（制冷及低温工程专业论文）吸收重吸收热泵的性能模拟与分析.pdf

查亘查兰堡圭堂垡笙茎 吸收一重吸收热泵的性能模拟与分析 摘要 在能源高度匮乏的今天，如何节约能源越来越得到重视，氨水吸收一重吸收热泵是有 效利用低位能进行供热较为有效的方法之一。氨水吸收式热泵甲在一百多年前就已出现， 但其发展收到压缩式热泵及传统供热方法的抑制。1 9 8 7 年保护臭氧层蒙特利尔议定书 发布，限制c f c 、h f c 等工质的使用，使得以氨为工质的热泵系统再度引起各国的重视，加 大了在这方面的研究和利用。氨水重吸收热泵作为一种特殊的吸收式热泵，它有着很多特 点。虽然目前其正式应用较少，但具有一定的研究价值。 为了研究氨水重吸收热泵的变化规律和特点，本文依据氨水溶液的舒尔茨方程，结合 各系统设备的女月分析，对利用低温热源的氨水吸收一重吸收热泵系统进行了初步的模拟和 分析，具体内容包括： 1 、氨水吸收一重吸收热泵系统及其特性 2 、氨水吸收一重吸收热泵系统的数学模型 3 、利用氨水溶液的舒尔茨方程，在数学模型基础上，编制模拟程序 4 、利用媚分析对设备性能进行分析 5 、将模拟程序得出的结论与理论分析进行比较。 6 、运用模拟程序进行吸收一重吸收热泵的变工况分析，并得到相应的变化规律。 7 、对氨水吸收一重吸收热泵系统的改进 8 、重吸收方式的意义和应用 通过以上分析，得出了氨水重吸收热泵的变工况规律，并提出了对该系统的改进方 法，明确了重吸收方式的特点和应用意义。 关键词： 吸收式热泵重吸收氨水模拟 i 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h en o w a d a y sw i t h1 a c ko f e n e r g y h o wt os a v et h ee n e r g yi sg e t t i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n ta sac l e a ne n e l g y a q u a - a m m o n i aa b s o r p t i o n - r e s o r p t i o nh e a tp u m ps y s t e m i so n eo f t h em o r ee f f i c i e n tm e t h o do f h e a t i n gi nu s i n gl o w p o t e n t i a le n e r g ya n d w a s t e e n e r g yl i k et e r r e s t r i a lh e a t s o l a re n e r g ya n d l o wt e m p e r a t u r ev a p o r , e t c 强es y s t e m w a sa p p e a r e da b o u t1 0 0y e a r sa g o ，b u ti tw a sr e s t r a i n e db e c a u s eo f t h eh e a tp u m p s y s t e mw i t hc o m p r e s s o ra n d 血et r a d i t i o n a lh e a t i 雌w a y a f t e rt h ed e c l a r a t i o no f “m e n t r e a lp r o t o c o l ”i n1 9 8 7 、s o m eo t h e rh e a tp u m ps y s t e mw e r et o k e ni n t oa c c o u n t a g a i n , i n c l u d et h es y s t e mt h a tu s em n m o n i aa sw o r k i n gs u b s t a n c e s o m ec o u n t r i e s t o o km o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nf i n d i n gr e p l a c e m e n to f w o r k i n g s u b s t a n c e ，r e s e a r c h i n ga n du t i l i z i n ga q u a - a m m o n i aa b s o r p t i o n - r e s o r p t i o nh e a tp u m p s y s t e m a sas p e c i a lm e m b e ro f t h ea b s o r p t i o nh e a tp u m p s ，i t i ss o m ew h a ta d v a n c e d t oo t h e r s t h i sa r t i c l ep r o d u c e st h eb a s i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i so f t h ea b s o r p t i o n r e s o r p t i o nh e a tp u m p , t h em a i nc o n t a i n sa r e a sf o l l o w i n g ： l 、t h ec o n s t r u c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ea m m o n i aa b s o r p t i o n - r e s o r p t i o nh e a t p u m p 2 、t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ea m m o n i aa b s o r p t i o n - r e s o r p t i o nh e a tp u m p 3 、ac a l c u l a t i o ns o f t w a r eo f t h ec y c l e sw a sp r o g r a m m e db yb yb a s i n go nt h e t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw i t ht h ea i do f t h es 。c 。g s e h u l 2s t a t ee q u a t i o n 4 、t h ea n a l y s i so f t h em a i np a r t so f t h eh e a tp u m ps y s t e mb yt h em e a n so f t h ee x e r g y a n a l y s i s 5 、t h ec o m p a r i s i o no f t h er e s u l tu s i n gt h es o f t w a r ea n dt h er e s u l tg e e i n gb yt h e o r e t i c a n a l y s i s 6 、t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h ec y c l eb yu s i n gt h es o f t w a r e , o b t a i n t h ep e r f o r m a n c e c h a n g et r e n du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew o r k i n g c o n d i t i o n 7 、t h ei m p r o v i n go f t h ea m m o n i aa b s o r p t i o n r e s o r p t i o nh e a tp u m p 8 、t h ev a l u ea n dt h ea p p l i c a t i o n so f t h er e s o r p t i o n t h e nw eo b t a i nt h ep e r f o r m a n c ec h a n g et r e n du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew o r k i n g c o n d i t i o na n dt h ew a yt oi m p r o v et h ea m r a o n i aa b s o r p t i o n - r e s o r p t i o nh e a tp u m p k e y w o r d ： a b s o r p t i o n h e a tp u m pr e s o r p t i o na m m o n i as i m u l a t i o n i i 奉鸯大学硪士学往论文 给篮 温度 压力 熵 质量流墩 葶霞热受蘩 热负荷 循环倦翠 回流比 莲簿 a ，温升 p ，发生压力 p ，簿褫惩力 n吸收愿力 p 。再吸艨力 p 。 蒸发压力 p 。冷凝纛力 低温热源温度 高温热源温度 a h p 供热湿度 吸收器供热温度 再吸器供热温度 吸收热 霉啜热 解耩热 发生热 蒸发热 冷凝热 精罐热 溶液热交换器负荷 换热设备传热面积 比热 常用符号表 k j k g m p a k j k g k 姆s k j 逛 k j 廷 i i i 艿 露窖 p r e c o p 厦 致 热力系数 婢损失 质量浓度 换热系数 髑损系数 凌力糕发 导热系数 运动粘度 溶液比重 氨拳泵躯效 溶液喷淋密 度 管壁厚度 雷诺数 普朗特数 火用性能系数 当量直径 冷帮东溃甄 蒸汽消耗懋 功率 氨水泵的体 积流量 液相参数 汽相参数 漉天 流出 k g m h m 霞8 p r e c o p m d h k g h k w m h s 7 _薹魄吡鼬肌w q 巧毛q c ；f y y 霉 厂 标 。 魄珲 下。，巍锄 a a a a a a a 潆 滁辩船肝秽 p i 节p s g q q f r a 蟮路昭蟮蝣鳝鳝蟮 乒 ，! 连 吲叫叫州州吲彤州廿 e l瓯毽皤m瓯瓴镰瓯a c 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所璺交的学位论文是我个人在导师指导下避行的研究工作及取得的研究成聚。 尽我瑟稚，除了文中特爱秘激糠注帮致落黪建方羚，论文串不惫含其撬入基经发表或撰写遂 的研究成果，也不包含为获得东南大学躐其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工佟的同志时本研究所骰的任何贡献筠己在论文中佟了翡确的说鞠并表示了谢意。 毳拜究生签名：罄鬻： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术穰怠磷变繇、国家懑书镶有权保蘩本久繇送交学位论文懿爱窜 件和电子文档，可以采用影印、缩印或麒他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容稆一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被森阅和借阂，可戳公布( 毪括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权永南大学磺究生疏办理。 第一章绪论 第一章绪论 l - 1 吸收式热泵系统概述 通俗地讲，热泵是一种将低品味热能变成高品味热能的节能装置，其基本原理可以追溯到十九 世纪初期，w i l l i a m t h o m s o n 首先提出了实用的热泵系统，那时候称为“热量倍增器”，这个热泵系 统相当于制冷循环的逆循环，用于高效率地采暖。1 9 3 0 年，在英国安装了第一台用于家庭采暖和热 水供应的热泵，采用外界空气作为热源，供给采暖和水加热用的热量。因此热泵技术的开发，是对 人类节约能源的一个巨大贡献。 但是在之后的近5 0 年时间里，由于熟泵初投资高，设备稳定性差，维护不方便，同时燃料价 格低廉，其性价比不具优势，热泵很少得到应用。但1 9 7 3 年世界性的“能源危机”使得人们对热 泵的技术及应用重新产生了浓厚的兴趣。从1 9 7 6 年到1 9 8 6 年的十年，世界上使用的热泵陡增了6 倍，在1 9 8 5 年安装了3 8 0 万台，其中大部分用于建筑物的采暖，而且数鼍还在增加。在全球能源 问题日益突出的背景下，各国对热泵技术及其应用都开展了广泛而深入的研究，热泵在工业及民用 设施中的应用也在开发和增长。 按照热泵驱动功的形式，可以把常见的热泵分为四种形式：( 1 ) 机械压缩式热泵( 2 ) 吸收式 热泵( 3 ) 蒸气喷射式热泵( 4 ) 温差电热泵，但前两类技术最成熟、应用最广泛。机械压缩式热泵 虽然性能系数较高，但其驱动功为电能，需要耗费较多高品味的电能，在能源利用上不是十分经 济。吸收式热泵的驱动功为热能，可以利用众多工业废热或太阳能等便宜能源，其节能效果更加明 显，技术经济性更好。此外，随着环境污染越来越成为一个世界性的难题，蒙特利尔议定书的制定 使我们普遍使用的c f c 及h c f c 制冷工质将逐步禁用，因为臭氧层破坏是当今全球性环境问题之 一，它对人类所赖依生存的环境造成了巨大的损害，保护臭氧层已经成为世界各国义不容辞的迫切 任务。削减和淘汰消耗臭氧层物质( o d s ) 不仅对保护臭氧层而且对保护环境有着十分重要的意义， 也是许多相关领域中开展科学研究和技术革新的强大推动力。在这种情况下，以氨( 氨一水) 、水 ( 水一溴化锂) 作为工质的吸收式系统，特别是氨水吸收式系统又重新受到人们的重视“1 。 虽然从五十年代开始，我国就开始了对氨水吸收式热泵的研究，但由于工业基础薄弱和一次燃 料价格低廉等原因，发展缓慢。近年来，由于上述的面临能源和环保双重问题，相关部门和科研单 位开始重新致力于吸收式热泵技术的研究与开发利用，在这方面也取得了一些成果。如党洁修” 4 1 钟理”“1 等对a h t 的工质对开展了研究工作，认为h 2 0 l i b r - z n c l 2 - c a b r 2 是一种有应用价值而 值得开发的混合工质对。冯丽珠”等模拟太阳能驱动吸收式装置进行了试验研究，给山了吸收式 装置在不同工况下的性能和经济指标随运转参数的变化关系。东南大学动力工程系从1 9 8 4 年其开 展热泵技术方面的研究工作，成功研制了氨水吸收一重吸收热泵装置，为进一步深入研究和推广应 用打下了良好的基础。吸收一重吸收热泵是在第一类吸收式热泵与第二类吸收式热泵基础上演变而 来的一种吸收式热泵因此我们下面的分析建立在对第一类吸收式热泵a h p 与第二类吸收式热泵 a h t 介绍的基础上。 图1 1 为简单的第一类吸收式热泵示意图，由发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、溶液热交 换器和溶液泵组成，其循环过程如图1 2 所示。第一类吸收式热泵在结构与流程上都与吸收式制 冷机相同，区别在于前者目的是为了获得较高温度的热量，而后者目的是为了获得冷量。因此第一 类吸收式热泵可以在夏季供冷、冬季供暖，设备的利用率较高。 第一类吸收式热泵的工作原理为( 以氨水吸收式热泵为例) ：氨水浓溶液由溶液泵经溶液热交 换器送入发生器中，溶液中的氨组分在发生器中在高温热源作用下不断汽化为氨蒸气，从而使剩余 的溶液浓度变稀，发生器中产生的氨蒸气在冷凝器中受到管内冷却水的冷却，冷凝成为氨液后经节 流阀进入蒸发器，被冷媒水加热或者吸收环境热量汽化为蒸气，而蒸发器的作用就是将液态制冷剂 汽化，吸取载冷剂的热负荷，使载冷剂温度降低，达到制冷的目的。氨蒸气再流入吸收器，被来自 发生器的稀溶液吸收成为浓溶液。在吸收过程中放出的吸收热以及冷凝过程中放出的冷凝热被用来 加热热水，热水可用来供暖或者工艺利用。 东南大学硕士学位论文 l 热量q at af 热量q ft g t g t a t o 图1 1 第一类吸收式热泵示意图 l 。g p p f 1 t o 1 r r a ( 1 t o ) 1 7 g 一1 t t 图1 2 第一类吸收式热泵p t 图 第二类吸收式热泵是由发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、溶液热交换器和溶液泵和连接管路 构成一个循环系统，如图1 3 所示。其工作原理为( 同样以氨水吸收式热泵为例) ：氨水浓溶液 经溶液热交换器后经节流阀送入发生器中，溶液中的氨组分在发生器中在高温热源作用下不断汽化 为氨蒸气，从而使剩余的溶液浓度变稀，发生器中产生的氨蒸气在冷凝器中受到管内冷却水的冷 却，冷凝成为氨液后由溶液泵加压进入蒸发器，被高温熟源加热。高压氨蒸气再流入吸收器，被来 白发生器的经过溶液泵升压后的稀溶液吸收成为浓溶液。在高压吸收过程中放出的吸收热温度要高 于高温热源温度，可用来工艺利用。 热量q at a? 热量q ft g t a t g t o 图1 3 第二类吸收式热泵示意图 2 第一章绪论 f l 。g p p f 图1 4 第二类吸收式热泵p t 图 从吸收式热泵的工作原理可以看出来，吸收式热泵循环过程包括冷凝、蒸发、吸收和发生f 包 括精熘) 、热交换等单元过程构成。对于吸收式系统的分析，焓浓图是必不可少的部分，以下对以 氨水作为工质的a h p 及a h t 循环分别在焓浓图上进行简单叙述： 一、a h p 循环在焓浓图上的表示： 1 、发生过程 在图1 5 中，点4 的浓溶液进入发生器，经过一系列的精熘、提熘和回流冷凝过程，在等压下 逸出状态为1 的纯度接近为1 的氨蒸气，氨水溶液浓度也由岛下降至岛，对应稀溶液状态点为5 ， 即图1 5 中4 5 过程。 2 、冷凝、节流过程 由发生器出来的氨蒸气进入冷凝器冷凝至状态点1 ，冷凝过程在等压下进行，其总浓度不变。 纯氨气在p f 压力下冷凝时，冷凝温度不变。冷凝后的液体经过节流元件节流至状态点2 ，压力白 p f 降至p o ，节流过程焓值不变，因此节流过程并不改变状态点在焓浓图上的坐标位置，因此点1 与点2 是重台的，虽然实际上点2 由于压力低于点1 ，处于湿蒸气区，它的温度一般要通过试凑法 求得。 3 、蒸发过程 节流后的纯氨进入蒸发器在等压下蒸发至状态点2 ，即图l 一5 中2 2 过程，蒸发温度对应于 蒸发器压力保持不变，而含水液氨的蒸发温度要上升。 东南大学硕士学位论文 ，一一一1 、 p 0 、 一一一一 、l tg j 、弋 一 e p r 图1 5a h p 循环焓浓图 4 、吸收过程 理想的吸收过程应在与蒸发器相同压力下进行，如图1 一5 中3 6 过程，但实际上蒸发器与吸 收器之间有阻力损失，吸收过程的进行需要有吸收的推动力，也就是氨水和溶液表面应具有一定的 压差，因此吸收压力要略低于蒸发压力。 5 、稀、浓溶液热交换过程 发生终了温度较高的稀溶液5 与吸收终了温度较低的浓溶液6 进行热交换，使发生器、吸收器 的热负荷大大减少，从而提高循环的热力系数。 二、a h t 循环在焓浓图上的表示： 1 、发生过程 图1 6a f i t 循环焓浓图 4 第一章绪论 在图l 一6 中，点5 的浓溶液进入发生器，经过一系列的精熘、提熘和回流冷凝过程，在等压下 逸出状态为1 的纯度接近为1 的氨蒸气，氨水溶液浓度也由岛下降至岛，对应稀溶液状态点为4 ， 即图1 6 中5 4 过程。 2 、冷凝、升压过程 由发生器出来的氨蒸气进入冷凝器冷凝至状态点1 ，冷凝过程在等压下进行，其总浓度不变。 纯氨气在p o 压力下冷凝时，冷凝温度不变。冷凝后的液体经过泵至状态点2 ，压力自p o 升至p f 升压过程焓值不变，因此升压过程并不改变状态点在焓浓图上的坐标位置，因此点1 与点2 是重合 的。 3 、蒸发过程 升压后的纯氨进入蒸发器在等压下蒸发至状态点2 ，即图l 一6 中2 2 过程，蒸发温度对应于 蒸发器压力保持不变，而含水液氨的蒸发温度要上升。 4 、吸收过程 理想的吸收过程应在与蒸发器相同压力下进行，如图1 6 中3 6 过程，但实际上蒸发器与吸 收器之间有阻力损失，吸收过程的进行需要有吸收的推动力，也就是氨水和溶液表面应具有一定的 压差，因此吸收压力要略低于蒸发压力。 5 、稀、浓溶液热交换过程 发生终了温度较低的稀溶液4 与吸收终了温度较高的浓溶液6 进行热交换，使发生器、吸收器 的热负荷大大减少，从而提高循环的热力系数。 通过上述分析，a h p 与a h t 的主要区别在于： l 、冷凝器与蒸发器： 在这两类吸收式热泵中蒸发器与冷凝器进行的均是近似纯氨的相变过程，不同之处在与a h p 的 冷凝放热过程1 一1 在高压下进行，蒸发吸热过程2 - 2 在低压下进行：a h t 则与a h p 相反，其冷凝 放热过程1 ，1 在低压f 进行，蒸发吸热过程2 - 2 在高压下进行：这是因为对纯物质来说，其相变温 度与相变压力一一对应，压力越高，相变温度越高，a h p 与a h t 对蒸发器及冷凝器热源温度要求 上的差异就决定了相应压力值的不同。 2 、吸收器与发生器： 在吸收器与发生器间循环的是氨水二元溶液，不再是纯物质，对a h p 与a h t 来说，氨水溶液的 循环方式是相同的，即在发生器中浓溶液被废热源加热变成稀溶液同时释放出氨气供给冷凝器，稀 溶液进入吸收器后吸收来自蒸发器的氨蒸气并对外放热。所不同的是a h p 在高压下发生，低压下 吸收：a h t 在低压下发生，高压下吸收。在废热源温度相同情况下a h t 吸收温度大于a h p ，其原 因可以从氨水的吸收机理上进行分析。 我们知道，氨水稀溶液吸收氨气是一个放热过程，若进入吸收器稀氨水溶液质量为m 1 ，浓度 为k ，焓为i 】，而在吸收器里吸收的氨蒸气质量为m 2 ，浓度为岛，焓为i 2 ，吸收完毕所得浓氨水溶 液质量为1 1 1 3 ，浓度为岛，焓为i 3 ，根据质量平衡、组分平衡、能量平衡方程则有： m 3 2 m 1 + _ m 2 m 3 岛。m l ；p + m 2 龟 吸收器放出热量为q = m l i l + m 2 i 2 - m 3 i 3 用此组公式及氨水溶液的焓一浓( i - 4 ) 图，我们可以对相同浓度但不同压力下的稀溶液吸收 氨蒸气的情况做一对比。如图1 7 所示，在a h p 循环中稀溶液1 吸收蒸气2 后的浓溶液浓度为岛 = 暑d + m ：( 2 岛) ( “1 + m 2 ) ，根据绝热吸收混合过程的法则，可以在图中找到绝热混合后的点 3 a ，该点处于汽液两相区，在吸收器中冷却水带走了吸收热，吸收终了的状态应为相对应吸收温度 下的饱和状态即状态点3 ，对应于单位质量浓溶液所放出吸收热为q 1 = i 3 a _ b 。同理，在a h t 循环中 与上述稀溶液浓度相同，但压力为p o ( 大于p o ) 的稀溶液4 吸收同压力下的蒸气5 ，最终所得浓溶 液的状态点是图1 7 中的点6 ，过程中放出的单位质量吸收热为q 2 = i 6 a - i 6 ，q 1 与q 2 孰大孰小并不 重要，关键在于点6 的温度值高于点3 ，即在高压下进行吸收过程可使吸收终了的温度提高。这就 是为什么a h t 与a h p 在吸收压力上存在差别的原因。 东南大学硕士学位论文 图1 7 氨水溶液吸收过程在焓浓图上的表示 通过上面的分析，显然第1 类吸收式热泵与第1 i 类吸收式热泵的直接互换存在很大障碍，由于 在冷凝器的耐压强度上a h p 高于a h t ，在蒸发器、吸收器与发生器的耐压强度上两者的差异同样 很大，这样如果按照第1 类与第1 i 类吸收式热泵的要求建立一套可以直接互换的装置，就必须使四 大换热部件都按照耐高压的要求进行配置，这显然是一种不经济的作法。而且还要解决溶液泵的换 向问题。如果将图1 一l 中的冷凝器改为再吸器，蒸发器改为解析器，蒋在原蒸发器与冷凝器间增 加一个溶液热交换器与一台溶液泵，就构成了一个吸收一重吸收循环，该循环不仅可以通过调节溶 液的浓度，降低系统的最高压力值，而且可以达到使用一套装置分别实现a h p 与a h t 循环的两用 效果”1 ，因此我们下面将对吸收一重吸收式热泵进行介绍。 1 2 吸收一重吸收式热泵系统概述 1 2 1 吸收一重吸收式热泵系统简介 常用的吸收一重吸收循环主要设备除了吸收器、再吸器、发生器和解析器外，还廊包括精馏装 置，溶液热交换器，循环泵，节流阀等元件，如图1 - - 8 ，1 - - 9 所示分别为吸收一重吸收循环在a h p 与 a h t 两种工况下的流程图以及相应两种两种工况下的i 图。 l 匪篓 f 蠢 t o 【掣 痈毛 露尚翔 j 糨t af 捆t g 煳佑f 燃w 图1 - - 8 吸收一晕吸收循环作a h p 时流程图 图1 - - 9 吸收一重吸收循环作a h t 时流程图 6 第一章绪论 图1 1 0 作a h p 时i 图 图1 1 1 作a h t 时i - 4 图 吸收一重吸收循环中的工作物质都是二元溶液，对二元溶液来说，只有在两个参数确定后，其 他参数才能完全确定。例如温度与压力确定后，浓度才为定值，因而二元溶液相比纯物质具有更强 的灵活性。 为了分析的方便，我们将图1 8 、图1 9 中的吸收一重吸收循环分为两个子循环，其中解析 器一再吸器问的溶液循环称为a ( a ) 循环，吸收器一发生器间的溶液循环称为b p 时溶液为过冷区，p x ，i x ，y ，i ，因为溶液两相状态点就在e h ( x ，1 0 ，( y ，i y ) 两点确定的等温线 与e 浓度线的交点，因此可由直线方程解得 ：坠掣掣址 ( 2 吲 y x 1 5 、在两相区内己知i ，x ，p 求溶液温度 疋( j p ，x ，1 t( 2 6 ) 即求湿蒸汽区的温度，在湿蒸汽区，每个点的压力或温度都由饱和汽线及饱和液线决定。一般 在i e 图上采用直角三角形试凑法，但是在实际计算中，用试凑法极大的降低了计算得效率而且导 致误差严重增大，因此在上面状态参数得计算模拟化的前提下，利用计算机来迭代收敛从而使得精 确度增大，效率提高。 迭代过程如图2 一i 所示： 7 一一一一、 f 计算开始1 7 一 t | _ 鎏垂垂亟垂垂 图2 - 1 两相区温度试凑迭代流程图 6 、根据用户输入纯氨气的温度或者压力求得相应的饱和压力和饱和温度 a ( p ，) _ t ( ，x ) 哼p ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中输入浓度x = 1 即表示为纯氨气 由于面向工程应用领域以及所选经验公式的适用范围的局限，此模块只能计算纯氨气温度为一 1 2 0 + 9 0 范围内对应的饱和压力和反之的压力范围o 0 0 0 1 m p a 4 9 8 7 6 m pa 。 因此本氨水溶液状态参数计算程序可以智能识别用户的基本输入选择正确和最佳的计算方法进 行计算，除了能够计算氨水溶液的工程应用领域内的基本计算以外，还能够对一定范围内的纯氨气 的饱和温度和饱和压力进行相应的计算，可以说基本能满足氨水吸收式系统的工程计算，有实际工 程应用价值。 查堕奎堂堡主兰丝笙壅 2 2 吸收一重吸收热泵循环分析 通过第一章对吸收一重吸收热泵与a h p 及a h t 之间联系的分析，我们知道典型实用的氨水吸 收一重吸收热泵系统流程包括发生器，蒸馏塔，回流冷凝器，吸收器解析器，再析器，溶液泵，溶液热交换 器以及节流元件等，如图2 - 2 所示： 图2 - 2 吸收一重吸收热泵设备流程图( 其中1 为精熘塔，2 为发生器，2 j 为解析器，3 为回流冷凝 器，4 为吸收器，4 z 为再吸器，5 、5 j 为溶液泵，6 、7 为溶液热交换器) 注：图中带圈数字表示设 备标号，其他数字表示各个状态点1 系统循环过程： 从发生器所在精馏塔l 顶部出来的基本上是纯的氨气，( 一般来说，其浓度可达9 9 8 ) 进入再析 器被稀氨水溶液吸收，该稀氨水溶液是从解析器2 j 底部来羟过溶液热交换器6 被来自再析器4 z 的浓 溶液冷却，再经过节流减压( 自再吸压力p z 下降至解析p j ) 屙而得，吸收过程放出的热量被冷却水带 走。该浓度的稀氨水溶液在再析器中吸收来自发生器的氨气后成为浓溶液，用溶液泵升压，经过热交 换器被加热后送入解析器进行解析过程。同样，吸收器吸收来自解析器的氨蒸汽后将所得浓溶液送 入发生器重复上述过程。这样看来，似乎发生器一吸收器，解析器一再析器中进行的过程是相同的，但 在后面的焓浓图中，我们就会发现它们之间的区别。 这里必须着重提一下精馏塔中溶液的变化情况。进入精馏塔的浓溶液和精馏段下端流出的溶液 一并进入发生段，在此过程中与从发生段上升的蒸汽接触，进行热质交换，溶液浓度逐渐变稀，而上升的 蒸汽中氨组分渐增，上升蒸汽上升至精熘段后再与来自回流冷凝器的冷凝液( 回流液) 进行热质交换，氨 组分含量进一步提升，最后可以获得纯度接近1 0 0 的氨气，回流液的产生则是由于在顶部的回流冷 凝器中冷却水带走了一些热量从而导致氨气部分冷凝。回流液在回流时浓度不断降低，达到精馏 段最底部时，其理论浓度与进精馏塔浓溶液浓度相同，但实际过程中会有一些差别，这些差别将在后面 计算中进行考虑 三、吸l 殳_ 重吸收过程在焓浓图上的表示 因为吸收一重吸收过程可以作为a h p 使用，也可以作为a h t 使用。因此，其在焓浓图上的表示也因 两种工况的不同丽不同，以下分别为两种工况的表示。 ( 一) a h p 工况 第二章吸收一重吸收热泵循环数学模型 图2 3 吸收一重吸收热泵( a h p ) 焓浓图 1 、发生，精馏过程 图2 3 中点1 a 的浓溶液进入精馏塔后经加热达到饱和状态点1 ，然后在等压( 实际上，发生器 压力应略大于再析器压力，但在图中取它们近似相同，即p 卢p z ) 下气化，浓溶液由上至f 流经 精馏段最终达到发生段，由于在此过程中氨组分不断析出，因此浓度逐渐变稀，同时温度升高， 点2 即为发生终了时的稀溶液状态萁浓度为e2 ，在发生过程中产生的蒸汽状态可以认为是 与点1 相平衡的状态点1 ”，其经过精馏段和回流冷凝段后，氨蒸汽浓度不断升高，最终达到状 态点5 ，即1 - 5 是蒸汽的精馏及回流冷凝过程。 2 、解析过程 本过程与过程1 稍有不同，虽然都是浓溶液吸收外界热能放出氨蒸气，如图中所示4 a z _ 匀 为解析器中氨水溶液解析过程，但由于解析器内压力低、氨水溶液浓度高，因此不需要像过 程1 一样设置提馏、精馏、回流冷凝的过程，直接可以获得纯度较高的氨蒸气。 3 、节流过程、溶液升压过程 发生终了的稀溶液状态点为2 ，经溶液热交换器后降温为2a ，再经节流阀节流至3 ，压力由p f 降至p ) 【，但节流前后焓值不变周而节流过程并不改变状态点在焓浓图上的坐标位置，故点2 a 与点3 是重合的，吸收终了的浓溶液状态点为4 ，溶液泵输送溶液的过程为点4 _ _ 4 a 由于增加 了溶液泵的功率损耗，因此浓溶液的温度和焓值略有上升，考虑到溶液泵功与其他设备的热 负荷相比数量极小，可以忽略不计。因此，认为焓值基本不变，即点4 与点4 a 基本重合，但从焓 浓图上可看出，点4 a 为压力p f 下的过冷液体 同样，2 卜_ 2 j a 为溶液泵升压过程，4 a z 一1 匈为节流过程 4 、溶液吸收与热交换过程 理论上的吸收过程分别在3 4 ，3 2 4 z 下进行，3 4 的吸收压力为p x ，3 z _ _ 4 z 的吸收压力为 p f 实际上吸收过程并不完全在等压下进行因为解析器一吸收器，发生器一再析器间必然存在 阻力损失，而且吸收过程的进行也需要有吸收的推动力，即氨蒸汽与溶液表面应具有一定的压 差，即与溶液相平衡的吸收压力应小于吸收器或再析器内的压力。 发生终了的溶液温度较高，而吸收终了的溶液温度较低，如果直接输送到下一设备中，则温差 损失较大那么将两者进行热交换，既可以降低发生器与吸收器的热负荷，又可以减少浓溶液 进发生器和稀溶液进吸收器两方面的温差损失从而提高循环的热力系数。焓浓图中2 2 a 东南大学硕士学位论冀 即为缀溶液热交换器的降温过程，相成4 a 一1 8 为加热过程同样，在解析器与再析器间，同样可 以设置一个热交换器来改善循环的热力性能。 ( 二) a h t 工况 图2 4 吸收一煎吸收热泵( a h t ) 焓浓图 1 、发生。糖馏过程 与a h p 工提1 f 类鬣，甏3 - 3 中点l a 瓣浓溶滚送人糖镶塔螽经热热遮爨键帮敬卷赢| ，然螽 在等压( 实际上，发生器甄力应略大予再析器压力，健在图中取它们谶似相同，即p 擘- p z ) 下气化， 浓溶液由上至下流经精馏器晟终达到靛生器，由于在此过程中氨组分不断析出，因此浓度逐 渐变稀同时温度升简，点2 即为发生终了时的稀溶液状态，其浓度为2 ，在发生过稷中产生 的蒸汽状态可以认为怒与点l 耜平销的状态点t ”，其经过糖馏段和回流冷凝段辱，氮蒸汽浓 瘦不瓣舟高，最终这至l 虢态点5 ，瑟1 - 5 楚蒸汽黪糖罐及嚣滚冷凝避程。整与a h p 不嚣鳃 是，发生器的发送溢度以及发生过程中溶液浓度裁豳不同。 2 、解析过程 与a h p 工况下类似，如图中所示1 a 卜_ 2 j 为解析器中氨水溶液解析过程，但与a h p 不同的 是，解析器的艉柝溢度以及解析过稷中溶液浓度范黻不同。 3 、节滚过程、溶渡暑莲避程 发生终了的稀溶液状态点为2 ，经溶液热交换器后洚溺为2 a ，再经节瀛溷节流至3 ，压力由p f 降至p x ，但节流前后焓值不变，因而节流过程并不改变状态点在焓浓圈上的坐标位溉，故点2 a 与点3 是重合的，吸收终了的浓溶液状态点为4 ，溶液凝输送溶液的_ 髓程为点扣q a ，由于增加 了溶液泵的功率损耗周此浓溶液的激度和焓值略帮上井，考虑到溶液泵功与其他设备瞻热 受薅攘 数量投小，露珏葱略不诗。圜魏，认舞建毽攀本不变，帮点4 与点4 a 基奉耋食，但麸烩 浓图上可看出，点4 a 为压力p f 下酌道冷液体 同样，点2 卜一2 i a 为溶液泵升压过程，4 a z 一1 奄为节流域程 4 、溶液吸收与热交换过程 理论上的吸收过程分别在3 4 ，3 p 讲z 下进行，3 4 的吸收压力为p x ，3 z _ _ 4 z 的吸收压力为 p 实鼯土吸瘦进程雾不完全在等疆下遴嚣因为解爨一吸收器，发搬器再辑器蠲必然存在 阻力缀失，两且吸收斑程的进行也需爱有吸收的摆霸力，鄂氨蒸汽与溶液表面应具有定的压 差，即与溶液相平衡的吸收压力应小于吸收器或再析器内的压力。 1 4 第二章吸收一重吸收热泵循环数学模型 发生终了的溶液温度较高，而吸收终了的溶液温度较低，如果直接输送到下设备中，则温差 损失较大那么将两者进行热交换，既可以降低发生器与吸收器的热负荷，又可以减少浓溶液 进发生器和稀溶液进吸收器两方面的温差损失从而提高循环的热力系数。焓浓图中2 2 a 即为经溶液热交换器的降温过程，相应4 a 一1 a 为加热过程同样，在解析器与再析器问，同样可 以设置一个热交换器来改善循环的热力性能。 2 3 吸收一重吸收热泵循环数学模型概述 通过前面章节的介绍，我们对研究对象的概况已经有了一定的了解，为了对其进行进一步深入 的分析和模拟，就必须建立相应的数学模型。数学模型正是为了在计算机上模拟、计算和分析研究 氨水吸收一重吸收式热泵而建立的。实际应用的氨水吸收一重吸收热泵是一个复杂的热力系统，存 在着热损、管道压力损失、不可逆有限温差传热等等非理想化因素，而我们无法在计算机上完全真 实地模拟和再现这些复杂的非理想化因素。为此，本模型根据相关的氨水溶液特性及吸收式熟泵特 性、传热学等相关参考资料对氨水重吸收热泵提出一些近似的假设，利用舒尔茨方程编制相应的模 拟程序，计算系统各点的热力参数，进而求得热泵系统的性能参数。 2 3 1 建立数学模型的几个基本假设条件： 1 发生压力p ，比再吸压力p z 稍高，吸收压力p 舅比解析压力p ，稍低。整个系统中连接管 道绝热良好，无漏热； 2 出发生器( 解析器) 底部的稀溶液分别处于其对应压力、温度下的饱和状态； 3 经过发生和解析环节后逸出氨气浓度均在0 9 9 以上，因而假定从发生器和解析器出来的 氨气均为纯氨； 4 不考虑换热设备( 溶液热交换器等) 的微量漏热； 5 机组在稳定工况下运行； 数学模型在给定热源温度、供热温度、冷却水温度、制热量条件f 建立。发生温度、解析温 度、再吸温度和吸收终了温度分别由给定的热源温度、环境温度、供热温度、供热温度( a h p 工况 下) ( 如在a h t 工况下，则相对应温度分别为热源温度、热源温度、供热温度、环境温度) 加上或 减去相应的设备传热温差而得。 2 3 2 进行各设备热力计算所使用的基本原理简介 1 、各个守恒方程： 总质量平衡： n h 。质量平衡 能量平衡： m 。一加。= 0 ( 聊善) 。一善) 。= 0 q + ( 砌) 。- z ( 埘，= o ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 、传热方程： 循环中各个设备热交换部件传热可以认为属于对流换热，因此应该满足牛顿冷却公式。即： q=口f丁(2-12) 3 、状态方程 根据舒尔茨方程已经完成了对氨水状态方程的程序化工作，已将氨水溶液盼汽相、液相、汽 液两相平衡以及纯氨这几种状态下各参数之间的对应关系编制成为函数子程序，分别用 z ( p ，) 、 ( f ，x ) 、 ( p ，x ) 、厶( p ，t ，x ) 、正( p ，z ，f ) 、 ( p ，x ) 、 ( r ，工) 来表示，并放 置于动态链接库中，因此在后续的吸收一重吸收系统中对各换热设备进行计算时，将根据依 据已知参数和计算要求，用已有的函数子程序计算所需参数 东南夫学硕士学位论文 2 4 各系统设备的数学模型及娴分析 循环热力计算可以分为两类，一类是校核计算，另一豢是设计计算。校核计算是设器已经假 定，计算的目的是校验所选浚餐是否适当，这i 计算e 较楚擎，雨设计诗舞裁不同了，尤其楚傀诧 设计诗算，黉对设备可糍存糍靛各静结鞠获番耱结稼在套种情况下静经糍进行综台考虑。 在氨水堂吸收热泵循环的热力计算中，熄很难一次性把所有的结构参数都揉和进去计算的，但 是有一点是很清楚的，那就越设备的结构不论怎么变化，宙对循环性能的影响都是因为它的山口工 质状态参数的改变，该设备出口工质状态参数的改变影响其谨设备进口工质状态参数的变化，进而 影响整个循邵的性能。 嚣魏霹敷浚一重啜浚热泵整夺循拜寒说，我髓更关，玉静是在不蓠兹输入参数下，对每一令缀 成设备它的出髓参数如何，那么就可以把每一个设备看成悬一个单体，对每一个单体有萁最高目标 值，这个最高值必然是热损失最小情况下的德，在工程热力学中，我们知道引入炯的概念可以很方 便地衡量热力过程中的不可逆损失程度，因此在对吸收一熬吸收热泵系统备组成设各的分析中，我 f l 蒋根据各设器热力过程中她分辑的情况，对疆环过程避行一定的修正。在热泵的设计与优豫中， 人们也常爰媳效率作为筑纯浚计瓣鐾标函数避 亍参数麓伉德分辑。在一些涉及啜收式露l 冷臻；泵系 统的娴分析及文摘中，给出了各个组成部件蛹损失的计算公式，并且通过具体的算例，指出了其薄 弱环节所在。例如在吸收式制冷装置中，如槊要降低整个系统的炯损失，提高系统的烟效率，同时 降低薄弱部件的烟损，必须努力设法降低加热饱和蒸气的流摄及压力，降低吸收器咀及冷凝器中冷 却水蛉温差，在制冷量保持不变鲍情提下降低冷媒水的出掰濑度等，这样，可能有个别部竹的烟损 会套援增麓，毽整个系统懿矮矮是簿羝瓣，霹敬谖这盎爱浚了系绕静摄麓与缝擒对其瞧麓豹影璃。 综合相关文献资料，对吸收斌制冷循环进行分析，发现暇收器；发生器、热交换器的斓损失，1 ，到系 统总娴损失的8 0 9 0 ，而薅他设备的姗损失之和只占系统总烟损失的1 0 2 0 ，因此凇要改善 循环的效率，在设备中对系统热力性能影响最大、最需要改避的的环节就是吸收器、发生器和溶液 热变换器。我们首先定义一个基准环境状态，本文取 为1 0 1 3 xl 舻p a ，为1 8 ，h o 翘8 0 为该 环境凌态下豹楚帮潦，辕攥爝豹定义，其穗羧态点下每乎巍矮量工矮瓣鲻，霹镀表示为 ( 2 1 3 ) 下面我们将对各个设备进行逐一分析。 我们知道设备结构是很难用数学语言描述的，但设备的出口工质的状态整数却是可咀用数学语 言描述嚣，蕊菇本文中的热力平衡方程正好怒描述鲍各设备避出口工质状态参数闻的关系。数可鞋 先磅突在蚤状态熹憝于骨么群懿菰态参数下，矮g 瞧能最谯，熬瑟在该歌态- f 再进行终秘设计”“。 因此在羝承重吸收熟泵循环的数学模拟计算中要建立循环的数学模型蓠先要计算循环的各状态 点的参数。因此准确的计算得到循环各状态点的状态参数鼹攘个数学模型的前提。根据上一1 忸a q 基 本假设条件，计算过程中所涉及到的各种参数及取值范围如寝2 1 所示： 表2 。1 德磷热力计算辑瑶参数数蓬范蓬 参数 取值范围 推荐值 吸收压力与解析雁力之差( k l p a ) 发生压力与再嗷艇力之差( m p a ) 嚷攫臻中冷却承港势( ) 吸收器热端滠麓 ( ) 再吸器热端温麓 ( ) 发生器热端温麓( ) 溶液热交换器冷端温差( ) 解辑嚣俦燕澄蓑 ( ) 0 0 l 0 0 l 4 s 4 8 4 8 5 1 5 5 1 5 1 5 在已知黼温热源温度t g 、供热温度、以及低温热源温度幻的条件下，确定氨水重吸收热泵循 环状态参数，同时进行各个设备的姗分析。 一、发生器部分： 。 发生器中涟孬豹主要避凝楚浓溶滚鲍鞭镄过程，帮多次重复懿蒸发帮冷凝静过程，这个过程在 精馏塔中进行，在精馏塔汾缚层塔板上遂行的就翱当子一次简单蒸馏，上层塔扳上溶液的浓度要 高于下层塔檄上藩液的浓度，相应其沸点也低于下层塔板，由下层塔板上升的蒸气对上艨塔板的溶 液进行加热使萁沸腾并释放出氨浓度更高的蒸气，因此每一层塔板上进行的过程中的不可逆程度都 1 6 0 0 s 6 6 m m 臻 0 o 第二章设收一羹吸收热泵循环数学模型 会对整个发生器的效率产生影响，下面将对发生器按照回流冷凝段、精馏段、提馏霞_ _ 爱歪j i i i 丽 序进行分析。 l 、回流冷凝段： 回滚冷凝段是封塔瑗戆氮蒸气逶灭冷击| j 奔壤，使褥褰沸患豹采蒸气爨雾逢辑鑫，簸鬻褥戮鳕凄 更高韵氨蒸气，因此是一个对外敖热的过糕，精馏热是捂精馏塔回流冷凝器的单位热负荷。它可以 通过精馏段的物料、热量平