吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

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吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

第28卷第7期

2007年7月

太阳能学报

AC?rAENERGIAESOLARIsSINI(认

V01.28,No.7

Jul.,200r7

利用第二类吸收式热泵回收地热余热

的模拟研究

朱家玲,刘国强,张伟

(天津大学地热研究培训中心,天津300072)

摘要: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,分析了系统主要参数对系统性能的影响。提出了利用第二类吸收式热泵回收地热余热的方案;利用模拟计算得出了相应的设计参数。对第二类吸收式热泵系统的模拟分析以及仿真编写了软件,并且对设计参数下的考『I.组系

统进行了仿真模拟,以观察主要参数的变化对机组运行的影响。关键词:第二类吸收式热泵;地热余热;回收;模拟

中图分类号:嚼2

文献标识码:A

引言

之间连通的管线。其系统原理图如图1所示。

利用热水

低品位热源

地热能作为一种新型能源,其应用也越来越广

 泛。天津拥有200多眼地热井,供暖面积达900万

平方米,占全国地热供热总数的77%。但是,从现有的运行机制分析,冬季运行存在尾水排放温度较高的问题,而且受多种条件制约,这部分废热通常由于品位较低得不到合理利用,而被直接排放到环境中。如果能将这部分废热回收再投入使用,既可以做到能源的充分利用,又可以减少对环境的热污染。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而不需要消耗额外的高品位能源,节能效果显著。因此对第二类吸收式热泵的研究就显得很有必要。

吸收器~r

I”蒸发

品位热源

Fig.1’Ihe

坚》

schemalicoftlleAHr

。黼泵

一朝一

图1第二类吸收式热泵原理简图

syst锄

其工作原理是在蒸发器中,来自冷凝器的低温冷水3吸收低温热源的热量后被汽化,产生的水蒸气17被送往吸收器。在吸收器中,来自发生器的溴

Tr飘sfo砌Ier,

l第二类吸收式热泵原理

简称J蝴)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。

第二类吸收式热泵主要由以下几部分组成:①蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器和溶液热交换器5个主要设备;②溶液泵和溶剂泵,节流阀以及各设备

第二类吸收式热泵(Absorption

Heat

化锂浓溶液67吸收水蒸气形成溴化锂稀溶液2,吸收过程中产生的热量被循环热水带走向采暖用户供热。产生的稀溶液经过溶液热交换器与来自发生器的浓溶液进行热交换使温度降低,经节流阀进入发生器。在发生器中,溴化锂稀溶液被低温热源加热发生解析,变成浓溶液4和水蒸气4’。浓溶液由溶液泵经溶液热交换器进人吸收器,水蒸气则被送往冷凝器。在冷凝器中,水蒸气被冷凝成冷剂水,冷剂

收稿日期:2006婢13

作者简介:朱家玲(1954一),女,研究员,主要从事地热资源的综合开发利用等研究技术。dmjl@tju.edll.m

吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

太阳能学报

28卷

溶液温度,℃;彳——溴化锂溶液浓度,%;系数ai值见文献[2];应用范围为o<x<70%,4.4<t<180℃。

3)溴化锂溶液的焓值怛j:

^(X,f)=∑∑oi膏一

(3)

式中o。i的值参见文献[2]。

4)饱和水的焓bJ:

式中:£。=貉;^。——饱和水的焓值,kJ/kg;

^。(£)=2099.3(o,+暑oit譬1)

(4)

£——溴化锂溶液的温度,℃;系数n,和啦参见文

献[3]。

5)饱和水蒸气的焓值u』:

危。=1977.8456+0.9858×10一2P一

3-8715×10.3P【高)+

u7

o.3鼢(盎)3—58.5啷P/(盎)3一 

25觚2.啷,P/(去)11

式中:^,——饱和水蒸气的焓值,l【J/kg;£——饱和水

蒸气温度,℃;P——饱和水蒸气压力,kPa。

2.2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:Q。=形×(矗。,一A,)(6)图2溴化锂第二类吸收式热泵循环在缸盖图上的表示

Fig.2‘Ikt11e瑚odynamiccyckof

冷凝器热负荷:Q。=形×(虬一^,)

(7)

hBr,H20AHr

on缸Xdiagmm

吸收器热负荷:

2.1溴化锂工质对的热物性数学关联式

QA=形[(cR—1)^8+危,,一cR×Il暑:](8)

在对溴化锂第二类吸收式热泵系统进行模拟计发生器热负荷:

算时,所需的溴化锂溶液和水蒸气主要的热物性数QG=矽[(CR一1)^。+矗掣一C:R×矗7](9)

学关联式如下:

岫_9.倘+蕊意‰

溶液热交换器热负荷:

1)饱和水蒸气的压力¨j:

QH=形(CR一1)(九8一五。)

=形×C:R(^2一^7)

(10)

(1)

系统的循环倍率:

式中:£——包和水蒸气的温度,℃;_p——饱和水蒸

气的压力,MPa。

积=篱瓣=志

u。一冷剂质量流量一‰一x。.

…,

uu

2)溴化锂溶液的露点温度[21(相应饱和水蒸气

系统性能系数:

的温度):

ta(F,x)=号【善善a声(考‘+32J一32J(2)“F,x)=吾[奎毫a≯(詈t+32)’一32】(2)

御=器瓣=盘

m,

放气范围:△x=晶一噩

式中:£。——溴化锂溶液的露点温度,℃;£——溴化锂

以上各式中:卜冷剂循环量,k∥h;^——焓值,

(13)

吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

7期朱家玲等:利用第二类吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

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kJ/kg;f——温度,℃;Q——各换热器的热负荷,kJ/kg;xH——溴化锂浓溶液的浓度,%;xL——溴化锂稀溶液的浓度,%。

2.3溴化锂第二类吸收式热泵系统的建模2.3.1基本假设

溴化锂第二类吸收式热泵系统循环是一个比较复杂的工作过程,为了能够简化计算,加快求解,本文作如下假设:

1)整个系统处于热平衡和稳定流动状态;2)不存在吸收不足和发生不足;3)蒸发器、冷凝器中工质为饱和状态;

4)忽略流阻、热损失和压力损失,工质节流前后焓值相等;

5)忽略泵功。2.3.2基本控制方程

系统的热力计算必须满足系统总质量平衡、能量平衡及系统中各设备质量平衡和能量平衡,即:质量平衡:∑m缸一∑m。=0溴化锂质量平衡: 

(14)

本文选择蒸发温度%、冷凝温度R、吸收温度n和发生温度n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。2.4第二类吸收式热泵系统仿真模型的建立

根据理论计算可以求出一定工况下第二类吸收式热泵机组各主要设备的设计参数。要在此基础上对某一固定的设计参数下的机组的工作情况进行分析,就要建立溴化锂第二类吸收式热泵系统的仿真模型,即在给定系统的输入参数值(各设备的进口温度和换热流体的温度)的条件下通过求解系统和各换热器的质量平衡方程、能量平衡方程、溴化锂的质量平衡方程以及各换热器的传热方程,求出系统的输出参数(各设备的出口温度值以及换热量)。

由于第二类吸收式热泵系统仿真模型中包含的控制方程和未知数较多,直接对方程组进行求解会非常困难,所以本文采用逐次迭代法依次对各未知数进行迭代求解,最终求出反映系统性能的各参数的值。为简化计算,假设计算过程中各个换热器的传热系数保持不变。2.5系统模型的求解

针对溴化锂第二类吸收式热泵系统特性,在vi.

sual

∑(,横)h一∑(施)。=0

能量平衡:

(15)

∑(础)抽一∑(砌)。。=0

(16)

c++6.0平台上编写了辅助计算软件。软件采

式中:滋——质量流量,k影h;x——溴化锂溶液的浓

度,%;^——相应流体的焓值,kJ/kg;下标ir进

入设备,our流出设备。

通过对溴化锂第二类吸收式热泵系统的质量平衡方程、能量守恒方程以及工质的物性方程的分析可知,当给定系统的4个独立变量时,系统的状态即可确定。

用面向对象的程序设计方法,按照问题涉及对象的不同特征,划分出不同的模块来求解整个问题。程序的框图如图3所示。

为了保证计算结果的可靠性,程序中设置了安全检查模块,针对溴化锂溶液的结晶问题、系统的热平衡进行检查。

基本参数设定及输入模块

溴化锂水溶液物性计算

模块换热器计算模块

系统热力计算模块

变工况分析模块

量竺竺苎兰兰茎竺厂厂芬磊面夏荔石磊夏

结果打印及输出模块

图3程序设计基本框图

Fig.3’IkII|ain如IIle0fthe硼撙锄

吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

太阳能学报28卷

3实例计算以及结果分析

针对低温地热尾水回收这一问题,本文提出了利用溴化锂第二类吸收式热泵技术对其回收的方案,即: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另一供热系统的循环回水由50℃提高到60℃左右。通过对溴化锂第二类吸收式热泵系统热力循环的模拟可知:

1)其它条件不变,蒸发温度升高,∞P增大,

△X变大,系统性能增强;

2)其它条件不变,冷凝温度升高,∞P减小,

△x减小,系统性能减弱;

3)其它条件不变,发生温度升高,c卯增大,

△x增大,系统性能增强;

4)其它条件不变,吸收温度升高,∞P减小,

△x减小,系统陛能减弱。

c卯与△x随以上参数的变化趋势如图4。图

7所示。

 

o.

§o.

0.O.

图4蒸发温度对∞P和△x的影响

Fig.4

E艉cts

∥一

蒸发温度/℃

of珏on∞P粕d△X

图5冷凝温度对∞P和△x的影响

Fig.5础融£s0f%on筑妒and△x

图6吸收温度对c0尸和△X的影响Fig.6瑚6ects

of

non

CDP

and△X

图7发生温度对c0P和△X的影响Fig.7瑚‰tsof%0n

coP

and△X

通过以上分析知,可通过提高蒸发温度、发生温度和降低冷凝温度、吸收温度来提高系统性能。但

是蒸发温度和发生温度又和废热水出口的温度相关,如果过高则会使地热尾水的回收效果降低。所以综合考虑系统性能以及地热尾水的回收效果,本文设定了如表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。计算结果如表2所示。

表1设计条件

,I捌e1%e

desi印pa聊neters

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7期

朱家玲等:利用第二类吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

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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]。以上计算得出的性能系数忽略了吸收式热泵机组运行、循环水泵以及冷却塔风机的耗电量,而对于本文设计条件下的机组,以上设备运行所需要的电功率约为1.7~2.0kw,所以,在不忽略系统消耗的电功率的情况下,系统的性能系数约为0.437一o.443,即在0.44左右。

针对以上计算得出的设计参数,本文利用软件对该参数下的溴化锂第二类吸收式热泵机组进行了变工况分析,分析了冷却水进口温度、溴化锂溶液的循环量等参数的变化对系统工作性能的影响。表3列举了冷却水进口温度的变化对机组运行的影响。

对于地热供暖,一般情况下是通过调节地热水

的开采量来适应因气候变化所发生的采暖负荷变化的,所以地热尾水的温度比较固定,而且溴化锂吸收式热泵机组也可以在一定范围内进行制热量的调节,故该方案理论上是可行的。

4结

本文对溴化锂第二类吸收式热泵循环进行分析,对系统进行了模拟及仿真计算,并且编写了相应的辅助计算软件。通过计算得出了第二类吸收式热泵循环的工作特性。对回收低温地热尾水的方案进行了模拟计算,得出了相应的设计参数,并完成了相应参数下系统的仿真计算,来考察机组的工作特性,为实际机组的设计提供了理论依据。

表2计算结果

Table2Da£aof(hecalculation

 

表3冷却水温度对机组性能的影响

本文所研究的第二类吸收式热泵系统是以50℃

syst哪

左右的驱动热源来驱动的,而目前实际应用或正在研究中的第二类吸收式热泵大都用60℃以上的热源进行驱动,所以本文进行的研究不但是对回收地热余热的一种薪方式进行研究,而且也是对第二类吸收式热泵在新工况下工作情况的探索式研究。

本文中编写的辅助计算软件为溴化锂第二类吸收式热泵循环的优化设计以及以后的实验台的建立打下了良好的基础。

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项目

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设计工况工况1工况2工况3

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太阳能学报

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吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

利用第二类吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):引用次数:

朱家玲, 刘国强, 张伟, Zhu Jialing, Liu Guoqiang, Zhang Wei天津大学地热研究培训中心,天津,300072太阳能学报

ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA2007,28(7)0次

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吸收式热泵回收地热余热的模拟研究

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