第二章__吸收式熱泵的工作原理.ppt

1、第二章 吸收式熱泵的工作原理,特色專業(yè)輔修 建筑節(jié)能與空調工程 2015年4月,1,主要內容,2.1 吸收式熱泵概述 2.2 吸收式熱泵的熱力學分析 2.3 吸收式熱泵的工質對 2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構 2.5 吸收式熱泵的安裝調試與維護,2,2.1 吸收式熱泵概述,2.1.1吸收式熱泵的概念及結構簡圖,吸收式熱泵是一種以熱能為動力，利用溶液的吸收特性來實現(xiàn)將熱量從低溫熱源向高溫熱源的泵送的大型水/水熱泵機組,吸收式熱泵是利用兩種沸點不同的物質組成的溶液(通常稱為工質對或者二元溶液)的氣液平衡特性來工作的。,3,4,結構簡圖,5,再生器的作用，則是使制冷劑 (水)從二元溶液中汽化

2、，使稀溶液變濃。,吸收器的作用，是把制冷劑蒸汽輸送回二元溶液中去。依靠溶液泵來提高工質的壓力。,6,2.1.2吸收式熱泵的特點,優(yōu)點： 吸收式熱泵是一種以熱為動力的制熱方式，驅動它的熱量可以來自煤、氣、油等燃料的燃燒，也可以利用低溫熱能，如太陽能、地熱等，特別是可以直接利用工業(yè)生產(chǎn)中的余熱或廢熱； 制熱量非常大，通常制熱能力可達每小時幾百萬千焦； 體系中除溶液泵外，無其它傳動設備，耗電量很少。,缺點： 熱力系數(shù)較低，一般為0.42； 設備比壓縮熱泵循環(huán)龐大，靈活性較小,難以實現(xiàn)空冷化。,7,1. 根據(jù)制熱的目的來分： 第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。 第一類吸收式熱泵（Type Absor

3、ption Heat Pump, Heat Amplifier ），也稱增熱型熱泵，是以消耗高溫熱能作為代價，通過向系統(tǒng)輸入少量高溫熱能，進而從低溫熱源中回收一部分熱能，產(chǎn)生大量中溫位的熱能供給用戶。 特點：提高高位能源利用率。,3.1.3 吸收式熱泵的分類,8,第二類吸收式熱泵（Type Absorption Heat Pump）或稱為熱變換器(升溫型熱泵)（Heat Transformer）則靠輸入大量中溫熱能（通常是廢熱）驅動系統(tǒng)運行，將其中一部分熱能的溫位提高，即吸收過程放出的熱量，產(chǎn)生少量的高溫有用熱能。 特點：提高能源品位。,廢熱,9,2. 按熱泵所用工質對來分： 水-溴化鋰熱泵

4、氨-水熱泵,3. 按驅動熱源分： 蒸汽型 熱水型 熱泵 直燃型 余熱型 復合型,10,4.按驅動熱源的利用方式分： 單效熱泵：驅動熱源在機組中被直接利用一次 多效熱泵：驅動熱源在機組中被直接或間接利用多次 多級熱泵：驅動熱源在多個壓力不同的發(fā)生器中依次 被直接利用,5.按溶液循環(huán)流程分（流經(jīng)不同壓力發(fā)生器和吸收器的順序）： 串聯(lián)式 倒串聯(lián)式 并聯(lián)式 串并聯(lián)式,熱泵,11,6. 按機組的結構分： 單筒式 雙筒式 三筒式 多筒式,熱泵,a. 單筒式,b. 雙筒式,1.蒸發(fā)器；2.吸收器；3.發(fā)生器；4.冷凝器,12,兩種結構的特點,單筒型 結構緊湊 密封性好 高度低 制作復雜 熱應力大 熱損失大,

5、雙筒型 熱損失小 熱應力小 結構簡單，制作方便 合適大熱量機組的分割運輸 高度高 連接管路多 可能的泄漏點多,13,2.2 吸收式熱泵的熱力學分析,2.2.1 第一類吸收式熱泵 2.2.2 第二類吸收式熱泵,14,2.2.1 第一類吸收式熱泵,與其他熱泵完全相同,吸收式熱泵特有的,防結晶、熱回收作,15,Heat Amplifier,第一類吸收式熱泵在P-T圖上的表示,16,第一類吸收式熱泵的熱力學計算,熱力學系數(shù)/制熱系數(shù)（COP）,Coefficient Of Performance,與Qg比，數(shù)量很小，可以忽略,17,第一類吸收式熱泵的理想循環(huán),假設： 1. 整個吸收式熱泵循環(huán)過程是可逆

6、的； 2. 發(fā)生器熱媒的溫度為Tg； 3. 蒸發(fā)器中低溫熱源的溫度為T0； 4. 吸收器的吸收溫度Ta等于冷凝器中溫度Tc； 5. 忽略泵的功耗Wp；,18,根據(jù)熱力學第二定律：,根據(jù)熱力學第一定律：,COP的定義,19,S,T,Tg,Ta,Tc,T0,可逆熱機,可逆熱泵,20,第一類吸收式熱泵的熱力學計算,質量衡算： 再生器：,吸收器：,吸收劑的濃度,21,第一類吸收式熱泵的熱力學計算,能量衡算：,蒸發(fā)器,冷凝器,吸收器,泵,再生器,22,比焓/（kJ/kg),濃度（%）,飽和液線,氣態(tài)平衡線,7,10，9“,8，9,9,4,6,5,2,1,3,單效溴化鋰第一類吸收式熱泵循環(huán)在h-圖上的表示

7、,3g,23,例2.1 下表中給出了一溴化鋰水吸收式熱泵中各點的有關參數(shù)（各狀態(tài)點對應于圖，根據(jù)這些參數(shù)計算系統(tǒng)的循環(huán)倍率和各元件的熱量及系統(tǒng)COP。,24,在穩(wěn)定流動狀態(tài)，進出每一個單元的工質質量必須相等，因為水和溴化鋰之間沒有化學反應，所以每個組分進出每一個單元的質量也應當相等。又因為工質中只有兩個組分（水和溴化鋰），所以有兩個獨立的質量平衡方程。,組分 LiBr 的質量平衡,（a）,（b）,水的質量平衡可以由式（b）減去式（a）得到，即,（c）,例如，考慮再生器的質量平衡，工質質量平衡為,質量衡算,25,上式表明，通過泵的流體質量流量是 離開再生器的蒸汽質量流量的 10.84 倍 。,能

8、量平衡,蒸發(fā)器,冷凝器,再生器,吸收器,泵,另一個與質量有關的參數(shù)，并且是一個經(jīng)常用到的參數(shù)是溶液循環(huán)倍率，用 f 來表示。,26,由于泵消耗的功率與其他單元的熱傳遞速率相比很小，所以，在進行過程熱力學分析時，可以將其忽略。,吸收熱泵的性能系數(shù),如果將這套裝置用于制冷，則性能系數(shù)為,Coefficient Of Performance,大約,遠低于壓縮式熱泵 （79）,27,2.2.2 第二類吸收式熱泵,廢熱,28,Heat Transformer,AHT,第一類吸收式熱泵,第二類吸收式熱泵,29,30,第二類吸收式熱泵的熱力學計算,熱力學系數(shù)/制熱系數(shù)（COP）,Qa：吸收器放出的熱量 Qc

9、：冷凝器放出的熱量 Qg：供給發(fā)生器的熱量 Qe：蒸發(fā)器吸收的熱量,31,第二類吸收式熱泵的理想循環(huán),假設： 1. 整個吸收式熱泵循環(huán)過程是可逆的； 2. 發(fā)生器熱媒的溫度為Tg； 3. 蒸發(fā)器溫度Te等于再生器的溫度Tg； 4. 冷凝器的溫度Tc等于環(huán)境溫度； 5. 忽略兩個泵的功耗Wp；,32,根據(jù)熱力學第二定律：,根據(jù)熱力學第一定律：,COP的定義,33,34,第二類吸收式熱泵的熱力學計算,質量衡算： 再生器：,吸收器：,吸收劑的濃度,35,第二類吸收式熱泵的熱力學計算,能量衡算：,蒸發(fā)器,冷凝器,吸收器,泵,再生器,36,比焓/（kJ/kg),濃度（%）,飽和液線,氣態(tài)平衡線,7,10

10、,9,8,4,6,5,2,1,3,單效溴化鋰第二類吸收式熱泵循環(huán)在h-圖上的表示,3g,37,例 下表中給出某一熱泵循環(huán)系統(tǒng)相應于 P-T 圖中各點的有關參數(shù)?？筛鶕?jù)此表中的數(shù)據(jù)來計算質量平衡.能量平衡.循環(huán)倍率以及性能系數(shù)等。,38,循環(huán)倍率,第二類吸收熱泵的性能系數(shù),39,所以，,第二類吸收熱泵的性能系數(shù)雖然較低，一般在 0.40.49之間，但由于它利用的是工業(yè)生產(chǎn)中排放的 60100 的廢熱，因此節(jié)能效果十分顯著，日益得到人們的重視。,40,2.3 吸收式熱泵的工質對,吸收式熱泵工質對是兩組份溶液： 低沸點組分是制冷劑，它的作用與蒸汽壓縮式熱泵相同，通過它的蒸發(fā)和冷凝過程實現(xiàn)熱量從低溫物

11、體向高溫物體的傳遞。 高沸點的組分是吸收劑，通過它對制冷劑的吸收與解吸實現(xiàn)制冷蒸氣的壓縮。,41,3.3.1對制冷劑的要求：,工質熱物理性質的要求 臨界溫度高于冷凝溫度； 在熱泵溫度工作區(qū)間內有合適的飽和壓力； 冷凝溫度下，飽和壓力不要太高，避免工質泄露，降低部件的承受壓力； 蒸發(fā)溫度下，飽和壓力不要太低，否則不凝氣容易進入蒸發(fā)器； 比熱容??； 減少節(jié)流損失 ；,42,汽化潛熱大； 一般工質的分子量越大，汽化 潛熱越小，因此，工質分子量 要?。?導熱系數(shù)大； 強化傳熱過程； 粘度和密度要低； 降低流動阻力,減少泵功；,43,環(huán)保要求,對臭氧層的破壞 大氣臭氧層損耗潛能值 （Ozone Depl

12、etion Potential，ODP） 溫室效應 全球溫室效應潛能值 （Global Warming Potential，GWP） 總當量變暖影響 （Total Equivalent Warming Impact, TEWI) 壽命期氣候性 （Life Cycle Climate Performance，LCCP）,44,其他方面要求,化學性質穩(wěn)定； 無可燃性 無腐蝕性 無毒 經(jīng)濟性好,45,2.3.2 對吸收劑的要求,具有強烈的吸收制冷劑的能力，既具有吸收比它溫度低的制冷蒸氣的能力； 相同壓力下，它的沸點要高于制冷劑，而且相差越大越好，可以提高發(fā)生器中制冷劑的純度，進而提高系統(tǒng)COP； 與

13、制冷劑的溶解度高，可以避免結晶的危險；,46,在發(fā)生器和吸收器中，對制冷劑溶解度的差距大，以減少溶液的循環(huán)量，降低溶液泵的能耗； 粘度小，以減少在管道和部件中的流動阻力； 熱導率大； 化學性質穩(wěn)定； 無臭，無毒，不燃燒，不爆炸； 對環(huán)境友好； 經(jīng)濟性好。,47,Pwater.5Psolution,25 ,吸收劑應具有強烈吸收制冷劑的能力,48,2.3.3 工質對的種類,隨制冷劑的不同可分為四類： 1. 以水作為制冷劑,49,2. 以醇作為制冷劑,50,3. 以氨作為制冷劑,51,4.以氟利昂作為制冷劑,52,2.3.4 熱泵用工質對：溴化鋰-水(P75),1.溴化鋰的物理化學性質： 化學式：L

14、iBr； 相對分子量：86.856； 成分：Li為7.99%，Br為92.01%； 密度：3464kg/m3 (25 ); 熔點：549 ； 沸點：1265 ； 溴化鋰溶液是無色透明的，對金屬有腐蝕性，因加入了緩蝕劑-鉻酸鋰，呈微黃色。,53,2. 溴化鋰溶液的溶解度：,結晶問題！,溶解度的大小除與溶質和溶劑的特性有關外，還與溫度關系很大。溫度降低，溶解度減小，飽和溶液有晶體析出。 使用溴化鋰溶液時，必須考慮其結晶溫度。 作為熱泵機組的工質，溴化鋰溶液始終處于液體狀態(tài)，運行和停機期間也必須防止結晶。,54,3. 溴化鋰溶液的飽和蒸汽壓：,溴化鋰溶液具有吸收比其溫度低得多的水蒸氣的能力，對于水蒸

15、氣來說，溴化鋰溶液是一種良好的吸收劑。,55,4. 溴化鋰溶液的密度：,溴化鋰溶液的密度比水大，當溫度一定時，隨著質量分數(shù)增大，其密度增大；如質量分數(shù)一定，則隨著溫度的升高，其密度減小。,56,5. 溴化鋰溶液的表面張力：,與溫度和質量分數(shù)有關，質量分數(shù)不變時，隨溫度的升高而降低；溫度不變時，隨質量分數(shù)的增大而增大。在機組中，吸收器與發(fā)生器往往采用噴淋式結構，溴化鋰溶液表面張力越小，越利于形成薄膜狀，可大大提高傳質和傳熱效果。,57,6. 溴化鋰溶液的動力粘度：,粘度是表征流體粘性大小的物理參數(shù)，隨著質量分數(shù)的增加，溴化鋰的粘度急劇增加；在一定質量分數(shù)下，隨著溫度升高，粘度下降。粘度的大小對溶

16、液在吸收式機組中的流動狀態(tài)和傳熱有較大影響。,58,7. 溴化鋰溶液的定壓熱容：,隨溫度額度升高而增大，隨質量分數(shù)的增大而減小，且比水小得多。比熱容小說明在溫度變化時需要的熱量少，有利于提高機組的熱效率。,59,8. 溴化鋰溶液的熱導率（w/mK),T不變時，熱導率隨質量分數(shù)的增大而減小，質量分數(shù)不變時，隨溫度的升高而增大。,60,9. 溴化鋰溶液的腐蝕性,特點: 1.點腐蝕和縫隙腐蝕特 別嚴重！ 2. 有氧時腐蝕嚴重！,措施： 1.加緩蝕劑（如鉻酸鋰、鉬酸鋰等） 2.保持設備的密封性,61,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,原理流程圖,62,原理流程圖,63,2.4 吸收式熱泵機組的換

17、熱過程和結構,原理流程圖,64,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,換熱過程一,在真空的蒸發(fā)器內，利用水在負壓狀態(tài)下沸點降低的原理，來自冷凝器的蒸汽凝水噴淋在蒸發(fā)器換熱管的外表面低溫蒸發(fā)，吸收換熱管內部流動的低溫廢熱源的熱量，同時產(chǎn)生蒸汽進入兩側加熱器，完成熱量的回收提取過程。,65,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,換熱過程二,在吸收器內，利用溴化鋰濃溶液的吸水放熱性能，頂部的溴化鋰濃溶液吸收來自蒸發(fā)器的水蒸汽，溶液的溫度迅速升高，溶液分布在吸收器換熱管外部，加熱換熱管內需要提高溫度的熱媒，實現(xiàn)了低溫熱源的熱量向被加熱熱媒轉移，同時溴化鋰溶液由濃變稀，不再具有吸水性，需要濃縮后循環(huán)

18、使用。,66,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,換熱過程三,在發(fā)生器內，利用驅動熱源的熱量，對來自吸收器的溴化鋰稀溶液進行濃縮，產(chǎn)生的濃溶液繼續(xù)回到吸收器內繼續(xù)吸收水蒸汽加熱供熱水，溶液濃縮產(chǎn)生的高溫二次蒸汽去冷凝器。,67,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,換熱過程四,在再加熱器內，利用來自發(fā)生器的高溫二次蒸汽凝結潛熱的熱量，對來自吸收器的經(jīng)過一次加熱的熱媒進行再次加熱，最終達到我們所需溫度的熱媒，蒸汽凝結成為凝水輸送到蒸發(fā)器繼續(xù)進行循環(huán)蒸發(fā)。,68,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,說明： 顯熱：是物質不發(fā)生相變吸收或放出的熱量，熱量轉移過程中，伴有溫度變化。 (狀態(tài)不變

19、，溫度變) 潛熱：物質發(fā)生相變過程吸收或發(fā)出的熱量，熱量轉移過程中，溫度不變。(狀態(tài)變化，溫度不變) 1mol水(100)蒸發(fā)成1mol水蒸汽(100)需要吸收40.62kj的熱量，這部分熱量就是潛熱；而1mol60水升溫至100(無水蒸汽生成)需要吸收的熱量(約3.014kj)就是顯熱。 水的摩爾質量是18g/mol，1摩爾水的質量是0.018千克,69,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,單效型溴化鋰機組結構,蒸發(fā)器 借助制冷劑水的蒸發(fā)來從低溫熱源吸收熱量。 吸收器 吸收制冷劑蒸汽，保持蒸發(fā)壓力恒定，同時放出吸收熱。 發(fā)生器 使稀溶液沸騰產(chǎn)生制冷劑蒸汽，稀溶液同時被濃縮。 冷凝器 使制

20、冷劑蒸汽冷凝，放出凝結熱。 溶液熱交換器 在稀溶液和濃溶液間進行熱交換，提高機組熱效率。 液泵和制冷劑泵 輸送溴化鋰溶液和制冷劑水。 抽氣裝置 抽除影響吸收與冷凝效果的不凝性氣體。 控制裝置 有熱量控制裝置、液位控制裝置等。 安全裝置 確保安全運轉所用的裝置。,70,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,直燃單效型溴化鋰機組結構,采用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量作為驅動熱源。按燃料的低位熱值計算，根據(jù)運行工況不同，制熱COP值為1.651.75,71,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,直燃雙效型溴化鋰機組結構,燃料燃燒產(chǎn)生的熱量作為驅動熱源。按燃料的低位熱值計算，根據(jù)運行工況不同，制熱COP為2

21、.32.4,72,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,直燃雙效型溴化鋰機組結構,采用煙氣廢熱作為驅動熱源。由于煙氣和余熱水均屬于廢熱，節(jié)能效果最佳，以煙氣提供熱量來計算：制熱COP值為1.751.85,73,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,直燃雙效型溴化鋰機組結構,采用煙氣廢熱作為驅動熱源。由于煙氣和余熱水均屬于廢熱，節(jié)能效果最佳，以煙氣提供熱量來計算：制熱COP值為1.751.85,74,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,單筒溴化鋰機組結構,75,2.4 吸收式熱泵機組的換熱過程和結構,雙筒溴化鋰機組結構,76,2.5 吸收式熱泵機組的安裝調試與維護,2.5.1 機組安裝,

22、溴化鋰機組在出廠時，小型機組為整體式，可整體運輸；中大型機組則是分體式，即分為兩件或多件運輸。 1、整體機組的安裝 （1）機組的檢查 機組在出廠前，內部已經(jīng)充注表壓為0.020.04MPa的氮氣，安裝前應對應機組外觀、電氣儀表、機組壓力情況等進行檢查，確保運輸過程中機組無任何損壞。,77,2.5.1 機組安裝,1、整體機組的安裝 （2）機組的吊裝 一般采取鋼絲繩起吊機組。由于制造廠商的不同，機組起吊方法也各異。一般用兩根鋼絲繩起吊機組主筒體的兩端，機組設有專用的吊孔，用鋼絲繩穿過吊孔起吊。 吊裝機組一定要精心組織、謹慎操作，確保不會損壞機組的任何部分。尤其注意鋼絲繩吊索和機組的接觸部位、吸管、

23、接線和儀表等易損件。在機組起吊時一定注意保持水平，在接觸地面時，應該輕輕接觸地面或基礎面。,78,2.5.1 機組安裝,以博寧3機組吊裝為例：,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,機組底座增加防震墊,99,2.5.1 機組安裝,1、整體機組的安裝 （3）機組的安裝 溴化鋰吸收式熱泵機組震動小、運行平穩(wěn)。其基礎按靜負荷計算。在機組就位前，應清理基礎表面的污物，并檢查基礎標高和尺寸是否符合設計要求，檢查基礎平面的水平度，機組就位后，必須對機組進行校正。,100,2.5.1 機組安裝,1、整體機組的安裝 機組的校正方

24、法： a、在吸收器管板兩邊，或在筒體兩端，找出機組中心點。如果找不到中心點，應該利用鈑金加工部位作為基準點。 b、用水平儀校正機組的水平。機組合格的水平標準是縱向在1mm/m以內，若機組尺寸為6m或者大于6m，合格值應該小于6mm，機組橫向標準是小于1mm/m。 c、如果機組水平不合格，可用起吊設備，通過鋼絲繩慢慢起吊機組的一端，用鋼板墊片來調節(jié)機組的水平。,101,2.5.1 機組安裝,2、分體機組的安裝 (1)、機組外觀及壓力檢查 分體機組的各件內部在出廠前都已經(jīng)充好氮氣，安裝前應檢查各個件的氮氣壓力，確保機組完好。 (2)、機組的吊裝 分體式機組的各個部件的吊裝與整體機組的類似，不同的是

25、要先將下筒體調在基礎上并進行橫縱兩向找平，只有在下筒體水平度合格后方可將上筒體吊裝在下筒體上，同時，還要對上筒體找平。 (3)、機組的安裝 上下筒體就為完畢后，鏈接上下筒體間的有關管道和部件，并現(xiàn)場焊接安裝。鏈接操作開始前，應打開蒸發(fā)器吸收器組建的輔助閥以及發(fā)生器或冷凝器上的輔助閥，將氮氣放出，并用火焰切割去除所有管道上面的蓋板、毛刺和垃圾。,102,2.5.2 機組調試,1、調試前準備 (1)、機組外部配套設施的檢查 a、水路系統(tǒng)的檢查 b、供熱系統(tǒng)的檢查 (2)、機組的檢查 a、抽氣系統(tǒng)的檢查 b、機組氣密性檢查 c、機組電氣設備和自控元器件的檢查 注意：檢查后所有閥門和系統(tǒng)都應該還原。,103,2.5.2 機組調試,2、溴化鋰溶液的充注 (1)、溴化鋰溶液介紹 溴化鋰都是以溶液狀態(tài)供應，質量分數(shù)一般都在50%左右，且已經(jīng)加入了0.2%左右的鉻酸鋰或者是0.1%左右的鉬酸鋰緩蝕劑，溶液的PH值調整為910.5。,104,2.5.2 機組調試,2、溴化鋰溶液