大温差溴化锂吸收式热泵设计计算与数值分析
2020-12-21葛宇周小三厉吉文刘建国王立文
葛宇 周小三 厉吉文 刘建国 王立文
【摘 要】论文系统地整理了溴化锂吸收式热泵机组内部工质参数计算方法，指导并应用于国内某长距离、大温差供热工程中，达到了预期效果，可为类似城市集中供热改扩建热力站工程采用以溴化锂为工质的吸收式热泵机组实现大温差供热提供参考。论文围绕大温差换热机组设计计算展开探讨。
【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.
【关键词】大温差供热;吸收式热泵;溴化锂;计算方法
【Keywords】large temperature difference heating; absorption heat pump; lithium bromide; calculation method
【中图分类号】TU995;TM611 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）12-0189-05
1 引言
近年来，吸收式热泵[1]由于其以牺牲小部分高品位热能为代价，制取出大量低品位热能的特点被推广应用于我国热电联产的“大温差”集中供热项目中[2-4]。设置于热电厂与热力站内的吸收式热泵机组具有双重功能，一方面是实现余热利用，另一方面是实现大温差换热。基于此，“大温差”供热项目可以降低一次侧回水温度来提高能源利用效率以及提高管网供热能力，对于城市集中供热具有长远意义[5]。
但是，对于基于吸收式换热的大溫差热泵机组的系统设计与部件选型等理论计算经验不够丰富。因此，本文对溴化锂吸收式热泵机组的设计计算等相关文献[6-10]进行了系统梳理，整理了吸收式热泵的系统原理、溴化锂水溶液的物性参数、机组内部部件选型等理论计算方法，以供工程设计人员参考和探讨。
2 溴化锂水溶液的物性参数
2.1 溴化锂溶液的性质
溴化锂是一种物性非常稳定的物质，其在空气中不变质、不分解、不挥发。无水溴化锂的基本性质如表1所示。溴化锂除无水状态和水溶液外，还会生成自带结晶水的化合物等，其最大的特征是具有强烈的吸水性。溴化锂水溶液的水蒸气分压力非常小，所以溴化锂可作为吸收式热泵的吸收剂，水作为制冷剂。
2.1.1 溴化锂溶液的结晶温度
溴化锂溶液的结晶温度的计算公式如（1）所示：
TS=-99431.6+640904.8X-1554210.1X2+1679810.5X3-682200.4X4（1）
式中：TS为溴化锂溶液的结晶温度（℃）;
X为溴化锂溶液的质量分数（%）。
2.1.2 溴化锂溶液的浓度
溴化锂溶液的浓度的计算公式如（2）所示：
式中：X为溴化锂溶液的质量分数（%）;
t为一定压力下溴化锂溶液的温度（℃）;
t1为一定压力下溴化锂溶液的饱和温度（℃）;
An、Bn、Cn、Dn为系数，其值如表2所示。
2.1.3 溴化锂溶液的温度
溴化锂溶液的温度的计算公式如（3）所示：
式中：t为压强为P时溴化锂溶液的饱和温度（℃）;
t1为压强为P时对应工质水的饱和温度（℃）;
X为溴化锂的质量分数（%）;
AnBn为系数，其值如表3所示。
2.1.4 溴化锂溶液的比焓值
溴化锂溶液的压力的计算公式如（4）所示：
式中：h1为溴化锂溶液的比焓值（kJ/kg）;
t为一定压力下溴化锂溶液的温度（℃）;
X为溴化锂的质量分数（%）;
An、Bn、Cn、Dn为系数，其值如表4所示。
2.2 工质水的物性参数
2.2.1 饱和压力与饱和温度
工质H2O的饱和压力与饱和温度之间的关系满足Antoine公式如（5）所示：
式中：P为饱和水蒸气压力（kPa）;
T为工质温度（K）;
A、B、C为系数，其值如表5所示。
压力为P时，饱和水蒸气温度可以通过式（6）计算：
式中P的取值范围为0.87～1553.8kPa。
2.2.2 饱和水焓值
不同压力下饱和水比焓值计算公式如（7）所示：
不同温度下饱和水比焓值计算公式如（8）所示：
式中：hw为饱和水的比焓值（kJ/kg）;
P为饱和水压力（MPa）;
t为饱和水温度（℃）。
2.2.3 过热蒸汽焓值
式中：hg为过热蒸汽的比焓值（kJ/kg）;
t为一定压力下对应溶液的平衡温度（℃）;
t1为一定压力下对应水蒸气温度（℃）;
r为0～160℃饱和水蒸气汽化潜热（kJ/kg·℃-1）;
Cpg为某一温度下水蒸气的比热（kJ/kg·℃-1）;
Cp1为定压平均比热（4.1868kJ/kg·℃-1）。
基于以上关于吸收式热泵机组内部吸收剂（LiBr）的浓度、温度、理论结晶温度，以及制冷剂（H2O）的温度、压力、比焓值等参数的计算，可以得到吸收式热泵机组循环工质的基本参数，为下一节热泵机组的设计计算奠定基础。
3 吸收式热泵设计计算
3.1 吸收式热泵系统
机组内部工质流程如下：吸收器中的溴化锂稀溶液（LiBr）经由溶液泵送至发生器，溴化锂溶液在发生器中被驱动热源加热至饱和并产生冷剂蒸汽（H2O），同时溶液浓缩成溴化锂浓溶液。溴化锂浓溶液经发生器进入溶液换热器，与泵送的溴化锂稀溶液进行热量交换后进入吸收器，溴化锂溶液循环以此循环往复。
机组外部介质流程如下：
①一次侧驱动热源的高温热水进入发生器驱动溴化锂溶液中冷剂（H2O）蒸发，而后中温热水经过蒸发器通过释放热量加热低压冷剂蒸汽后流出;
②二次用户侧直供循环低温回水经过吸收器和冷凝器完成吸热后变成中温热水供给热用户使用。
3.2 理论设计条件的假设
为了简化计算模型，本文做出如下假设条件：
①整个系统处于热平衡状态，工质处于稳定流动状态。
②高压侧：发生器的工作压力等于冷凝器中工质的冷凝压力;低压侧：吸收器的工作压力等于蒸发器中工质的蒸发压力。
③工质的冷凝温度一般比热水温度高2～5℃;工质的蒸发温度一般比低温热源介质出蒸发器温度低2～4℃。
④吸收器的放热量与冷凝器放热的放热量比值取1.2～1.4。
⑤浓溶液与稀溶液的放气范围取0.03～0.06。
⑥吸收器出口处稀溶液的再循环倍率取30，工质蒸汽循环倍率取15。
3.3 案例计算
供热面积1万平方米，单位面积供热热负荷指标为50W/m2，供热热负荷500kW。用户所需热水温度为tHW=65℃，回水温度tCW=45℃，理论二次侧循环侧流量为6kg/s（折合为21.6t/h）;低温热源介质为一次侧驱动热源出发生器的冷凝废热回水热水，其进入蒸发器的温度为70℃，出蒸发器的温度25℃。
将已知条件代入第二节所述公式可得到吸收式热泵各关键状态点参数如表6所示。
浓溶液的质量浓度为0.62时，经公式（1）计算可得其结晶温度为32.7℃。故设计工况下溶液换热器出口处浓溶液的温度比结晶温度高出47.3℃，具有较好的防结晶安全性。
3.4 部件选型
本文建立的设备模型中，吸收式热泵中的蒸发器、冷凝器、发生器和吸收器等部件的传热系数如表7所示。
目前吸收式换热热泵机组的设计计算中，对换热设备的传热计算通常采用索科洛夫计算公式，本文也采用其公式進行计算，即：
下标max与min表示进行热交换的两物质流GC值的大小，其中（GC）max表示两者中值较大的物质流，（GC）min表示两者中较小的物质流。另外，a、b为常数系数，其与流体的具体流动形式相关，其值如表8所示。
将数据代入式（12）中经计算得到溴化锂吸收式热泵的部件参数如表9所示。
3.5 构建吸收式热泵机组供热系统
根据上述理论设计与计算，指导并构建的某实际工程的热力站采用大温差吸收式热泵机组运行方式时的实际温度参数如表10所示。
基于以上供热和用热温度需求，利用吸收式热泵机组设计了4种工况下的热泵与板式换热器组合的换热设计方案，如图2所示。
某工程首个供暖期（11月1日至3月30日）实际运行数据如图3所示。
基于理论设计与工程实践应用，结合图2和图3可得，经过板式换热器与吸收式热泵换热机组的高温侧的热水温降可达到90℃。与此同时，二次侧的供水温度也可以满足设计要求。通过合理配置板式换热器与吸收式热泵机组，可以实现一次网大温差运行，显著提高长输管线输热能力。
4 结论
本文对“大温差供热”的溴化锂吸收式热泵机组进行了理论计算与数值分析，合理配置板式换热器与吸收式热泵机组的供热系统可以在满足用户热负荷需求的前提下，实现一次网侧的供回水“大温差”运行的目的。为工程实践应用溴化锂吸收式热泵机组提供了简单的设计步骤与部件选型依据，推动基于吸收式热泵大温差、远距离长输在我国集中供热领域向前发展。
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【作者简介】葛宇（1996-），男，内蒙古鄂尔多斯人，助理工程师，从事市政集中供热设计研究。
