吸收式热泵原理和计算

另一个与质量有关的参数，并且是一个经常用到 的参数是溶液循环倍率，用 f 来表示。
上式表明，通过泵的流体质量流量是 离开再生器的蒸汽质量流量的 10.84 倍 。 能量平衡 蒸发器 冷凝器 再生器 吸收器 泵
由于泵消耗的功率与其他单元的热传递速率相比很小， 所以，在进行过程热力学分析时，可以将其忽略。 吸收热泵的性能系数 远低于压缩式热泵
Qg Qe W p Qa Qc
单效溴化锂第一类吸收式热泵循环在h-ξ图上的表示
7 10，9“ 气态平衡线
比 焓 /︵ kJ/kg)
8，9 9‘
饱和液线
3g
4
3 5 6 2 1 浓度（%）
例3.1 下表中给出了一溴化锂\水 吸收式热泵中各点的有关参数（各 状态点对应于图，根据这些参数计 算系统的循环倍率和各元件的热量 及系统COP。
3.1.3 吸收式热泵的分类
1. 根据制热的目的来分： 第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵。
第一类吸收式热泵（Type Ⅰ Absorption Heat Pump, Heat Amplifier ），也称增热型热泵，是以消耗高温热能作为代 价，通过向系统输入高温热能，进而从低温热源中回收一部分 热能，提高其温位，以中温位的热能供给用户。
吸收式制冷循环
3.1.2吸收式热泵的特点
优点： •吸收式热泵是一种以热为动力的制热方式，驱动它的 热量可以来自煤、气、油等燃料的燃烧，也可以利用 低温热能，如太阳能、地热等，特别是可以直接利用 工业生产中的余热或废热； •制热量非常大，通常制热能力可达每小时几百万千 焦； •体系中除溶液泵外，无其它传动设备，耗电量很少。 缺点： •热力系数较低，一般为0.4～2； •设备比压缩热泵循环庞大，灵活性较小,难以实现空 冷化。
热泵
4.按驱动热源的利用方式分： 单效热泵：驱动热源在机组中被直接利用一次 多效热泵：驱动热源在机组中被直接或间接利用多次 多级热泵：驱动热源在多个压力不同的发生器中依次 被直接利用 5.按溶液循环流程分（流经不同压力发生器和吸收器 的顺序）： 串联式 倒串联式 热泵 并联式 串并联式
6. 按机组的结构分： 单筒式 双筒式 热泵 三筒式 多筒式
3.2 吸收式热泵的工作过程 及热力学分析
3.2.1 第一类吸收式热泵 3.2.2 第二类吸收式热泵
3.2.1 第一类吸收式热泵
与蒸汽压缩式 热泵完全相同
吸收式热泵特 有的
第 一 类 吸 收 式 热 泵 在 P-T图 上 的 表 示
第一类吸收式热泵的热力学计算
热力学系数/制热系数 （COP） Qg Qc
3.3 吸收式热泵的工质对
吸收式热泵工质对是两 组份溶液： 低沸点组分是制冷剂， 它的作用与蒸汽压缩式 热泵相同，通过它的蒸 发和冷凝过程实现热量 从低温物体向高温物体 的传递。 高沸点的组分是吸收 剂，通过它对制冷剂的 吸收与解吸实现制冷蒸 气的压缩。
3.3.1对制冷剂的要求：
工质热物理性质的要求
Qc Qa COPH Qg
与Qg比，数量很 小，可以忽略
Wp
Qa
Qe
Coefficient
Of
Performance
第一类吸收式热泵的理想循环
假设：
1. 整个吸收式热泵循环过程 是可逆的； 2. 发生器热媒的温度为Tg； 3. 蒸发器中低温热源的温度 为T0； 4. 吸收器的吸收温度Ta等于 冷凝器中温度Tc； 5. 忽略泵的功耗Wp；
1. 整个吸收式热泵循环过程 是可逆的； 2. 发生器热媒的温度为Tg； 3. 蒸发器温度Te等于再生器 的温度Tg； 4. 冷凝器的温度Tc等于环境 温度； 5. 忽略两个泵的功耗Wp；
根据热力学第二定律：
S S g S e S a S c
根据热力学第一定律：
Qg Qe Qa Qc
第二类吸收式热泵（Type Ⅱ Absorption Heat Pump）或称为热变换器（Heat Transformer）则 靠输入中温热能（通常是废热）驱动系统运行，将其中 一部分热能的温位提高，即吸收过程放出的热量，送 至用户，而另一部分热能则排放到环境中。
废热
2. 按热泵所用工质对来分： 水-溴化锂热泵 氨-水热泵 3. 按驱动热源分： 蒸汽型 热水型 直燃型 余热型 复合型
在发生器和吸收器中，对制冷剂溶解度的差 距大，以减少溶液的循环量，降低溶液泵的 能耗； 粘度小，以减少在管道和部件中的流动阻 力； 热导率大； 化学性质稳定； 无臭，无毒，不燃烧，不爆炸； 对环境友好； 经济性好。
• 吸收剂应具有强烈吸收制冷剂的能力
Pwater.5℃>Psolution,25 ℃
吸收器 Qa m4 H 4 m10 H10 m3 H 3 冷凝器 Qc m7 H 7 m8 H 8 蒸发器 Qe m10 H10 m9 H 9 泵
W p1 m5 H 5 m6 H 6 W p 2 m9 H 9 m8 H 8
单效溴化锂第二类吸收式热泵循环在h-ξ图上的表示
m1 x1 m6 x6
吸收剂 的浓度
x6 m1 f m7 x6 x1
吸收器：m1 m3
m4 m6
m10 m7
x3 x2
x4 x6
第二类吸收式热泵的热力学计算
能量衡算： 再生器
Qg m7 H 7 m6 H 6 m1 H1
Qg Qe W p1 W p 2 Qa Qc
再生器的作用，则 是使制冷剂 (水)从 二元溶液中汽化， 使稀溶液变浓。 吸收器的作用，是 把制冷剂蒸汽输送 回二元溶液中去。 依靠溶液泵来提高 工质的压力。
Qa
Qc
Wp
Qa
Qe
吸收式热泵 中，再生器和 吸收器两个热 交换设备所起 的作用，相当 于蒸气压缩式 热泵系统中的 压缩机的作 用，因此，常 把热泵中吸收 器和发生器及 其附属设备所 组成的系统， 称为“热压缩 机”。
4.以氟利昂作为制冷剂
制冷剂 二氟一氯甲烷（R22） 二甲醚四甘醇（DMETEG） 三氟二氯乙烷（R123a） 吸附剂
3.3.4 热泵用工质对：溴化锂-水
1.溴化锂的物理化学性质： 化学式：LiBr； 相对分子量：86.856； 成分：Li为7.99%，Br为92.01%； 密度：3464kg/m3 (25 ℃); 熔点：549 ℃； 沸点：1265 ℃； 溴化锂溶液是无色透明的，对金属有腐蚀 性，因加入了缓蚀剂-铬酸锂，呈微黄色。
第三章 吸收式热泵的工作原理
热能与动力工程专业 轮机工程学院 2009年8月
主要内容
3.1 吸收式热泵概述 3.2 吸收式热泵的工作过程及热力学 分析 3.3 吸收式热泵的工质对 3.4 热压缩机-吸收器/再生器
3.1 吸收式热泵概述
压缩式热泵的工作过程
吸收式热泵是一种以热能为动力，利用溶液的吸收特 性来实现将热量从低温热源向高温热源的泵送的大型 水/水热泵机组
（7~9）
如果将这套装置用于制冷，则性能系数为
大约
Coefficient
Of
Performance
3.2.2 第二类吸收式热泵
废热
第一类吸收式热泵
第二类吸收式热泵
第二类吸收式热泵的热力学计算
热力学系数/制热系数 （COP）
Qa COPH Qg Qe
第二类吸收式热泵的理想循环
假设：
10 7
气态平衡线 3g
比 焓 /︵ kJ/kg)
9 8
饱和液线
3 2 1
4 6 5
浓度（%）
例 下表中给出某一热泵循环系统相应于 P-T 图中 各点的有关参数。可根据此表中的数据来计算质量 平衡.能量平衡.循环倍率以及性能系数等。
循环倍率 第二类吸收热泵的性能系数
所以，
第二类吸收热泵的性能系数虽然较低，一 般在 0.4－0.49之间，但由于它利用的是工业 生产中排放的 60℃－100 ℃的废热，因此节能 效果十分显著，日益得到人们的重视。
COP的定义
COP
Tg Tc Tg
Ta Ta Tc
Qa COPH Qg Qe
COP
Tg Te Tg
Tc Tc Te
第一类吸收热泵
T Ta Tg T0 Tc S
COP Tg Tc Tg Ta Ta Tc
第二类吸收式热泵的热力学计算
质量衡算： 再生器： m1 m6 m7
质量衡算 在稳定流动状态，进出每一个单元的工质质量 必须相等，因为水和溴化锂之间没有化学反 应，所以每个组分进出每一个单元的质量也应 当相等。又因为工质中只有两个组分（水和溴 化锂），所以有两个独立的质量平衡方程。 例如，考虑再生器的质量平衡，工质质量平衡为 （a） 组分 LiBr 的质量平衡 （b） 水的质量平衡可以由式（b）减去式（a）得到，即 （c）
环保要求
• 对臭氧层的破坏 大气臭氧层损耗潜能值 （Ozone Depletion Potential，ODP） • 温室效应 全球温室效应潜能值 （Global Warming Potential，GWP） 总当量变暖影响 （Total Equivalent Warming Impact, TEWI) 寿命期气候性 （Life Cycle Climate Performance，LCCP）
3.3.3 工质对的种类
随制冷剂的不同可分为四类： 1. 以水作为制冷剂
制冷剂 吸收剂 溴化锂 水 氯化锂 碘化锂
2. 以醇作为制冷剂
制冷剂 甲醇 三氟乙醇（TFE） 六氟异丙醇 （HFIP） 吸收剂 溴化锂、碘化锂 溴化锂、甲基吡喀烷酮 (NMP) 溴化锂
3. 以氨作为制冷剂
制冷剂 氨 甲胺 吸收剂 水，硫氰酸钠水溶液，氯化钙水溶液 水，硫氰酸钠水溶液，氯化钙水溶液
根据热力学第二定律：
S S g S 0 S a S c
根据热力学第一定律：
Qg Q0 Qa Qc
COP的定义
COP
Tg T0 Tg
Tc Tc T0
QC Qa COPH Qg
T
Qg Qc
Tg Ta Tc
可逆热 泵
Wp
Qa
Qe
可逆热 机
T0
2. 溴化锂溶液的溶解度：
结晶问题！
3. 溴化锂溶液的饱和蒸汽压：
4. 源自文库化锂溶液的密度：
5. 溴化锂溶液的表面张力：
6. 溴化锂溶液的动力粘度：
8. 溴化锂溶液的热导率（w/m·K)
质量分数 （%） 0 20 40 50 60 65 0.5 0.45 温度（℃） 25 0.55 0.49 0.45 0.43 50 0.57 0.51 0.49 0.45 0.43 75 0.60 0.53 0.51 0.48 0.45 100 0.62 0.55 0.52 0.50 0.48
COP Tg T0 Tg
S
Tc Tc T0
第一类吸收式热泵的热力学计算
质量衡算： 再生器：
吸收剂 的浓度
m3 x4 f m7 x4 x 3
吸收器：m m 2 3
m6 m4
m10 m7
x2 x3
x6 x4
第一类吸收式热泵的热力学计算
能量衡算： 再生器 吸收器 冷凝器 泵 蒸发器
其他方面要求
• 化学性质稳定； • 无可燃性 • 无腐蚀性 • 无毒 • 经济性好
3.3.2 对吸收剂的要求
具有强烈的吸收制冷剂的能力，既具有吸收 比它温度低的制冷蒸气的能力； 相同压力下，它的沸点要高于制冷剂，而且 相差越大越好，可以提高发生器中制冷剂的 纯度，进而提高系统COP； 与制冷剂的溶解度高，可以避免结晶的危 险；
4 3 1 2 1 2
4 3
a. 单筒式
b. 双筒式
1.蒸发器；2.吸收器；3.发生器；4.冷凝器
两种结构的特点
单筒型
1. 2. 3. 4. 5. 6. 结构紧凑 密封性好 高度低 制作复杂 热应力大 热损失大
双筒型
热损失小 热应力小 结构简单，制作方便 合适大热量机组的分 割运输 5. 高度高 6. 连接管路多 7. 可能的泄漏点多 1. 2. 3. 4.
临界温度高于冷凝温度； 在热泵温度工作区间内有合适的饱和压力； 冷凝温度下，饱和压力不要太高，避免工质泄露， 降低部件的承受压力； 蒸发温度下，饱和压力不要太低，否则不凝气容易 进入蒸发器； 比热容小； 减少节流损失 ；


汽化潜热大； 一般工质的分子量越大，汽化 潜热越小，因此，工质分子量 要小； 导热系数大； 强化传热过程； 粘度和密度要低； 降低流动阻力,减少泵功；