第二类吸收热泵的研究和发展 - 文章

第二类吸收热泵的研究和发展

作者：任连伟陈嘉宾李淞平王建国

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文摘：介绍10年来对第二类吸收热泵的研究情况，说明第二类吸收热泵的发展趋势。
关键词：吸收热泵，工质对，太阳能，传热，传质

0 引言

第二类吸收热泵简称为AHPⅡ，更常简称为AHT(吸收热量转换器或ITB工业增温机)。随着能源价格不断上涨和供应日趋紧涨，回收工业废热和利用太阳能的AHT技术在国外已成为有效利用能源的研究热点。从1976年到1985年共发表关于AHT的文献有50余篇，并开始在生产中取得实际效益。尤其是日本、西欧等能源紧缺的国家，更是重视对AHT的研究、开发、应用。AHT的一次性投资虽然较高，但其投资费用均可在2年内回收，故其经济效益十分明显。

1 10年来AHT的研究工作

AHT主要由三个指标来描述其技术经济性能，(1)制热系数，即性能系数COP；(2)升温能力ΔT；(3)设备的体积。为了提高COP和ΔT，减小设备体积，许多专家对AHT的热力循环、传递过程机理及强化、工质对、系统模拟及优化等方面进行了广泛的研究，本文就近十年来有关AHT的文献报道作一概要的回顾。

1.1 热力学分析

AHT 是以废热为动力，利用工质对的吸收-解析循环从而实现废热增温回收的装置。从热力学的观点来看，AHT循环是由热机循环与热泵循环组成的联合循环过程。热机循环是指溶液的浓缩和水蒸汽冷凝，由再生器和冷凝器组成，废热经再生器、冷凝器向环境排放的同时作功，这部分功表现为溶液被浓缩。热泵循环则是指工质水的蒸发和吸收，由蒸发器和吸收器组成，在伴随着溶液被稀释而释放功的作用下，废热从蒸发器流向吸收器，并被提升至有用的温度。

Perez-Blance等研究表明〔3，4〕，AHT的COPmax只与吸收、再生、蒸发、冷凝的温度有关，并且得出：要取得尽可能高的实际COP，就要增加工质对的浓差，减小流率比，提高吸收、蒸发温度和溶液换热器的效率以及降低冷凝温度等；要获得较高的ΔT，就必须提高吸收剂的浓度和吸收器的操作压力，此时要以减小COP为代价。不少专家也对COP、ΔT、再生温度、冷凝温度和溶液换热器效率等操作条件之间的关系作了大量工作〔5-8〕，分别从理论和实际的角度出发，得出只有改善热力循环过程，使其接近可逆过程，尽量减少系统的不可逆损失(如减小传热温差、增加吸收时绝热过程等)，才能获得较好的操作性能。

1.2 传递过程机理及强化

在AHT系统中的蒸发器、吸收器和再生器等均采用垂直管外降膜传热传质的形式，但水-溴化锂溶液降膜传热传质过程是一个较为复杂的过程。虽然有关这方面已做了许多工作〔9-14〕，但至今还没有获得较好计算热质传递系数的实用公式。其中有些文献是以某些假定为前提，根据简化的数学模型，直接由连续性方程、动量方程、能量方程以及定解条件，用计算机进行数值求解；有些文献则是在理论分析的基础上，进行了实验研究，并归纳出在一定范围内适用的半经验、半理论公式。这些文献对AHT系统中吸收器和再生器等的设计有一定参考价值。

主要由蒸发器、吸收器、再生器、冷凝器和溶液换热器等设备组成的AHT，其投资费用取决于这些设备的传递面积，约占总投资的80％左右，其操作和调节又和了解上述设备中的热质传递的机理、各操作参数变化对热质传递的影响密切有关。根据热质传递过程的机理，一些学者谋求采取有效的强化措施，如Kim等利用流体不稳定性引起的液面波动，不断破坏扩散边界层，大大强化了传质速率〔15〕。Rush等总结出添加剂强化吸收的效果〔16〕。Kashiwagi等分析了Marangoni效应强化吸收热质传递的机理等〔17，18〕。这些工作为进一步减少传递面积，降低设备投资费用指出了有效的途径。

1.3 工质对(制冷剂-吸收剂)的研究

AHT所使用的工质对，在相当程度上决定了它的操作条件与性能、设备采用的材料以及投资规模等。

以水为制冷剂、溴化锂为吸收剂是目前主要的一种工质对。由于水的冻结和溴化锂的结晶、腐蚀等问题，限制了它的使用温度(5―150℃)。为了改善其性能，扩大它的应用范围，现在正在考虑添加其它成分，如H2O-LiBr-ZnCl2、H2O-LiBr-CaCl2以及新工质对H2O-LiCl、H2O-NaOH等〔19，20〕，此外为了彻底解决腐蚀问题，还开展了一些有机系列工质对的研究〔21-24〕，表1中比较有希望的为TFE-Pyr(三氟乙醇-吡咯酮)，已建立了采用TFE-Pyr工质对的AHT试验装置〔25-27〕。尽管上述工质对在某些方面较H2O-LiBr有所改善，但综合性能还不如H2O-LiBr，近期内尚不能在AHT中实际应用〔28〕。

表1 有机工质对

表中画“○”的表示二者可组成工质对

1.4 吸收循环的改进

为了进一步提高循环的热力学性能和升温能力，下面针对具有重要应用前景的改进循环作简要介绍。

1.4.1 二次升温的AHT

二次升温的AHT简称DLHT〔29〕，其工作状态见图1。它是由两级AHT组成，一级循环吸收器A1放出的热量供给二级循环的蒸发器V2，二者之间的热量可用热载体传递，或把V2放在A1的管内来实现，中试规模的DLHT装置已经建立，试验中升温能力ΔT近70℃，相应的COP却降至0.32左右。结果表明DLHT是很有希望的。

图1 二次升温的AHT循环

1.4.2 自再生式吸收升温循环

自再生式吸收升温循环简称为SRATA〔30〕，有些文献将其称为再生吸收换热循环，并被简称为GAX〔31〕。该系统是在单循环操作压力下运转，把吸收器排出的稀溶液所具有的热量直接传给再生器供溶液再生，从而增加了再生的深度。结果是提高了升温能力ΔT，但相应的COP也降低了。图2是用TFE-E181作工质对，用计算机模拟计算的结果，它说明了常规AHT和SRATA两种循环各自的输出温度与废热温度之间的关系。由图2可见，在相同废热温度下，SRATA输出热量的温度明显高于常规AHT循环，因此更适合于某些工业需求。图3表明了SRATA的实施方案，它的设计思想是力求装置紧凑，但真正应用还需要做不少工作。

图2 二种循环应用的领域
冷凝温度：--Tc＝25.5℃，----Tc＝15.0℃

图3 SRATA实施方案

1.4.3 附带增压器的吸收循环

图4表示了附带增压器的吸收循环〔28〕，它用增压器替代两级吸收循环的吸收器A2和蒸发器V2(参见图1)，其优点是能利用温度较低的废热和提高了升温能力。类似的还有吸收-压缩的复合循环等，也正在研究开发之中。

图4 附带增压装置的吸收循环

1.4.4 双效AHT

双效AHT简称DEHT〔32〕，它的COP可达0.65，但相应的升温能力较差。其工作状态见图5，其主要特点是以冷凝器K2放出的热量来加热再生器G1，即由G2出来的冷剂在G1的管内冷凝。与单效AHT相比，它只增加了再生器和溶液换热器各一台，故双效的设备费用并不比单效贵很多。

图5 双效AHT循环

1.4.5 两类吸收热泵结合的循环

两类吸收热泵结合的循环就是第一类和第二类吸收热泵的结合，简称HPT。其工作状态见图6，是同时实现提高COP和ΔT的装置。Bokelmann〔33〕和Scharfe〔34〕等进行了HPT装置的试验，它由两级AHP和两级AHT组成，其COP可高达4，在常规AHT中只能操作一个加热单元的热量，而在HPT中却能操作四个加热单元。例如若HPT安装在四效蒸发器的蒸发装置中，则总的COP可达到16。这种装置主要用于水处理、食品、饮料工业的蒸发过程中。与蒸汽压缩、蒸汽喷射压缩等其它节能蒸发装置相比，HPT的优点是省电，不必考虑除尘、捕沫问题，并且没有其它技术上的限制等。

图6 HPT循环

1.4.6 热虹吸式自循环AHT

合理布置吸收器和再生器的高度，利用液位建立起吸收器和再生器之间溶液输送所需的压差，同时依靠在再生后低温高浓度溶液与吸收后高温低浓度溶液之间的密度差，使溶液在再生器和吸收器之间自行循环。这样，整个系统就可以不用循环泵，不但节省投资和电耗，减少空气的渗漏，而且也避免了维修泵所带来的一些麻烦。热虹吸式自循环AHT的实验装置已经建立，并已取得较好的结果〔35，36〕，有待于进一步推广应用。

1.4.7 开式AHT

以上介绍的主要是闭式AHT，所谓开式AHT是将再生器蒸出的水蒸汽直接排放于环境中，省去了闭式AHT中的冷凝器，另外用闪蒸室代替闭式AHT中的蒸发器，废热直接进入闪蒸室，闪蒸出的蒸汽供吸收器吸收产生高温位热量。系统中不用冷凝器和蒸发器，可消除在这两个设备中的传热温差，而明显提高其COP。开式AHT用于太阳能回收方面的研究十分活跃〔37〕。但在其它方面的应用中，由于工质要与空气接触，易混进杂质，影响操作和加大对设备的腐蚀(尤其是对H2O-LiBr系统)，另外还需要增加空气净化设备等，从而增加了设备投资和动力消耗，应用受到很大限制〔38，39〕。

1.5 计算机模拟和优化设计

AHT由多个单元设备组成，在给定操作条件下它们之间将存在一个合理的匹配问题，所以设计时就要充分考虑系统的优化。优化的目标是在装置每年节省能源费用和设备投资费用之间寻找出最短的投资回收期〔40，41〕。此外随着吸收循环的改进，采用不同的工质对，各种不同结构、多级复杂循环的出现，都可以用计算机对整个过程进行模拟。作为研究开发及优化设计的有力工具，各种吸收系统专有的计算机模拟软件已经建立〔42，43〕，而且模拟与实验结果相当一致。最近Grossman等人又建立了以柔性和模块的方式模拟稳态吸收系统的计算机程序(ABSIM软件)〔44，45〕，该程序建立在系统各单元设备模块子程序和工质对物性数据库的基础上，并与特定结构形成完整系统的主程序联结起来，因此它可以方便灵活地用来研究各种循环结构，并进行分析、比较、优化等，大大推动了新吸收循环的开发研究。

1.6 国内的研究概况

我国也越来越认识到AHT在节约和充分利用能源方面的作用，从80年代中期就开始了这方面的研究工作，至今已有一些进展。郭开华等认真考察分析了降膜吸收过程传热传质的机理，提出了凝结式降膜吸收新理论〔46〕，并且对吸收压缩复合式循环进行了试验，证实该循环具有制热温度高、应用范围广、COP高等优点。同时说明了采用高效紧凑的管内强制对流吸收器和再生器，可提高AHT的性能，为减小设备体积提供了条件。还就5种类型的双温升AHT进行了计算机模拟研究〔47〕。党洁修［48，49］钟理〔50，51〕等对AHT的工质对开展了研究工作，认为H2O-LiBr-ZnCl2-CaBr2是一种有应用价值而值得开发的混合工质对。冯丽珠〔52〕等模拟太阳能驱动吸收式装置进行了试验研究，给出了驱动热水温度为定值及变值时吸收式装置的性能和经济指标随运转参数的变化关系。陈天择〔53〕等以循环的供热率与供热率耗散达到最佳折衷的生态学准则为目标，考虑AHT的优化问题，导出一些新的性能参数，并作出了有意义的讨论。

总之，国内对AHT的研究工作还是有一些成果，但与发达国家相比，相差甚远。研究的力量还显分散，研究的力度还需加强。因为AHT涉及化学、化工、机械、材料等诸多学科，技术性很强。研究人员不仅要有扎实的理论基础，而且要具备丰富的实践经验，要想实现工业化推广应用，更需要方方面面的通力合作。北京燕山石化公司研究院与大连理工大学化工学院共同完成了AHT回收利用合成橡胶厂凝聚过程废热的中试研究。现在正在进行工业化实施，这将成为我国AHT工业化应用的先例。

2 结束语

由于AHT在节能方面的独特作用，各国在提高AHT的性能和降低投资费用方面作了大量工作，在工艺技术上更趋完善，使其更加适用和具有更高效益。面对能源越来越紧张的现实，我国应抓紧对AHT的开发研究，以尽快实现工业应用，为节能降耗和充分利用太阳能作出贡献。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/24/2004)


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