流量与工作流体流量之比，用u表示。

通过合理的假设，根据能量守恒、组分守恒和质量守恒对系统各部件建立热力学模型，可以计算出各个状态点的热力学参数。在VB环境下编写热力计算程序，通过NIST REFPROP8.0数据库调用冷剂水的热物性子程序，采用文献［9］Klomfar提供的方法计算饱和溴化锂水溶液温度、压力及浓度等物性参数，采用文献［10］索科洛夫提供的动力函数法计算引射器最大引射系数，在给定的外部参数条件下，进行整个系统的循环性能分析与比较。

4 循环热力性能分析与比较

本系统中动力排烟余热与低温太阳能热互补，低温太阳能热不能驱动传统单效吸收式循环，耦合循环中以消耗一定量动力排烟余热为代价，使得低温太阳能热能够驱动低压发生器2产生额外制冷剂蒸气，这样也就提高了系统整体制热量的输出。以1单位余热负荷和R单位低温太阳能热负荷的输入所得到的制热量称为当量制热性能系数，以COPh'表示。以当量制热性能系数最大为目标，对系统进行性能分析。

4.1 循环热力性能分析

图2表示高压发生器发生温度为130℃，低压发生器2发生温度为75℃，冷凝温度和吸收温度均为47℃，蒸发温度为12℃，消耗一个单位动力余热负荷和1/5单位太阳能负荷的条件下高发压力与低发压力对当量制热性能系数的影响曲线。

图2 压力对COPh'的影响Fig2 Effect of pressure values on COPh'

从图中可以看出，在低发压力一定的条件下，随着高发压力的增加当量制热性能系数先增加后迅速降低。随着高发压力的增加，系统的引射系数和低压发生器1的热源温度增加，使得系统性能得以提升。但是高发压力的增加也会导致高压发生器出口溶液浓度降低，引起高压溶液循环倍率增加，这将降低系统的性能，也就是说，系统运行在最佳工况需要对高发压力进行优化。另外，当高发压力一定时，随着低压发生压力的增加，引射器的压比降低从而增强引射器的工作性能，这对增强系统性能是有利的。但是，低压发生压力的增加又会降低低压发生器1出口溶液浓度，增加其溶液循环倍率，从而使系统性能向下降的趋势发展。同样，系统也存在最优的低压发生压力，以下提到的参数均指优化值。

图3表示吸收温度与冷凝温度均为47℃，低压发生器2发生温度75℃，蒸发温度为12℃，消耗一个单位动力余热负荷和1/5单位太阳能负荷的条件下高压发生器发生温度TGH变化对优化的当量制热性能系数以及引射系数的影响。图4表示此条件下TGH变化对优化的高压和低压的影响。

图3 高压发生温度对性能参数的影响Fig.3 Effect of high pressure generation temperature values on performance parameters

从图中可以看出，随着高压发生器发生温度的增加，当量制热性能系数和引射系数以及优化的高压和低压都成增加趋势。这是因为，随着高压发生器发生温度的升高，高压发生器能够在较高的压力下更好地工作，使得低压发生器1产生的冷剂蒸气温度升高，从而引射流体温度升高，这样引射器工作性能也得以提升，因此低压发生器的最优发生压力随之升高。

图5表示吸收温度与冷凝温度均为47℃，高压发生器发生温度130℃，蒸发温度为12℃，消耗一个单位动力余热负荷和1/5单位太阳能负荷的条件下低压发生器2发生温度TGL变化对优化的当量制热性能系数以及引射系数的影响。图6表示此条件下TGL变化对优化的高发压力以及低发压力的影响。

从图中可以看出，随着低压发生器2发生温度的增加，当量制热性能系数和引射系数以及优化的高压和低压都成增加趋势。这是因为，随着低压发生器2发生温度的升高，低压发生器2能够在较高的压力下更好地工作，使得引射器工作性能得以提升，因此高压发生器的最优发生压力也随之升高。

图5 T GL对COPh'和u的影响Fig.5 Effect of T GL on COPh'and u

图6 低发2发生温度对优化压力的影响Fig.6 Effect of T GL on optimized pressure values

4.2 不同系统制热量对比分析

单一的中低温动力余热热源在1.x效循环［6］中能够以较好的性能得到应用。低温太阳能热可在两级吸收循环中应用。在相同热源条件下，能够达到两套循环产生的制热量之和的前提下，采用三热源热泵循环将大大地简化设备，减少初投资，这将具有重要的实际意义，以下将各系统性能做一比较。

图7所示为高压发生器发生温度为130℃，低压发生器2发生温度为70℃，冷凝温度和吸收温度均为47℃，蒸发温度为10℃的条件下，热源负荷比1/R对制热量Qh影响曲线。从图中可以看出，在输入1 kW动力余热负荷和R kW太阳能负荷的条件下，采用耦合循环得到的制热量能够达到一套1.x效循环和一套传统两级循环得到的制热量之和，并且稍有提高，较低品位的太阳能热越多这种优势越明显。

图7 负荷比对制热量的影响Fig.7 Effect of heat capacity ratio values on heating capacity

5 结论

(1)提出一种高效利用中低温动力余热与低温太阳能热互补、地热与太阳能热互补的吸收式热泵循环。该循环能够利用传统单效吸收式循环不能利用的较低品位太阳能热。

(2)消耗相同的热源，采用耦合循环所得制热量能够达到一套1.x效循环和一套传统两级循环得到的制热量之和，并且稍有提高，较低品位的太阳能热越多这种优势越明显。这大大简化了系统结构并降低了初投资。

(3)循环工作在最佳工况，高发压力与低发压力均需要优化。

(4)高低压优化压力和引射系数以及系统制热性能都随着高压或低压发生器发生温度的升高而上升。

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