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l i b r - l t x t 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 摘要 当今保护人类环境和回收生产排放的废弃能量对于人们来说越来越重要。吸收式 热泵技术是解决这两大难题的最为有效的手段之一，它节能的同时又实现了环保。特别 是应用溴化锂水溶液作为工质的第1 i 类吸收式热泵( a h t ) ，应用极为广泛。这种节 能装置的应用，不仅大量以水或蒸汽存在的废热得以重新利用，而且向环境排放的热污 染也得到了降低。单级吸收式热变换器已经获得较为广泛的工业应用，但由于其温升只 有3 0 c 左右，在一些需要大温升的场合，其应用受到限制，双吸收热变换器( d a h t ) 是一种可实现6 0 以上的温升的新型吸收热变换器。近年来受到人们极大关注。 本文以热力学第一、第二定律为基础，通过建立系统的质量守恒、热量守恒方程， 并利用工质的热力学性能数据，对双吸收热变换器( d a h t ) 的热力循环过程和经济性 能进行了理论分析和性能优化。并编译了一系列描述和模拟其溶液热力学循环的计算机 程序和子程序，利用该计算机程序模拟和优化的计算数据结果，做了一系列的分析图表。 同时，运用这些运算结果，讨论了在各种工作条件下，系统的操作参数，如：冷凝温度 ( t c ) 、蒸发温度( t e ) 、吸收温度( t a 8 ) 和发生温度( t c ) 对性能系数( c o p ) ， 媚效率( e c o p ) ，新性能参数( c o p , j t ) 、新j 参数值移d p - a t ) 和佣指标( 日) 等的影响规律。 最后，用约束条件下n 维极值的复形调优法对该d a h t 热力过程的总经济收益( e _ p ) 进行调优，经济性能分析结果表明，当系统的操作条件为：冷凝温度在2 0 3 5 c ，蒸发 温度在7 3 0 5 ，吸收温度在1 2 9 5 2 ，总收益达最佳。 关键词：溴化锂( l i b r ) ；双吸收式热变换器( d a i t t ) ；热力学性能；模拟：优化：媚 分析：经济分析 l i b r 第1 i 类吸收式热泵热力过程的模拟与优化 a b s t r a c t i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt or e u s ei n d u s t r i a lw a s t ee n e r g ya n dt op r o t e c t h u m a ne n v i r o n m e n tn o w t h et e c h n o l o g yo f a b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o i t n e r ( a n t ) i s o n eo ft h e m o s te f f e e t i v ew a y st os i m u t e n s e o u s l ys o l v et h e s et w op r o p o s e dp r o b l e m se s p e c i a l l yu s i n g l i t h i u mb r o m i d e - w a t e rs o l u t i o na sw o r k i n gf l u i d n o to n l yc a nal a r g eq u a n t i t yo fw a s t eh e a t i nt h ef o r i l lo fh o tw a t e ro rs t e a mb er e u s e d ，b u ta l s ot h et i l e r m a lp o l l u t i o nd i s c h a r g e dt ot h e e n v i r o m e n tw i l ld e c r e a s ei ft h i ss a v i n ge n e r g yd e v i c ei sa p p l i e d n l es i n g l ea h th a sb e e n a p p l i e dw i d e l yi n t h ep a s ty e a r s d u et oi t s t e m p e r a t u r e u p g r a d e i s o n l ya b o u t3 0 ，i t s a p p l i c a t i o ni sl i m i t e di ns o m ec a s e sw h i c hn e e dl a r g et e m p e r a t u r e - u p g r a d e d o u b l ea h t ( d a h t ) i san e wt y p eo f a h tw h i c hc a l lr e a l i z em o r et h a n6 0 t e m p e r a t u r e - u p g r a d e a s ar e s u l t , m u c hm o r ea t t e n t i o ni sp a y e dt ot h el a t e ro n ei nv e r yr e c e n ty e a r s i r r t h i s - p a p e r , b a s e d o nt h ef h - s ta n dt h es e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c s t h e t h e r m o d y n a m i cc i r c u i tp r o c e s sp e r f o r m a n c ea sw e l l 船t h ee c o n o m i cb e n e f i to ft h ed o u b l e a b s o r p t i o nh e a tt r l ! l n s f o r l n e r ( d a h t ) i sa n a l y z e da n do p t i m i z e dt h e o r e t i c a l l yi n d e t a i lb y i n t r o d u c i n g as e to f m a s sc o n s e r v a t i o n ，h e a tc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n sa n ds o m et h e r m o d y n a m i c d a t ao ft h el i t h i u mb r o m i d e w a t e rs o l u t i o n f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt os i m u l a t ea n do p t i m i z e b o t ht h et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i cp r o f i to ft l l ed a h t ac o u m p u t e r p r o g r a ma n di t ss u b r o u t i n e sd e s c r i b i n ga n ds i m u l a 虹n gt h es o l u t i o nt h e r m o d y n a m i cc i r c u i to f t h ed a h ta l ec o d e d n es i m u l 撕n ga n do p t i m i z i n gr e s u l t sc a c u l a t e db yt h ec o m p u t e r p r o g r a m sa r ei l l n s t r a t e dg r a p h i c a l l yi nas e r i e so fa n a l y t i c a ld i a g r a m s a tt h es a n 3 et i m e t h e s e r e s u l t sa l eu s e dt od i s c u s s u n d e rv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ei n t l u e n c eo ft h ec h a n g eo f s o m eo p e r a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha st h et e m p e r a t u r eo fc o n d e n s e r ( t c ) ，e v a p o r a t o r ( 珏) ， a b s o r b e r ( t a 8 ) ，g e n e r a t o r ( ) o nt h ec o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( c o p ) ，t h ee x e r g y t o e f f i e i e n t o fp e r f o r m a n c ef e c o p ) ，t h en e wc o e m c i e n to fp e r f o r m a n c ef 尸彳乃，t h en e we x e r g y c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( 船0 p d 力a n dt h ei n d e xo f e x e r g y ( 肋1 h el a w so f t h e i rc h a n g e a 1 s oh a v eb e e nd e m o n s t r a t e d f i n a l l y ，t h et o t a le c o n o m i cp r o f i t ( e p ) o ft h et h e r m o d y n a m i cp r e c e s so ft h i st y p eo f d a h ti so p t i m i z e db yu s i n gar e s t r i c t i n gc o m p l e xm e t h o do fnd i m e n s i o n s t h eo p t i m i z i n g r e s u l t sc a c n l a t e da s ep r e s e n t e di nat a b l e c o n s e q u e n t l y ，w h e nt ci s2 0 3 5 赡i s7 3 0 5 a n dt a 8i s1 2 9 5 2 ，t h et o t a le c o n o m i c p r o f i t w i l la t t a i n t h eo p t i m a lv a l u e k e y w o r d s ：l i t h i u mb r o m i d e ( l i b r ) ；d o u b l ea b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r ( d a h t ) ； t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t y ；s i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n ；e x e r g ya n a l y s i s ；e c o n o m i c a n a l y s i s l i l i b r - h 2 0 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 刖蟊 中国虽然幅员广阔，但由于人口众多，人均物质资源和能源占有量仍很低。统计资料显 示，我国能源人均占有量只是世界能源人均占有量的一半【l 】。然而，我国的能源效率，特别 是工业部门的能源效率要比发达国家的能源效率低很多。1 9 9 6 年，我国工业能源消耗量占整 个国家能源消耗量的7 6 7 ，而日本为4 6 3 ，美国为3 2 9 9 6 。在我国工业部门的能源消耗中， 加工工业( 如石油炼制) 的能源消耗占整个工业能源消耗的5 0 左右。而日本为3 0 8 9 6 ，美国 为2 4 7 【”。在我国，工业部门每年消耗的总能量中，以冷却水、废汽和工艺过程中用水的形 式排放的废热，其数量是相当大的，仅依据2 7 个石油化工企业的不完全统计【2 】，每年就有折 合标准煤1 5 0 万吨的废热可供回收利用。尽管这部分废热在热力学可用性方面是较低的，但 因其数量极大，如能部分回收利用，也将会有显著的经济效益。 就节能本身而言，可概括为生产管理的改善和节能技术的应用两大方面。在节能技术方 面，余热回收技术以其节能经济效益明显、技术难度小以及适用范围广等优点受到了瞩目。 吸收式热泵技术就是为节能这一目的服务的。在一些工业排放的气体或热水中含有大量的余 热。它们的排放，不仅造成对环境的污染，而且浪费了能源。而吸收式热泵正可起到节约能 源和减少环境污染的双重作用。 利用吸收式热泵不仅可以有效节能实现经济效益，环境效益亦相当可观，具有一举两得 之功效。它不仅可以利用太阳能、海洋能、风能、地热能、核供热反应堆( 用于多效蒸发法 海水淡化) 等非常规能源，还可利用冶金、化工、轻工、食品加工、制药、酿造、造纸、木材、 奶制品、冶金、影印、城市污水处理、海水淡化、动力以及农业生产等领域的装置向环境排 放带存余( 废) 热的中、低温废气和废水作驱动热源，将其中部分热能提高品位，重新加以 利用，而其余部分排放给低温热源，起到节约能源减少煤、蒸汽、电等资源的用量，降低能 源消耗：此外，还可减少因燃料燃烧产生s 0 2 、烟尘、n o x 、c o 所造成的环境污染，减少废 水排放，同时由于热量被回收，也可减少对环境的热污染、噪声污染( 噪音小于8 0 d b ，对环 境无噪声污染) 。因此，环境效益和社会效益十分, - i y 吼。 有关吸收式热泵系统的模拟与优化的文献报道的也比较多，通过计算机模拟与优化，由 于其具有很多优点，越来越受到人们的重视。国内外学者对吸收式热泵系统进行过程模拟与 l i b r - h ，0 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 优化的方法基本上是采用热力学第一定律、热力学第二定律、炯分析、夹点技术、专家系统、 有限时间炯经济最优、对, q o u a i t 定律呈负偏差而引入化合物的超额g i b b s 函数等，对洼能参 数( c o p ) 、j 厢效率( e c d 尸) 、炯指标( 肋、传热面积、经济收益( 、传热温差与传热效率 等为目标函数，各种方法都可以使系统的性能、操作、用能、费用等方面得到优化，但各自 的侧重点不同，当然其结果也不同。 本文在前人工作的基础上，从热力学第一、第二定律出发，通过计算机编程模拟，对一 种新型l i b r - h 2 0 溶液双吸收热变换蹦d a m 3 的热力循环过程进行了详细的计算。除采用传统 的c o p ，脚描述d a h r 的性能外，还运用了新参数c o p a t , 删d z 和炳指标e 睐描述 系统的热力性能。c o p a t 脚彳丁和炯指标田分别比c i 卯和e c o p 能够更清楚、更全面地 反映d a h t 系统的热力学效率和温升。详细分析了蒸发温度( t e ) 、冷凝温度( z c ) 、吸收温度 ( t a a ) 和发生温度( 丁a 等操作参数对性能参数( p ) 、炯效率( 以聊) 、经济收益( 点柳、新参 数( c o p a 力、新参数( e c o p a 乃和佣指标( e d 等的影响规律。 最后，将约束条件下，求n 维极值的复形调优法引入了d a h t 系统过程经济收益的优化， 优化结果与模拟结果进行了比较与验证，基本在模拟结果的最优极值点上，证明了复形调优 法对d a h t 系统过程优化的可行陛。从而使人们对d a h r 系统的工作性能特性及经济性的最 优范围有了更为清楚的了解，有利于更好地指导d a h t 的工业化设计。这不仅有助于理论上 的研究，而且还有利于d a h t 的实际推广和应用。 l i b r - t h 0 双吸收热变换器热力过程的模推与优化 第一章文献综述 1 1 吸收式热泵概述 l ll 概述 目前全球性能源紧缺与环境污染问题的日趋严重。世界各国正着力加紧解决这两大威胁 人类发展的重大难题。当前，我国正处在经济持续、稳步发展和国有企业改革、开放的重要 攻坚阶段，西部大开发、振兴东北老工业基地对原材料和能源的需求量日益增多。随着世界 一次能源的不断开采和日益减少，充分利用现有能源。尤其是利用占废热一半以上的1 0 0 以下的低品位热能【3 】，将其温位提高重新利用越来越受到重视。 作为节目甚技术，吸收式热泵技术与压缩式热泵相比，它突出的优点在于可以直接利用各 种热能来驱动，甚至不需要耥动热源即达到“自行”升温的目的。实际上，各个生产部 门都有丰富的余热资源，其中低品位余热资源所占比例很大。因此，应用吸收式热泵是一项 很有效的节能措施。尽管吸收式热泵技术在空调领域得到了广泛的应用，但在工业制热上的 应用情况令人遗憾。吸收式热泵应该说不是一项新技术，在肯定其经济性、可靠性和环境友 好性等诸多优点的同时，也应该看到对造成应用障碍的技术、经济及外部环境等方面的原因。 吸收式热泵的应用不是简单的几套设备的增减，多数情况下它将对所在系统的物流输送路线 进行一定的修改。要想将其用于合适的位置，单靠热泵系统的研发人员的工作是不够的，必 须有对整个过程工艺有深入了解的工程技术人员的参与才能将吸收式热泵巧妙地安排在原流 程中i 4 j 。对于炼油、化工等大型系统，吸收式热泵技术改造可能影响全厂的冷热公用工程状 况，情况更为复杂，需要用能量集成、质量集成等过程系统工程理论，典型的是夹点技术，找 到吸收式热泵跨越夹点的合适的应用位置。此外传统工质的缺点，如n h 3 的毒性、l i b r 的 腐蚀性、结晶问题也一直困扰吸收式热泵的进一步应用。经济方面，吸收式热泵一次性投资 较高，使得中小型企业不得不考虑其投资风险因羲但成功的实例表明，吸收式热泵投资回 收期一般在2 年左右，因此吸收式热泵的应用将考验决策者的战略眼光，必要时需要政策的 引导。吸收循环的改进、强化热量质量传递等方面的研究在提高性能系数，减小传热面积， 降低设备投资等方面已取得了可喜进展，高效吸收式热泵的出现将使经济因素日益向有利于 技术应用的方向发展。另外。吸收式热泵与电动热泵、余热锅炉等技术存在竞争，其竞争力 l i b r m 0 双吸收热变换器热力过程的模报与优化 受到当地能源价格、供电价格，发电方式，机械制造、工厂具体情况等诸多外部环境因素的 影响，需进行深入调研后才能得到最佳的选择。我国吸收式热泵工业应用的实践经验还很少， 从致力于中长期节能技术储备的观点出发，参照技术基础较为雄厚的吸收式制冷技术，积极 从事吸收式热泵工业应用的研究和开发是一项有现实意义的工作。 在原理上，吸收式热泵与吸收式冷冻机是一致的。它是一种利用溶液的热力学状态的改 变和吸收循环，实现把低温热源热量向高温物体转移成为可利用的有用热能的装置( 即利用 制冷剂工质溶入难挥旋胜物质吸收剂后沸点升高的特性，并通过制冷剂在吸收荆溶液中的吸 收、解吸过程所组成热力学循环完成热量的转移) 。例如，当压力为0 0 5 3 2 m p a 时水的沸点为 8 2 ，而在同样压力下6 0 溴化锂水溶液的沸点达1 3 5 ，于是可将冷凝器中的低温位热能转 变为高温位热能而得以利用。它采用热能直接驱动，而不是依靠电能、机械能等其它能源。 在1 9 9 7 年以后，溴化锂吸收式制冷机的发展减缓。但2 0 0 0 年中国政府决定实施西气东输 工程，并从2 0 0 1 年底开始启动例。这为燃气直燃式吸收式制冷机的发展提供了机会。至2 0 0 l 为止，全世界有总数超过5 5 0 0 万套的热泵主要用于住宅和商业建筑的供暖和制冷，工业用途 的热泵只有8 0 0 0 套左右，这其中机械式热泵占主流，工业吸收式热泵少之又少。因此吸收式 热泵有潜在的庞大市场需求，是一种很有发展潜力的技术。美国能源部计划至u 2 0 1 0 年，在2 7 个工业过程中使用1 1 1 0 套吸收式热泵装置，预计这些装置每年回收能量的总数可高达 7 8 5 t w h 6 1 。 1 2 吸收式热泵的分类及其基本原理 根据热力学第二定律热量都是自发地从温度较高的物系流向温度较低的物系。然而， 进行相反的过程，即从低温物系里“抽取”热量送到高温物系，则需要一种装置，热泵就是 这样一种能将热量由低温物系传递给高温物系的热量传递装置。通常，实现热泵循环的方法 有化学吸收和机械压缩两种。 传统从结构上，热泵可分为单级泵、两级泵和多级泵：按输送有用能的工作方式，可分 为吸收式、压缩式、和喷射式热泵；从工质种类上，可分为l i b r - h 2 0 型、l i c l - h 2 0 型和h 2 0 - n h 3 等：从工质循环上，又可分为开式泵和闭式泵( 工作介质和被加工的流体是同一种物质，称开 式循环1 7 j ：闭式循环则不是同一种物质) 。此外，还有吸收一重吸收循环等方式。例如，蒸汽 机械压缩式热泵和蒸汽喷射式热泵，这两种热泵般都是采用开式循环。 l _ 2 1 单级吸收式热泵及其原理 l i b r - h , 0 双吸收热变换器热力过程的模报与优化 通常人们根据吸收式热泵系统是在两种不同压力和三种不同温度水平下进行热量转换的 工作特性将其分为两种类型，第1 类为增热型吸收式热泵( t y p ei a b s o r p t i o nh e a tp u m p ， 简称a h p ) 和第1 i 类增温型吸收式热泵( t y p ei ia b s o r p t i o nh e a tp u m p ) 又常称作吸收 式热变换器( a b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r ，简称a h t ) 。a h t 从结构上，可分为单级a i t 和多级) d q t 。 简单的单级第1 类f 址衅是以消耗高温位热能为代价，需要燃油、燃料或蒸汽等驱动，向 系统输送高温热能，把低温热源( 废热) 的热能提高到中温，进而从低温热源中回收一部分热 能，即低温废热，并以中温的形式供给用户， 易利甩的低温热源中取得热量制备 热水( 一般为9 0 ) 。第1g ! a h p 在l 工业上一直月j 于加热、干燥、浓缩、纠 蒸馏等过程。 图1 1 为简单的单级第1 类 a h p 溶液循环过程示意图。它主要 五个部分组成：发生器 ( g e n e r a t o r ) 、吸收器( a b s o r b e r ) 、 蒸发器( e v a p o r a t o r ) 、冷凝器 ( c o n d e n s e r ) 、溶液热交换器 ( e x c h a n g e r ) 和溶液泵组成，其溶液 热力循环过程如图1 2 所示。 在吸收器与发生器中利用吸 收剂( 如l i b r ) 溶液的吸收放热作 用或发生吸热作用；在蒸发器与冷 凝器中则依靠纯物质制冷剂( 如 i - t 2 0 ) 蒸发吸热或冷凝放热的相变 实现热量的转移。 其工作原理是：在发生器g e 中，一部分易挥发组分制冷剂被蒸 发出来( 图1 1 中流出发生器的空 从而提高了能源的利用效率。该热泵可以从不 幽1 1 第1 类a h p 溶液循环图：咒 五， 巧矿珏 f i g 1 1t h es o l u t i o nc i r c u i td i a g r a mf o rt h es i n g l e a h po ft y p e i 岛“岛 f 、 图1 2 第1 类a h p 热力循环过程 f i g 1 2t h et h e r m o d y n i cc y c l ed i a g r a mf o rt h e s i n g l ea h po ft y p e i 心线或图l _ 2 中的物流点4 ) ，流入冷凝器c o ：在冷凝器c o 中被冷凝、液化后，制冷剂液 l i b r - l l a 0 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 体( 图1 1 中出自冷凝器的空心线或图1 2 中在氆。的尸_ ，线的上点) 经节流阀进入蒸发器 e v 中；在e v 中被蒸发、气化后，制冷剂蒸汽( 图1 1 中出自蒸发器的空心线或图i 2 中在 h e o 的严7 1 线的下点) 流入吸收器a b ：在发生器中，易挥发组分制冷剂被蒸发出以后，分 离剩余的制冷剂稀溶液也叫吸收剂浓溶液( 图1 1 中出自发生器的实心线或图1 2 中的物流 点1 ) 离开发生器g e 经溶液热交换器e x ，再经节流阀流入吸收器a b ；在吸收器a b 中， 来自发生器的制冷剂稀溶液也称吸收剂浓溶液( 图1 1 中进入吸收器的实心线或图1 2 中的 物流点2 ) 吸收来自蒸发器e v 的制冷剂蒸汽( 图1 1 中进入吸收器的空心线或图l i2 中的 物流点3 ) ，此吸收过程放出的热量在中温下被释放，吸收后的制冷剂浓溶液( 图1 1 中流出 吸收器的真心线或图1 2 中的物流点3 4 ) 离开吸收器a b ，被泵打入发生器g e ，途中经 过溶液热交换器e x ，流回发生器中，又开始了新一轮的循环。 溶液热交换器的作用是使进入吸收器前的制冷剂稀溶液也叫吸收剂浓溶液与进入发生器 前的制冷剂浓溶液进行热交换，降低发生器与吸收器因不同温度的溶液混合而引起的热堋损， 回收制冷剂稀溶液也叫吸收剂浓溶液的显热，增加吸收器的热输出，以提高系统的性能。 通过以上循环，加入到蒸发器中的工业低温余热甄( q 亩和加入到发生器中的高温热量 q d a o ) ，通过吸收器和冷凝器，以中温热q ( q a b ) ( 温度为t a a ) 和q 斌a c ) ( 温度为r c ) 的形 式释放出来供利用。 第1 类a h p 循环同吸收式制冷机的循环相同，只是前者利用的是冷凝器生产的热水， 目的是要获得较高温度的热量；而后者使用的是蒸发器产生的冷媒水，目的则要获得冷量。 第1 类a h p 可以在冬季供热而在夏季供冷，这将有助予提高设备的利用率。 简单的单级第1 类a 王口的性能系数 8 1 ： c o p a h p ：毕 ( 1 1 ) 啪 理论循环： c o p a h p = 譬丢 ( 1 2 ) 1 gc 一1 e 式中q 引玉r 分别为冷凝器，吸收器放出热量； q ( 厂_ 为向发生器输入的热量； 死，廷，冕分别为发生温度，蒸发温度和冷凝温度。 单级第1 类蚯毋制热的国。通常大于l ，在1 i5 1 i7 之间。单级第1 类p 岍可利用1 5 6 l i b r - - h z o 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 4 0 。c 的废热源，或将2 0 5 0 的应用水加热成5 0 9 0 的热水供使用，此热泵输出热水的 温度范围较宽，因此可应用于印染工业，供热给水加热或锅炉补给水的加热等系统。 单级第1 i 类吸收式热泵( 简称s s h r 或称单级第1 i 类a h t ) 是由发生i l ( g e n e r a t o r ) 、吸收 l 器( a b s o r b e r ) 、蒸发器( e v a p o r a t o r ) 、冷凝器( c o n d e n s e r ) 、溶液热交换踯x c h a n g e r ) 、溶液 泵、制冷剂工质泵和连接管路构成一个循环系统。它的溶液及工质的循环路线及工作原理与 单级第1 类a i 口的相同。如图l _ 3 所示。比较图1 - 3 和图1 1 ，可以看出，单级第1 i 类a h t 和单级第1 类a 在结构上的主要 不同之处，在于高f 氐压部件位置的 不同。单级第1 i 类a h r 是在低压下 再生和冷凝，在高压下蒸发和吸收， 这与单级第1 类a 怡恰相反。此 外，单级第1 i 类a 踟 比单级第1 类 址口多设置了一台制冷剂工质泵。 其溶液热力循环过程如图1 4 所 示。 不论是单级第1 类6 岫或是单 级第1 i 类a 盯，如果制冷剂和吸收 剂的沸点差不是太大( 例如：水和乙 二酵在常压下的沸点差约为1 0 0 k ) ， 为获得纯制冷剂以提高系统的性能， 可设置精馏装置作发生器( 含回流 冷凝器) 用。精馏装置和吸收器采 用塔设备，工质对儿经过精馏塔分 离出制冷剂和吸收剂后进入吸收塔 反向接触重新混合，两者组成精馏 和吸收( 反精馏) 系统，制冷剂和吸 收剂在分离和混合过程中，两相多 次逆流接触，故强化了两相问传质 传热过程，减少了过程的不可逆性。 幽1 3 单级第1 i 类a h t 溶液循环图：疋矿7 疋， 疋 f i g 1 3t h es o l u t i o nc i r c u i td i a g r a mf o rt h es i n g l e a h to ft y p ei i 如如矗f 柑，( ) 图1 4 单级第类a h t 热力循环过程 f i g 1 4t h et h e r m o d y m m i cc y c l ed i a g r a mf o rt h e s i n g l ea h to ft y p ei r 单级第1 i 类a h t 能有效利用的热水或蒸汽在吸收器内产生，不需要外界提供高温热源， l i b r - 吼o 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 它是在不供给高温热源的条件下，靠输入的中温热能( 废热) 驱动系统运行，将其中一部分热 能品位提高，制取热量少于、但温度高于中温热能( 废热) 的高温提升热量( 相变热加溶解热) ， 并通过管壁将该高温提升热量传递给管壁另一侧的热水或蒸汽，送至用户，另一部分低温能 量则排放至环境。a h t 主要用于热量的回收利用，特别是有大量废热，同时有蒸汽需求如蒸 发过程的场合。 单级第1 i 类a h t 的性能系数阎： c o p a h t 2 否鼍 n 3 ) 其理论循环： c o p a r ：t g r - t c 紧 ( 1 4 ) “月廿o 式中g r 一为蒸发器吸热量； 乃旷一为吸收器温度。 单级第l i 类a 瑚f 的c o p 通常小于l ，且在0 4 o 6 之间。由于单级第1 i 类a 耵所用的 是6 0 1 0 0 = c 的废热，冷却水温度在1 0 4 0 c 时，输出热水或蒸汽的温度可在i 0 0 1 5 0 ， 因此，节能效果十分明显。 表1 1 是以溴化锂的水溶液作为工质的单级第1 类廿珀和单级第1 i 类a h r 的特点类比。 表1 1l i b r - h 2 0 吸收式热泵的特点 t a b l e1 it h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i b r - h 1 0 a h p o r a h t 1 2 2 两级吸收式热泵及其原理 吸收式热泵有单级和两级( 高温) 之分。两级( 高温) 吸收式热泵( t w o s t a g ea b s o r p t i o n h e a tp u m po rt r a n s f o r m e r ) 即是两套单级吸收式热泵的组合。两级升温吸收式热泵通常包 l i b r - - h x 0 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 括串联两级和热压缩两级两种，前者实际上是两级单循环的串联。两级( 高温) 吸收式热泵 主要由两个吸收器、两个蒸发器、个发生器、一个冷凝器、两个溶液热交换器和溶液泵以 及制冷剂泵等构成。与单级吸收式热泵相比，它多了一个第二吸收器、一个第二蒸发器及一 个第二溶液热交换器。两级升温大于单级是由于前者处在三种压力水平和四种温度水平下工 作；而后者则在两种压力和三种温度水平下工作。因此，多级热泵温升较高。 单级吸收式热转换器( s i n g l e - s t a g eh e a tt r a n s f o r m 日简称s s h t ) 由于工质对热物理性 质的限制，温升是有限的，要想获得更 高的温度，就必须采用多级吸收式热转 换器。两级吸收式热转换器( t w o - s t a g e h e a t t r a n s f o r m e r 简称t s h t ) 和双吸收 热转换器( d o u b l ea b s o r p t i o nh e a t t r a n s f o r m e r 简称d 址f r ) 正是适应这 种需要而产生的。d a h t 结构简单，却 能达到和t s h t 同等程度的温度提升。 如图1 5 所示溶液循环过程， d a h t 的工作原理与单级泵基本一样 n 蛀r r 由一个发生器( g e ) 、一个冷凝器 ( c o ) 、一个蒸发器( e v ) 、一个吸收器 ( a b ) 、一个溶液热交换器( s h e ) 和一个 蒸发吸收器( 舢，e v ) 构成【s 9 1 。它仅仅比 s s h t 多了一个蒸发吸收器( a b 僵v ) 和 一个溶液泵，就由s s h t 转变为d a h t ， 从结构上看来比髑田简单的多，其热 力循环过程如图1 6 所示。 d a h t 中的蒸发吸收器既可作为 第二级的蒸发器又可作为第一级的吸收 器。第一级吸收器产生的高温位热能作 图1 5d a h t 溶液循环图 f i g i 5t h es o l u t i o nc i r c u i td i a g r a mf o r t h ed a h t 图1 6d a h t 热力循环过程 f i g 1 6 t h e t h e r m o d y n a m i cc y c l e d i a g r a mf o rt h ed a h t 为第二级蒸发器的供给热能，供给第二级蒸发器蒸发制冷剂气体，制冷剂气体进入第二级吸 l i b r h , 0 取吸收热变换罂热力过程的模拟与优化 收器并被吸收剂吸收，放出吸收热，从而实现温度的进一步提升。t s h t 和d a h t 的能量利 用率一般比s s i - i t 低，但温度提升幅度更大。 1 3 热泵的历史发展 热泵技术是在制冷原理基础上发展起来的，人们在对制冷机进行能量分析时发现，通过 阀门和管路的切换，吸收式制冷机可以同时具有制冷和制热两种功能。制冷机的冷却水可以 用于供热，在这一思想基础上发展起来的供热装置就是热泵。热泵技术已有一百多年的发展 历史。世界上第一台热泵蒸发器( p i c c a r d - w e i b l e ) 于1 8 7 9 年在法国投 运转【l o l 。本世纪二十 年代，出现了大型的离心式压缩机，由于其所具有的优点以及能源成本的上升而促使了由其 驱动的热泵蒸发器迅速地立足于欧洲工业。 最早的氨吸收式制冷机在1 8 5 9 年制造成功【l ”，氨扩散吸收式冰箱因此在3 0 年代风光一 时，但是并没有成为吸收式制冷的主流。唯独在1 9 4 5 年制造成功的溴化锂吸收式制冷机在能 源和环境的需求推动下，得到了持续不断的发展，成为现代空调设备和工业热泵的一种主体 设备。2 0 i 盐8 e 7 0 年代第二次石油危机导致世界各国对能源问题的重视，随之成立了国际能源 署( i e a ) ，1 9 8 0 年m a 能源开发研究战略报告将“热泵技术”列于各种节能技术之首， 并成立国际能源署热泵中心( 正a h p c ) ，以推动热泵技术在全球范围内的发展与普及。自从 1 9 7 3 年的石油危机、1 9 8 7 年蒙特利尔协议签署和1 9 9 2 的里约热内卢会议以来，标志着“朝向 持续发展的技术”】成为新技术领域的主流例如采用无氟高效节能的供热和制冷技术保护 大气臭氧层、避免地球升温：又如热泵、用余热驱动的制冷机组、结合在三联供或总能系统 中的吸附装置，对减少温室气体的排放有极强的潜力( 3 0 5 0 ) 【1 2 】。由于地球的温室效应 日趋明显，迫使工业废热的排放得到了普遍关注。在工业生产中，经常有大量低品位的、无 法用常规方法进一步回收利用的废热被排放到环境中去，既浪费了能源，又污染了环境。吸 收式热泵采用工质的吸收循环，把低品( 温) 位废热提高到高品( 温) 位，从而实现废热的 回收利用。从节能和环保的角度出发，热泵的开发利用得到了迅速的发展，因节能而取得了 显著的经济效益，已越来越受到人们重视。制造工艺精细的全套热泵装置已经成为一种十分 有效的节能系统。 可以说早期的热泵能够被使用完全是因为经济利益的驱动，而随后全球可持续发展战略 和对清洁生产的需求赋予环境友好的热泵技术以全新的发展空间。目前，热泵技术成为肩负 清洁生产和节能降耗双重使命的重要技术之一，受到世界各国的重视，日本和欧美许多先进 的工业国家( 其中美、日两国可称为“热泵技术大国”) 都非常重视吸收式热泵的发展。 l i b r - l k o 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 早在1 9 7 6 年l l x ，美国b c l ( b a t t e l ec o l u m b e rl a b s ) 就提出概念并进行市场预 测，确信该项技术有实用价值。1 9 7 9 年，该研究单位将1 8 0 t ( 冷吨) 的l i b r 吸收制冷机改 装成输出5 8 0 k w 的吸收热泵机组，并进行实验。1 9 8 0 年b c l 与a c 公司( a d o l p h c o o s c o m p a n g e ) 合作，共同开发较为完善的a h t 装置，1 9 8 3 年已能成套生产这种装置，并将甜f r 装置用于回收炼油厂中汽提塔和蒸馏塔塔顶蒸汽的冷凝热，以及造纸厂制浆过程和食品加工 过程中泄漏的蒸汽中的热量。此外，在美国，在能源部及碳化公司( u n i o nc a r b i d e c o r p o r a t i o n ) 资助下【，o a kr i d e 国家实验室进行了大量的工作，1 9 7 9 年来发表了多篇 报告。从理论的计算，热力循环的改进，到实验操作性能报告，都说明应用吸收热泵装置回 收工厂废热是很有吸引力的。美国将热泵技术与超导技术。电动汽车等技术一同列入作为本 国可持续发展战略的1 2 个科技领域之一的“未来终端熊源使用技术”【嘲，美国能源部和燃气 暖通空调业界采用先进的吸收式技术提高能源利用率，限制a s 和h c f c s 的使用，并减少对 地球升温的影响。为此，制定了包括家用燃气吸收式热泵、大型商业化冷水机组、新工质对、 计算机辅助设计和高级制冷热泵等五个重点的热能驱动热泵发展规划。 2 0 世纪8 0 年代以来，日本在吸收式热泵的制造和应用方面得到迅速发展。日本三洋公司 仅从1 9 8 1 年以来就已为日本和世界各地建立了2 0 多套2 ，0 0 0 5 ，0 0 0k w 规模的a h r 装置，大 多用于回收石化企业蒸馏塔顶有机蒸气的热量，至今，先期建立的装置已成功运转十多年。 他们利用溴化锂水单级热泵回收工业废热，将锅炉给水由9 3 升到1 1 7 ，且己成功地应用 于工业领域f 3 】，其应用装置总数占到世界一半以上。尤其是能源紧缺国家，除美国、日本以 外，其它的如法国、德国、英国、意大利、瑞典、荷兰等对a h r 的开发利用都进行了大量的 工作。 我国从8 0 年代中期就开始了这方面的研究工作，也越来越认识到a r r 在节约能源和环保 方面的作用。现在，中国已成为世界上吸收式制冷机的生产大国，近十年来生产量与生产厂 家呈大幅度的增长。江苏双良空调设备股份有限公司在l i b r 热泵方面可谓技术领先【1 6 l 。我国 第一台溴化锂吸收式冷水机组1 9 6 6 年在上海第一冷冻机厂制造成功。九十年代，上海交通大 学为上海溶剂厂研制了3 0 万k 协的l i b r 高温吸收式热泵，用于回收塔蒸馏过程中水蒸气的潜 热。上海的华亭宾馆、银河宾馆和浦东的张杨路商业区便是商住楼宇和区域集中供热供冷系 统应用溴化锂吸收式制冷的范例。在这些系统中，溴化锂吸收式冷水机组用于空调，蒸汽锅 炉用于供热，取得了很好的效果。胜利油田与石油大学共同开发利用第一类吸收式热泵和钛 管式换热器等回收污水余热设备，完成了胜利油田污水余热利用项目中第一类热泵的工艺设 计，并邀请国内外知名的行业制造商来参加热泵加工的招投标。江苏双良集团凭借其非标设 l i b r - b 。0 双吸收热变换器热力过程的模拟与优化 备研发和制造能力以最低的价格中标，以实例说明利用污水余热采暖所带来的经济和社会效 益【1 7 1 。在2 0 0 1 年采暖期进行了先期试验，并取得了成功。经查新检索认定：该项目利用吸 收式热泵技术提高低品位余热资源用于民用采暖，在国内尚属首创。它的试验成功将使油田 和石化行业的余热资源得到最大限度的利用，开创出一条节能降耗的新途径，创造几十亿元 的经济价值。 国际吸收式热泵会议曾在世界各地多次举行，如：1 9 8 2 ，德国柏林；1 9 8 5 ，法国巴黎； 1 9 8 8 ，英国伦敦；1 9 9 1 ，日本东京；1 9 9 4 ，美国新奥尔良；1 9 9 6 ，加拿大蒙特利尔：i 9 9 9 ， 德国慕尼黑。其间，1 9 8 0 ，瑞典斯德哥尔摩；1 9 8 5 ，意大利意斯帕拉：1 9 8 8 ，美国达拉斯： 1 9 9 2 ，法国巴黎还举行过专门会议。2 0 0 2 年9 月2 4 2 7 日，第七届“国际吸收式热泵会议”在 上海举行，大会在江苏双良空调设备股份有限公司的大力资助下，由上海交通大学联合国自 然科学基金委员会、国家教育部、上海白玉兰杰出奖学金基金会举办。来自中美日英德澳等 近3 0 个国家与地区1 7 0 位专家代表出席了本次大会，代表当今世界吸收式热泵技术水平的1 0 0 多位学者在9 轮论坛中，交流了f 断门在吸收式技术领域中的探索经验与成果。我国也全面介 绍了在我国“西气东输”的大好形势下，吸收式制冷