两段式溴化锂吸收式热泵的性能分析

郝志鹏

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150090）

0 引言

随着我国面临的能源紧张与环境污染问题日趋严峻，加强余热回收进行能源梯级利用成为了节能减排的关键手段。热力发电厂的能源利用率通常只有40%左右，有近60%的热量随循环冷却水排放到环境当中，既浪费了大量的能源，又对环境造成了污染[1-2]。为了有效地利用热力发电厂排放的低温余热，国内众多科研单位和企业都进行了广泛的探索和研究[3-6]。由于热力发电厂本身就具有大量可利用蒸汽，因此以蒸汽作为驱动热源的溴化锂吸收式热泵在热力发电厂循环水余热回收利用中成为首选。

由于热力发电厂提供的用以驱动吸收式热泵的蒸汽参数通常较低，无法匹配双效吸收式热泵对驱动汽源参数的要求，因此目前热力发电厂循环水余热回收项目中主要以单效吸收式热泵为主[7]。但是单效溴化锂吸收式热泵的热力系数即COP值较小，可回收的循环水余热量较少，降低了余热回收项目的经济性，因此有必要寻求一种与现有驱动蒸汽参数相匹配的效率更高的吸收式热泵。本文介绍一种两段式溴化锂吸收式热泵，这种吸收式热泵以传统的单效溴化锂吸收式热泵为基础，在驱动汽源参数保持不变的前提下，通过调整热泵系统的工艺流程，可以实现比单效吸收式热泵更高的COP值。

1 两段式热泵的结构特点

两段式热泵由两个既相对独立又有一定联系的单效热泵组合而成，两个热泵内部溴化锂溶液的循环系统是各自独立的，热泵之间又通过驱动气源、高温气源和低温汽源的管路联系在一起。根据各自溴化锂溶液系统内的压力不同，这两个热泵被分别称之为两段式热泵的高压组和低压组。

两段式热泵的系统工艺流程如图1所示。高、低压组的溴化锂溶液的流程与单效热泵完全一样，吸收器内的溴化锂稀溶液经溶液泵加压后，通过溶液换热器进入发生器，在发生器中由于驱动热源的加热产生蒸汽，浓缩后的浓溶液流回吸收器吸收来自蒸发器的蒸汽。发生器产生的蒸汽进入冷凝器凝结成饱和水，然后经节流装置进入蒸发器，在蒸发器中吸收低温热源的热量发生相变而变成蒸汽。

低温热源的流程是先进入高压组蒸发器释放一部分热量，然后再进入低压组蒸发器释放剩余的热量。高温热源的流程是先分成两股支流并联进入高、低压组的吸收器，然后汇合成一股再依次进入低压组的冷凝器和高压组的冷凝器。驱动热源的流程是分为两股以并联的方式分别进入高、低压组的发生器。

图1 两段式溴化锂吸收式热泵的系统流程

2 两段式热泵性能的理论分析

溴化锂溶液的热力图表对溴化锂吸收式热泵的理论分析非常重要，其中迪林曲线图（P-T图）表明了气液两相处于平衡状态的溴化锂溶液的压力、温度和浓度三者之间的关系[8]，是吸收式热泵理论分析最常用的工具之一。

两段式热泵热力循环在P-T图上的表示如图2（a）所示，图中下标为H的点代表高压组的各个状态点，下标为L的点代表低压组的各个状态点。作为对比，相同设计条件下的单效溴化锂吸收式热泵的热力循环如图2（b）所示。

图2 溴化锂吸收式热泵热力循环在P-T图上的表示

从两段式热泵热力循环P-T图中可以看到，由于高温热源是并联进入高、低压组的吸收器的，因此高、低压组的吸热器出口稀溶液温度相等，即T2H=T2L=T2。由于两段式热泵包含高压和低压两个冷凝器，因此在冷凝器出口温差相同的条件下，两段式热泵的热力循环对应两个冷凝温度TCH和TCL（图2（a）中的3H点和3L点），其中TCH与单效溴化锂吸收式热泵的冷凝温度TC相同（图2（b）中的3点），TCL则低于TC。因此，如冷凝器两侧流体温度变化曲线（图3）所示，两段式热泵热力循环的平均冷凝温度低于单效溴化锂吸收式热泵热力循环的冷凝温度。

图3 冷凝器两侧流体温度变化曲线

同理，从蒸发器两侧流体温度变化曲线（图4）可以看到，两段式热泵热力循环的平均蒸发温度则高于单效溴化锂吸收式热泵热力循环的蒸发温度。由于溴化锂吸收式热泵的COP值与蒸发温度和冷凝温度有关，蒸发温度越高、冷凝温度越低，则热泵COP值越高[9-10]，因此在相同设计条件下两段式热泵的COP值较单效溴化锂吸收式热泵的COP值高。

图4 蒸发器两侧流体温度变化曲线

3 两段式热泵性能的实例计算

为了对两段式热泵的性能进行计算，以吸收式热泵热力计算模型[11]和溴化锂溶液的物性方程[12]为基础并利用VB语言编制了吸收式热泵的热力计算程序。计算的算例取自某电厂循环水余热利用项目，高温热源进、出口温度分别为55、68℃，低温热源进出、口温度分别为38、31.5℃，驱动热源为0.36 MPa的饱和蒸汽。

因为两段式热泵高、低压组的COP值是不同的，所以通过调整高、低压组的负荷比例即循环工质流量比可以改变两段式热泵的总COP值。高压组的COP值较高，那么通过增加高压组的工质流量可以使两段式热泵的总COP值升高，但是增加高压组工质流量的同时又会降低高压组本身的COP值，抵消两段式热泵的总COP值的升高效果。因此总会存在一个适当的高、低压组工质流量比使得两段式热泵的总COP值达到最大值。通过自编程序的计算，可以得到两段式热泵的总COP值随高、低压组工质流量比变化的曲线（图5），从图中可以观察到随着高、低压组工质流量比的增加，高压组COP值逐渐变小，低压组COP值逐渐变大，而两段式热泵的总COP值先升后降，在高、低压组工质流量比为1.2左右时达到最大值。

图5 两段式热泵总COP值随高、低压组工质流量比的变化

为了对两段式热泵的性能和单效溴化锂吸收式热泵的性能进行对比，利用自编程序对相同设计条件下的单效溴化锂吸收式热泵也进行了计算，两者的计算结果对比列于表1中。从表中可以看到，两段式热泵的COP值比单效热泵的COP值高大约1.2%，因此在热泵功率相等的情况下，两段式热泵的驱动热源消耗量更少，而低温热源利用量更多。利用自编程序计算的结果跟第2节理论分析得出的结论也是一致的。

表1 热泵性能参数对比

4 结论

本文介绍了一种基于单效溴化锂吸收式热泵的两段式热泵，在理论上对其COP值进行了定性的分析，并利用自编的热泵计算程序对选取的算例进行了定量的计算，计算结果与理论分析的结论是一致的，这种两段式热泵的COP值确实高于传统的单效溴化锂吸收式热泵。