陈清 王锡

华北电力大学能源动力与机械工程学院

我国的现代化工业生产在不断消耗着能源，但在一次能源变成热能再转换成各种形式能量的过程中，超过一半的能量以排气、蒸汽、低温热水等形式损失掉，这种低温热量在我国工业部门每年消耗的总能量中占据的比例是非常大的。若对较低品质的热量加以回收利用，可提高能源的利用效率[1]。如果能采用合理的热泵系统将其加以回收利用，将会产生显著的经济效益[2]。吸收式热泵是一种以热能为动力、回收利用低位热能的有效装置，具有节约能源和保护环境作用。

1 单效溴化锂吸收式机组设计

1.1 各状态点参数设计

热泵机组各已知参数如表1 所示。

表1 已知设计参数

根据溴化锂水溶液以及饱和水、饱和水蒸汽的各物性参数关系[3]，对热泵机组做热平衡时的理论分析，通过给定的已知参数，计算其他未知状态量的数值。其中循环各内部参数考虑如下，蒸发温度低于低温热源出口温度2 ℃，冷凝温度高于冷凝器出口热水温度2.5 ℃，吸收器压力低于蒸发压力72 Pa，吸收器出口稀溶液温度高于吸收器出口热水温度 2.5 ℃，溶液热交换器出口浓溶液温度高于吸收器出口稀溶液温度15 ℃，发生器出口浓溶液温度低于驱动热源温度20 ℃，发生器压力与冷凝压力一致。循环各状态点如图1 所示。

图1 吸收式热泵各状态点h-ξ 图

1.2 各部件热负荷计算

放气范围Δξ，是发生器出口浓溶液浓度（以下简称浓溶液浓度）与吸收器出口稀溶液浓度（以下简称稀溶液浓度）的差值：

溶液循环倍率a：

发生器单位热负荷q g：

冷凝器单位热负荷q k：

蒸发器单位热负荷q0：

吸收器单位热负荷qa：

溶液热交换器单位热负荷qτ：

冷剂水循环量D：

1.3 热平衡及供热系数计算

加入机组的热量Qin：

带出机组的热量Qout：

误差E：

供热系数ε：

2 溴化锂吸收式机组的性能分析

2.1 低温热源温度对机组性能的影响

在仅改变低温热源温度时，研究热泵机组的热力性能。除低温热源温度外，其他计算基于表 1，各内部参数的温差和压差亦同1.1，即假设热水进口的温度为20 ℃，出口温度为 60 ℃，驱动热源为 140 ℃，在这基础之上，改变低温热源温度，并假设低温热源进出口温差为5 ℃，分别针对低温热源进口温度为 15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃和 35 ℃时进行热泵机组的热力设计计算，供热系数数值如图所示。从图得知，热泵机组的供热系数ε随着低温热源入口温度的升高而逐步提高。

图2 不同低温热源下系统的ε 曲线

图3 为不同低温热源温度时吸收器出口稀溶液浓度和放气范围变化曲线。由图 3 可知，当低温热源温度升高时，稀溶液浓度降低，放气范围提高。为了防止溶液发生结晶，将浓溶液的浓度设定为 62.67%（也是后文中浓溶液浓度最大值），对应的浓溶液出口温度为120 ℃。由于蒸发温度取决于低温热源出口温度，当只提高低温热源出口温度时，蒸发温度升高，对应蒸发压力也升高，吸收器压力（与蒸发压力假设为定值 72 Pa）也升高，导致稀溶液的质量分数降低，因浓溶液质量分数不变，则放气范围提高，循环倍率减小，所以供热系数增加。

图3 不同低温热源下放气范围Δ ξ 和稀溶液浓度ξa曲线

根据图2 和图3 可得，低温热源温度为15 ℃，放气范围3.24%和ε值 1.67；低温热源温度升到35 ℃，放气范围升高到18.31%，ε升高到1.84。理论上，低温热源温度越高，供热系数ε越大，但由图3 得随着低温热源温度的升高，ε的增幅逐渐降低。

由于稀溶液质量分数范围一般不超过 60%[4]，因此将稀溶液所能达到的最高质量分数设定为 60%时，可得到对应的最小低温热源温度14.6 ℃，即在本节设计计算的条件下，有最低的低温热源温度 14.6 ℃。另外，低温热源温度越高，稀溶液质量分数越低，当稀溶液质量分数过低时，发生器中溶液会剧烈沸腾，溶液易通过挡板进入冷凝器，造成冷剂水污染。因此，机组运行中也要避免较高的低温热源温度。

2.2 热水进口温度对系统性能的影响

在设计条件下（热水出口温度为 60 ℃，低温热源进出口温差为5 ℃，驱动热源为140 ℃）改变热水进口温度，研究热泵机组的性能。考虑热水进口温度分别为14 ℃，16 ℃，18 ℃，20 ℃，22 ℃和24 ℃时，热泵机组的性能随低温热源变化情况，具体数值如图所示。根据图4 得知，相同的热水进口温度下，热泵机组的ε与低温热源温度的关系与图2 吻合，随着低温热源温度升高ε也随之升高。在相同低温热源温度下，热泵机组ε值随着热水进口温度的升高而降低。

图4 不同热水进口温度下ε随低温热源温度变化曲线

图5 为不同热水进口温度下热泵机组稀溶液质量分数和放气范围随低温热源温度的变化曲线。由图 5可知，相同的热水进口温度下，系统的稀溶液浓度及放气范围与低温热源温度的关系与图3 吻合。相同低温热源温度下，当系统热水进口温度升高时，吸收器出口稀溶液温度升高，而低温热源水进出口温度不变代表蒸发压力不变，吸收压力也不变，因此稀溶液质量分数升高，而浓溶液浓度不变，故系统放气范围降低，溶液循环倍率提高，而溶液循环泵的流量不变，即相同的稀溶液流量下冷剂水循环量减少，供热系数值降低。

图5 不同热水进口温度下ξa和Δξ 随低温热源的变化曲线

因热水进口温度升高，稀溶液质量分数升高。设定稀溶液质量分数上限为60%[4]，从而得出不同低温热源温度下热水进口温度的最大值，表列出了不同低温热源温度下热水进口温度的极限值。若对稀溶液质量分数不设下线，则不同低温热源温度下热水进口温度最低可取到零点温度。但是，热水进口越低，稀溶液质量分数过低，发生器中溶液会剧烈沸腾，溶液易通过挡板进入冷凝器，造成冷剂水污染。因此，热泵机组运行中不允许热水进口温度过低[13]。

表2 不同低温热源温度下热水进口温度的极大值

2.3 热水出口温度对系统性能的影响

在设计条件下（热水进口温度为 20 ℃，低温热源进出口温差为5 ℃，驱动热源 140 ℃）改变热水出口温度时，研究热泵机组的热力性能。改变热水出口温度为55 ℃，60 ℃，65 ℃和70 ℃时，热泵机组的性能随低温热源变化情况，具体数值如图6 所示。

图6 不同热水出口温度下ε随低温热源温度变化曲线

由图 6 可得，相同热水出口温度下，系统的ε与低温热源温度的关系与图吻合，随着低温热源温度升高ε也随之升高。相同低温热源温度下，系统供热系数随着热水出口温度的升高而降低。从图 6 中还可得，低温热源温度越高，热水出口温度变化对供热系数的影响越小。由于发生器出口浓溶液质量分数与发生器压力（即冷凝压力）和浓溶液的温度（与驱动热源温度有关，本文固定发生器端温差20 ℃）有关，当热水出口温度升高时，冷凝温度升高，发生器内压力也随之升高，若温度不变（驱动温度不变，设计发生器传热温差不变），由焓浓图可知，浓溶液浓度将随之降低。

图7 为不同热水出口温度下系统浓溶液质量分数随低温热源温度变化曲线。如图7 所示，热水出口温度从55 ℃升高到 70 ℃时，浓溶液浓度从64.92%降至58.55%。可以看出热水出口温度55 ℃时浓溶液浓度64.92%，高出前文给出的预警浓度 62.67%，为保证不发生结晶，在热水出口温度较低时即发生器压力较低，需要增大发生器端温差或降低驱动热源温度。或者可以说热水出口温度较低时，所需要的驱动热源温度较低。

图7 浓溶液浓度随热水出口温度的变化

图8 为不同热水出口温度下系统稀溶液质量分数和放气范围随低温热源温度变化曲线。由图8 可知，相同热水出口温度下热泵机组稀溶液质量分数及放气范围与低温热源温度的关系与图3 吻合。这是由于仅升高热水出口温度时，吸收器和冷凝器的温度升高，因吸收压力不变则吸收器稀溶液浓度也随之升高，浓溶液浓度减小（如图7），所以放气范围减小，系统ε减小。在其他条件不变化时，若提高制取的热水温度，则对低温热源的温度要求也相应提高，如表2。当低温热源温度一定时，制取的热水出口温度亦有极大值（具体解释见表3），所以如图 8 中，在低温热源温度为35 ℃的情况下，将热水出口温度从55 ℃提高到70 ℃，热泵机组放气范围从28.5%降低到14.42%。

图8 不同热水出口温度下ξa和Δξ 随低温热源温度变化曲线

如图 8，因热水出口温度（如 55 ℃）减小，浓溶液浓度升高，故设定浓溶液质量分数上限为62.67%。当热水出口温度升高（如 65 ℃，70 ℃）时，浓溶液浓度减小将低于 62.67%,可得出不同低温热源温度下热水出口温度的最小值。设定稀溶液质量分数上限为 60%，可得出不同低温热源温度下热水出口温度的最大值。表列出不同低温热源温度下热水出口温度极限值。

表3 不同低温热源温度下热水出口温度的极限值

2.4 驱动热源温度对系统性能的影响

在改变驱动热源温度时，研究热泵机组的热力性能。其中热水进口温度为 20 ℃，出口温度为 65 ℃，70 ℃或 75 ℃，低温热源进出口温度分别为 30 ℃和25 ℃。驱动热源温度分别为 135 ℃，140 ℃，145 ℃，150 ℃和 155 ℃时热泵机组的供热系数，具体数值如图所示。由图可知，相同驱动热源温度下，热水出口温度越高热泵机组供热系数越低，这也吻合与图6 的结论。热泵机组的供热系数随驱动热源温度的升高而增加，但随着驱动热源的升高，供热系数的增幅减小。

图9 不同热水出口温度下系统ε随驱动热源温度变化曲线

图10 为不同热水出口温度下浓溶液质量分数随驱动热源温度变化曲线。浓溶液质量分数与发生器压力（即冷凝压力）和驱动热源温度有关。当驱动热源温度变化时（传热温差不变），浓溶液温度升高，而发生器压力一定（热水出口温度一定，则冷凝温度一定，对应的冷凝压力一定），所以浓溶液质量分数增大（如图10所示），发生器出口冷剂蒸汽量增多，放气范围增大，所以供热系数增大。如图所示，当热水温度70 ℃时，驱动热源温度从135 ℃升高到155 ℃，系统浓溶液质量分数从 56.45% 升高到 64.57%（但超出预警浓度62.67%）。

图10 不同热水出口温度下ξr随驱动热源温度变化曲线

由于稀溶液浓度与吸收器压力和稀溶液温度有关，因在此处蒸发温度不变（在此节只改变驱动热源温度），故吸收器压力亦不变，所以稀溶液温度取决于吸收器出口热水温度（稀溶液温度低于吸收器出口热水温度2.5 ℃）。又因为热水在热泵机组中以串联方式依次通过吸收器和冷凝器，因此当热水进出口温度不变（即热水总温升不变，或者说吸收器和冷凝器热负荷之和不变）时，吸收器出口热水温度随吸收器与冷凝器之间的热负荷比值而变化，当吸收器与冷凝器的热负荷比降低时，吸收器出口热水温度降低。当驱动热源温度升高时，发生过程终了时的浓溶液（图 1 上的状态点 4）的温度升高（驱动热源温度和浓溶液温差为20 ℃），根据溴化锂焓浓图（图 1）可分析出，产出的冷剂蒸汽 3'的温度也相应升高，当冷剂蒸汽冷凝时由于显热的增加而使得整体在冷凝器中的热负荷提高，从而吸收器与冷凝器的热负荷比降低。所以当驱动热源温度升高时，由于吸收器与冷凝器的热负荷比降低，在热水总温升不变条件下，吸收器出口热水温度降低，从而稀溶液温度降低，最终导致稀溶液浓度降低。因为冷凝器中显热部分占比相对较小，故吸收器与冷凝器的热负荷比降低值不是很大，所以最终导致稀溶液浓度降低不是很明显，如图所示。

图11 不同热水出口温度下ξa和Δξ 随驱动热源温度变化曲线

同样如图11 所示，同一驱动热源温度下，供应的热水温度升高，则稀溶液浓度升高，而浓溶液浓度变低（如图 10 所示），所以热泵机组放气范围减小，供热系数降低。

从图11 中还可以得到，若要提高热水温度，则驱动热源的温度也需相应提高。热泵机组放气范围随驱动热源温度升高而增加，但驱动热源温度增大会引起浓溶液质量分数的增加，从而增加了热泵机组结晶的危险。表列出了不同驱动热源温度下热水出口温度的极大值。

表4 不同驱动热源温度下热水出口温度的极大值

5 总结

1）当低温热源进口温度升高时，热泵机组稀溶液浓度降低，放气范围升高，供热系数升高。

2）当热水进口温度升高时，热泵机组稀溶液浓度升高，放气范围降低，供热系数降低。设定热泵机组稀溶液浓度上限为 60%，可得到不同低温热源温度下热水进口温度的最大值。

3）当热水出口温度升高时，热泵机组稀溶液浓度升高，放气范围降低，供热系数降低。设定热泵机组稀溶液浓度上限为 60%，浓溶液浓度上限为62.67%，则分别可得到不同低温热源温度下热水出口温度的最大值和最小值。

4）当驱动热源温度升高时，热泵机组稀溶液浓度降低，放气范围升高，供热系数升高。不同驱动热源温度不同时热水出口温度亦有最大值。