溴化鋰吸收式熱泵原理：

溴化鋰吸收式熱泵是利用水的蒸發(fā)、冷凝，以及溴化鋰水溶液吸收及解析水蒸氣的循環(huán)過程中產(chǎn)生的傳熱作用。其主要組成部件有蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器及發(fā)生器。為進一步提高效率，在發(fā)生器和吸收器之間放置了溶液熱交換器。根據(jù)這些主要設(shè)備的組合情況不同，可分為一類吸收式熱泵和二類吸收式熱泵。

一類吸收式熱泵，是以消耗高溫?zé)嵩醋鳛榇鷥r，通過向系統(tǒng)輸入高溫?zé)崮?蒸汽、燃料)，將低位熱源(廢熱)的熱能，提高其溫度以中溫形式供給用戶。

二類吸收式熱泵，是在不供給其它高溫?zé)嵩吹臈l件下靠輸入的中溫?zé)崮?廢熱)驅(qū)動系統(tǒng)運行，將其中一部分熱能品位提高，成為高溫?zé)崴蛘羝椭劣脩?，另一部份則排放至環(huán)境。

溴化鋰吸收式一類熱泵循環(huán)同溴化鋰吸收式制冷機循環(huán)相同，只是制冷機獲得冷量，吸收式熱泵獲得熱量。該熱泵可以從不容易利用的低溫?zé)嵩粗腥〉脽崃恐苽錈崴?一般最高90℃)。另外溴化鋰吸收式一類熱泵也可以在夏季供冷，冬季供熱。其循環(huán)流程圖：

制冷劑液體先從蒸發(fā)器的噴淋裝置噴淋到傳熱管上，吸收了傳熱管內(nèi)流動的熱源水(工廠排出的廢熱水)的熱量而蒸發(fā)成低溫冷劑蒸汽進入吸收器，低溫冷劑蒸汽在吸收器內(nèi)被溴化鋰濃溶液噴淋吸收，成為稀溶液，在吸收過程中放出熱量加熱應(yīng)用水，此應(yīng)用水進入冷凝器。

稀溶液由泵輸送到發(fā)生器內(nèi)，受到外界高溫?zé)嵩吹募訜?，產(chǎn)生高壓冷劑蒸汽，同時溴化鋰溶液濃度提高，成為濃溶液，經(jīng)換熱器放熱進入吸收器。高壓冷劑蒸汽進入冷凝器凝結(jié)放熱成冷劑水，同時此放熱進一步加熱應(yīng)用水。溴化鋰吸收式一類熱泵的性能系數(shù)大約在1.5~1.7之間。其可以利用15~40℃的廢熱源，將20~50℃的應(yīng)用水加熱到50~90℃的熱水供用。

溴化鋰吸收式二類熱泵的循環(huán)正好與溴化鋰吸收一類熱泵的機內(nèi)循環(huán)相反，能有效地利用熱水或蒸汽在吸收器內(nèi)產(chǎn)生的熱量，不需要外界提供高溫?zé)嵩矗溲h(huán)圖：

溴化鋰溶液先流入發(fā)生器，收到發(fā)生器管內(nèi)外界提供的廢熱蒸汽(熱水)的加熱，產(chǎn)生低壓冷劑蒸汽，溴化鋰溶液濃度提高，成為濃溶液，由泵打入到吸收器。產(chǎn)生的冷劑蒸汽在冷凝器中被冷卻成冷劑液體，由泵打入到蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)冷劑液體通過噴淋裝置，吸收了傳熱管內(nèi)外界提供的廢熱蒸汽(熱水)的熱量蒸發(fā)成高壓冷劑蒸汽進入吸收器，該冷劑蒸汽被溴化鋰濃溶液吸收，成為溴化鋰稀溶液，同時產(chǎn)生吸收熱，加熱了應(yīng)用熱水。溴化鋰吸收式二類熱泵的性能系數(shù)在0.4~0.6之間。由于溴化鋰吸收式二類熱泵用的是60~100℃的廢熱，冷卻水在10~40℃時，輸出的熱水或蒸汽的溫度可在100~150℃，因此節(jié)能效果十分明顯。

由于溴化鋰溶液的特殊性質(zhì)，在利用廢熱蒸汽時，并不是所有60~100℃范圍內(nèi)的蒸汽或熱水都能輸出100~150℃的熱水或蒸汽的，它與冷卻水的溫度有關(guān)，更重要的與溴化鋰溶液的濃度有關(guān)(濃度太高容易結(jié)晶)，也與溴化鋰溶液的放氣范圍有關(guān)。放氣范圍小，溶液循環(huán)量大，熱效率低，反之亦然。

主要部件：

1）蒸發(fā)器，借助于工質(zhì)的蒸發(fā)來從低溫?zé)嵩次鼰幔?/span>

2）吸收器，吸收工質(zhì)蒸汽，放出吸收熱；

3）發(fā)生器，使稀溶液沸騰產(chǎn)生工質(zhì)蒸汽，稀溶液同時被濃縮；

4）冷凝器，使發(fā)生器產(chǎn)生的工質(zhì)蒸汽凝結(jié)放出熱量；

5）溶液熱交換器，在稀溶液和濃溶液之間進行熱交換；

6）溶液泵，將稀溶液送往發(fā)生器；

7）工質(zhì)泵，將工質(zhì)加壓噴淋在蒸發(fā)器管子上；

8）抽氣裝置，抽出不凝性氣體；

9）制熱量控制裝置，根據(jù)用戶的需熱量控制熱泵的制熱量；

10）安全裝置，確保熱泵安全運轉(zhuǎn)所需要的裝置；

此外，對于直燃式機組還有燃燒裝置等。

節(jié)流部件：

節(jié)流板和Ｕ形管(也有成Ｊ形管)

1)Ｕ形管節(jié)流裝置，將冷凝器和蒸發(fā)器的連接水管做成Ｕ形管，為防止低負荷工質(zhì)水減少時發(fā)生傳統(tǒng)現(xiàn)象(蒸汽未經(jīng)過冷凝直接進入蒸發(fā)器)U形管蒸發(fā)器一側(cè)的U形管彎頭部分的長度H，必須大小按下式求得的值。

H=最大負荷時的壓力差(mH2O)+ 余量(0.1~0.3mH2O)

2)孔板節(jié)流裝置，在連接冷凝器和蒸發(fā)器的工質(zhì)水管中，裝設(shè)孔板或者開節(jié)流小孔，工質(zhì)的流動組力為液封。

安全裝置：

溴化鋰吸收式熱泵的安全裝置主要用于防止工質(zhì)水凍結(jié)、溶液結(jié)晶、機組壓力過高導(dǎo)致破裂，防止電動機繞組過流燒毀，保證直燃式機組的燃燒安全等，相關(guān)的檢測點及檢測內(nèi)容如下：

1）蒸發(fā)器，工質(zhì)水溫度與流量，防止水凍結(jié)。

2）高壓發(fā)生器，溶液溫度、壓力和液位，防止出現(xiàn)溶液結(jié)晶。

3）低壓發(fā)生器，熔晶管處溫度，防止出現(xiàn)溶液結(jié)晶。

4）吸收器和冷凝器，待加熱水溫度和流量，防止溶液結(jié)晶。

5）屏蔽泵，液囊液位，防止屏蔽泵吸空；電動機電流或繞組溫度，防止過流使繞組燒毀。

6）直燃機組燃燒部分，火焰情況，確保安全點火及熄火自動保護；燃氣壓力，確保燃氣管道安全、燃燒安全（如壓力過低時防止回火），防止燃燒波動過大；煙氣溫度，確保燃燒及煙氣熱量回收部分工作正常；風(fēng)壓及燃燒器風(fēng)機電流，確保空氣供應(yīng)部分工作正常。

7）機組內(nèi)的真空度，確保機組的密封性。

設(shè)計步驟：

1)根據(jù)用戶要求、能源條件，確定機組的工作參數(shù)。

2)根據(jù)確定的參數(shù)，劃出機組的簡圖、工質(zhì)與溶液循環(huán)以及循環(huán)在P-T圖和h -ξ圖上表示。

3)根據(jù)熱平衡、質(zhì)平衡、溴化鋰平衡，求得所需要制熱量相適應(yīng)的工質(zhì)循環(huán)量、溶液循環(huán)量和各設(shè)備的傳熱量。

4)根據(jù)各設(shè)備的傳熱量，確定傳熱面積。

5)根據(jù)工質(zhì)、溶液的流量，確定配管的大小、對泵及閥的流量要求等。

6)根據(jù)用戶的空間及安裝條件，確定采用單筒或者雙筒等結(jié)構(gòu)形式，則可繪制設(shè)計橫截面圖。

7)根據(jù)設(shè)備布置，校核液滴分離是否有問題，連接各設(shè)備的配管尺寸是否合理，介質(zhì)通過管內(nèi)的壓力損失是否限制在允許的范圍內(nèi)，可確定泵的揚程和必要的吸入性能，并對泵和閥門選型。

循環(huán)圖的繪制：

1)在已知輸送給用戶的熱水出口溫度的基礎(chǔ)上，加上適當(dāng)?shù)臏夭睿ɡ淠郎囟扰c熱水出口溫度的差值，△Tem）即得冷凝溫度Tc，與冷凝溫度相對應(yīng)的水的飽和蒸汽壓力即為冷凝壓力Pc。

2)從低溫?zé)嵩此隹跍囟戎?，減去適當(dāng)?shù)臏囟炔?低溫?zé)嵩此隹跍囟扰c蒸發(fā)溫度的差值，△Tem)即得蒸發(fā)溫度Te，與蒸發(fā)溫度相對應(yīng)的水的飽和蒸汽壓力即為蒸發(fā)壓力Pe。

3)選定適當(dāng)?shù)奈掌骱屠淠鞯臒嶝摵杀戎礠A/QC，并求得被加熱水出吸收器的溫度。在此溫度上，加上適當(dāng)?shù)膫鳠釡夭睿吹梦掌鞒隹谌芤簻囟萒2(但應(yīng)考慮吸收器出口實際循環(huán)中溶液濃度與理論濃度的偏差對傳熱溫差值的影響)。

4）在溴化鋰溶液的h- ξ圖上，找出等壓曲線pe和等溫曲線T2的交點，該點的橫坐標即為稀溶液濃度ξ 1。

5)確定適當(dāng)?shù)臐馊芤号c稀溶液之間的濃度差，由ξ1加上濃度差，則可得濃溶液的濃度ξ2。

6)等濃度線ξ2與等壓線pc的交點，從此點作等溫線，可查發(fā)生器出口濃溶液溫度T4。

7)求等濃度線ξ2與等壓線pe交點，檢查該點適當(dāng)遠離結(jié)晶線。一般里結(jié)晶線5～6℃即可。若無這一裕量，則要進行濃溶液與稀溶液的混合。

8)考慮到循環(huán)的實際特性與上述描述有一定的差異，通常需要進行修正，如吸收器出口與發(fā)生器出口處溶液的實際濃度與ξ1及ξ2的差異(設(shè)實際循環(huán)吸收器出口出溶液濃度為ξ1a，ξ1- ξ1a＝△ξA；實際循環(huán)發(fā)生器出口溶液濃度為ξ2a，ξ2a-ξ2＝△ξ G)。因此需要重新求取修正后的發(fā)生器出口溫度T4a與吸收器出口溫度T2a，并校核在吸收器被加水出口溫度上的傳熱溫差值應(yīng)部小于(T2－T2a)）。在T4a上加以適當(dāng)?shù)膫鳠釡夭睿吹抿?qū)動熱源的溫度(如加熱蒸氣的飽和溫度與飽和壓力)。

設(shè)計簡例：

設(shè)某用戶需要溫度為41.5℃的熱水100m3/h，熱水經(jīng)用戶后溫度降為32℃；低溫?zé)嵩M蒸發(fā)器溫度為13℃，在其中降溫5℃，出蒸發(fā)器溫度為8℃；驅(qū)動熱源采用2.0atm的蒸氣。

1、基本工作參數(shù)的確定

假定不考慮△ ξ A，△ ξ G的影響，其基本參數(shù)如下：

蒸發(fā)溫度：Te＝6℃；冷凝溫度：Tc＝44.5℃；發(fā)生器出口濃溶液出口溫度：Tg＝94℃；吸收器稀溶液出口溫度：T2＝42℃；溶液熱交換器的熱回收效率：∫ex＝0.73。

2、循環(huán)參數(shù)的確定

根據(jù)前面確定各點狀態(tài)點的方法，暫定循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量為1kg/s，得循環(huán)各個狀態(tài)點的參數(shù)如下表：

設(shè)計簡例：

主要部件的傳熱量：

假定機組處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，設(shè)循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量為D=1kg/s，且已知溶液循環(huán)倍率為a=15.5，計算如下：

1、蒸發(fā)器吸熱量QE，QE=D(h1′-h3)=2332(kw)

2、冷凝器放熱量QC，QC=D(h4′-h3)=2496(kw)

3、吸收器放熱量QA，QA=D(h1′+(a-1)h8-ah2)=3162(kw)

4、發(fā)生器耗熱量QG，G=D((a-1)h4+ h4′-ah7）=3328(kw)

5、溶液熱交換器的環(huán)熱量QH QH=(h4-h8)(a-1)D=(h7- h2)aD=731(kw)

6、機組熱平衡分析：

入機組的能量=QE+QG=5660(kw)

出機組的能量=QC+QA=5658(kw)

入、出機組的能量基本平衡，可以認為前面計算機基本正確。

7、熱力系數(shù)：∫=(QA+QC)/QG=5658/3327=1.7

參數(shù)計算：

1、用戶需要熱量：已知熱水流量Vw=100m3/h=27.8kg/s(取水的密度1000kg/m3)，進吸收器的水溫Twai=32℃，出冷凝器溫度Twco=41.5℃，設(shè)水的比熱容為Cpw=4.2kj/(kg.℃)，則熱量為Q=VwCpw(Twc-Twai)=27.8×4.2×(41.5-32)=1109(kw)

2、熱泵循環(huán)工質(zhì)的實際循環(huán)量：循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量為1kg/s時，熱泵的制熱量為QC+QA=5658(kw)

故熱泵的循環(huán)工質(zhì)的實際質(zhì)量流量為D=1109/5658=0.196(kg/s)。

3、各部件的實際傳熱量

蒸發(fā)器吸熱量：QE=2332×0.196=457(kw)

冷凝器放熱量：QC=2496×0.196=489(kw)

吸收器放熱量：QA=3162×0.196=620(kw)

發(fā)生器耗熱量：QG=3327×0.196=652(kw)

4、各部件傳熱面積

1）冷凝器：被加熱水進冷凝器的溫度Twci和出吸收器的溫度Twao的計算為：

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(℃)

冷凝器的平均傳熱溫差△Tcm；被加熱水加到溫度37.3℃，出口溫度為41.5℃，工質(zhì)的冷凝溫度44.5℃，可得平均傳熱溫差△Tcm=4.8℃.

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取冷凝器基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù)：Kc=4800(W/(㎡.℃))

則冷凝器的傳熱面積為：

Fc=QC/(Kc×△Tcm)=489×1000/(4800×4.8)=21.2(㎡)(內(nèi)表面積)

2)蒸發(fā)器：蒸發(fā)器的平均傳熱溫差△Tem：低溫?zé)嵩此M口溫度13℃，出口溫度8℃，循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)溫度6℃，可得平均傳熱溫差△Tem=3.99℃。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取蒸發(fā)器基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù)：Ke=4400W/(m2/℃)

則蒸發(fā)器的傳熱面積為：

Fe=QE/(Ke△Ｔｅm)=457*1000/(4400*3.99)=26.0(m2)

3)吸收器：吸收器的平均傳熱溫差△Tam：被加熱水進口溫度32℃，出口溫度37.3℃，由于吸收器中初溫為T8的溶液進入吸收器，先冷卻到T6再從點6開始吸收工質(zhì)蒸氣，以溫度T2出吸收器，此過程中，被加熱水主要帶走的是吸收過程中放出的熱量，而將溶液從溫度T8冷卻到溫度T6，僅需使用3%~6%的傳熱面積即可。因此，吸收其中的傳熱量可近似認為是溶液從溫度T6變化到T2的過程中，傳遞給被加熱水的熱量，故溶液進口溫度為52℃，出口溫度為42℃。此外，吸收器中溶液與被加熱水的傳熱方式近似為交叉流，得吸收器的平均傳熱溫差：△Tam=12.65℃。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取吸收器基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù)：Ka=1600W/(㎡.℃)

則吸收器的傳熱面積為：Fc=QA/(Ka△Tam)=620*1000/(1600*12.65)=30.6(㎡)

4)發(fā)生器：發(fā)生器的平均傳熱溫差△Tgm：驅(qū)動熱源(2.0atm蒸氣)的飽和溫度為120℃。溶液在T7溫度下進入發(fā)生器，溫度上升到T5，出發(fā)生器溫度為T4。驅(qū)動熱源的加熱量主要消耗在溶液蒸發(fā)上，因此，可近似認為溶液側(cè)進口溫度為85℃，出口溫度為94℃,可得發(fā)生器的平均傳熱溫差為：△Tgm=30.3℃。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)發(fā)生器基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù)：Kg=1800W/(㎡/℃)。

則發(fā)生器的傳熱面積為：Fg=Qg/(Kg△Tgm)=652×1000/(1800×30.3)=12.0(㎡)

5)溶液熱交換器：溶液熱交換器的平均傳熱溫差△Texm：在溶液熱交換器中，通常是讓溶液與管子成直角曲折形流動，總體效果是與管內(nèi)的稀溶液成反方向流動，因此可近似認為是逆流換熱。稀溶液進口溫度是42℃，出口溫度是71℃，濃溶液的進口溫度是94℃，出口溫度是60℃，則可得溶液熱交換器的平均傳熱溫差為△Texm=20.4℃。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取溶液熱交換器基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù)：Kex=530W(㎡.℃)

則溶液熱交換器的傳熱面積為：

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

6)驅(qū)動熱源及低溫?zé)嵩橘|(zhì)流量

驅(qū)動熱源消耗量：設(shè)發(fā)生器中飽和蒸汽完全凝結(jié)為水，所放熱量全部用于加熱發(fā)生器中的溶液。2atm時蒸汽的凝結(jié)潛熱為：hcL=2200kJ/kg，設(shè)其質(zhì)量流量為Vs，則有VshvL=2200Vs=652(kW)

Vs=0.296(kg/s)=1.067(t/h)

低溫?zé)嵩聪牧?設(shè)低溫?zé)嵩吹馁|(zhì)量流量為Vd，水的比熱容為Cpw，僅蒸發(fā)器的溫度為Twei=13℃，出蒸發(fā)器的溫度為Tweo=8℃，則有：

VdCpw(Twei-Tweo)=4.2Vd(13-8)=21Vd=457(kW)

Vd=21.8kg/s=78.3(m3/h)

系統(tǒng)性能系數(shù)：

影響系統(tǒng)性能系數(shù)的因素很多，主要有循環(huán)倍率，發(fā)生溫度、吸收溫度、操作壓力、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、稀溶液溫度、放氣范圍等等，但發(fā)生溫度吸收溫度及放氣范圍是受循環(huán)倍率、稀溶液濃度冷凝溫度和蒸發(fā)溫度決定的，是引變量。

1、循環(huán)倍率對放氣范圍、發(fā)生終了溫度、吸收開始溫度、性能系數(shù)和余熱溫升的影響：隨著循環(huán)倍率的增加，放氣范圍逐漸減少，發(fā)生終了溫度和吸收開始溫度降低，余熱溫升和性能系數(shù)下降。這是由于隨著循環(huán)倍率的增加，離開發(fā)生器的濃溶液的濃度減小，從而導(dǎo)致放氣范圍減小。在發(fā)生器內(nèi)的壓力不變的情況下(發(fā)生器內(nèi)的壓力是由冷凝溫度決定)，濃溶液的溫度即發(fā)生終了溫度也會降低。

2、蒸發(fā)溫度對吸收起始溫度與吸收終了溫度余熱溫升與性能系數(shù)的影響：

隨著蒸發(fā)溫度的增加，吸收起始溫度與終了溫度以及余熱溫升隨之增加，性能系數(shù)隨之降低。這是由于隨著蒸發(fā)溫度的升高，蒸發(fā)壓力與吸收壓力也隨之升高。當(dāng)吸收器內(nèi)稀溶液與濃溶液的濃度不變時，相應(yīng)的吸收起始與終了溫度必然會升高。工業(yè)余熱的溫度越高，余熱會被提升到越高的溫位上。但是性能系數(shù)卻相應(yīng)的下降。在冷凝器溫度和循環(huán)倍率一定的情況下，不同濃度的稀溶液對應(yīng)著不同濃度的蒸發(fā)溫度下限值。因此，稀溶液的濃度越高，要求廢熱熱源的溫度越高。

3、冷凝溫度對性能系數(shù)和發(fā)生溫度的影響：

性能系數(shù)和發(fā)生終了溫度隨著冷凝溫度的增加而增加。發(fā)生終了的溫度隨著冷凝溫度的升高而升高是由于隨著冷凝溫度的升高，冷凝壓力和發(fā)生壓力也相應(yīng)的升高，當(dāng)發(fā)生器內(nèi)的稀溶液和濃溶液濃度不變時，其相應(yīng)的平衡溫度也會升高。因此，在作為發(fā)生器熱源的工業(yè)余熱溫度一定時，冷凝壓力的提高會導(dǎo)致發(fā)生器內(nèi)的傳熱溫差減小。冷凝溫度對吸收溫度沒有影響，所以，對余熱溫升也沒有影響。蒸發(fā)溫度和循環(huán)倍率一定時，不同濃度的稀溶液，對應(yīng)著不同的冷凝溫度上限值。稀溶液濃度愈高，要求冷凝水的溫度愈低。

4、稀溶液濃度對發(fā)生溫度、吸收溫度、余熱提升溫度及性能系數(shù)的影響：

發(fā)生溫度、吸收溫度、余熱提升溫度及性能系數(shù)均隨著稀溶液濃度的提高而提高。余熱溫度對余熱提升溫度影響遠小于稀溶液的濃度對余熱溫度提升的影響。所以，提高稀溶液的濃度更有利于余熱溫升的提高。雖然稀溶液的濃度增加有利于性能系數(shù)和吸收溫度的提高，但是稀溶液的濃度也不能過高，過濃的稀溶液會使?jié)馊芤焊鼭?，操作不?dāng)容易出現(xiàn)溴化鋰結(jié)晶的現(xiàn)象，影響熱泵的正常運行。

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