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溴化锂吸收式热泵


溴化锂吸收式热泵

基础知识

溴化锂吸收式热泵原理基础知识
溴化锂吸收式热泵是利用水的蒸发、冷凝,以及溴化

概述

锂水溶液吸收及解析水蒸气的循环过程中产生的传热作用。
其主要组成部件有蒸发器、吸收器、冷凝器及发生器。为

原理

进一

步提高效率,在发生器和吸收器之间放置了溶液热交

换器。根据这些主要设备的组合情况不同,可分为一类吸
收式热泵和二类吸收式热泵。

结构

一类吸收式热泵,是以消耗高温热源作为代价,通过

向系统输入高温热能(蒸汽、燃料),将低位热源(废热)的热
能,提高其温度以中温形式供给用户。

设计

二类吸收式热泵,是在不供给其它高温热源的条件下

靠输入的中温热能(废热)驱动系统运行,将其中一部分热能

性能

品位提高,成为高温热水或蒸汽送至用户,另一部份则排 放至环境。

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 概述
溴化锂吸收式 一类热泵循环同溴 化锂吸收式制冷机 循环相同,只是制 冷机获得冷量,吸 收式热泵获得热量。 该热泵可以从不容 易利用的低温热源 中取得热量制备热 水(一般最高90℃)。 另外溴化锂吸收式 一类热泵也可以在 夏季供冷,冬季供 热。 其循环流程 图:

原理

结构

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识
制冷剂液体先从蒸发器的喷淋装置喷淋到传热管上,

概述

吸收了传热管内流动的热源水(工厂排出的废热水)的热量
而蒸发成低温冷剂蒸汽进入吸收器,低温冷剂蒸汽在吸收

原理

器内被溴化锂浓溶液喷淋吸收,成为稀溶液,在吸收过程

中放出热量加热应用水,此应用水进入冷凝器。
稀溶液由泵输送到发生器内,受到外界高温热源的加

结构

热,产生高压冷剂蒸汽,同时溴化锂溶液浓度提高,成为

浓溶液,经换热器放热进入吸收器。高压冷剂蒸汽进入冷
凝器凝结放热成冷剂水,同时此放热进一步加热应用水。

设计

溴化锂吸收式一类热泵的性能系数大约在1.5~1.7之间。其

可以利用15~40℃的废热源,将20~50℃的应用水加热到

性能

50~90℃的热水供用。

溴化锂吸收式热泵原理基础知识
溴化锂吸

概述

收式二类热泵
的循环正好与

原理

溴化锂吸收一

类热泵的机内
循环相反,能

结构

有效地利用热

水或蒸汽在吸
收器内产生的

设计

热量,不需要

外界提供高温

性能

热源,其循环 图:

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 概述
溴化锂溶液先流入发生器,收到发生器管内外界提供的 废热蒸汽(热水)的加热,产生低压冷剂蒸汽,溴化锂溶液浓 度提高,成为浓溶液,由泵打入到吸收器。产生的冷剂蒸汽

原理

在冷凝器中被冷却成冷剂液体,由泵打入到蒸发器,蒸发器 内冷剂液体通过喷淋装置,吸收了传热管内外界提供的废热 蒸汽(热水)的热量蒸发成高压冷剂蒸汽进入吸收器,该冷剂

结构

蒸汽被溴化锂浓溶液吸收,成为溴化锂稀溶液,同时产生吸 收热,加热了应用热水。溴化锂吸收式二类热泵的性能系数

设计

在0.4~0.6之间。由于溴化锂吸收式二类热泵用的是60~100℃ 的废热,冷却水在10~40℃时,输出的热水或蒸汽的温度可 在100~150℃,因此节能效果十分明显。

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 概述
由于溴化锂溶液的特殊性质,在利用废热蒸汽时,并 不是所有60~100℃范围内的蒸汽或热水都能输出100~150℃ 的热水或蒸汽的,它与冷却水的温度有关,更重要的与溴

原理

化锂溶液的浓度有关(浓度太高容易结晶),也与溴化锂溶 液的放气范围有关。放气范围小,溶液循环量大,热效率

结构

低,反之亦然。

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 主要部件: 概述
1)蒸发器 借助于工质的蒸发来从低温热源吸热 2)吸收器 吸收工质蒸汽,放出吸收热

原理

3)发生器 使稀溶液沸腾产生工质蒸汽,稀溶液同时被浓缩 4)冷凝器 使发生器产生的工质蒸汽凝结放出热量 5)溶液热交换器 在稀溶液和浓溶液之间进行热交换

结构

6)溶液泵 将稀溶液送往发生器 7)工质泵 将工质加压喷淋在蒸发器管子上

设计

8)抽气装置 抽出不凝性气体 9)制热量控制装置 根据用户的需热量控制热泵的制热量 10)安全装置 确保热泵安全运转所需要的装置

性能

此外,对于直燃式机组还有燃烧装置等

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 节流部件 : 概述
节流板和U形管(也有成J形管)

1)U形管节流装置 将冷凝器和蒸发器的连接水管做成U形

原理

管,为防止低负荷工质水减少时发生传统现象(蒸汽未经过冷凝 直接进入蒸发器)U形管蒸发器一侧的U形管弯头部分的长度H,

必须大小按下式求得的值

结构

H=最大负荷时的压力差(mH2O)+ 余量(0.1~0.3mH2O) 2) 孔板节流装置 在连接冷凝器和蒸发器的工质水管中,装设

孔板或者开节流小孔,工质的流动组力为液封

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 安全装置 : 概述
机组压力过高导致破裂,防止电动机绕组过流烧毁,保证直燃式机组的 燃烧安全等,相关的检测点及检测内容如下:

溴化锂吸收式热泵的安全装置主要用于防止工质水冻结、溶液结晶、

原理

1)蒸发器 工质水温度与流量,防止水冻结。 2)高压发生器 溶液温度、压力和液位,防止出现溶液结晶。 3)低压发生器 熔晶管处温度,防止出现溶液结晶。 4)吸收器和冷凝器 待加热水温度和流量,防止溶液结晶。 5)屏蔽泵 液囊液位,防止屏蔽泵吸空;电动机电流或绕组温度,防止 过流使绕组烧毁。 6)直燃机组燃烧部分 火焰情况,确保安全点火及熄火自动保护;燃

结构

设计

气压力,确保燃气管道安全、燃烧安全(如压力过低时防止回火),防

止燃烧波动过大;烟气温度,确保燃烧及烟气热量回收部分工作正常;
风压及燃烧器风机电流,确保空气供应部分工作正常。

性能

7)机组内的真空度 确保机组的密封性

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 安全装置 : 概述
名称
冷水流量控制器 冷剂水低温控制器 冷剂水高位控制器

用途
冷水缺水保护,水量低于给定值一半时断开 冷剂水防冻,一般低于3℃时断开 防止溶液结晶 防止冷剂泵气蚀 防止高压发生器(特别是直燃机组中的高压发生器)中液位变换 防止高压发生器高温、高压 待加热水断水保护,一般水量低于给定值的75%时断开 防止停机时结晶 保护屏蔽泵 保护溶液泵 防止溶液结晶及高温 结晶后自动熔晶 防止压力异常时筒体破裂 防止燃烧不充分积热回收装置部分故障,用于直燃机组 安全点火装置,燃气压力保护系统,熄火自动保护系统,风压过低 自动保护系统,燃烧机过流自动保护

原理

冷剂水低位控制器 溶液液位控制器 高压发生器压力继电器

结构

待加热水流量控制器 稀释温度控制器及停机稀释装置 屏蔽泵过载继电器 溶液泵过载继电器

设计

溶液高温控制器 自动溶晶装置 安全阀 排烟温度继电器

性能

燃烧安全装置

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计步骤:
概述
1)根据用户要求、能源条件,确定机组的工作参数 2)根据确定的参数,划出机组的简图、工质与溶液循环 以及循环在P-T图和h -ξ图上表示 3)根据热平衡、质平衡、溴化锂平衡,求得所需要制热 量相适应的工质循环量、溶液循环量和各设备的传热量 4)根据各设备的传热量,确定传热面积 5)根据工质、溶液的流量,确定配管的大小、对泵及阀 的流量要求等 6)根据用户的空间及安装条件,确定采用单筒或者双筒 等结构形式,则可绘制设计横截面图 7)根据设备布置,校核液滴分离是否有问题,连接各设 备的配管尺寸是否合理,介质通过管内的压力损失是否限 制在允许的范围内,可确定泵的扬程和必要的吸入性能, 并对泵和阀门选型。

原理

结构

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

循环图的绘制 :
概述
1)在已知输送给用户的热水出口温度的基础上,加上适当的温 差(冷凝温度与热水出口温度的差值,△Tem)即得冷凝温度Tc, 与冷凝温度相对应的水的饱和蒸汽压力即为冷凝压力Pc 2)从低温热源水出口温度中,减去适当的温度差(低温热源水出

原理

口温度与蒸发温度的差值,△Tem)即得蒸发温度Te,与蒸发温度

结构

相对应的水的饱和蒸汽压力即为蒸发压力Pe 3)选定适当的吸收器和冷凝器的热负荷比值QA/QC,并求得被

加热水出吸收器的温度。在此温度上,加上适当的传热温差,

设计

即得吸收器出口溶液温度T2(但应考虑吸收器出口实际循环中溶 液浓度与理论浓度的偏差对传热温差值的影响)

性能

4)在溴化锂溶液的h- ξ图上,找出等压曲线pe和等温曲线T2的
交点,该点的横坐标即为稀溶液浓度ξ 1

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 概述
5)确定适当的浓溶液与稀溶液之间的浓度差,由ξ 1加上浓度差, 则可得浓溶液的浓度ξ 2 6)等浓度线ξ 2与等压线pc的交点,从此点作等温线,可查发生器 出口浓溶液温度T4 7)求等浓度线ξ 2与等压线pe交点,检查该点适当远离结晶线。

原理

结构

一般里结晶线5~6℃即可。若无这一裕量,则要进行浓溶液与 稀溶液的混合 8)考虑到循环的实际特性与上述描述有一定的差异,通常需要
进行修正,如吸收器出口与发生器出口处溶液的实际浓度与ξ 1 及ξ 2的差异(设实际循环吸收器出口出溶液浓度为ξ 1a, ξ 1- ξ 1a =△ ξ A;实际循环发生器出口溶液浓度为ξ 2a,ξ 2a- ξ 2=△ ξ G)。因此需要重新求取修正后的发生器出口温度T4a与吸收器出 口温度T2a,并校核在吸收器被加水出口温度上的传热温差值应 部小于(T2-T2a))。在T4a上加以适当的传热温差,即得驱动热 源的温度(如加热蒸气的饱和温度与饱和压力)。

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
设某用户需要温度为41.5℃的热水100m3/h,热水经用户后
温度降为32℃;低温热原水进蒸发器温度为 13℃,在其中降

原理

温5℃,出蒸发器温度为8℃;驱动热源采用2.0atm的蒸气。 1、基本工作参数的确定

结构

假定不考虑△ ξ A,△ ξ G的影响,其基本参数如下:
蒸发温度:Te=6℃;冷凝温度:Tc=44.5℃;发生器出

设计

口浓溶液出口温度:Tg=94℃;吸收器稀溶液出口温度: T2=42℃;溶液热交换器的热回收效率:∫ex=0.73

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 概述

设计简例 : 2、循环参数的确定
根据前面确定各点状态点的方法,暂定循环工质的质量

原理

流量为1kg/s,得循环各个状态点的参数如下表:

结构

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
点 1 1′ 物质 水 水蒸气 稀溶液 水 水蒸气 位置 蒸发器进口 蒸发器出口 吸收器出口 冷凝器出口 发生器蒸气出口 温度(℃)

压力 (mmHg)

焓(kj/kg)

质量分数 (LiBr)%

质量流量 (kg/s)

6
6 42 44.5 94

7
7 7 70 70

445
2940 265 607 3103

0
0 58 0 0

约1
1 15.5 1 1

原理

2 3

结构

3′≈4′≈5′

4
5

浓溶液
稀溶液 浓溶液 稀溶液 浓溶液

发生器溶液出口
发生中 吸收器中 热交换器出口 热交换器出口

94
85 52 71 60

70
70 7 - -

349
332 297 312 298

62
58 62 58 62

14.5
15.5 14.5 15.5 14.5

设计

6 7 8

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
主要部件的传热量 假定机组处于稳定工作状态,设循环工质的质量流量为 D=1kg/s,且已知溶液循环倍率为a=15.5,计算如下: 1、蒸发器吸热量QE QE=D(h1′-h3)=2332(kw) 2、冷凝器放热量QC QC=D(h4′-h3)=2496(kw) 3、吸收器放热量QA QA=D(h1′+(a-1)h8-ah2)=3162(kw) 4、发生器耗热量QG G=D((a-1)h4+ h4′-ah7)=3328(kw) 5、溶液热交换器的环热量QH QH=(h4- h8)(a-1)D=(h7h2)aD=731(kw) 6、机组热平衡分析 入机组的能量=QE+QG=5660(kw) 出机组的能量=QC+QA=5658(kw) 入、出机组的能量基本平衡,可以认为前面计算机基本正确。 7、热力系数 ∫=(QA+QC)/QG=5658/3327=1.7

原理

结构

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 设计简例 : 概述
参数计算 1、用户需要热量 已知热水流量Vw=100m3/h=27.8kg/s(取水的密

原理

度1000kg/m3),进吸收器的水温Twai=32℃,出冷凝器温度 Twco=41.5℃,设水的比热容为Cpw=4.2kj/(kg.℃),则热量 为

结构

Q=VwCpw(Twc-Twai)=27.8×4.2x(41.5-32)=1109(kw)

2、热泵循环工质的实际循环量 循环工质质量流量为1kg/s时,

设计

热泵的制热量为 QC+ QA=5658(kw)

故热泵的循环工质的实际质量流量为

性能

D=1109/5658=0.196(kg/s)

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
参数计算 3、各部件的实际传热量

原理

蒸发器吸热量:QE=2332×0.196=457(kw) 冷凝器放热量:QC=2496×0.196=489(kw) 吸收器放热量:QA=3162×0.196=620(kw) 发生器耗热量:QG=3327×0.196=652(kw)

结构

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
参数计算 4、各部件传热面积 1)冷凝器 被加热水进冷凝器的温度Twci和出吸收器的温度 Twao的计算为 VwCpw(Twco-Twci)=27.8×4.2× (41.5-Twci)=QC=489(kw) VwCpw(Twao-Twai)=27.8×4.2× (Twao-32)=Qa=620(kw) 解得 Twao=Twci=37.3(℃) 冷凝器的平均传热温差△Tcm;被加热水家口温度37.3℃, 出口温度为41.5℃,工质的冷凝温度44.5℃,可得平均传热 温差△Tcm=4.8℃. 根据经验数据取冷凝器基于内表面的传热系数: Kc=4800(W/(㎡.℃)) 则冷凝器的传热面积为 Fc=QC/(Kc×△Tcm)=489×1000/(4800×4.8)=21.2(㎡)(内表

原理

结构

设计

性能

面积)

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
参数计算
4、各部件传热面积 2)蒸发器 蒸发器的平均传热温差△Tem:低温热源水进口 温度13℃,出口温度8℃,循环工质蒸发温度6℃,可得平均 传热温差△Tem=3.99℃.

原理

结构

根据经验数据取蒸发器基于内表面的传热系数: Ke=4400W/(m2/℃)

设计

则蒸发器的传热面积为 Fe=QE/(Ke△Tem)=457*1000/(4400*3.99)=26.0(m2)

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 设计简例 : 概述

原理

结构

设计

性能

参数计算 4、各部件传热面积 3)吸收器 吸收器的平均传热温差△Tam:被加热水进口 温度32℃,出口温度37.3℃,由于吸收器中初温为T8的溶液 进入吸收器,先冷却到T6再从点6开始吸收工质蒸气,以温 度T2出吸收器,此过程中,被加热水主要带走的是吸收过 程中放出的热量,而将溶液从温度T8冷却到温度T6,仅需 使用3%~6%的传热面积即可。因此,吸收其中的传热量可 近似认为是溶液从温度T6变化到T2的过程中,传递给被加 热水的热量,故溶液进口温度为52℃,出口温度为42℃.此外, 吸收器中溶液与被加热水的传热方式近似为交叉流,得吸 收器的平均传热温差:△Tam=12.65℃ 根据经验数据取吸收器基于内表面的传热系数: Ka=1600W/(㎡.℃) 则吸收器的传热面积为 Fc=QA/(Ka△Tam)=620*1000/(1600*12.65)=30.6(㎡)

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
参数计算 4、各部件传热面积 4)发生器 发生器的平均传热温差△Tgm:驱动热源

原理

(2.0atm蒸气)的饱和温度为120℃。溶液在T7温度下进入发 生器,温度上升到T5,出发生器温度为T4。驱动热源的加

结构

热量主要消耗在溶液蒸发上,因此,可近似认为溶液侧进 口温度为85℃,出口温度为94℃,可得发生器的平均传热温 差为:△Tgm=30.3℃。

设计

根据经验数据发生器基于内表面的传热系数:Kg=1800W/(

㎡/℃)

性能

则发生器的传热面积为 Fg=Qg/(Kg△Tgm)=652×1000/(1800×30.3)=12.0(㎡)

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
参数计算 4、各部件传热面积 5)溶液热交换器 溶液热交换器的平均传热温差△Texm:

原理

在溶液热交换器中,通常是让溶液与管子成直角曲折形流 动,总体效果是与管内的稀溶液成反方向流动,因此可近

结构

似认为是逆流换热。稀溶液进口温度是42℃,出口温度是
71℃,浓溶液的进口温度是94℃,出口温度是60℃,则可 得溶液热交换器的平均传热温差为△Texm=20.4℃。

设计

根据经验数据取溶液热交换器基于内表面的传热系数:
Kex=530W(㎡.℃) 则溶液热交换器的传热面积为

性能

Fex=QH/(Kex△Texm)=143×1000/(530×20.4)=13.2(m)

溴化锂吸收式热泵原理基础知识

设计简例 :
概述
参数计算 4、各部件传热面积 6)驱动热源及低温热原介质流量

原理

驱动热源消耗量 设发生器中饱和蒸汽完全凝结为水,所放
热量全部用于加热发生器中的溶液。2atm时蒸汽的凝结 潜热为:hcL=2200kJ/kg,设其质量流量为Vs,则有

结构

VshvL=2200Vs=652(kW)
Vs=0.296(kg/s)=1.067(t/h) 低温热源消耗量 设低温热源的质量流量为Vd,水的比热容

设计

为Cpw,仅蒸发器的温度为Twei=13℃,出蒸发器的温 度为Tweo=8℃,则有 VdCpw(Twei-Tweo)=4.2Vd(13-8)=21Vd=457(kW) Vd=21.8kg/s=78.3(m3/h)

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 系统性能系数 : 概述
响系统性能系数的因素很多,主要有循环倍率,发 生温度、吸收温度、操作压力、蒸发温度、冷凝温度、

原理

稀溶液温度、放气范围等等,但发生温度吸收温度及放 气范围是受循环倍率、稀溶液浓度冷凝温度和蒸发温度 决定的,是引变量。

结构

设计

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 系统性能系数 : 概述
1、循环倍率对放气范围、发生终了温度、吸收开 始温度、性能系数和余热温升的影响:

原理

随着循环倍率的增加,放气范围逐渐减少,发生终 了温度和吸收开始温度降低,余热温升和性能系数下降。 这是由于随着循环倍率的增加,离开发生器的浓溶液的

结构

浓度减小,从而导致放气范围减小。在发生器内的压力 不变的情况下(发生器内的压力是由冷凝温度决定),浓

设计

溶液的温度即发生终了温度也会降低。

性能

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 系统性能系数 : 概述
2、蒸发温度对吸收起始温度与吸收终了温度余热 温升与性能系数的影响:

原理

随着蒸发温度的增加,吸收起始温度与终了温度以 及余热温升随之增加,性能系数随之降低。这是由于随 着蒸发温度的升高,蒸发压力与吸收压力也随之升高。

结构

当吸收器内稀溶液与浓溶液的浓度不变时,相应的吸收 起始与终了温度必然会升高。工业余热的温度越高,余

设计

热会被提升到越高的温位上。但是性能系数却相应的下 降。在冷凝器温度和循环倍率一定的情况下,不同浓度 的稀溶液对应着不同浓度的蒸发温度下限值。因此,稀

性能

溶液的浓度越高,要求废热热源的温度越高。

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 系统性能系数 : 概述
3、冷凝温度对性能系数和发生温度的影响: 性能系数和发生终了温度随着冷凝温度的增加而增

原理

加。发生终了的温度随着冷凝温度的升高而升高是由于 随着冷凝温度的升高,冷凝压力和发生压力也相应的升 高,当发生器内的稀溶液和浓溶液浓度不变时,其相应

结构

的平衡温度也会升高。因此,在作为发生器热源的工业 余热温度一定时,冷凝压力的提高会导致发生器内的传

设计

热温差减小。冷凝温度对吸收温度没有影响,所以,对 余热温升也没有影响。蒸发温度和循环倍率一定时,不 同浓度的稀溶液,对应着不同的冷凝温度上限值。稀溶

性能

液浓度愈高,要求冷凝水的温度愈低。

溴化锂吸收式热泵原理基础知识 系统性能系数 : 概述
4、稀溶液浓度对发生温度、吸收温度、余热提升 温度及性能系数的影响:

原理

发生温度、吸收温度、余热提升温度及性能系数 均随着稀溶液浓度的提高而提高。余热温度对余热提升 温度影响远小于稀溶液的浓度对余热温度提升的影响。

结构

所以,提高稀溶液的浓度更有利于余热温升的提高。虽 然稀溶液的浓度增加有利于性能系数和吸收温度的提高,

设计

但是稀溶液的浓度也不能过高,过浓的稀溶液会使浓溶 液更浓,操作不当容易出现溴化锂结晶的现象,影响热 泵的正常运行。

性能

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