低温热源驱动溴化锂第二类吸收式热泵的实验研究

低温热源驱动溴化锂第二类吸收式热泵的实验研究张伟，朱家玲，董瑞芬，李志强，刘立伟（天津大学地热研究培训中心，天津300072）摘要本文根据溴化锂第二类吸收式热泵系统的传热、传质平衡以及各部件的传热关系，建立了系统的稳态数学模型。

利用模拟计算得出了相应的设计参数，建立了热负荷为小型LiBr-H2O第二类吸收式热泵系统实验台，对废热驱动的实验系统在不同运行工况下进行了实验研究。

分析了系统主要运行参数各换热设备的进口水温和质量流量对系统性能的影响趋势和规律。

关键词第二类吸收式热泵；实验研究；地热余热；回收0 引言地热能是来自地球深处的可再生能源，它作为一种新型能源越来越受到人们的关注，其应用也越来越广泛。

天津地区拥有200多眼地热井，供暖面积达1000多万平方米，占全国地热供热总数的77%。

但其中相当数量的旧有供暖系统，存在冬季运行尾水排放温度较高的问题；同时这些老供暖系统由于受建筑等条件的限制，不能采用地板辐射，风机盘管等低温散热设备，仅能利用原有散热温度较高的铸铁散热器供暖。

在这种情况下，如果要充分利用这部分地热废热，提高地热利用率，就需要将这部分低品味废热提升温度，以利于回收再投入使用。

而第二类吸收式热泵技术是回收低品位热能的有效技术之一，它以中、低温的废热作为驱动热源产生较高温度的热源，而不需要消耗其他高品位能源，节能效果显著。

所以对旧有地热供暖系统进行改造，需要开展低温热源驱动溴化锂第二类吸收式热泵的实验研究。

1第二类吸收式热泵循环的模拟计算第二类吸收式热泵（Absorption Heat Transformer，简称AHT）又称吸收式热变换器，靠输入的中、低温热能（废热）驱动系统运行，将其中一部分能量供给高温热源，另外一部分释放给温度更低的低温热源。

该系统的运行是不需要额外的高品位热源的。

图1为溴化锂第二类吸收式热泵循环在焓—浓度图上的表示。

图中6→2是吸收过程；2→7是溴化锂稀溶液在溶液热交换器中的换热过程；7→5是稀溶液在发生器被加热至沸腾；5→4是稀溶液的发生过程；4→8是浓溶液在溶液热交换器中的换热过程；8→6是浓溶液在吸收器中的换热过程；4’点是发生器中的过热蒸汽的状态；1’点是蒸发器中冷剂蒸汽的状态。

浓度图1 溴化锂第二类吸收式热泵循环在h －X 图上的表示1.1 溴化锂工质对的热物性数学关联式在对溴化锂第二类吸收式热泵系统进行模拟计算时，所需的溴化锂溶液和水蒸气主要的热物性数学关联式如下：⑴ 饱和水蒸气的压力[1]：3892.7ln 9.486542.6776(273.0)p t =+−+（1）式中：t 为包和水蒸气的温度，℃；p 为饱和水蒸气的压力，MPa 。

⑵ 溴化锂溶液的露点温度[2]（相应饱和水蒸气的温度）： 520059(,)323295ji d ij i j t T X a X t ==⎡⎤⎛⎞=+−⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎢⎥⎣⎦∑∑（2）式中：t d 是溴化锂溶液的露点温度，℃；t 是溴化锂溶液的温度，℃；X 是溴化锂溶液的浓度，%；系数a ij 值见文献[2]；应用范围为0<X<70%，4.4<t<180℃。

⑶ 溴化锂溶液的焓值[2]： 5202(,)i jiji j h X t aX t ===∑∑ （3） 式中a ij 的值参见文献[2]。

⑷ 饱和水的焓[3]：8112()2099.3i w i R i h t a a t −=⎛⎞=+⎜⎟⎝⎠∑ (4)式中：647.3647.3R tt −=，h w 是饱和水的焓值，kJ/kg ，t 是溴化锂溶液的温度，℃，系数a 1和a i 参见文献[3]。

⑸ 饱和水蒸气的焓值[1]：22333111997.84560.9858103.87151010058.50240.3003100100256652.9031100v h P t P t P t P t −−=+×−⎛⎞×+⎜⎟⎝⎠⎛⎞−⎜⎟⎛⎞⎝⎠⎜⎟⎝⎠−⎛⎞⎜⎟⎝⎠(5) 式中：h v 是饱和水蒸气的焓值，kJ/kg ，t 是饱和水蒸气的温度，℃，P 是饱和水蒸气的压力，kPa 。

1.2 溴化锂第二类吸收式热泵的主要性能参数溴化锂第二类吸收式热泵各主要设备热负荷以及系统主要性能参数的描述如下： 蒸发器热负荷：()1'1E Q W h h =×− （6） 冷凝器热负荷：()4'3C Q W h h =×− (7)吸收器热负荷：()81'21A Q W CR h h CR h =−+−×⎡⎤⎣⎦ (8) 发生器热负荷：()44'71G Q W CR h h CR h =−+−×⎡⎤⎣⎦ (9)溶液热交换器热负荷：()()()84271H Q W CR h h W CR h h =−−=×− (10) 系统性能系数：A E GQ COP Q Q =+获得的热量＝消耗的热量 (12) 放气范围：H L X X X Δ=− (13)以上各式中：W 为冷剂循环量，kg/h ；h 为焓值，kJ/kg ；t 为温度，℃；Q 为各换热器的热负荷，kJ/kg ；X H 为溴化锂浓溶液的浓度，%；X L 为溴化锂稀溶液的浓度，%。

1.3 溴化锂第二类吸收式热泵系统的建模通过对上述方程的分析可知，当给定系统的4个独立变量时，系统的状态即可确定。

本文选择蒸发温度T E 、冷凝温度T C 、吸收温度T A 和发生温度T G 作为已知变量，确定整个系统的操作状态和各设备的热负荷，来完成对系统的模拟计算。

2实验设计参数本文针对低温地热尾水回收这一问题，将供热系统排放出的50℃的地热尾水作为第二类吸收式热泵的驱动热源，通过系统的热力循环将供热系统的循环回水由50℃提高到60℃左右，利用铸铁散热器供暖。

设定了如表1所示的供热量为10kW 的第二类吸收式热泵系统的设计条件：表1 设计条件蒸发器进口废热水温度50℃冷却水出口温度 10℃蒸发器出口废热水温度44.2℃吸收器进口循环水温度 50℃ 发生器进口废热水温度50℃ 吸收器出口循环水温度 61.6℃发生器出口废热水温度43.3℃吸收器热负荷（供热量）10kW 冷却水进口温度6℃涉及工况的计算结果如表2所示。

其中对系统中各换热设备的计算所采用的是索柯洛夫近似特性方程，其具体内容参见文献[4]。

表2 计算结果名称 内容名称 内容冷凝器热负荷：10.84kW 传热面积：0.704m 2 冷却水流量：2334.58kg/h 吸收器 热负荷：10.0kW 传热面积：0.921m 2 循环水流量：742.45kg/h 系统内部参数蒸发压力：7.83kPa 蒸发温度：41.2℃ 冷凝压力：1.486kPa 冷凝温度：13℃ 系统COP ：0.48溴化锂浓溶液浓度：53.2% 溴化锂稀溶液浓度：48.88%放气范围：4.32% 循环倍率：12.315发生器 热负荷：10.07kW 传热面积：0.957m 2 废热水流量：1294.61kg/h 蒸发器热负荷：10.77kW 传热面积：0.793m 2 废热水流量：1599.46kg/h溶液热交换器热负荷：1.98kW 传热面积：0.691m 23 实验结果分析实验主要考察各换热设备在不同进口水温和质量流量下对机组运行性能和传热效果的影响。

3.1不同进口温度对COP、△ξ和各换热设备热负荷的影响在本实验中发生器与蒸发器的废热水都是来自地热尾水，其进口温度相同，如图2所示。

图2是在吸收器热媒水、冷凝器冷却水进口温度分别为55℃、7℃，蒸发器废热水质量流量为1820kg/h，发生器废热水质量流量为1600kg/h，吸收器热媒水质量流量为704kg/h，冷凝器冷却水质量流量为1950kg/h 时（图2至图4所得数据都在上述相同的质量流量下获得）， COP 、△ξ和各换热设备热负荷随蒸发器废热水进口温度T ei 的变化曲线图。

图2蒸发器(发生器)废热水进口温度对系统COP 、△ξ和各换热设备热负荷的影响4648505254560.260.280.300.320.340.360.380.40 3.54.04.55.05.56.0c o pT ei (℃)△ξ(%)40004500500055006000650070007500800085009000950010000105001100011500Q (W )T ei (℃)由图可以发现，随着进入蒸发器管内废热水温度的提高，COP 、△ξ和各换热设备热负荷逐渐增大，但增大的趋势减缓。

这是因为蒸发器废热水进口温度T ei 的增大使得出口温度T eo 增大，T ei 与蒸发温度有直接关系[5]，进而引起蒸发压力的提高，吸收器的吸收能力增强；由于蒸发器和发生器的废热水进口温度是同步增加的，发生器进口温度提高，发生温度提高，发生器的发生能力增强，热负荷增大，△ξ增大，系统的性能提高。

运行过程中吸收能力的增强会引起蒸发压力的下降，发生能力的增强使得冷凝压力的上升反而制约了吸收和发生能力的进一步提高，因此增加的趋势减缓。

图3冷凝器冷却水进口温度对系统、△ξ和各换热设备热负荷的影响图3是在吸收器热媒水、发生器和蒸发器废热水进口温度均为50℃时，COP 和各换热设备热负荷随冷凝器冷却水进口温度T ci 的变化曲线图。

由图可以发现，随着进入冷凝器管内冷却水温度的降低，溴化锂第二类吸收式热泵的性能系数COP 和各换热设备热负荷逐渐增大，但增大的趋势减缓。

这是因为T ci 的降低使得T co 相应的减小，T ci 与冷凝温度有直接关系，引起冷凝压力变小，发生器的发生起始温度降低，发生器的发生能力增强，吸收器内吸收的终了温度降低，吸收能力增强，各换热设备热负荷增大，系统的性能提高。

但是吸收能力的增强会引起蒸发压力的下降，发生能力的增强使冷凝压力的上升会制约吸收和发生能力的进一步提高，因此增加的趋势减缓。

图4是在蒸发器和发生器废热水进口温度、冷凝器冷却水进口温度分别为50℃、50℃、6℃，COP 、△ξ和各换热设备热负荷随吸收器热媒水进口温度T ai 的变化曲线图。

图4吸收器热媒水进口温度对系统、△ξ和各换热设备热负荷的影响由实验可知，随着吸收器进口温度的降低，系统的性能系数cop 、△ξ和各换热设备的6789101112c o pT ci (℃)T ci (℃)0.300.320.340.360.380.403.03.54.04.55.0c o pT ai (℃)△ξ(%)505152535455500060007000800090001000011000Q (W )T ai (℃)热负荷缓慢增大，并且增大的趋势减缓。