基于Aspen Plus的吸收式热泵性能指标影响因素研究

白宇琦，赵金辉，张奥兵，海 涵

(郑州大学 化工与能源学院 河南 郑州 450001)

0 引言

目前我国诸多高耗能产业中有大量的余热资源被排放到环境中，造成严重的资源浪费和环境污染。这些余热的温度大多低于100 ℃，针对这类低温余热，国内外学者提出了多种余热利用技术。其中，吸收式热泵技术因其独特的技术优势得到了广泛的关注和应用，并取得了较大的经济效益[1]。进入21世纪之后，吸收式热泵技术在国内也得到了较大的关注，国家发改委将基于吸收式热泵的余热利用技术列入国家重点节能技术推广目录[2]。其中侧重于提升热能品位的第二类吸收式热泵备受青睐，国内诸多学者对其机理及性能分析进行了深入研究。张伟[3]等基于溴化锂第二类吸收式热泵系统建立数学模型，搭建试验台，通过不同工况下的研究分析了各主要换热器件进口水温和质量流量对系统性能的影响。吴伟[4]等提出以低压增压、高压增压两种方式提高空气源吸收式热泵的性能，对不同形式空气源吸收式热泵进行了对比分析，发现低温增压效果较好。黄涛[5]等通过对溴化锂第二类吸收式热泵系统的模拟计算，探讨了其回收地热尾水的可行性。彭烁[6]等基于第二类吸收式热泵原理，建立了相关的数学模型并开发出第二类吸收式热泵循环模拟计算程序，研究了各主要元件的温度对吸收式热泵系统的影响。叶碧翠[7]等针对烘干过程中的余热利用，提出了一种新型两级开式吸收热泵系统,并对新系统建立了数学模型分析其性能。司继林[8]利用aspen软件对吸收式热泵进行了对比分析和系统应用分析，并提出了石化低温余热的利用方案。刘国强[9]对溴化锂第二类吸收式系统进行了设计和理论仿真研究，分析主要工况参数对系统的影响，并提出了利用吸收式热泵系统回收低温余热用于供暖的方案。焦华[10]对第二类吸收式热泵进行模拟研究和计算分析，并设计了利用两级吸收式热泵回收余热的方案。

目前吸收式热泵技术工程应用方面的研究主要集中在各类余热资源与吸收式热泵技术的结合上，本文从第二类吸收式热泵系统本身出发，利用aspen plus软件建立了第二类吸收式热泵的流程模型，分析了工程中实际调控参数与吸收式热泵系统性能特性影响因素的关系，对实际应用中第二类吸收式热泵性能提升具有指导意义。

图1 第二类吸收式热泵循环流程图Figure 1 The absorption heat transformer cycle flow

1 第二类吸收式热泵原理

第二类吸收式热泵是一种利用热能驱动工质循环流动，从而把低温热源的热量连续地“泵送”[11]给高温热源以提升其品质的循环系统装置。第二类吸收式热泵系统是由发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、节流阀、溶液泵、溶液热交换器和阀门、管路等元件组成的封闭循环系统。循环流程如图1所示。

第二类吸收式热泵运行主要分为水循环和溶液循环。水循环如下：发生器中，驱动热源加热溴化锂稀溶液，部分水被蒸发为低压水蒸气，稀溶液变为浓溶液，因为溴化锂的沸点远高于水，可以认为蒸发出的为纯水蒸气。低压水蒸气进入冷凝器中经冷却变成冷凝水，其中释放的热量由冷却水携带并排到环境中。冷凝水经水泵加压后压力升高进入蒸发器。在蒸发器中，驱动热源加热高压冷凝水，将其蒸发成高压水蒸气后进入吸收器。在吸收器中，溴化锂浓溶液吸收水蒸气变为稀溶液，到此水循环完成。溶液循环如下：发生器流出的浓溶液经过溶液泵的加压后，在溶液换热器中与稀溶液换热后进入吸收器，在吸收器中完成吸收过程，变为稀溶液。稀溶液在溶液换热器中放热，之后回到发生器，至此溴化锂溶液循环完成。

热泵的热能品位提升点在于高压水蒸气在吸收器内被溴化锂浓溶液吸收时释放汽化潜热和吸收热，提高了溶液自身温度并加热流经吸收器的热媒水，从而输出高温热水。

在系统循环中，蒸发器和吸收器处于高压侧，冷凝器和发生器处于低压侧。由于压力相同的情况下，溴化锂溶液的饱和温度高于纯水的饱和温度，因此吸收器中温度最高，蒸发器和发生器中温度次之，冷凝器中温度最低，从而实现在驱动热源为中温热的情况下，中温热向高温热的品位提升。

2 第二类吸收式热泵模拟

2.1 模型建立

在aspen plus软件中建立第二类吸收式热泵系统流程模型，模拟起始稀溶液设定浓度为50%的溴化锂溶液，物性方法选择电解质物性-ELECNRTL。流程模型如图2所示。

图中流动工质:XRY-稀溶液;NRY-浓溶液;SZQ-水蒸气; LNS-冷凝水;CR-产出热;Q-热流。图中系统元件:FSQ-发生器;LNQ-冷凝器;ZFQ-蒸发器;XSQ-吸收器;RYHRQ-溶液热交换器;RMSHR-热媒水换热器;RYB-溶液泵;SB-水泵;JLF-节流阀。图2 第二类吸收式热泵流程模型Figure 2 The absorption heat transformer process model

2.2 评价指标

本次模拟主要研究吸收式热泵的3个性能指标，分别是性能系数COP、温升能力ΔT和放气范围ΔX，探究其影响因素。

2.2.1温升能力ΔT温升能力为吸收温度与蒸发温度之差，它表征了系统提升热能品位的能力，温升越大则系统性能越强，计算公式为ΔT=Ta-Te，其中：Ta为吸收温度；Te为蒸发温度。

2.2.2放气范围ΔX放气范围为溴化锂浓溶液浓度与稀溶液浓度之差，它表征了系统的运行经济指标，放气范围越大则系统经济性越好，计算公式为ΔX=ρH-ρL，其中：ρH为溴化锂浓溶液浓度；ρL为溴化锂稀溶液浓度。

2.2.3性能系数COP第二类吸收式热泵的性能系数COP为系统输出热量与系统消耗热量的比值，系统输出热量即为吸收器输出给热媒水的热量，而系统消耗的热量为驱动热源输送给蒸发器的热量和发生器的热量之和。它表征了系统的能源利用效率，性能系数越高，系统性能越好。第二类吸收式热泵的COP表示为COP=Qa/(Qg+Qe)，其中：Qa为吸收器输出给热媒水的热量；Qe为驱动热源输送给蒸发器的热量；Qg为驱动热源输送给发生器的热量。

2.3 模拟参数设置

在模拟时进行模型假设：1) 系统模型各处均保持热平衡和稳定流动状态；2) 吸收器和发生器、节流阀出口的溶液及冷凝器出口的水处于饱和状态；3) 不考虑换热过程的热能损失及管道中的压力损失；4) 溶液经过节流阀后焓值不变；5) 不计溶液泵和水泵的输入功率。

基于上文中的流程模型，输入的模拟参数变量为蒸发温度、发生温度、蒸发压力、冷凝压力，其中蒸发压力对应热泵系统高压侧压力，冷凝压力代表热泵系统低压侧压力。由于热泵系统以单一热源驱动，因此蒸发器和发生器的驱动热源相同，所以设定蒸发温度和发生温度是一样的。

3 系统模拟数据分析

3.1 温升能力ΔT的影响因素

图3中的(a)、(b)、(c)给出了高压(蒸发压力)分别为19.5 kPa、25.0 kPa、30.0 kPa时，温升随蒸发温度变化的趋势，图3中的(d)、(e)给出了蒸发温度为75 ℃时，温升受系统内高低压变化的影响趋势。

图3 温升ΔT的变化Figure 3 The variation of temperature rise ΔT

结合图3中的(a)、(b)、(c)发现，在高低压确定的情况下，ΔT随蒸发温度增高有下降趋势，幅度很小。从图3(d)中可以看到温升ΔT随着高压的升高而增加，随着低压的升高而减小。图3(e)表明压差越大，温升ΔT越大；高压越高，能够达到的温升越高，即高压决定温升的下限；但要达到相同的温升效果，高压越高，需要的压差越大，即要保持相同温升效果时，低压的增量要小于高压的增量，说明低压的变化对温升的影响更大。

直接影响温升的是浓溶液对高压水蒸气的吸收过程，温升的幅度主要在于吸收热释放量的多少，但同时蒸发温度提高，对应蒸发压力提高，相应的汽化潜热会下降，所以温升随之减小；而高压升高，会引起起始吸收温度的升高，吸收器的吸收能力增强，因此温升增大；低压升高，导致发生器中发生能力减弱，蒸发出的水量减少，吸收器中单位浓溶液吸收的水量减少，其吸收过程产生的吸收热减少，温升ΔT减小。综合来看低压决定蒸发水量，即吸收过程中浓溶液可吸收水量的最大值，高压决定浓溶液吸收效果，而蒸发水量最终影响吸收热的释放量，所以低压的影响更大。

3.2 放气范围ΔX的影响因素

图4中的(a)、(b)、(c)给出了高压(蒸发压力)分别为19.5 kPa、25.0 kPa、30.0 kPa时，放气范围随发生温度变化的趋势，图4(d)给出了发生温度为75 ℃下，放气范围受系统内高低压变化的影响。

图4 放气范围ΔX的变化Figure 4 The variation of deflation range ΔX

从图4中的(a)、(b)、(c)可以看出高低压不变的情况下，放气范围ΔX随着发生温度的提高线性增长。在发生压力确定的情况下，发生温度越高，稀溶液能够吸收的热量就越多，发生能力越强，发生出的水蒸气就越多，使得浓溶液浓度升高，而吸收器出口的稀溶液浓度不变，因此ΔX呈上升趋势。图4(d)中，发生温度确定的情况下，放气范围ΔX随着发生压力的提高而减小，不受高压影响，趋势逐渐放缓。

随着发生压力的提高，水蒸气饱和温度升高，发生能力减弱，同样温度下产生的相对蒸气量减少，浓溶液的质量浓度下降，而同样的稀溶液的浓度不变，因此放气范围减小。而高压侧不和发生器直接连通，所以放气范围不受高压影响。因而，放气范围受蒸发温度和低压影响，随蒸发温度升高而增大，随低压升高而降低。

3.3 性能系数COP的影响因素

图5中的(a)、(b)、(c)给出了高压(蒸发压力)分别为19.5 kPa、25.0 kPa、 30.0 kPa下，性能系数随蒸发温度变化的趋势，图5(d)、(e)给出了蒸发温度为75 ℃下，性能系数受系统内高低压变化的影响。

图5 热力系数COP的变化Figure 5 The variation of thermal coefficient COP

从图5中的(a)、(b)、(c)可以看出，当发生和吸收压力一定时，系统的COP随着蒸发温度的升高逐渐增大，低压越高，增长趋势越明显。从图5中的(d)、(e)可以看出，当蒸发温度和发生温度不变时，COP随着低压的降低而迅速增大，随着高压(蒸发压力)的提高先升高然后略有下降。

这主要是因为一方面蒸发温度的升高使得发生器中稀溶液可吸收热量增加，发生出更多的水蒸气，同时在吸收器进口水蒸气温度上升，吸收温度升高，稀溶液释放出的热量更多，吸收器的换热量增大，同时经过减压阀后的稀溶液温度升高，减少了发生器热负荷，综合作用下COP上升。另一方面低压越低，发生器的发生起始温度越低，高压越高，吸收器的吸收起始温度增高，系统的发生能力和吸收能力都得到了增强，吸收器可释放的热量快速增加，所以COP增速较快。图5(d)中COP先升高然后略有下降，是因为高压上升，吸收过程的强化效果趋于平缓，同时输出热水温度随之上升，与吸收温度之间温差先增大后减小，导致Qa先增大后减小，而Qg和Qe较为稳定，所以COP也先增大后略为减小。

4 结论

1) 温升能力ΔT主要受热泵系统中的蒸发压力和发生压力影响。两者之间压差越大，温升越高。蒸发压力越高，可达到的压差越大，温升潜力越高，但相同压差下蒸发压力越高，温升效果越差。

2) 放气范围ΔX只受热泵系统中的蒸发-发生温度和发生压力影响，随着蒸发温度的提高线性增长，随着发生压力的提高而减小。

3) 性能系数COP受蒸发温度和蒸发压力、发生压力三者共同影响，随着蒸发温度的升高逐渐增大，且增大趋势随温度的升高而减缓，温度较高时效果不明显；随着蒸发压力的提高先升高然后略有下降，但在较高蒸发压力区间相差不大；随着发生压力的提高而下降，下降趋势逐渐增强，在发生压力较高时下降显著。

4) 考虑到在实际情况中，余热热源受工艺限制一般是较为稳定的温度，并不能进行任意调节，同时蒸发温度对应一定的蒸发压力，所以高压压力确定，因此在保证一定驱动热源温度的情况下，降低热泵系统中的发生压力，使系统内高低压差增大的方法是有效提高温升、增大放气范围、提高COP的方法。