（热能工程专业论文）双模式运行的第一类吸收式热泵的工艺研究.pdf

双模式运行的第一类吸收式热泵的工艺研究 姜秀华( 热能工程) 指导教师：李华玉副教授张克舫副教授 摘要 为了克服吸收式热泵供热系统中机组模式单一化、运行效率低的缺 点，开发了双模式运行的第一类吸收式热泵机组。当用户需求热水温度 较低时，机组以双效模式运行；反之，机组则以单效模式运行。设计了 单效模式和双效模式运行时机组的工艺流程和切换方式，解决了机组在 两种模式下的匹配问题，最终提出了一套工艺上可行的实现一台机组两 种模式运行的方案。提高了设备和资源的利用率，具有良好的节能效益 和经济效益。详细分析了单效模式和双效模式运行时的循环过程，运用 有限时间热力学理论建立了双模式运行机组的数学模型。采用l a g r a n g e 乘子法对模型进行求解，得出了机组在单效模式和双效模式运行时的最 佳操作条件。在此基础上完成了双模式运行机组的热力计算和传热计算， 并对机组中各换热设备的结构进行了设计。同时，利用高级程序语言开 发出双模式运行机组的热力优化与结构设计软件( b a d s ) ，实现了机组 的过程模拟和整体结构设计，为双模式运行机组的工艺研究提供了更合 理的方法和理论。最后，利用一次能源利用率、动态年度费用和投资回 收期等技术经济性指标对双模式运行机组的经济性进行了评价。结果表 明：与传统的单效第一类吸收式热泵相比，双模式运行机组的性能系数 可以达到2 0 以上，一次能源利用率提高了2 5 左右，并且具有动态年 度费用低和投资回收期短的优势。 关键词：双模式运行机组，有限时间热力学，热力优化，结构设计， 经济性评价 t e c h n o l o g i c a ld e s i g no f t h ea b s o r p t i o nh e a tp u m p o p e r a t e di nb i m o d a lm o d e s j i a n gx i u - h u a ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rl ih u a - y ua n dz h a n gk e - f a n g a b s t r a c t i nt h ep r e s e n ta b s o r p t i o nh e a tp u m ph e a t i n gs y s t e m , t h es i n g l ee f f e c t a b s o r p t i o nh e a tp u m pw a sw i d e l yu s e dw h i l et h ed o u b l ee f f e c ta b s o r p t i o n h e a tp u m pw a sj u s tu s e di ns o m el o wt e m p e r a t u r es i t u a t i o n s i no r d e rt o i n e a s et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h er e s o u r c ea n de q u i p m e n t s ，t h ea b s o r p t i o n h e a tp u m po p e r a t e di nb i m o d a lm o d e sw a sp r o p o s e d w h e nt h et e m p e r a t u r e r e q u i r e di sl o w e l , t h eb i m o d u lu n i tw i l lw o r ki nt h ed o u b l ee f f e c tm o d e ，a n d w h e nt h et e m p e r a t u r er e q u i r e di sh i 曲e r , t h eh i m o d a lu n i tw i l lw o r ki nt h e s i n g l ee f f e c tm o d e t e c h n o l o g i c a lf l o wa n ds w i t c ho ft h eb i m o d a lu n i tw e r e d e s i g n e df o rd i f f g r e mm o d e s a n dt h ee v a l u a t i o no ft h eb i m o d a lu n i ta b o u t t h ee n e r g ye f f i c i e n c ya n de c o n o m i cb e n e f i tw g r ea l s oc a r r i e do u t t h e l i b r p h 2 0a b s o r p t i o nc y c l e so fs i n g l ee f f e c ta n dd o u b l ee f f e c ta b s o r p t i o nh e a t p u m pw e r ea n a l y z e di nd e t a i l t h eo p t i m i z a t i o nr e l a t i o n s h i p sb e t 、】v e e nt h e s p e c i f i ch e a t i n gl o a d ( s h l ) a n dc o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ( c o p ) w e r e r e a s o n e do u tu s i n gt h ef i n i t e - t i m et h e r m o d y n a m i c sm e t h o da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fi n v e s t m e n ta n dc a p a c i t y a n dt h eo p t i m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n so f t h eb i m o d a lu n i tw e r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h es i m u l a t i o na n d o v i m i z a t i o i l ，t h et h e r m a lc a l c u l a t i o na n dh e a tt r a n s f e rc a l c l i l a t i o n w e r e a c c o m p l i s h e d ，a n dt h e nt h es t r u c t u r eo ft h eh e a te x c h a n g e r si nt h eb i m o d a l u n i tw a sd e s i g n e d t h es o f t w a r eo ft h eb i m o d a lu n i tw a sd e v e l o p e d t h e p r o c e s ss i m u l a t i o n ，t h e r m o d y n a m i co p t i m i z a t i o na n ds t r u c t u r ed e s i g nw e r e r e a l i z e di nt h es o f t w a r e f i n a l l y ，e c o n o m i ca n dt e c h n i c a la n a l y s i so ft h e b i m o d a lu n i tw a sm a d eu s i n gs o m et e c h n i c a le c o n o m i ci n d i c a t o r s c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a ls i n g l ee f f e c ta b s o r p t i o nh e a tp u m p t h ep r i m a r ye n e r g y r a t i oo f t h eb i m o d a lu n i ti n c r e a s e db y2 5 a n di t sc o pc a nr e a c h2 0o rm o r e a l t h o u g ht h ep r i m a r yc o s to ft h eb i m o d a lu n i ti sm u c hh i g h e rt h a nt h e t r a d i t i o n a ls i n g l ee f f e c tu n i t ，t h ed y n a m i ca n n u a lc o s to ft h eb i m o d a lu n i ti s s m a l l e r , a n dt h ep a y b a c kp e r i o di ss h o r t e r i nc o n c l u s i o n , t h er e s u l t so b t a i n e d i nt h ep r e s e n tp a p e ra r eo fg e n e r a ls i g n i f i c a n c ea n dc a np r o v i d es o m e t h e o r e t i c a lb a s e sf o rt h eo p t i c a ld e s i g na n do p e r a t i o no f a b s o r p t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：b i m o d a lu n i t ，f i n i t e - t i m et h e r m o d y n a m i c s ，t h e r m o d y n a m i c o p t i m i z a t i o n ，s t r u c t u r ed e s i g n ，e c o n o m i ca n dt e c h n i c a la n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 叮年玎月弓。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 矽叩年疗月；一日 弘呷年哆月扣日 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文的研究背景及意义 能源问题是当代世界各国面临的重大社会问题之一。能源是国家战 略性资源，是一个国家经济增长和社会发展的重要物质基础。人口和经 济的迅速增长，加剧了矿物能源的消耗和枯竭，导致环境受到了严重的 污染和破坏。因此，人们正以极大的努力去寻找解决能源危机的办法。 出路无非是两个，一是开发新能源；二是节约能源消耗。在工业化用能 还主要依赖化石燃料的今天，大量的中低温废热常常得不到有效的回收 和利用。如果能对这部分能量进行回收，显然可以降低能源的消耗，获 得较好的经济效益和环保效益。 吸收式热泵是以热能为补偿实现从低温向高温输送热量的设备，可 以达到余热利用的目的，因而在节能方面有很好的应用前景。以溴化锂 为工质的单效第一类吸收式热泵系统由于能够提供高参数的热水、具有 较高的节能效益和较短的投资回收期等得到了迅速的发展。与此同时， 以溴化锂为工质的双效第一类吸收式热泵系统却由于出水温度较低而发 展缓慢，应用场合受到了一定的限制。但不容忽视的是，双效第一类吸 收式热泵具有更高的节能效益，以性能系数c o p ( c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ) 为例，单效第一类吸收式热泵当出水温度在8 09 c 以上时， 其c o p 在1 8 左右；当出水温度降至6 0 。c 时，单效第一类吸收式热泵的 c o p 也仅在2 0 左右。但是此时如果采用双效第一类吸收式热泵，其 c o p 则可以达到2 5 以上，具有更加显著的节能效果。因此，在广泛使 用单效第一类吸收式热泵的同时，也应该在适当的场合发展双效第一类 吸收式热泵，或者根据用户不同的用热需求，将二者结合起来使用，以 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 达到更好的节能效果。 为了克服吸收式热泵供热系统中机组模式单一、设备利用率低的缺 点，在余热资源比较丰富的地区( 如油田、大型石化企业、地热资源丰 富地区) ，开发研究适合不同供热需求的双模式运行的第一类吸收式热 泵，当用户要求的热水温度较低时，机组以双效模式运行，而当用户要 求的热水温度比较高时，机组以单效模式运行。这样，在满足用户的供 热需求的条件下，充分发挥不同模式机组的优势，使整台机组在最佳效 率下工作，能够大大提高设备和资源的利用率。同时，在传热传质机理 研究的基础上，对影响双模式运行机组的关键参数进行优化，可以进一 步降低双模式运行机组和配套设备的成本，进一步提高机组的节能潜力， 获得更大的经济效益和社会效益。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 吸收式热泵技术国内外研究进展 作为溴化锂吸收式热泵a h p ( a b s o r p t i o nh e a tp u m p ) 的理论依据的 吸收式循环技术始于2 0 世纪中叶l 】【2 】。这种循环技术在实际应用中，能 量转化和用能结构优化方面的优势越来越明显。此后该技术在美、日等 国的研究和发展迅速。在多效制冷循环、吸收式热泵、热变换器、吸收 压缩循环等方面得到应用。 国内吸收循环技术从2 0 世纪6 0 年代开始发展，但受长期计划经济 的影响，企业粗放运营，对节能技术扶持力度不够，因此国内溴化锂吸 收式热泵和热变换器技术起步较晚，但近几年在改革开放的新形势下， 吸收式热泵技术得到了迅速的发展，利用吸收式热泵系统回收余热资源 已经越来越引起人们的重视。国内外有关吸收式热泵的研究主要侧重于 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 以下几个方面： 新工质对( 制冷剂吸收剂) 的开发 a h p 所使用的工质对，在相当程度上决定了它的操作条件与性能， 设备采用的材料以及投资规模等。吸收式循环常用工质对是n h 3 h 2 0 溶 液和l i b r - h 2 0 溶液，由于n h 3 的毒性和l i b r 溶液对金属的腐蚀性使上 述两种工质的应用受到限制。对于新工质的研发工作从来没有停止过。 一些工作致力于传统工质的改进，如针对l i b r 的腐蚀问题，可采用添加 第三种组分的方法，已经有l i b r - z n c l 2 一h 2 0 ，l i b r - c a c l 2 - h 2 0 等工质出 现。另一方面出现了一些新的工质，如l i c l h 2 0 ，n a o h h 2 0 ，p y r - t f e 等有机工质。 吸收循环的改进 为了使吸收过程向高温升、高效率、高经济性、多用途、柔性化等 方向发展，对吸收循环本身的改进进行了许多尝试。如提高性能系数 c o p 值的双效、三效吸收循环；节省投资的开式循环；将吸收热用于再 生过程的先进的g a x 循环，附带增压器提高操作柔性压缩吸收复合 循环等。此外，在利用太阳能、地热能等可再生能源驱动的吸收循环的 研究中，循环本身也要做相应的调整。 热力学研究 对吸收循环早期的热力学研究是围绕理想循环和第一定律效率进行 的。典型的是性能系数c o p 的确立，该指标沿用至今仍然是衡量吸收循 环性能的重要指标。第一定律效率无法反映过程的热力学完善性，不能 全面、正确的对过程加以评价，因此热力学第二定律分析的方法得到了 越来越广泛的应用。随着非平衡态热力学的发展，非理想吸收循环的性 能和规律也逐步得到揭示，以有限时间内进行的不可逆过程作为研究对 象的有限时间热力学理论有望成为分析非理想吸收循环的得力工具。 3 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 1 2 2 吸收式热泵系统回收余热的研究 在国外，利用吸收式热泵回收余热技术的研究已有多年。早在1 9 7 6 年，美国b c l ( b a t t e l cc 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 8 0 年b c l 与a c 公司( a d o l p h c o o c c o m p a n g e ) 合作，共同开发较为完善的吸收式a h t 装置，1 9 8 3 年已能 成套生产这种装置，并将它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的热量。 日本在吸收式热泵的制造和应用方面比较先进，1 9 8 1 年以来，日本的三 洋公司已为日本和世界各地建立了2 0 套吸收式热泵装置，有的已成功运 行十多年。在日本的千叶工厂，己将这一技术用于橡胶装罱中的凝聚釜 项废热的回收，取得了满意的效果，且投资回收期只有1 5 年。 我国在溴化锂吸收式制冷机方面已有雄厚的技术基础，但在吸收式 热泵应用方面还很落后。近几年来，有不少人对利用吸收式热泵技术回 收油田余热进行了大量的研裂3 】【4 】( 5 1 。主要是： 辽河油田的冯久鸿进行了吸收式热泵用于稠油污水余热回收的 仿真和优化，利用单效第一类吸收式热泵回收稠油污水的余热可以为长 输管线拌热、用户供暖、锅炉来水加热等提供热源，获得较大的经济效 益和社会效益。 大庆石油学院的张永贵结合油田的实际情况，通过对油田污水热 源和油田用热要求的分析，探讨了采用单效第一类吸收式热泵为油田生 产过程供热的可行性、节能性和经济效益。 2 0 0 0 年1 2 月，中国石油大学( 华东) 完成了单效第一类吸收式 热泵和第二类吸收式热泵的工业应用【6 】。在国内首次把高负荷、高参数 的第一类吸收式热泵和低热源的第二类吸收式热泵应用到油田冬季采暖 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 以及原油加热输送系统中，并取得了良好的经济效益。该技术在采暖季 节对热污水开发利用后节能效果可达到4 5 以上。 1 2 3 双效吸收式机组的发展和研究 美国是最早生产双效溴化锂吸收式制冷机组的国家【7 】【引，1 9 6 1 年斯 太哈姆( s t a t h a m ) 公司制成了第一台双效溴化锂吸收式制冷机。1 9 6 4 年， 日本的川崎重工开始生产蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机。1 9 8 2 年我国第 一台正式鉴定的蒸汽双效机组，由上海7 0 4 研究所、合肥通用机械研究 所联合设计，开封通用机械厂试制成功。目前，国内外学者对双效溴化 锂吸收式制冷机组进行了一系列的研究，如1 9 9 9 年山东工业大学的刘存 芳等人针对国产蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机体积大、c o p 低、铜材耗 量多、制造成本高的特点，提出了两种新溶液循环流程系统，使传热面 积大大减小，c o p 得到了大幅度提高，降低了制造成本。2 0 0 5 年，湖南 大学的余珏、张国强等人对双效吸收式制冷系统进行了稳态仿真的研究， 通过建立双效溴化锂吸收式制冷系统的稳态集中参数仿真模型，编制了 相应的仿真程序，为双效吸收式制冷系统制造厂商设计制冷机提供了依 据。但是国内外对双效第一类吸收式热泵的研究较少有报道。 1 3 论文的研究内容及方法 本文以胜利油田某余热利用工程为例，设计开发了利用余热的双模 式运行的第一类吸收式热泵供热系统，完成了包括机组流程设计、热力 分析、传热分析、过程模拟、结构设计和经济性分析在内的一系列工作， 开发了双模式运行机组的热力优化与结构设计软件b a d s ( b i m o d a l a b s o r p t i o nh e a tp u m pd e s i g ns o f t w a r e ，简称b a d s ) 。具体工作有： 5 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 详细分析了单效模式和双效模式的循环过程，借助有限时问热力 学理论建立了双模式运行机组的数学优化模型，利用l a g r a n g e 乘子法对 模型进行求解，得出了双模式运行机组的最佳操作条件，推导出了机组 各换热设备传热面积间的优化关系式，为随后的热力分析和结构设计奠 定了基础。 针对目前油田或石化企业生产过程中产生的大量低温余热水，设 计开发利用余热的双模式运行的第一类吸收式热泵供热系统。当用户需 求的热水温度较低时，机组以双效模式运行，当用户需求的热水温度较 高时，机组则以单效模式运行。完成了双模式运行机组的热力分析、传 热分析和机组中各换热设备的结构设计。 设计了机组在单效模式和双效模式运行时的工艺流程和切换方 式，解决了机组在不同模式运行时的匹配问题。最终提出了一套工艺上 可行的能够实现一台机组两种模式运行的方案，拓宽了单效和双效第一 类吸收式热泵供热系统的应用范围，提高了资源和设备的利用率。 利用高级程序语言开发出了双模式运行机组的热力优化与结构 设计软件b a d s ，介绍了b a d s 软件的基本结构与实现方法，为双模式运 行机组的工艺研究提供了合理的设计方法和理论。 最后利用性能系数c o p 、一次能源利用率p e r 、投资回收期 和动态年度费用z d 等技术经济性指标将双模式运行机组的经济性与传 统的单效第一类吸收式热泵进行了比较，得出了双模式运行机组的潜在 优越性。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 双模式运行的第一类吸收式热泵供热系统【9 】【1 0 1 1 1 1 l 【1 2 1 是利用同一套机 组，通过合理设计系统的工艺流程，使机组能够分别以单效模式和双效 模式运行，以满足热用户不同的供热需求。双模式运行机组主要由高压 发生器、低压发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、高温溶液热交换器、 低温溶液热交换器、凝水换热器、冷剂泵、溶液泵等组成。当机组以不 同模式运行时，虽然都是第一类吸收式热泵循环，但是其工作过程却不 相同。 2 1 单效模式运行时机组的工作过程 单效模式运行时机组由发生器( 即低压发生器) 、冷凝器、蒸发器、 吸收器、溶液热交换器( 在单效模式机组的实际运行过程中，采用高温 溶液热交换器还是低温溶液热交换器，需要通过热力优化确定) 、冷剂泵 和溶液泵组成。工作时，由发生器和驱动热源等构成的热源回路向机组 提供作为驱动热源的蒸汽；由蒸发器、冷剂泵和污水换热器等构成的余 热源回路向机组提供所需的低温余热；由吸收器和冷凝器等构成的热水 回路向热用户提供所需的热水。单效模式运行时机组溶液回路由发生器、 吸收器和溶液热交换器等构成，冷剂回路由冷凝器和蒸发器等构成。 图2 - 1 表示的是以溴化锂为工质的蒸汽型双模式运行机组以单效模 式运行时的工作过程。发生器1 以高温蒸汽为驱动热源，将来自吸收器 5 的稀溶液加热浓缩成浓溶液，这时，释放出来的冷剂蒸汽进入冷凝器2 ， 而浓溶液则流回吸收器5 ；来自发生器1 的冷剂蒸汽在冷凝器2 中冷凝 7 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 成冷剂水；冷剂水经过节流阀3 降压后，进入蒸发器4 吸收余热源的热 量而蒸发，产生冷剂蒸汽；冷剂蒸汽进入吸收器5 ，被浓溶液吸收，进 而稀释成稀溶液；溶液泵6 再将稀溶液从吸收器5 提升到发生器l 中， 溶液的压力也从蒸发压力相应地提高到冷凝压力；这样就完成了单效模 式运行时的第一类吸收式热泵循环。 图2 - 1 单效模式运行时机组的工作过程 卜发生器2 一冷凝器3 一节流阀4 一蒸发器 5 一吸收器6 _ 溶液泵7 一溶液热交换器 从图2 - 1 可以看出，吸收器和冷凝器串联构成热水回路供热。工作 时，喷淋在吸收器管束上的溴化锂浓溶液吸收来自蒸发器的冷剂蒸汽， 同时释放出吸收热使管内的热水第一次被加热而升温。来自发生器的冷 剂蒸汽在冷凝器管束上冷凝，同时释放出冷凝潜热使管内的热水第二次 被加热而进一步升温，达到用户需求的热水温度。 在单效模式运行的机组中，工质对在发生器中从高温热源获得热量， 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 即为发生器热负荷g ；在蒸发器中从余热源吸收热量，即为蒸发器热负 荷q e ；在吸收器和冷凝器中向外界环境放出热量，分别是吸收器热负荷 q a 和冷凝器热负荷q c 。溶液泵只是提供输送溶液时克服管路阻力和重力 位差所需的动力，消耗的机械能很小。对于理想的单效模式运行时的第 一类吸收式热泵循环，如忽略溶液泵的机械功和其它热损失，则由热力 学第一定律得到如下熟平衡关系式： q e + g 2 q a + q c( 2 - 1 ) 由能效比的概念，得到单效模式运行时机组的性能系数c d 匕如下： 喊2 警 ( 2 _ 2 ) 2 2 单效模式运行时机组的h 一掌图 单效模式运行时机组的理想工作过程用h f 图表示，如图2 2 所示。 理想过程是指工质在流动过程中没有任何阻力损失，各设备与周围空气 不发生热量交换，发生终了和吸收终了的溶液均达到平衡状态。图中仇 为冷凝压力，也就是发生器压力，p a 为吸收器压力，即蒸发压力。 发生过程 点2 表示吸收器的饱和稀溶液状态，其浓度为彘，压力为p a ，温度 为f ：，经过发生器泵，压力升高到凡，然后送往溶液热交换器，在等压 条件下温度由f ：升高到f ，浓度不变，再进入发生器，被发生器传热管 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 内的工作蒸汽加热，温度由，升高到仇压力下的饱和温度t ，并开始在 等压下沸腾，溶液中的水分不断蒸发，浓度逐渐增大，温度也逐渐升高， 发生过程终了时溶液的浓度达到缶，温度达到t 。2 7 表示稀溶液在溶 液交换器中的升温过程，7 5 4 表示稀溶液在发生器中的加热过程和 发生过程，所产生的水蒸汽状态用开始发生时的状态( 点5 ) 和发生终了 时的状态( 点4 ) 的平均状态点3 表示。 o 质量分数善 图2 - 2 单效模式工作时机组的h - 善图 冷凝过程 由发生器产生的水蒸汽( 点3 7 ) 进入冷凝器后，在压力p 。不变的情况 下被冷凝器管内流动的冷却水冷却，首先变成饱和蒸汽，继而被冷凝成 饱和液体( 点3 ) ，3 3 表示冷剂蒸汽在冷凝器中冷却及冷凝的过程。 1 0 r y 影y r 3 。 一芒互￥丑 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 节流和蒸发过程 压力为p 。的饱和冷剂水( 点3 ) 经过节流装置，压力降为p 。( p 。= 岛) 后进入蒸发器。节流前后因冷剂水的焓值和浓度均不发生变化，故节流 后的状态点与点3 重合。但由于压力的降低，部分冷剂水汽化成冷剂蒸 汽( 点1 ) ，尚未汽化的大部分冷剂水温度降低到与蒸发压力p 。相对应的 饱和温度t ( 点1 ) ，并积存在蒸发器水盘中。冷剂水( 点1 ) 通过蒸发器泵 均匀的喷淋在蒸发器管簇的外表面，吸收管内余热水的热量而蒸发，使 冷剂水在等压、等温条件下由点1 变为点1 ，1 - 1 表示冷剂水在蒸发器 中的汽化过程。 吸收过程 浓度为鼻、温度t 。、压力为仇的溶液，在自身的压力与压差作用下 由发生器流至溶液热交换器，将部分热量传给稀溶液，温度降至t 。( 点8 ) ， 4 8 表示浓溶液在溶液热交换器中的放热过程。状态点8 的浓溶液进入 吸收器，与吸收器中的部分稀溶液( 点2 ) 混合，形成浓度为彘、温度为t ， 的中间溶液( 点9 ) ，然后由吸收器泵均匀喷淋在吸收器管簇的外表面。 中间溶液进入吸收器后由于压力的突然降低，故首先闪蒸出一部分水蒸 汽，浓度增大，用点9 表示。由于吸收器管簇内流动的冷却水不断地带 走吸收过程中放出的吸收热，因此中间溶液便具有不断地吸收来自蒸发 器的水蒸汽的能力，使溶液的浓度降至磊，温度由t ，降至f ：( 点2 ) 。8 - 9 7 和2 9 表示混合过程，9 2 表示吸收器中的吸收过程。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 2 3 双效模式运行时机组的工作过程 图2 3 表示的是以溴化锂为工质的蒸汽型双模式运行机组以双效模 式运行时的工作过程。从图2 3 可以看到，双效模式运行机组与单效模 式相比，多了一个发生器、一个溶液热交换器和一个凝水换热器。双效 模式运行时机组也是由热源回路、溶液回路、冷剂回路、余热源回路和 热水回路构成。热源回路有两个：一个是由高压发生器、凝水换热器和 驱动热源等构成的驱动热源加热回路；另一个是由高压发生器和低压发 生器等构成的冷剂蒸汽加热回路。溶液回路由高压发生器、低压发生器、 吸收器、高温溶液热交换器、低温溶液热交换器和凝水换热器等构成。 其余回路则与单效模式运行时的相同。 图2 3 双效模式运行时机组的工作过程 卜高压发生器2 一低压发生器3 一节流阀4 一冷凝器5 一节流阀6 一蒸发器7 一吸收器 8 一溶液泵9 一高温溶液热交换器1 0 - 低温溶液热交换器l l 一凝水换热器 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 机组以双效模式运行时的工作过程如下：从吸收器7 中流出的稀溶 液，经溶液泵8 升压，按并联流程分成两路，一路经高温溶液热交换器 9 送往高压发生器1 ，另一路经低温溶液热交换器l o 和凝水换热器1 1 送 往低压发生器2 ；在高压发生器l 中，稀溶液被加热浓缩成浓溶液，这 时，释放出来的冷剂蒸汽进入低压发生器2 ，作为驱动热源加热低压发 生器中的稀溶液之后，凝结成冷剂水，经节流阀3 节流减压后进入冷凝 器4 ，与低压发生器2 中产生的冷剂蒸汽一起加热冷凝器4 管内的热水， 从而冷却凝结成冷剂水；冷剂水经节流阀5 降压后进入蒸发器6 ，吸收 余热源的热量而蒸发，产生冷剂蒸汽；冷剂蒸汽进入吸收器7 ，再被来 自高温溶液热交换器9 和低温溶液热交换器1 0 的浓溶液吸收；这样就完 成了双效模式运行时的第一类吸收式热泵循环。 与单效模式运行时机组的热负荷计算不同的是，双效模式运行时机 组中投入的热量与单效相比，增加了凝水换热器的热负荷鲒，因此， 双效模式运行时机组的热平衡关系式为： q + q + 鲸2 q + q ( 2 3 ) 由能效比的概念，双效模式运行时机组的气如下： c 魄2 丽q a + q = o ( 2 4 ) 2 4 双效模式运行时机组的h 一善图 图2 4 给出了双效模式运行时并联流程机组的h - 孝图。图中c 为高 压发生器的压力，置为冷凝器的压力，也就是低压发生器的压力，异为 1 3 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 吸收器压力，即蒸发压力。 质量分麓 图2 4 双效模式运行时机组的h f 图 高压发生器的发生过程 2 7 。线为稀溶液在高温溶液热交换器中的加热过程。溶液温度由t 2 升高到，质量分数不变。7 。一5 。线为稀溶液在高压发生器中的加热 过程。稀溶液进入高压发生器后，首先被加热升温，达到高压发生器压 力只下的汽液相平衡状态。5 。一4 。线为高压发生器的发生过程。达到汽 液相平衡的稀溶液在高压发生器中继续被加热，溶液沸腾，产生点3 a 状 态的冷剂蒸汽，溶液的温度、质量分数升高，达到点4 h 状态。4 。一8 。线 为高压发生器流出的浓溶液在高温溶液热交换器中的冷却过程。溶液温 度降低至k ，质量分数不变。 低压发生器的发生过程 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 2 7 线为稀溶液在低温溶液热交换器中的加热过程。溶液温度升高 至l j t 7 ，质量分数不变。7 7 线为低温溶液热交换器出口的稀溶液在凝水 换热器中的加热过程。溶液温度进一步升至l j t 7 。，相对于冷凝压力p k ， 处于过热状态。7 一5 线为稀溶液在低压发生器中的闪发过程。点7 状 态的稀溶液进入低压发生器后，闪发出一部分冷剂蒸汽，温度降低到t 5 ， 质量分数略有升高。5 一4 + 线为低压发生器中的发生过程。点5 状态的 稀溶液，被来自高压发生器的点3 。状态的冷剂蒸汽加热，发生出点3 状 态的冷剂蒸汽，溶液的温度、质量分数升高，达到点4 状态。4 8 线为 低压发生器流出的浓溶液在低温溶液热交换器中的冷却过程。溶液温度 降低到f 8 ，质量分数不变。 吸收过程 2 8 h 9 和2 8 9 线为点8 。和点8 状态的浓溶液与吸收器中点2 状态的稀溶液的混合过程。过程终了的混合溶液达到状态点9 。若采用 浓溶液直接喷淋，则无此过程。9 9 线为混合溶液在吸收器中的闪发过 程。相对于蒸发压力，点9 状态的混合溶液处于过热状态，进入吸收 器后，将有一部分冷剂闪发出来，溶液温度下降，质量分数略有增加， 达到点9 状态。9 2 线为混合溶液在吸收器中的冷却、吸收过程。点9 状态的混合溶液在吸收器管内冷却水的冷却下，吸收来自蒸发器的冷剂 蒸汽( 状态点1 t ) 。溶液的温度、质量分数降低，成为点2 状态的稀溶液。 冷凝过程 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双模式运行机组供热系统方案设计 3 。一3 。线为高压发生器的冷剂蒸汽在低压发生器管簇内的冷凝放 热过程。过程终了成为与压力p r 相对应的点3 。状态的冷剂水。3 。一3 线 为低压发生器内冷剂水进入冷凝器的节流、冷却过程。过程终了成为点 3 状态的冷剂水。3 一3 线为低压发生器的冷剂蒸汽在冷凝器中的冷凝过 程。在冷凝器管内冷却水的冷却下，被凝结成点3 状态的冷剂水。 节流和蒸发过程 3 1 线为冷凝器中的冷剂水进入蒸发器的节流、蒸发过程。点3 状 态的冷剂水节流进入蒸发器后，压力降低至p 0 ，但焓值不变，蒸发时吸 取蒸发器管束内余热水的热量，成为点1 状态的冷剂蒸汽。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章双模式运行机组优化模型的建立和求解 第3 章双模式运行机组优化模型的建立和求解 从热工转换【1 4 1 的角度来看，双模式运行的第一类吸收式热泵系统 的工作原理就是逆卡诺循环。当机组以单效模式运行时，用到的主要有 发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和溶液热交换器，而机组以双效模式 运行时还需要增加一个发生器、一个溶液热交换器和一个凝水换热器。 根据用户不同的用热需求，机组在单效模式和双效模式运行时系统的出 水温度和热负荷是不相同的，所以机组中各种工作介质的温度、流量、 浓度等参数也因系统的模式而异，从而机组中各换热设备的热负荷在不 同的模式下也不相等，自然传热面积也就不会相等。在双模式运行机组 的设计过程中，对于单个的换热设备，比如冷凝器，因为单效模式运行 时其热负荷大于双效模式运行时的热负荷，所以单效模式运行时所需的 传热面积自然也大。但是如果仅以满足单效模式运行时的热负荷为依据 对冷凝器进行设计，那么当机组以双效模式运行时其传热面积就会偏大， 从而降低了设备的利用率，造成资源上的浪费。 因此，在对双模式运行机组进行结构设计之前，有必要对双模式运 行机组进行热力优化，以使机组在最优的工作条件下运行，包括选取合 适的发生器内的温度、冷凝器内的温度、吸收器内的温度、溶液的最高 浓度、最低浓度等参数，进而确定满足用户要求下各换热设备的最佳传 热面积，以使机组中各换热设备在不同模式下所需的传热面积大致相等， 减小整台机组的总传熟面积，降低机组的总投资，提高设备和资源的利 用率，以达到最大的节能效益和经济效益。 本章借助现代不可逆热力学分支有限时间热力学分析方法，得 出了双模式运行机组的最优目标函数，导出了单位面积功能率与性能系 1 7 中国i i 油大学( 华东) 硕十论文第3 章双模式运行机组优化模型的建立和求解 数之间的基本优化关系式，得出了双模式运行机组在单效模式和双效模 式工作时的最佳操作条件，推导出了机组中各换热设备传热面积白j 的优 化关系式。最后通过过程模拟完成双模式运行机组的热力计算和传热计 算，得出了机组各部分的最佳传热面积。 3 1 有限时间热力学分析法 有限时间热力掣1 5 】【1 6 1 1 7 1 的研究思路是：从实际过程出发，在一定假 设的基础上得到热力学模型，给定一系列约束定义可能的过程时间路径， 然后找出给定路径下的目标极值或所取目标为极值的最优路径，并求出 与时间( 或尺寸) 有关的目标值。进一步得到最佳时间( 或尺寸) ，得到所 定义过程的最佳性能指标。所采用的分析手段主要包括有约束的线性和 非线性数学规划方法、函数求极值方法、变分法以及最优控制理论方法 等。下面是本文涉及有限时间热力学研究中用到的基本概念： 内可逆循环：内可逆循环是有限时间热力学研究的基本物理模 型，由假设可知，循环中唯一的不可逆损失是热源与工质间的热阻损失。 当工质内部经历准静态卡诺循环时，称为内可逆卡诺循环，也称c a 循 环，相应的循环效率即为c a 效率。利用经过修正的内可逆循环模型， 也可以研究除热阻损失外的其它内、外不可逆因素对循环性能及效率的 影响。 功能率：热力循环或者热力设备都有各自的功能，如动力循环对 外要有功的输出，热泵循环可以从环境吸热，向高温供热等等。所谓功 能率就是热力循环或设备单位时间实现其功能的能力，具体到个别循环， 即是指动力循环的功率，热泵和热变换器循环的供热率等。 比功能率：它是对所研究系统的单位总传热面积的功能率输出， 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章双模式运行机组优化模型的建立和求解 反映了单位面积对系统功能率的贡献。由此派生出的概念包括：针对动 力循环的比功率( s p e c i f i cp o w e r ) ，而对热泵和热变换器问题则称为比供 热率( s p e c i f i ch e a t i n gl o a d 或s p e c i f i cr a t eo f h e a tp u m p i n g ，s h l ) 。比功 能率概念不仅是衡量热力循环或设备不可逆程度的重要指标，而且具有 与初始设备投资及产出相关联的经济学意义。因此，比功能率指标对操 作费用低，而设备初始投资费用高的吸收式机组的热力学分析和优化工 作具有特殊重要的意义。 总之，有限时间热力学是以热力学与传热传质学和流体力学结合促 使热力学发展为基本特征，在有限时间和有限尺寸约束条件下，以兼顾 减少系统不可逆性和确保系统功率输出为主要目标，寻求存在传热、传 质和流体流动不可逆性的实际热力系统的优化方案的热力学分析方法和 优化方法。 3 2 双模式运行机组的热力学分析 双模式运行的第一类吸收式热泵机组的热力学出发点是热机和热泵 原理【1 8 】f 1 9 1 ，低温余热通过热机循环向环境排放的同时对外有功的输出， 这部分功可注入热泵循环使部分中温媒质的温度得到提升，达到废热回 收的目的。吸收式热泵将过程中产生的功以化学能的形式储存于工质对 溶液之中，并以工质对为载体通过吸收、解析作用，在循环中传递和转 化。理想卡诺循环的模型如图3 一l 所示，其中、五分别代表 由高到低三个热源的温度，q h 、q m 、姨分别代表三热源交换的热量。 性能系数 性能系数c o p 是由能量平衡和循环目的决定的，反映系统能量利用 率的第一定律效率。理想的双模式运行机组的吸收式热泵循环最大制热 1 9 中国7 釉大学( 华东) 硕十论文第3 章双模式运行机组优化模型的建立和求解 性能系数等于毛、五间的卡诺循环热机效率与、瓦问的逆卡诺 循环热泵制热性能系数的乘积。理想可逆的双模式运行的第一类吸收式 热泵循环的最佳性能系数可表示为系统提供的最大有用能q l 。与系统 消耗的能量q h 的比值： k “r = o q h m “, m ，= 丽r , “( r - t o ( 3 - 1 ) 图3 1p d t p 理想卡诺循环 热力学效率1 1 3 1 c 0 暖。a h p 是可逆情况下的双模式运行的第一类吸收式热泵性能系 数的极限值，实际过程是无法达到的，因此为了反映实际过程与理想情 况的接近程度，热力学效率定义为双模式运行的第一类吸收式热泵实际 的c o p r a s , 与理想的c d 只m 的比值： 胂2 c c 昵o p 一, u _ m v v - a h e = 告 ( 3 - 2 ) 胂2 c 昵2 荭 3 。2 将式( 3 1 ) 代入式( 3 2 ) 得到： = 鲁箍高 s ， 上述对热力学效率的讨论提出了双模式运行的第一类吸收式热泵系 统的计算方法，但该指标对于系统性能的反映还不够全面，还不能明确 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章双模式运行机组优化模型的建立和求解 肿= 瓷= 面e x m p 4 ， 砜= q h 0 一瓦却 ( 3 - 7 ) 铽= q m ( 1 一矗却 ( 3 8 ) 肿= 丽o , ( 1 - r 酉。瓮) p 叻 l ，2 忑一 u ” = 糟 p 2 l 中国i i 油夫学( 华东) 硕十论文第3 章双模式运行机组优化模型的建立和求解 可以看出，当选定环境温度r o = ，炯效率则为0 ，当r o = 时炯效 率为无穷，当r o = 瓦时，则会发现烟效率的表达式与式( 3 3 ) 表示的热 力学效率一致，即有： 岫飞一= 赛糕焉 可以说，