（化学工程专业论文）tfee181第二类吸收式热泵热力过程研究.pdf

摘要 第二类吸收式热泵 吸收式热变换器 以工业余热为动力 可将部分工业余热 5 0 左右 提升到较高的温位加以再利用 从而节省生产过程中使用的大量加热蒸汽 在减 少燃料消耗的同时 也减少了大量温室气体的排放 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 t f e e 1 8 1 是一种环境友好型工质对 它具有无腐馓性 工作温度高且工作压力低 不结晶 环境友好 互溶性高达2 5 0 等优点 非常适合高温工业余热回收利用 本文以热力学第一 第二定律为基础 通过对t f e e 1 8 1 单级和双吸收热转换器热 力过程进行模拟计算与炯分析 指出了两种类型的热转换器在能量转化过程中的薄弱环 节 并研究了各种工况如循环倍率 回流比 冷凝温度 发生温度等对系统的c o p 和e c o p 的影响 以及如何控制这些参数使系统c o p 和e c o p 达到最佳 尽管t f e 和e 1 8 1 之间的沸点差较大 工质与吸收剂分离不需采用精馏器 但由于 仍有微量的e 1 8 1 进入蒸发器中 为了避免e 1 8 1 在蒸发器中累积而影响系统的稳定操作 本文采用蒸发器回流方式将累积在蒸发器中的e 1 8 1 回流到发生器中 单级第二类吸收 式热泵模拟结果表明 当温升是4 0 时 c o p 值是0 4 单位质量t f e 的制热量q 约为 2 5 0 k j k g 适宜的f r 值为6 1 0 适宜的 x 值为 2 0 3 0 适宜的f 值约为5 在双吸收热转换器的研究中 我们提出了一种新的溶液循环方式 在其它操作条件 一定时 这种溶液循环方式比传统循环有更高的c o p 和温升 由于吸收器和吸收蒸发器 之间的关系更加独立 因而新流程的操作弹性更大 系统控制更加方便 模拟结果显示 f r 适宜的范围为8 1 0 f r 适宜的范围为2 5 相应的放气范围为ax b 8 1 0 x e 2 5 5 0 b p 的适宜值为8 1 0 b p 的适宜值为o 9 1 0 通过对t f e e 1 8 1 吸收式热泵热力过程的模拟计算 其分析结果可为该系统的性能 提高以及优化设计提供理论依据 关键词 t f e e 1 8 1 双吸收热转换器 热力过程研究 炯分析 1 一 a b s t r a c t t r i f l u o r o e t h a n 0 1 t f e 一t e t r a e t h y l e n g l y c 0 1d i m e t h y l e t h e r t e g d m eo re 1 8 1 i sa n e n v i r o n m e n t f r i e n d l yo r g a n i cw o r k i n gp a i r sw h i c hi sn o r c o r r o s i v e c o m p l e t e l y m i s c i b l ea n dt h e r m a l l ys t a b l eu pt o2 5 0 t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k ei tt ob e v a r ys u i t a b l ef o ru p g r a d i n gl o wt e m p e r a t u r el e v e lw a s t eh e a tt oh i g ht e m p e r a t u r e 1 e v e l b a s e do nt h ef i r s ta n dt h es e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m x c s at h e o r e t i c a le x e r g y a n a l y s i so fas i n g l e s t a g ea n dd 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 rw i t ht f e e 1 8 1 i sp r e s e n t e da n d r e s e a r c h e di no r d e rt of i n dt h e1 i n ko ft h ee n e r g yt r a n s f o r m a t i o n p r o c e s si n t h e s y s t e m b ya n a l y z i n gi n f l u e n c e so fv a r i a t i o no fp a r a m e t e r so n t h es y s t e m sc o pa n de c o p t h eo p t i m u mp a r a m e t e r ss u c ha sc y c l er a t i oo fs o l u t i o n t h er e f l u xr a t i o a n dt h et e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e rh a v eb e e n d e t e r m i n e d o ns i n g l e s t a g ea b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r b e c a u s eo fl a r g ed i f f e r e n c ei nt h e b o i l i n gp o i n tb e t w e e nt f ea n de 1 8 1 i ti s n o tn e c e s s a r yt os e p a r a t et f ef r o m t h et f e e 1 8 1s 0 1 u t i o nb yad i s t i l l a t i o nc o l u m n b u tt h e r ei ss t i l ls m a l la m o u n t o fe 1 8 1i n v a p o rs t e a mc o m i n gf r o mt h eg e n e r a t o ra n dt h i sp a r to fe 1 8 1 w i l l a c c u m u l a t ei nt h ee v a p o r a t o r i no r d e rt om a i n t a i i t h ec o r r e c ta n ds t a b l e o p e r a t i o n ar e f l u x t u b ei s a d o p t e df o rr e m o v i n g e 1 8 1a c c u m u l a t e di nt h e e v a p o r a t o rt ot h eg e n e r a t o r t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o e f f i c i e n t o fp e r f o r m a n c ea n dt h eh e a tr e l e a s e di na b s o r b e rf o rp e ru n i tm a s so ft f el e a v i n g t h eg e n e r a t o ra r e0 4 2 5 0k j k gr e s p e c t i v e l yw h e nt e m p e r a t u r e1 i f ti s4 0 t h e s u i t a b l ev a l u eo ft h ef ri s6 1 0 t h es u i t a b l ev a l u eo ft h e xi s6 1 0 t h e s u i t a b l ev a l u eo ft h efi sa b o u t5 i nt h er e s e a r c ho ft h ed o u b i ea b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r an e ws o l u t i o nc y c l e is p r o p o s e db ya u t h o r t h en e ws o l u t i o nc y c l eh a st h ew i d e rr a n g eo fo p e r a t i o n i nw h i c ht h es y s t e mm a i n t a i n st h eh i g hv a l u eo fc o pa n dh a sl a r g e rt e m p e r a t u r e i i f t s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea b s o r b e ra n dt h ea b s o r b i n ge v a p o r a t o ri s m o r ei n d e p e n d e n ta n dt h i sm a k e st h eo p e r a t i o na n dc o n t r o lo ft h es y s t e me a s i e r t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h es u i t a b l ev a l u eo ft h ef r mi s8 1 0 t h e s u i t a b l ev a l u eo ft h ef r i s2 5 t h es u i t a b l ev a l u eo ft h e a x bi s 8 i 0 t h es u i t a b l ev a l u eo ft h e a x ei s 2 5 5 0 t h es u i t a b l ev a l u eo ft h eb p n i s8 i 0 t h es u i t a b l ev a l u eo ft h eb p i s0 9 1 0 i nt h es i t u a t i o no fh a v i n g r e f l u xa n dn o t t h ev a l u eo ft h ee c o pi nt h ei m p r o v e dc y c l ei si n c r e a s e db y5 0 4 a n d5 5 5 r e s p e c t i v e l yt h a nt h a ti nt h eo r d i n a r yc y c l e b vt h es i m u l a t i o no ft h ep r o c e s so ft f e e 1 8 1a b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r t h e r e s u l to b t a i n e dc a nb eh e l p f u lt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dm a k et h e d e s i g no ft h es y s t e mo p t i m u m k e y w o r d s i f e e 1 8 1 d o u b le a b s o r p t io n h e a tt r a n s f o r m e r t h e s t u d y o f t h e r m o d y n a m icp e r f o r m a n c e e x e r g ya n a iy sis i i i t f e e l g l 第二类吸收式热泵热力过程研究 0 前言 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 从节能角度出发 热 泵的开发利用已越来越受到人们藿视 利用吸收式热泵回收废热 可减少煤 蒸汽 电等资源的用量 降低能源消耗 经 济效益可观 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 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 到目前为止 工业所采用的热泵工质对通常是l i b r h 0 和n h 一h 2 0 由于氨有很强 的刺激性 若遇到明火就会爆炸 有很高的操作压力 且设备多 体积大 溴化锂溶液 在高温下对金属产生强烈腐蚀 操作温度通常不能超过1 3 0 且易结晶 显然 这两种 工质对不适合较高温位的工业余热回收 因此 研究和开发采用新的环境友好型工质对 的高温热泵技术就显得非常必要 t f e 三氟乙醇 e 1 8 1 t e t r ae t h y l e n eg l y c o l d i m e t h y le t h e r 四甘醇二甲醚 是一种新型工质对 它具有无腐蚀性 工作温度高且工作 压力低 不结晶 环境友好 互溶性高达2 5 0 c 等优点 非常适合高温工业余热回收利 用 单级吸收式热泵对湿度的提升是有限的 在高温段 溴化锂溶液对容器的腐蚀性显 著增强 而且浓度增高易结晶 氨水溶液在高温段操作压力太高 不易控制 且对人体 器官造成一定伤害 所以在需要温升较高的场合 通常需要采用两级吸收式熟泵 两级 吸收式热泵即是两套单级吸收式热泵的组合 结构复杂 投资太大 目前普遍应用双吸 收热泵来替代两级吸收式热泵 双吸收热泵结构简单 只比单级吸收式热泵多了一个吸 收蒸发器和一个溶液泵 且可达到与两级吸收式热泵同样的温升 本文在前人工作的基础上 提出了一种全新的双吸收热泵的溶液热力循环过程 这 种循环方式显著改善了系统的操作弹性 可调参数的可操作范围和系统的c o p 值 最后 对传统流程和改进流程的烟损及煨效率进行了比较 分析了两种流程焖损不同的原因 指出了两种流程能源利用的薄弱环节并提出改进意见 t f e e 1 8 1 第二类吸收式热泵热力过程研究 1 文献综述 1 1 吸收式热泵概述 1 1 1 概述 当前我国正处在经济高速发展阶段 对原材料和能源的需求量日益增多 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 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 9 6 而日本为4 6 3 美国为3 2 9 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 美国为2 4 7 吸收式热泵是一种利用溶液的热力性能和工作循环 实现把低温热源能量向高温物 体转移成为可以利用的有用热能的装置 l l 它采用热能直接驱动 而不是依靠电能 机 械能等其它能源 到2 0 0 1 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 美国能源部计划到2 0 1 0 年 在2 7 个工业过程中使用1 l l o 套吸收式热泵装置就 是一个很好的证咧 作为节能技术 热泵在空调领域得到了广泛的应用 吸收式热泵技术在肯定其经济 性 可靠性和环境友好性等诸多优点的同时 也应看到对应用造成障碍的技术 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 必须有对整个工艺过程有深入了解的工程技术人员的参 与才1 能完成 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 资风险因素 但成功的实例表明 吸收式热泵投资回收期一般为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 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 积极从事吸收式热泵 t f e e 1 8 i 第二类吸收式热泵热力过程研究 工业应用的研究和开发是一项有现实意义的工作 1 1 2 吸收式热泵分类 按输送有用能的方式 热泵可分为压缩式 吸收式 和喷射式热泵 而其中吸收式 热泵根据工作特性来分 可分为第一类吸收式熟泵和第二类吸收式热泵 第二类吸收式 热泵从结构上 可分为单级和多级吸收式热泵 从工质循环上 可分为开式泵和闭式泵 第一类吸收式热泵 t y p e i a b s o r p t i o n h e a t p u m p 是以消耗高温位热能为代价 通过向系统输送高温热能 进而从低温热源中回收一部分热能 提高其温位 以中温的 形式供给用户 a h p 在工业上一直用于加热 干燥 浓缩 蒸馏等过程 第二类吸收式热泵 r 忡ei i a b s o r p t i o n h e a tp u m p 或称为吸收式热转换器 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 则靠输入的中温热能驱动系统进行 将其 中的一部分能量提高温位 送给用户 而另一部分则排放至环境中 a h t 主要用于热量 的回收利用 特是有大量废热 同时有蒸汽需求的场合 相比之下 第二类吸收式热泵可以利用低品位热能驱动 对于直接利用较困难的低 温位余热资源的回收利用具有深远的意义 1 1 3 单级吸收式热泵 图1 1 第一类吸收式热泵 f i g 1 1t y p eia b s o r p t i o nh e a tp u m p 图i 2 第一类吸收式热泵循环过程 f i g 1 2 t h e c y c l e o f t y p e i a b s o r p t i o nh e a tp u m p 图1 1 为简单的单级第一类吸收式热泵示意图圆 由发生器 冷凝器 蒸发器 溶 液热交换器 吸收器和溶液泵组成 其溶液循环过程如图1 2 所示 第一类吸收式热泵 循环同吸收式制冷机相同 只是前者要获得较高温度的热量 而后者则要获得冷量 第 t f e e 1 8 1 第二类吸收式热泵热力过程研究 一类吸收式热泵可以在夏季供冷而在冬季供热 这将有助于提高设备的利用率 单级第二类吸收式热泵 简称s s h t 是由发生器 冷凝器 吸收器 溶液泵 溶 液热交换器 制冷剂泵和连接管路构成一个循环系统 如图1 3 所示 比较图1 3 和图 1 1 可以看出 单级第二类吸收式热泵和单级第一类吸收式热泵在结构上的主要不同之 处 在于高低压部件的倒置 第二类吸收式热泵是在低压下发生和冷凝 在高压下蒸发和吸收 与第一类吸收式 热泵恰恰相反 此外 单级第二类吸收式热泵比单级第一类吸收式热泵多设置了一台工 质泵 其溶液循环过程如图1 4 所示 图1 3 第二类吸收式热泵 f i g1 3t y p e i i a b s o r p t i o nh e a tp u m p f 图1 4 第二类吸收式热泵循环过程 f i g 1 4 t h e c y c l e o f t y p e i i a b s o r p t i o nh e a tp u m p 1 1 4 双吸收热泵 单级吸收式热转换器 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 s h t 和双吸收热转换器 d a h t 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 d a h t 的工作原理与单级泵基本一样 d a h t 由一个发生器 一个 冷凝器 一个蒸发器 一个吸收器 一个溶液热交换器和一个吸收蒸发器构成州 它仅 仅比s s h t 多了一个吸收蒸发器和一个溶液泵 就由s s h t 转变为d a h t 从结构上看 t f e e i s i 第二类吸收式热泵热力过程研究 来比t s h t 简单的多 其溶液循环过程如图1 6 所示 图1 5 双吸收热转换器流程图 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fd a h t图1 6 双吸收热转换器循环过程 f i g 1 6t h ec y c l ei nd a h t d a h t 中的吸收蒸发器既作为第一级的吸收器又作为第二级的蒸发器 第一级吸收 器产生的高温位热能作为第二级蒸发器的供给热能 供给第二级蒸发器后蒸出制冷剂气 体 制冷剂气体进入第二级吸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 二级泵的能量利用率一般比单级泵低 但温度提升幅度更大 1 2 热泵的历史与发展 g a x g e n e r a t e a b s o r b e rh e a tp u m p 这一概念最早是由a l t e n k i r c h 于1 9 1 3 年首 先提出 但直至8 0 年代才逐步受到重视 其工业化应用也只有2 0 多年的历史 在国 外 利用吸收式热泵回收废热技术的研究已有多年 早在1 9 7 6 年 美国 c l b a t t e l e c 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 1 9 7 9 年 该 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 的吸收式热泵机组 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 sc 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露的蒸汽中的热量 此外在美国 在能源部及碳化公司 u n i o n c a r b i d ec 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 年以来发表了多篇报告 从理论计算 热力循环改 进 到实验操作性能报告 都说明应用吸收式热泵装置回收工厂废热是很有吸引力的 4 t f e e i s i 第二类吸收式热泵热力过程研究 除美国外 其他国家如法国 日本 英国 意大利 德国都进行了大量的工作 其中日 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 近年来 m a r e i s ae ta l 1 w r i v e r ae ta l 一 分别对无溶液换热器和有溶液 换热器的单级 s s h t 和两级 t s h t 第二类l i b r h 2 0 吸收式热泵的热力过程进行了研究 p e r e i r a 讨论了单级第二类l i b r h 2 0 吸收式热泵性能的优化 c i a m b e l l i 和t u f a n o 研究了以w a t e r s u l f u r i ca c i d 为工质对的第二类热泵的性能 t k a s h i w a g e p f o u r n i e r b i d o z 主要研究了t f e e 1 8 1 自发生单级吸收式热转换器的热力性能 a n d r e a sg e n s s l e k a r ls t e p h a n 主要对t f e e 1 8 1 单级吸收式热转换器中的传热系数的 影响因素进行研究 k a w a d a 对用t f e e 1 8 1 做工质对的高温热泵系统进行了实验研究 s t e p h a n 和 h e n g e r e r 和c o r o n a se ta l 6 3 对用t f e e 1 8 1 为工质对的吸收式热交换器进行了简单的理 论分析 其中分析了吸收器温度和t f e 气相质量分率对c o p 的影响 以及t f e 气相质量分率 对换热器体积的影响 m m t a l b i 对单级溴化锂制冷机的循环过程进行了烟分析 s a p h o r n r a t a n a 和i w e a m e s 8 1 研究了单级溴化锂吸收式制冷机的娴损情况 给除了每一 部件的详细炯损 日本学者m a s a r ui s h i d a 等研究了单级吸收式热转换器的炯损情况 给出了详细的计算过程及计算结果分析 我国也越来越认识到a h t 在节约和充分利用能源方面的作用 从8 0 年代中期就开始 了这方面的研究工作 至今已有一些进展 郭开华等认真考察分析了降膜吸收过程传热 传质的机理 提出了凝结式降膜吸收新理论 并且对吸收压缩复合式循环进行了试验 证实该循环具有制热温度高 应用范围广 c o p 高等优点 同时说明了采用高效紧凑的 管内强制对流吸收器和再生器 可提高a h t 的性能 为减小设备体积提供了条件 还就 5 种类型的双温升a h t 进行了计算机模拟研究 党洁修 2 钟理 等对a h t 的工 质对开展了研究工作 认为h o l i b r z n c i 一c a b r z 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 给出了驱动热水温度 为定值及变值时吸收式装置的性能和经济指标随运转参数的变化关系 陈天择 7 1 等以循 环的供热率与供热率耗散达到最佳折衷的生态学准则为目标 考虑a h t 的优化问题 导 出一些新的性能参数 并作出了有意义的讨论 尹娟 史琳 朱明善 划等对单级双 t f e e i s i 第二类吸收式热裂热力过程研究 级吸收式热转换器及双吸收热转换器进行了较为详尽的研究 提出了双吸收过程中以 l i b r h 2 0 为第一级而以t f e n m p 为第二级的设想 并进行了实际过程模拟 效果较好 总之 国内对a r t 的研究工作还是有一些成果 但与发达国家相比 相差甚远 研 究的力量还显分散 研究的力度还需加强 因为a r t 涉及化学 化工 机械 材料等诸 多学科 技术性很强 研究人员不仅要有扎实的理论基础 而且要具备丰富的实践经验 要想实现工业化推广应用 更需要方方面面的通力合作 大连理工大学化工学院与北京 燕山石化公司研究院在共同完成了a h t 回收利用合成橡胶厂凝聚过程废热的中试研究的 基础上 于2 0 0 0 年和2 0 0 2 年先后为北京燕山石化公司合成橡胶厂开发了两套a h t 装置 用于回收s b s 橡胶和顺丁橡胶凝聚釜提气热量 取得良好效果 1 3 吸收式热泵工质对简介川 在吸收式机组中完成吸收式循环的工质 通常是由两种沸点不同的物质所组成的二 元溶液 其中低沸点的组分 又称易挥发组分 作制冷剂 蒸发剂 高沸点组分 又称 难挥发组分 作吸收剂 一般又将吸收剂和制冷剂统称为 工质对 在吸收式机组中 常用的工质对是溴化锂溶液和氨水溶液 溴化锂水溶液中 水是制冷剂 溴化锂水溶液 是吸收刹 用水作制冷剂有很多优点 如汽化潜热大 价廉 易得 无毒无味 不燃烧 不爆炸等 缺点是蒸发压力低 蒸汽比体积大 溴化锂水溶液作吸收剂也有许多优点 如对人体和环境无害 有很强的吸收水蒸气的能力 沸点高达1 2 6 5 c 故在溴化锂吸收 式机组中不需设置精馏装置 其缺点是对金属材料有腐蚀性 高温时会出现结晶现象 自1 9 7 0 年以来 吸收式热泵成为开发研究的热点 为了能在热泵的工作温度范围 内稳定和安全的工作 热稳定性和高温腐蚀性成为选择吸收式热泵工质对必须重视的方 面 到了8 0 年代末 对于大气臭氧层的破坏潜能0 d p o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l 和温室效应潜能g w p g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l 成了选择吸收式机组工质对的前提 条件 近年来 对于燃汽型三效 四效机组的开发 使得热稳定性和高温腐蚀性再次成 为工质对研究的重点 因此 理想的吸收式机组工质对必须是对环境无害的 绿色 物 质 应使吸收式机组效率高 运行经济性好 工作稳定可靠 维护管理方便 多年来 已经开发或应用的吸收式机组工质对已相当多 其中主要的制冷剂有水 氨 胺类 醇类 和氟利昂等 主要的吸收剂有溴化锂等无机盐类 水 硫氰酸钠等有 一6 t f e e 1 8 1 第二类吸收式热泵热力过程研究 机盐类和脂类 醚类等有机溶剂 t f e 氟乙醇 一e 1 8 1 四甘醇二甲醚 就是这些 绿 色 工质对中性能较好的一对 他们的优点是无腐蚀性 铜器和碳钢容器都能用 工作 温度高且工作压力低 不结晶 环境友好 而且相对于l i b r h 0 系统的腐蚀性和高温结 晶性 n h h 0 系统的高操作温度和高操作压力来说 无疑t f e e 1 8 1 对于把低温工业余 热升到高温位是比较理想的工质对 1 4 热力学分析方法简介 用热力学的基本原理来分析和评价过程 称之为过程热力学分析 热力学分析的基 本任务是确定过程中能量或娴损失的大小 原因及其分布情况 确定过程的效率 为制 定节能措施 实现过程最优化提供依据 能源应用科学史上 先后形成了两种能量分析法 即热力学第一定律分析法和热力 学第二定律分析法 其中第一定律分析法为焓分析法 第二定律分析法包括熵分析法和 炯分析法 下面介绍一下各种方法的基本内容 1 4 1 焓分析法 热力学第一定律分析法运用热平衡原理 以热效率为基本准则 分析 评价用能循 环和系统能量有效利用状况的方法 鉴于分析时对某些能量项以焓值表示 习惯上也称 为焓分析法 倘若分析对象的能量项有热能和机械能 如对锅炉 热机的定量分析 则 也可称为热平衡分析法 焓分析方法的基本内容包括 1 依据能量系统的热力学模型 进行系统的能量衡算 2 依据能量平衡 计算热效率 用以评价用能系统的优劣 3 计算各项热损失 以获得用能系统热损率的分布 由焓分析法可以找出用能系统中热损率最大的薄弱部位 为改进设备的用能情况提 供技术依据 科技史上 焓分析法对提高热机和热功设备的热效率 降低能耗 促进生产的发展 起过巨大的推动作用 即使今天 对一些高能耗的设备进行技术改造时 焓分析法仍有 不可忽视的作用 仍不失为一种具有广泛使用价值的重要的能量分析法 t f e e i s l 第二类吸收式热泵热力过程研究 1 4 2 熵分析法 熵分析法是一种热力学第二定律分析法 热力学第二定律分析法几乎是与热力学第 一定律分析法同时创立的 但熵分析法却比两个定律晚了二十多年 直到1 8 6 5 年熵参数 确定后才出现 从指导用能实践的观点看 热力学第二定律的意义在于指出了过程中不可逆性必然 导致的做功能力的损失 热力学引入状态参数熵之后 进而确立过程物系的熵增是过程 不可逆性的量度 这样就把过程物系的熵增与做功能力的损失联系起来了 并由热力学 方程建立如下关系 a w l i 一2 n 缸l 2 式中 a w l 能量系统由状态l 经一不可逆过程变化到状态2 所引起的做功能力的损 失 a s 在过程1 2 中过程物系的熵增 瓦 环境温度 熵参数作为广延量 一般可以认为熵和熵增具有加和性 系统的熵增等于各子系统 的熵增之和 即 a s 至血 1 2 i l 将式 1 2 代入 1 1 由此得到系统做功能力的损失可表示为 a w 姜 彬广l 砉缸 1 3 式中 啊 为系统损失的做功能力 依据热力学理论 各种过程的熵均可以计算 因而过程物系的熵增 由若干过程所 组成的子系统的熵增 以及由若干子系统所组成的系统的熵增均可以计算 相应的 对 于一个能量系统 就可以计算出过程物系各子系统以及整个系统做功能力的损失 并据 此进行能量分析 这就是熵分析法 式 1 3 即是熵分析法的数学描述 由熵分析法可获得如下结果 8 t f e e l8 1 第二类吸收式热泵热力过程研究 1 系统各子系统做功能力损失率或熵增率的分布 2 系统的热力学第二定律效率 这是熵分析法考察系统用能状况的评价准则 1 4 3 炯分析法 炯分析法也是热力学第二定律分析法 它是近年来创立的一种新的能量分析法 若 将朗特命名炯这个参数的时间算起 仅有四十余年的历史 炯分析法是通过炯平衡以确 定过程的炯损失和炯效率 炯分析法的主要内容有 3 2 a 确定出入体系各种物流量 热流量和功流量以及各物流的状态参数 b 求出物流炯和热流炯 c 由炯平衡方程确定过程的炯损失 d 确定炯效率 热力学第二定律的精髓在于深刻揭示了能量在传递和转换过程中能质必然蜕变的定 律 热力学称之为能质蜕变原理 娴作为表征能量中可转变部分的量引入热力学 这样 对于给定的能量而言 用能 过程中的能质下降 可用做功能力的损失 即炯值的减少 娴损失来表示 在选定基准的情况下 由炯的概念采用热力学计算方法 可以直接计算物质或能量 系统在某个状态时的娴值 进而可以计算各种过程 以及由若干过程所组成的子系统的 炯损 而能量系统的总炯损则为 7 z 石 1 4 通过孀值计算而求出各子系统和系统总烟损的方法是焖分析法的基本内容 由炯分析法可得 1 系统的炯效率 e c d p 鱼 l 翌 1 5 e we q 一 式中e e 分别为供给系统的炯和被系统有效利用的娴 2 系统中各子系统或各单位设备的炯损率qi 的分布 一 堕 塑三鲞坚 墨苎垫至垫垄塾矍塑塞 由炯分析的结果可找出系统中燥损率最大的薄弱环节 部位 并以炯效率作为系 统整体的用能状况做出评价 1 4 4 热力学各分析方法简单比较m 1 第一 焓分析方法反映了能量在转化和传递过程中数量上的平衡 而没有考虑能量 在质量上的差异和变化 也就是不同质的能量视为 等价 的 焓分析法可以找出用能 系统中热损率最大的薄弱部位 为改进设备的用能情况提供技术依据 是 种具有广泛 使用价值的重要的能量分析法 然而 量相同而质不同的能量 其实际效果是不同的 甚至可以有很大差别 因此 能量在质上的差别是不容忽视的 而斓分析法就确认了不同能量之间所具有的质的差别 并在分析中同时体现能的量和质的作用 这就为炯分析结果的科学性与准确性提供了保 证 熵分析法的理论可靠性和学术价值无庸置疑 但由于熵概念的抽象和熵的定义颇难 理解等原因 致使这种方法至今未能广泛的被工程技术界所普遍应用 第二 焓分析法仅以热效率作为主要评价准则 从合理用能的观点来也看是欠科学 的 因为当热效率接近极值时 焓分析法可以认为此设备已达到了技术上完善的程度 再无节能潜力 但热力学上往往会遇到热效率高 丽烟效率低的设备 实际上有很大的 节能潜力 1 5 热泵热力过程的模拟 计算机模拟计算的第一个好处是能获得对发生在系统内的根本技术性细节与相互作 用有比较好的理解 第二个好处是 它可以模拟出条件比较苛刻的过程 这对一些重要 研究是很有必要的 为了得到能代表系统性能参数的最优值 可以用热泵的模拟来研究 系统以及各个装置的变化 一个详细的热泵的模拟程序不但能减少热泵设计所花的时间 和费用 而且在热泵制造之前可以观察到离线操作 模拟不稳定的波动可以分析开始过 程 操作条件的变化 最优性能的设计也要求系统与各个装置的时间和稳定性特征的知 识 热泵模拟的第一步是用数学关系来阐述热泵的操作 这可以通过热泵系统的各个组 件的模型来得到 也就是对发生器 冷凝器 蒸发器 吸收器等单元过程进行模拟 模 型必须涉及到质量 动量 热平衡方程 热力学和工质的物性以及热与功的传递关系 在工质系统封闭的情况下 联立方程一旦解出 它就可以对热泵的操作进行预测与模拟 t f e e i s i 第二类吸收式热泵热力过程研究 建立模型的目标是研究当系统操作条件改变时系统内工质质量和热力学性质的变化 包 括温度 焓值 流率 浓度 压力等 每个循环状态点蒸汽分压以及每个单元的热负荷 和传递性 以g g r o s s m a n 教授为代表的美国o a kr i d g e 国家实验室近2 0 年来在吸收式制冷 a h p 和a h t 领域做了大量系统的工作 包括过程的热力学分析 循环的改进以及过程的 模拟与优化 其中不少工作是开创性的 其开发的吸收循环模拟软件a b s i m 就是一例 a b s i m 由f o r t r a n 语言开发 是一个模块化的 基于联立方程法的吸收循环模拟与设计 软件 该软件有一个比较完善的物性数据库 可对l i b r h 0 等1 0 多种工质对的应用场 合进行模拟 并建立单效 多效 开式 闭式等多种循环模型 a b s i m 有一个图形化的 界面 用户只需画出循环图 并交互输入数据资料 即可通过运行程序得到图形或表格 形式的结果报告 a b s i m 软件通过网络 书籍等各种媒体的宣传 在本领域有着广泛的 影响 并对其它类似工作产生重要影响 瑞典的k l a sa b r a h a n m s s o n 博士经过长期系统 的工作 在过程热力学分析和实验的基础上 并借鉴了g g r o s s m a n 等人的工作 完成 了其软件s h p u m p 的基础开发工作 s h p u m p 用p a s c a l 语言编写 风格上与a b s i m 比较接 近 完成差不多同样的任务 不过规模要小一些 也没有a b s i m 那样完善的界面 日本 法国 英国以及国内的一些学者也围绕吸收循环系统 做了许多建模 热力学分析和优 化设计方面的工作 但未形成有影响的软件 综上所述 对热泵系统的模拟可以带来很多好处 因此 受到人们的高度重视 各个单元的计算机模拟程序基本上由下列步骤组成 o 总质量守恒 州 0 各个组分的质量守恒 z m x 0 能量平衡 x m h 0 1 6 1 7 1 8 t f e e i s 第二类吸收式热泵热力过程研究 热传递 手q 一y k a a t 0 液气相压力 温度 浓度之间的平衡 厂 只 z x 0 1 9 1 1 0 由此 根据式 1 6 1 1 0 整个系统可以形成一系列非线性方程 吸收式热泵的热力性能通常以性能系数c o p c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e 来表 示 性能系数也称为热力系数 性能系数定义为 c o p 获得的热量 消耗的热量 q q e 斗 q 1 11 性能系数c o p 它的物理意义是 一个单位热量的工业余热所产生的热量 它反映了热泵 的热力效率 对于理想循环 即工质的循环过程是完全可逆的 不存在传热温差和传质 温差 通过过程的热力分析可以得到理想过程性能系数的表达式 根据热力学第一定律 对吸收热泵系统作热量衡算 q e v q c e q q 蚰 1 1 2 根据热力学第二定律 对制冷系统作熵的平衡计算 q t q g e t q t 一q t 1 13 由于t 一t 由以上三式可得到理想性能系数的表达式 c o p 韭 些二 盟 1 1 4 7 j 一7 七 0 根据以上原理 人们对热泵系统的数学模型的建立进行了不断的摸索 a h r e n s 阐 述了热泵模型的建立与模拟的基本原理和基本方法并提出了稳态下的空气一空气系统简 单模型与结构 h i l l e r 和g l i c k s m a n 是做这方面工作最早者之一 他们提出了一个 模型来模拟在稳态条件下气一气系统的操作 e 1 l i s o n 和c r e s w i c k 1 基于前者的基础 上 提出一个数学模型来评价性能的变化 e i l f s o n 和r i c e 又发展了e 1 l i s o n 和 c r e s w i c k 的模型 增b i t 程序的灵活性和计算的稳定性 r i c e 等与f i s c h e r r i c e 又增加了优化程序 这样 可以作出在某个参数的变化下热泵性能的敏感性分析 d e 1 t e e 1 8 1 第二类吸收式热泵热力过程研究 b r u y n 等 建立了模拟水一水制冷系统动态行为的模型 蒸发器模型假定工质传热为两 个区域 并且忽略了蒸发器管壁的热阻 压力降 冷凝器模型假定冷凝器的压力是由水 的流率的线性方程 在热泵的设计与优化中 人们也常用炯效率作为优化设计的目标函数进行参数的优 化分析 张光焱 o 通过对溴化锂吸收式制冷装置的炯分析 给出了装置及其各部件炯损 失的计算公式 并且通过具体的算例 指出其薄弱环节所在 他指出 若要降低整个系 统的烟损失 提高系统的娴效率 同时降低薄弱部件的炯损 必须努力设法降低加热饱 和蒸汽的流量及压力 降低吸收器和冷凝器中冷却水的温差点 在制冷量保持不变的情 况下降低冷媒水的出口温度以及时性采用小温差点的凝水回热器等 这样 可能有个别 部件的炯损会有所增加 但整个系统的烟损是降低的 可以说这也反映了系统的原理与 结构对其性能的影响 文献 4 2 对吸收式制冷循环进行分析 发现吸收器 发生器 热交换器的炯损失总 和占系统总炯损失的8 0 一9 0 而其它设备的炯损失之和只占系统总炯损失的1 0 一 2 0 因此吸收式制冷系统设备中影响系统热力性能的薄弱环节是在吸收器 发生器和溶 液热交换器 t f e e 1 8 l 第二类吸收式热泵热力过程研究 2t f e e 18 1 单级吸收式热转换器热力过程模拟 2 1t f e e l8 1 单级吸收式热转换器工作原理简介 一般的吸收式热转换器 如l i b r h 0 沸点差约为1 0 0 0 流程简图如图l 一3 所示 由于本文所研究的工质对 t f e 和e 1 8 1 的沸点差比较大 at 一 2 0 0 所以在发生器 上还没必要加装精馏器 但发生器蒸出的气体中会夹带少量的e 1 8 1 蒸汽 这些蒸汽冷凝 后在蒸发器中不能被完全蒸发 所以蒸发器上必须有一股通向发生器的回流 以免e 1 8 1 冷凝液在蒸发器中累积而导致系统平衡被破坏 这一点与l i b r h 0 吸收式热转换器是不 同的 t f e e 1 8 1 吸收式热转换器的工作循环如图2 1 所示 溶液热力循环过程可用图2 2 图2 1 t f e e 1 8 1 单级第二类吸收式热泵工 作原理图 f i g 2