吸收式热泵原理和计算

第三章第三章吸收式热泵的工作原理吸收式热泵的工作原理热能与动力工程专业轮机工程学院2009年8月主要内容3.1吸收式热泵概述3.2吸收式热泵的工作过程及热力学分析3.3吸收式热泵的工质对3.4热压缩机-吸收器/再生器3.1吸收式热泵概述压缩式热泵的工作过程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。吸收式热泵中，再生器和吸收器两个热交换设备所起的作用，相当于蒸气压缩式热泵系统中的压缩机的作用，因此，常把热泵中吸收器和发生器及其附属设备所组成的系统，称为“热压缩机”。吸收式制冷循环QeQcQaQaWp3.1.2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。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（TypeⅠAbsorptionHeatPump,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，以中温位的热能供给用户。3.1.3吸收式热泵的分类第二类吸收式热泵（TypeⅡAbsorptionHeatPump）或称为热变换器（HeatTransformer）则靠输入中温热能（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，送至用户，而另一部分热能则排放到环境中。废热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：蒸汽型热水型直燃型热泵余热型复合型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6.按机组的结构分：单筒式双筒式三筒式多筒式热泵12343412a.单筒式b.双筒式1.蒸发器；2.吸收器；3.发生器；4.冷凝器两种结构的特点单筒型1.结构紧凑2.密封性好3.高度低4.制作复杂5.热应力大6.热损失大双筒型1.热损失小2.热应力小3.结构简单，制作方便4.合适大热量机组的分割运输5.高度高6.连接管路多7.可能的泄漏点多3.2吸收式热泵的工作过程及热力学分析3.2.1第一类吸收式热泵3.2.2第二类吸收式热泵3.2.1第一类吸收式热泵与蒸汽压缩式热泵完全相同吸收式热泵特有的第一类吸收式热泵在P-T图上的表示第一类吸收式热泵的热力学计算热力学系数/制热系数（COP）CoefficientOfPerformancegacHQQQCOPQeQcQaQgWp与Qg比，数量很小，可以忽略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；根据热力学第二定律：cagSSSSS0根据热力学第一定律：cagQQQQ0COP的定义00TTTTTTCOPccgggaCHQQQCOPQeQcQaQgWpSTTgTaTcT000TTTTTTCOPccgg可逆热机可逆热泵第一类吸收式热泵的热力学计算质量衡算：再生器：34473xxxmmf吸收器：32mm46mm710mm32xx46xx吸收剂的浓度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capegQQWQQ比焓/︵kJ/kg)浓度（%）饱和液线气态平衡线710，9“8，99‘465213单效溴化锂第一类吸收式热泵循环在h-ξ图上的表示3g例3.1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。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。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）3.2.2第二类吸收式热泵废热第一类吸收式热泵第二类吸收式热泵第二类吸收式热泵的热力学计算热力学系数/制热系数（COP）egaHQQQCOP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；根据热力学第二定律：caegSSSSS根据热力学第一定律：caegQQQQCOP的定义caagcgTTTTTTCOPegaHQQQCOP第一类吸收热泵eccgegTTTTTTCOPSTTgTaTcT0caagcgTTTTTTCOP第二类吸收式热泵的热力学计算质量衡算：再生器：16671xxxmmf吸收器：31mm64mm710mm23xx64xx761mmm6611xmxm吸收剂的浓度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116677HmHmHmQg33101044HmHmHmQa8877HmHmQc991010HmHmQe66551HmHmWp88992HmHmWpcappegQQWWQQ21比焓/︵kJ/kg)浓度（%）饱和液线气态平衡线71098465213单效溴化锂第二类吸收式热泵循环在h-ξ图上的表示3g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。循环倍率第二类吸收热泵的性能系数所以，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。3.3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。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；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；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）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3.3.2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；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。Pwater.5℃Psolution,25℃•吸收剂应具有强烈吸收制冷剂的能力3.3.3工质对的种类随制冷剂的不同可分为四类：1.以水作为制冷剂制冷剂吸收剂水溴化锂氯化锂碘化锂2.以醇作为制冷剂制冷剂吸收剂甲醇溴化锂、碘化锂三氟乙醇（TFE）溴化锂、甲基吡喀烷酮(NMP)六氟异丙醇（HFIP）溴化锂3.以氨作为制冷剂制冷剂吸收剂氨水，硫氰酸钠水溶液，氯化钙水溶液甲胺水，硫氰酸钠水溶液，氯化钙水溶液4.以氟利昂作为制冷剂制冷剂吸附剂二氟一氯甲烷（R22）二甲醚四甘醇（DMETEG）三氟二氯乙烷（R123a）3.3.4热泵用工质对：溴化锂-水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。2.溴化锂溶液的溶解度：结晶问题！3.溴化锂溶液的饱和蒸汽压：4.溴化锂溶液的密度：5.溴化锂溶液的表面张力：6.溴化锂溶液的动力粘度：8.溴化锂溶液的热导率（w/m·K)质量分数（%）温度（℃）0255075100200.50.550.570.600.62400.450.490.510.530.55500.450.490.510.52600.430.450.480.50650.430.450.489.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3.4热压缩机-吸收器/再生器再生器的作用，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。R0管壁管轴线冷却水气相液相tm,qmδLiBrq吸收过程3.4.1吸收的方式a.降膜形式b.泡状形式c.喷雾形式水平降膜式垂直降膜式板式垂直降膜式3.4.2强化吸收过程的方法MicroMicro--scalehatchedtubescalehatchedtubeHelicalandtransversecorrugatedtubeSpiraltubeCorrugatedtubeFieldsynergytube膜反转吸收装置Md.RaisulIslametal.InternationalJournalofRefrigeration26(2003)909-917表面活性剂n-octanol（辛醇）n-heptanol（庚醇）2-ethyl-1-hexanol（二已基己醇）3-octanolYongTaeKang,TakaoKashiwagi,Heattransferenhancementbymarangoniconvectionprocess,ISHPC’02,Proc.Oftheint.sorptionheatpumpconf.shanghai,ChinaSe