吸收式热泵的工作原理.ppt

第二章吸收式热泵的工作原理 1 主要内容 2 1吸收式热泵概述2 2吸收式热泵的热力学分析2 3吸收式热泵的工质对2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构2 5吸收式热泵的安装调试与维护 2 2 1吸收式热泵概述 2 1 1吸收式热泵的概念及结构简图 吸收式热泵是一种以热能为动力 利用溶液的吸收特性来实现将热量从低温热源向高温热源的泵送的大型水 水热泵机组 吸收式热泵是利用两种沸点不同的物质组成的溶液 通常称为工质对或者二元溶液 的气液平衡特性来工作的 3 4 结构简图 5 再生器的作用 则是使制冷剂 水 从二元溶液中汽化 使稀溶液变浓 吸收器的作用 是把制冷剂蒸汽输送回二元溶液中去 依靠溶液泵来提高工质的压力 6 2 1 2吸收式热泵的特点 优点 吸收式热泵是一种以热为动力的制热方式 驱动它的热量可以来自煤 气 油等燃料的燃烧 也可以利用低温热能 如太阳能 地热等 特别是可以直接利用工业生产中的余热或废热 制热量非常大 通常制热能力可达每小时几百万千焦 体系中除溶液泵外 无其它传动设备 耗电量很少 缺点 热力系数较低 一般为0 4 2 设备比压缩热泵循环庞大 灵活性较小 难以实现空冷化 7 1 根据制热的目的来分 第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵 第一类吸收式热泵 Type AbsorptionHeatPump HeatAmplifier 也称增热型热泵 是以消耗高温热能作为代价 通过向系统输入少量高温热能 进而从低温热源中回收一部分热能 产生大量中温位的热能供给用户 特点 提高高位能源利用率 3 1 3吸收式热泵的分类 8 第二类吸收式热泵 Type AbsorptionHeatPump 或称为热变换器 升温型热泵 HeatTransformer 则靠输入大量中温热能 通常是废热 驱动系统运行 将其中一部分热能的温位提高 即吸收过程放出的热量 产生少量的高温有用热能 特点 提高能源品位 废热 9 2 按热泵所用工质对来分 水 溴化锂热泵氨 水热泵 3 按驱动热源分 蒸汽型热水型热泵直燃型余热型复合型 10 4 按驱动热源的利用方式分 单效热泵 驱动热源在机组中被直接利用一次多效热泵 驱动热源在机组中被直接或间接利用多次多级热泵 驱动热源在多个压力不同的发生器中依次被直接利用 5 按溶液循环流程分 流经不同压力发生器和吸收器的顺序 串联式倒串联式并联式串并联式 热泵 11 6 按机组的结构分 单筒式双筒式三筒式多筒式 热泵 a 单筒式 b 双筒式 1 蒸发器 2 吸收器 3 发生器 4 冷凝器 12 两种结构的特点 单筒型结构紧凑密封性好高度低制作复杂热应力大热损失大 双筒型热损失小热应力小结构简单 制作方便合适大热量机组的分割运输高度高连接管路多可能的泄漏点多 13 2 2吸收式热泵的热力学分析 2 2 1第一类吸收式热泵2 2 2第二类吸收式热泵 14 2 2 1第一类吸收式热泵 与其他热泵完全相同 吸收式热泵特有的 防结晶 热回收作 15 HeatAmplifier 第一类吸收式热泵在P T图上的表示 16 第一类吸收式热泵的热力学计算 热力学系数 制热系数 COP CoefficientOfPerformance 与Qg比 数量很小 可以忽略 17 第一类吸收式热泵的理想循环 假设 1 整个吸收式热泵循环过程是可逆的 2 发生器热媒的温度为Tg 3 蒸发器中低温热源的温度为T0 4 吸收器的吸收温度Ta等于冷凝器中温度Tc 5 忽略泵的功耗Wp 18 根据热力学第二定律 根据热力学第一定律 COP的定义 19 S T Tg Ta Tc T0 可逆热机 可逆热泵 20 第一类吸收式热泵的热力学计算 质量衡算 再生器 吸收器 吸收剂的浓度 21 第一类吸收式热泵的热力学计算 能量衡算 蒸发器 冷凝器 吸收器 泵 再生器 22 比焓 kJ kg 浓度 饱和液线 气态平衡线 7 10 9 8 9 9 4 6 5 2 1 3 单效溴化锂第一类吸收式热泵循环在h 图上的表示 3g 23 例2 1下表中给出了一溴化锂 水吸收式热泵中各点的有关参数 各状态点对应于图 根据这些参数计算系统的循环倍率和各元件的热量及系统COP 24 在稳定流动状态 进出每一个单元的工质质量必须相等 因为水和溴化锂之间没有化学反应 所以每个组分进出每一个单元的质量也应当相等 又因为工质中只有两个组分 水和溴化锂 所以有两个独立的质量平衡方程 组分LiBr的质量平衡 a b 水的质量平衡可以由式 b 减去式 a 得到 即 c 例如 考虑再生器的质量平衡 工质质量平衡为 质量衡算 25 上式表明 通过泵的流体质量流量是离开再生器的蒸汽质量流量的10 84倍 能量平衡 蒸发器 冷凝器 再生器 吸收器 泵 另一个与质量有关的参数 并且是一个经常用到的参数是溶液循环倍率 用f来表示 26 由于泵消耗的功率与其他单元的热传递速率相比很小 所以 在进行过程热力学分析时 可以将其忽略 吸收热泵的性能系数 如果将这套装置用于制冷 则性能系数为 CoefficientOfPerformance 大约 远低于压缩式热泵 7 9 27 2 2 2第二类吸收式热泵 废热 28 HeatTransformer AHT 第一类吸收式热泵 第二类吸收式热泵 29 30 第二类吸收式热泵的热力学计算 热力学系数 制热系数 COP Qa 吸收器放出的热量Qc 冷凝器放出的热量Qg 供给发生器的热量Qe 蒸发器吸收的热量 31 第二类吸收式热泵的理想循环 假设 1 整个吸收式热泵循环过程是可逆的 2 发生器热媒的温度为Tg 3 蒸发器温度Te等于再生器的温度Tg 4 冷凝器的温度Tc等于环境温度 5 忽略两个泵的功耗Wp 32 根据热力学第二定律 根据热力学第一定律 COP的定义 33 34 第二类吸收式热泵的热力学计算 质量衡算 再生器 吸收器 吸收剂的浓度 35 第二类吸收式热泵的热力学计算 能量衡算 蒸发器 冷凝器 吸收器 泵 再生器 36 比焓 kJ kg 浓度 饱和液线 气态平衡线 7 10 9 8 4 6 5 2 1 3 单效溴化锂第二类吸收式热泵循环在h 图上的表示 3g 37 例下表中给出某一热泵循环系统相应于P T图中各点的有关参数 可根据此表中的数据来计算质量平衡 能量平衡 循环倍率以及性能系数等 38 循环倍率 第二类吸收热泵的性能系数 39 所以 第二类吸收热泵的性能系数虽然较低 一般在0 4 0 49之间 但由于它利用的是工业生产中排放的60 100 的废热 因此节能效果十分显著 日益得到人们的重视 40 2 3吸收式热泵的工质对 吸收式热泵工质对是两组份溶液 低沸点组分是制冷剂 它的作用与蒸汽压缩式热泵相同 通过它的蒸发和冷凝过程实现热量从低温物体向高温物体的传递 高沸点的组分是吸收剂 通过它对制冷剂的吸收与解吸实现制冷蒸气的压缩 41 3 3 1对制冷剂的要求 工质热物理性质的要求临界温度高于冷凝温度 在热泵温度工作区间内有合适的饱和压力 冷凝温度下 饱和压力不要太高 避免工质泄露 降低部件的承受压力 蒸发温度下 饱和压力不要太低 否则不凝气容易进入蒸发器 比热容小 减少节流损失 42 汽化潜热大 一般工质的分子量越大 汽化潜热越小 因此 工质分子量要小 导热系数大 强化传热过程 粘度和密度要低 降低流动阻力 减少泵功 43 环保要求 对臭氧层的破坏大气臭氧层损耗潜能值 OzoneDepletionPotential ODP 温室效应全球温室效应潜能值 GlobalWarmingPotential GWP 总当量变暖影响 TotalEquivalentWarmingImpact TEWI 寿命期气候性 LifeCycleClimatePerformance LCCP 44 其他方面要求 化学性质稳定 无可燃性无腐蚀性无毒经济性好 45 2 3 2对吸收剂的要求 具有强烈的吸收制冷剂的能力 既具有吸收比它温度低的制冷蒸气的能力 相同压力下 它的沸点要高于制冷剂 而且相差越大越好 可以提高发生器中制冷剂的纯度 进而提高系统COP 与制冷剂的溶解度高 可以避免结晶的危险 46 在发生器和吸收器中 对制冷剂溶解度的差距大 以减少溶液的循环量 降低溶液泵的能耗 粘度小 以减少在管道和部件中的流动阻力 热导率大 化学性质稳定 无臭 无毒 不燃烧 不爆炸 对环境友好 经济性好 47 Pwater 5 Psolution 25 吸收剂应具有强烈吸收制冷剂的能力 48 2 3 3工质对的种类 随制冷剂的不同可分为四类 1 以水作为制冷剂 49 2 以醇作为制冷剂 50 3 以氨作为制冷剂 51 4 以氟利昂作为制冷剂 52 2 3 4热泵用工质对 溴化锂 水 P75 1 溴化锂的物理化学性质 化学式 LiBr 相对分子量 86 856 成分 Li为7 99 Br为92 01 密度 3464kg m3 25 熔点 549 沸点 1265 溴化锂溶液是无色透明的 对金属有腐蚀性 因加入了缓蚀剂 铬酸锂 呈微黄色 53 2 溴化锂溶液的溶解度 结晶问题 溶解度的大小除与溶质和溶剂的特性有关外 还与温度关系很大 温度降低 溶解度减小 饱和溶液有晶体析出 使用溴化锂溶液时 必须考虑其结晶温度 作为热泵机组的工质 溴化锂溶液始终处于液体状态 运行和停机期间也必须防止结晶 54 3 溴化锂溶液的饱和蒸汽压 溴化锂溶液具有吸收比其温度低得多的水蒸气的能力 对于水蒸气来说 溴化锂溶液是一种良好的吸收剂 55 4 溴化锂溶液的密度 溴化锂溶液的密度比水大 当温度一定时 随着质量分数增大 其密度增大 如质量分数一定 则随着温度的升高 其密度减小 56 5 溴化锂溶液的表面张力 与温度和质量分数有关 质量分数不变时 随温度的升高而降低 温度不变时 随质量分数的增大而增大 在机组中 吸收器与发生器往往采用喷淋式结构 溴化锂溶液表面张力越小 越利于形成薄膜状 可大大提高传质和传热效果 57 6 溴化锂溶液的动力粘度 粘度是表征流体粘性大小的物理参数 随着质量分数的增加 溴化锂的粘度急剧增加 在一定质量分数下 随着温度升高 粘度下降 粘度的大小对溶液在吸收式机组中的流动状态和传热有较大影响 58 7 溴化锂溶液的定压热容 随温度额度升高而增大 随质量分数的增大而减小 且比水小得多 比热容小说明在温度变化时需要的热量少 有利于提高机组的热效率 59 8 溴化锂溶液的热导率 w m K T不变时 热导率随质量分数的增大而减小 质量分数不变时 随温度的升高而增大 60 9 溴化锂溶液的腐蚀性 特点 1 点腐蚀和缝隙腐蚀特别严重 2 有氧时腐蚀严重 措施 1 加缓蚀剂 如铬酸锂 钼酸锂等 2 保持设备的密封性 61 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 原理流程图 62 原理流程图 63 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 原理流程图 64 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 换热过程一 在真空的蒸发器内 利用水在负压状态下沸点降低的原理 来自冷凝器的蒸汽凝水喷淋在蒸发器换热管的外表面低温蒸发 吸收换热管内部流动的低温废热源的热量 同时产生蒸汽进入两侧加热器 完成热量的回收提取过程 65 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 换热过程二 在吸收器内 利用溴化锂浓溶液的吸水放热性能 顶部的溴化锂浓溶液吸收来自蒸发器的水蒸汽 溶液的温度迅速升高 溶液分布在吸收器换热管外部 加热换热管内需要提高温度的热媒 实现了低温热源的热量向被加热热媒转移 同时溴化锂溶液由浓变稀 不再具有吸水性 需要浓缩后循环使用 66 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 换热过程三 在发生器内 利用驱动热源的热量 对来自吸收器的溴化锂稀溶液进行浓缩 产生的浓溶液继续回到吸收器内继续吸收水蒸汽加热供热水 溶液浓缩产生的高温二次蒸汽去冷凝器 67 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 换热过程四 在再加热器内 利用来自发生器的高温二次蒸汽凝结潜热的热量 对来自吸收器的经过一次加热的热媒进行再次加热 最终达到我们所需温度的热媒 蒸汽凝结成为凝水输送到蒸发器继续进行循环蒸发 68 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 说明 显热 是物质不发生相变吸收或放出的热量 热量转移过程中 伴有温度变化 状态不变 温度变 潜热 物质发生相变过程吸收或发出的热量 热量转移过程中 温度不变 状态变化 温度不变 1mol水 100 蒸发成1mol水蒸汽 100 需要吸收40 62kj的热量 这部分热量就是潜热 而1mol60 水升温至100 无水蒸汽生成 需要吸收的热量 约3 014kj 就是显热 水的摩尔质量是18g mol 1摩尔水的质量是0 018千克 69 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 单效型溴化锂机组结构 蒸发器借助制冷剂水的蒸发来从低温热源吸收热量 吸收器吸收制冷剂蒸汽 保持蒸发压力恒定 同时放出吸收热 发生器使稀溶液沸腾产生制冷剂蒸汽 稀溶液同时被浓缩 冷凝器使制冷剂蒸汽冷凝 放出凝结热 溶液热交换器在稀溶液和浓溶液间进行热交换 提高机组热效率 液泵和制冷剂泵输送溴化锂溶液和制冷剂水 抽气装置抽除影响吸收与冷凝效果的不凝性气体 控制装置有热量控制装置 液位控制装置等 安全装置确保安全运转所用的装置 70 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 直燃单效型溴化锂机组结构 采用燃料燃烧产生的热量作为驱动热源 按燃料的低位热值计算 根据运行工况不同 制热COP值为1 65 1 75 71 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 直燃双效型溴化锂机组结构 燃料燃烧产生的热量作为驱动热源 按燃料的低位热值计算 根据运行工况不同 制热COP为2 3 2 4 72 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 直燃双效型溴化锂机组结构 采用烟气废热作为驱动热源 由于烟气和余热水均属于废热 节能效果最佳 以烟气提供热量来计算 制热COP值为1 75 1 85 73 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 直燃双效型溴化锂机组结构 采用烟气废热作为驱动热源 由于烟气和余热水均属于废热 节能效果最佳 以烟气提供热量来计算 制热COP值为1 75 1 85 74 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 单筒溴化锂机组结构 75 2 4吸收式热泵机组的换热过程和结构 双筒溴化锂机组结构 76 2 5吸收式热泵机组的安装调试与维护 2 5 1机组安装 溴化锂机组在出厂时 小型机组为整体式 可整体运输 中大型机组则是分体式 即分为两件或多件运输 1 整体机组的安装 1 机组的检查机组在出厂前 内部已经充注表压为0 02 0 04MPa的氮气 安装前应对应机组外观 电气仪表 机组压力情况等进行检查 确保运输过程中机组无任何损坏 77 2 5 1机组安装 1 整体机组的安装 2 机组的吊装一般采取钢丝绳起吊机组 由于制造厂商的不同 机组起吊方法也各异 一般用两根钢丝绳起吊机组主筒体的两端 机组设有专用的吊孔 用钢丝绳穿过吊孔起吊 吊装机组一定要精心组织 谨慎操作 确保不会损坏机组的任何部分 尤其注意钢丝绳吊索和机组的接触部位 吸管 接线和仪表等易损件 在机组起吊时一定注意保持水平 在接触地面时 应该轻轻接触地面或基础面 78 2 5 1机组安装 以博宁3机组吊装为例 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 机组底座增加防震垫 99 2 5 1机组安装 1 整体机组的安装 3 机组的安装溴化锂吸收式热泵机组震动小 运行平稳 其基础按静负荷计算 在机组就位前 应清理基础表面的污物 并检查基础标高和尺寸是否符合设计要求 检查基础平面的水平度 机组就位后 必须对机组进行校正 100 2 5 1机组安装 1 整体机组的安装机组的校正方法 a 在吸收器管板两边 或在筒体两端 找出机组中心点 如果找不到中心点 应该利用钣金加工部位作为基准点 b 用水平仪校正机组的水平 机组合格的水平标准是纵向在1mm m以内 若机组尺寸为6m或者大于6m 合格值应该小于6mm 机组横向标准是小于1mm m c 如果机组水平不合格 可用起吊设备 通过钢丝绳慢慢起吊机组的一端 用钢板垫片来调节机组的水平 101 2 5 1机组安装 2 分体机组的安装 1 机组外观及压力检查分体机组的各件内部在出厂前都已经充好氮气 安装前应检查各个件的氮气压力 确保机组完好 2 机组的吊装分体式机组的各个部件的吊装与整体机组的类似 不同的是要先将下筒体调在基础上并进行横纵两向找平 只有在下筒体水平度合格后方可将上筒体吊装在下筒体上 同时 还要对上筒体找平 3 机组的安装上下筒体就为完毕后 链接上下筒体间的有关管道和部件 并现场焊接安装 链接操作开始前 应打开蒸发器 吸收器组建的辅助阀以及发生器或冷凝器上的辅助阀 将氮气放出 并用火焰切割去除所有管道上面的盖板 毛刺和垃圾 102 2 5 2机组调试 1 调试前准备 1 机组外部配套设施的检查a 水路系统的检查b 供热系统的检查 2 机组的检查a 抽气系统的检查b 机组气密性检查c 机组电气设备和自控元器件的检查注意 检查后所有阀门和系统都应该还原 103 2 5 2机组调试 2 溴化锂溶液的充注 1 溴化锂溶液介绍溴化锂都是以溶液状态供应 质量分数一般都在50 左右 且已经加入了0 2 左右的铬酸锂或者是0 1 左右的钼酸锂缓蚀剂 溶液的PH值调整为9 10 5 104 2 5 2机组调试 2 溴化锂溶液的充注 2 溶液充注溴化锂溶液充注方