溴化锂吸收式热泵循环理论分析与计算机模拟

文章编号：1671-6612（2014）02-116-06
溴化锂吸收式热泵循环理论分析与计算机模拟
田泽辉 解国珍 张 凡 Theoretical Analysis and Simulation of Lithium Bromide Absorption Heat Pump Cycle
（北京建筑大学 北京 100044）
【摘 要】 以溴化锂水溶液的热物性参数计算公式和美国供暖制冷空调工程协会（ASHRAE ）给出的溴化锂
水溶液的平衡方程为基础，通过模拟计算得到了较为精确的确定溴化锂水溶液热物性参数的计算方法。

进而对单效热泵循环的仿真模拟计算，实现了对机组在不同工况下的性能预测。

为实验研究提供了分析方法，为企业生产提供了设计思路。

【关键词】 溴化锂水溶液；第一类吸收式热泵；计算机模拟 中图分类号 TB611 文献标识码 A
Tian Zehui Xie Guozhen Zhang Fan
( Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing, 100044 )
【Abstract 】 This paper is based on the calculation formula of thermal physical parameters on lithium bromide aqueous solution and equilibrium equation of ASHRAE, to get a accurate calculation method of the thermal physical parameters. And then, simulation calculation for the single effect heat pump cycle, realized the performance prediction of unit under different conditions. It provides analysis method for experimental study and design method for enterprise.
【Keywords 】 Lithium Bromide solution; type Ⅰ absorption heat pump ; simulation calculation
基金项目：国家自然科学基金项目（编号：51176007）；北京供热、供燃气、通风与空调工程重点实验室资助 作者简介：田泽辉（1987.4-），男，在读硕士研究生，E-mail ：tianzehuibj@ 通讯作者：解国珍（1954-），男，教授，E-mail ：xieguozhen@ 收稿日期：2013-11-19 0 引言
能源与环境的问题已成为全球最为关注的焦点问题之一，随着人类科技文明的进步我们不断地发现更加节能、环保的装置。

第一类溴化锂吸收式热泵是一种靠消耗少量高温热能从低温热源吸热并制取大量中温热能的装置。

这种装置对环境零污染，与当今环境友好型，资源节约型的政策相呼应，并且由于它具有许多独特优点，近年发展十分迅速。

在提高节能、高效率利用余热的背景下，人们对于溴化锂吸收式热泵性能的改进和研究越来越广泛，也越来越深入。

同时随着计算机应用和工程数学仿真技术的发展，使利用数学建模技术来进行溴化锂吸收式热泵性能的计算机模拟技术越来越成熟。

本论文基于第一类溴化锂吸收式热泵的工作原理，结合一台小型溴化锂吸收式热泵机组，建立了理论模型，并利用计算机模拟方法，对机组的特性进行了预测。

本论文为溴化锂吸收式热泵设备的计算机仿真和优化设计提供了有力的工具，为进一步利用数学和模拟手段深入研究既有溴化锂吸收式热泵机组性能和新产品的研发奠定了的基础。

1 溴化锂水溶液热物性参数的计算机模拟
溴化锂水溶液的热物性参数主要包括：溶液的压力p ，温度t ，比焓h ，以及质量分数ξ，密度ρ，质量定压比热C p ，表面张力σ，热导率λ，粘度μ等。

根据文献[1,2]给出的热物性参数计算和关系公式
第28卷第2期田泽辉，等：溴化锂吸收式热泵循环理论分析与计算机模拟·117·可以进行计算机模拟计算，通过此程序，可以实现
输入其中两个热力参数，求得其他参数的计算。

溴化锂水溶液热物性模拟主程序流程图见图1。

图1 溴化锂水溶液热物性参数模拟计算主流程图Fig.1 Main flowchart of the thermal physical parameters
of lithium bromide aqueous solution simulation calculation
图2 溴化锂水溶液热物性参数模拟计算支流程图Fig.2 Sub flowchart of the thermal physical parameters of lithium bromide aqueous solution simulation calculation
溴化锂水溶液热物性模拟支程序流程图见图2，将运行程序后计算出的溴化锂水溶液的比焓结果输入Excel表格，并与文献[3]值做比较，如表1。

从比较结果可知当己知溴化锂溶液的温度和浓度时，编程模拟的计算结果与实验测得的结果平均误差为1.21%，精度较高。

表1 已知温度与浓度求焓值的实验值与计算值的比较
温度/℃
50% 55%
实验值计算值偏差误差实验值计算值偏差误差
20 251.7 248.07 3.63 1.44% 241.8 241.26 0.54 0.22% 40 296.2 291.79 4.41 1.49% 281.0 282.57 -1.57 -0.56% 60 358.1 335.69 22.41 6.26% 322.3 323.94 -1.64 -0.51% 80 388.4 379.76 8.64 2.22% 362.3 365.39 -3.09 -0.85% 误差 1.21%
2 单效第一类溴化锂吸收式热泵循环计算及变工况的计算机模拟与分析
第一类吸收式热泵[4,5]（即增热型热泵），是在高温驱动热源的驱动下，回收低温热源水的热量，提供较高温度热水的设备。

它以蒸汽或燃料（燃气、燃油）为驱动热源，在发生器内释放热量Q g，加热溴化锂稀溶液并产生冷剂蒸汽。

冷剂蒸汽进入冷凝器，释放冷凝热Q c加热流经冷凝器传热管内的热水，自身冷凝成液体后节流进入蒸发器。

冷剂水经冷剂泵喷淋到蒸发器传热管表面，吸收流经传热管内低温热源水的热量Q e，使热源水温度降低后流出机组，冷剂水吸收热量后汽化成冷剂蒸汽，进入吸
·118· 制冷与空调 2014年
收器。

被发生器浓缩后的溴化锂溶液返回吸收器后喷淋，吸收从蒸发器过来的冷剂蒸汽，并放出吸收热Q a ，加热流经吸收器传热管的热水。

热水流经吸收器、冷凝器升温后，输送给热用户。

在忽略热损失和泵功率的条件下，热泵机组的热平衡式为：
Q g +Q e =Q a +Q c
按溴化锂吸收式热泵机组的工作过程
[6]绘制系统流程图如图3所示。

图3 溴化锂吸收式热泵机组系统流程图 Fig.3 System flowchart of lithium bromide absorption
heat pump units
2.1 系统模型建立假设：
（1）忽略热损失和泵功率； （2）系统稳态运行； （3）换热系数保持不变； （4）换热器均为逆流式。

2.2 溴化锂吸收式热泵机组热力计算和传热计算
溴化锂吸收式热泵机组热力计算和传热计算流程图如图4所示。

输入热泵机组的已知参数和自定义参数
[7]，通过计算，利用程序的Listview 输出循环各状态点的参数值，如表2所示。

图4 溴化锂吸收式热泵机组热力计算和传热计算流程图 Fig.4 Thermodynamic and heat transfer calculation
flowchart of lithium bromide absorption heat pump units
表2 循环状态点参数
名称
点号 温度（t ）/℃
浓度（）/%
压力（P ）/kPa 焓值（h ）/kJ/kg
蒸发器出口处水蒸汽 1（1V ）
23 -- 2.9669 2543.55 吸收器出口处稀溶液 2 55 55.24 2.9539 125.4148 冷凝器出口处热水 3(3L) 65 -- 26.2055 271.7 冷凝器进口处水蒸汽 3'(3V) 109.4358 -- 26.2055 2703.4563 发生器出口处浓溶液 4 114.4358 60.04 26.2055 259.5292 发生器进口处饱和稀溶液 5 103.4967 55.24 26.2055 225.6593 吸收器进口处饱和浓溶液 6 65.2996 60.04 2.9539 164.7102 热交换器出口处稀溶液 7 93.1855 55.24 -- 204.3136 热交换器出口处浓溶液
8 70 60.04 -- 173.7751 吸收器喷淋溶液
9
60.7586
57.00
--
143.0789
第28卷第2期 田泽辉，等：溴化锂吸收式热泵循环理论分析与计算机模拟 ·119·
2.3 溴化锂吸收式热泵机组计算机程序模拟的变工况分析
在进行了单效溴化锂吸收式热泵循环计算之
后，通过改变已知工况[8]溴化锂单效热泵循环系统运行结果输出，如表3所示。

表3 溴化锂单效热泵循环运行计算输出结果
（即外界条件）
，来研究使机组供热量最大的最佳工况点。

外界条件往往根据不同运行条件或是一些人为因素，偏离当初的设
计值，造成机组不能在设计工况下运行，因此，了
解这些因素对溴化锂吸收式热泵机组性能的影响，对设计、运行和正确地选择机组有着指导意义。

设备热负荷Φ（kW ）
传热面积A （m ）
蒸发器 210.1047 13.6872 吸收器 275.1068 21.4249 发生器 289.8953 9.4864 冷凝器 224.8932 5.2721 溶液热交换器
83.9778
10.5074
吸收器泵流量=6.4059 m³/h 发生器泵流量=2.5431 m³/h 蒸发器泵流量=3.3293 m³/h 低温热源水泵流量=18.0658 m³/h
驱动热源温度=129.4℃ 热媒水泵流量=21.5045 m³/h 工质水流量=0.0925 kg/s
吸收热量Φ1=500kW 放出热量Φ2热力系数ε=1.7248 =500kW
热力完善度η=0.433
2.3.1 低温热源出蒸发器温度与溴化锂吸收式热泵机组供热量的关系
当其他参数不变时，在程序中改变低温热源出蒸发器时的温度，记录其对供热量的影响于Excel 表中，并画出关系图，如图5所示。

由图可见低温热源出蒸发器的温度升高时供热量随之增大。

图5 低温热源出蒸发器温度对供热量的影响 Fig.5 The temperature of low temperature heat source out evaporator effects to the quantity of heat supplied
在理论上，蒸发压力取决于低温热源出蒸发器时的温度，当此温度升高之后，蒸发温度也会相应提高，导致蒸发压力上升，则吸收器中吸收蒸气的能力会加强，吸收的水蒸气变多，使稀溶液浓度变小，从而使浓度差（放气范围）变大，如图6所示，图中虚线为低温热源出蒸发器时的温度升高后的循环。

在实际过程中，如图6中所示，实线所示部分表示设计工况时的循环过程。

虚线为改变工况时的循环过程。

当低温热源出蒸发器时的温度升高时，蒸发压力由P o 升至P o”，吸收能力增强，吸收终了
稀溶液的溴化锂质量分数ξa 降低至ξa ’。

由于低温热源工质流量不变，供热量的增大使低温热源出蒸发器的温度稍有回升，蒸发压力由P o”回降至P o’，同时冷凝器、发生器以及吸收器的热负荷也随之增大，导致发生器出口处浓溶液温度由t 4降低到t 4’，
·120· 制冷与空调 2014年
冷凝压力由P k 升高至P k ’，发生器出口处浓溶液的
溴化锂质量分数降低到ξr ’。

吸收器出口稀溶液温度由t 2升高至t 2’，溶液的循环由2-5-4-6-2变为2’-4’-6’-5’-2’。

因为∆ξr ＞∆ξ
a ，因而，随着低温热源出蒸发器时的温度升高，放气范围增大，供热量增大，性能系数增大。

上面是假设除了蒸发压力变化之外，其他参数均不变。

实际上，随着供热量的升高，循环各状态点参数均会发生相应的变化。

在图6中的虚线表示了实际的变化过程。

图6 低温热源出蒸发器的温度升高对系统环的影响 Fig.6 The temperature rise of low temperature heat source out evaporator effects to the system cycle
2.3.2 热媒水进口温度与溴化锂吸收式热泵机组供热量的关系
当其他参数不变时，改变热媒水温度，记录其对供热量的影响于Excel 表中，并画出关系图，如图7所示。

由图可见，热媒水温度升高时供热量随之减小。

热媒水进口温度的升高，首先会引起吸收器内溴化锂稀溶液的温度的升高，之后热水流经冷凝器，会导致冷凝温度升高，而致使冷凝压力的上升。

吸收器内稀溶液温度的升高会减弱溴化锂溶液吸收水蒸气的能力，随之稀溶液的浓度会升高；而冷凝压力的上升会使会使浓溶液的浓度减小，两者皆会使浓度差变小。

放气范围变小，供热量减小。

如图8所示，图中虚线为热媒水温度升高后的循环。

图8中，实线为设计工况时的循环过程，随着热媒水温度的升高，吸收器出口处稀溶液温度由t 2升至t 2”，溴化锂质量分数ξa 也随之升高，冷凝温度升高，冷凝压力也升高至p k ”，从而使发生器出口处浓溶液的溴化锂质量分数ξr 增加。

显然，它将使
循环的放气范围减小，供热量减小。

但随着供热量的减小，吸收器的热负荷随之减小，稀溶液出口处
温度t 2”回降至t 2’；
低温热源介质出蒸发器的温度降低，蒸发压力P o 升高至P o’；冷凝器负荷减小，冷凝压力由P k ”回降至P k ’；发生器热负荷减小，发生器出口处浓溶液的温度由t 4升高至t 4’，从而使循环由2-5-4-6-2变为2’-5’-4’-6’-2’。

此时，浓溶液的浓度减小了，稀溶液的浓度增大了，其浓度差值
由（ξr -ξa ）减小至了（ξr ’-ξa ’）
，因此，供热量减小。

但实际运行中，供热量的减小，使得循环中各参数发生了变化，虚线所示即为参数变化后的实际循环。

其放气范围的变化为：
(ξr ’-ξa ’ )＜(ξr ”-ξa ”)＜(ξr -ξa )
由于放气范围减小，故供热量减小，性能系数减小。

则有：Φ’0＜Φ”＜Φ
0。

图7 热媒水进口温度对供热量的影响
Fig.7 The inlet temperature of heat medium water effects
to the quantity of heat supplied
图8 热媒水温度升高对系统循环的影响
Fig.8 The inlet temperature rise of heat medium water
effects to the system cycle
3 结论
第28卷第2期田泽辉，等：溴化锂吸收式热泵循环理论分析与计算机模拟·121·
本篇论文以溴化锂溶液的热物性计算为基础，针对单效第一类溴化锂吸收式热泵机组的循环特点，利用计算机Visual Basic语言，对溴化锂溶液的热物性参数以及制热循环建立计算机模型。

利用该模拟程序可解决以下几项问题：
（1）已知溴化锂水溶液其中两个参数时，可以较准确的计算溴化锂水溶液的其他热力参数；
（2）便于掌握对机组运行状态各循环点的计算数据预测；
（3）便于分析溴化锂吸收式热泵机组的供热量与多方面因素的关系，就其工况进行分析，热泵机组的供热量与低温热源出蒸发器的温度同方向变化，与热媒水温度反方向变化；
（4）为以后的吸收式热泵实验研究奠定了基础，也为企业提供了第一类溴化锂吸收式热泵机组的设计手段。

参考文献：[1] 贾明生.溴化锂水溶液的几个主要物性参数计算方程
[J].湛江海洋大学学报,2002,22(3):52-58.
[2] ASHRAE Handbook-1989 fundamentals[M]. Atlanta:
American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineer, 1989:17.68-17.70.
[3] 陈昀,解国珍,刘蕾.单效溴化锂吸收式制冷循环吸收特
性与工况关系的研究[J].制冷与空调,2010,24(4):1-5. [4] 陈东,谢继红.热泵热水装置[M].北京:化学工业出版社,
2009:105-126.
[5] 戴永庆,陆震,胡仰耆,等.溴化锂吸收式制冷空调技术
实用手册[M].北京:机械工业出版社,1999:68-69.
[6] 张昌,刘涛.热泵技术与应用[M].北京:机械工业出版
社,2008:68-92.
[7] 吴业正,朱瑞琪,李新中,等.制冷与低温技术原理[M].北
京:高等教育出版社,2004:167-184.
[8] 吴业正.制冷原理及设备[M].西安:西安交通大学出版
社,2010:124-143.
（上接第115页）
参考文献：
[1] 贾英洲.太阳能供暖系统设计与安装[M].北京:中国建
筑工业出版社,2011.
[2] 罗明智,李百战,郑洁.人体热适应性与热舒适[J].制冷
与空调,2005,(1):75-78.
[3] U Teoman Aksoy, Mustafa Inalli. Impacts of some
building passive design parameters on heating demand
for a cold region[J]. Building and Environment, 2005,41(2006):1742-1754.
[4] Viorel Badescu, Mihail Dan Staicovici. Renewable
energy for passive house heating: Model of the active
solar heating system[J]. Energy and Buildings, 2006,2:
129-141.
[5] 杨洪兴,周伟.太阳能建筑一体化技术与应用[M].北京:
中国建筑工业出版社,2009.
[6] JGJ/T267-2012,被动式太阳能建筑技术规范[S].北京:
中国建筑工业出版社,2012.
[7] 赵研.太阳能地下混凝土存取热试验研究与数值模拟
[D].长春:吉林大学,2011.
[8] 肖伟,王馨,张群力,等.结合太阳能空气集热器的定形
相变蓄能地板采暖系统实验研究[J].太阳能学报, 2008,29(11):1319-1323.
[9] 章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M].北京:中国建筑工业
出版社,2001.
溴化锂吸收式热泵循环理论分析与计算机模拟
作者：田泽辉， 解国珍， 张凡， Tian Zehui， Xie Guozhen， Zhang Fan 作者单位：北京建筑大学 北京 100044
刊名：
制冷与空调（四川）
英文刊名：Refrigeration & Air Conditioning
年，卷(期)：2014(2)
本文链接：/Periodical_zlykt201402003.aspx。