隋軍，劉鋒，郭培軍，金紅光

（1-中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2-分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100190）

低品位余熱回收的立式降膜吸收式熱變換器研究

隋軍*1,2，劉鋒1,2，郭培軍1,2，金紅光1,2

（1-中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2-分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100190）

內(nèi)燃機分布式能源系統(tǒng)中，90 ℃～99 ℃缸套水帶走的熱量約占系統(tǒng)輸入熱量的30%，利用吸收式熱變換器（AHT）可以有效提升缸套水余熱品位。本文提出一種由內(nèi)燃機缸套水余熱驅(qū)動的AHT的設計方法，研制了制熱功率為20 kW的立式降膜AHT機組，并提出集成熱變換器的分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用煙氣和缸套水余熱生產(chǎn)過熱蒸汽，實現(xiàn)節(jié)能。

余熱回收；吸收式熱變換器；實驗裝置；分布式能源系統(tǒng)

0 引言

在工業(yè)領域，有大量工業(yè)余熱，如70 ℃～100 ℃的余熱，由于品位不高，因此很難得到有效利用。第二類吸收式熱泵（又稱為吸收式熱變換器，Absorption heat transformer，AHT）可以提升低溫余熱品位，有效拓寬余熱用途。第二類吸收式熱泵是一種由中溫熱源驅(qū)動，通過吸收式循環(huán)，利用中溫熱源與低溫熱源之間的勢差泵送一部分中溫熱量到高溫位的裝置[1]。

RIVERA W等[2]利用實驗和理論分析的方法對AHT各個部件的效率進行了研究，認為各個部件的不可逆損失主要來源于傳熱和相變過程，并對不同工作條件下機組的?效率也進行了比較和分析。HORUZ I和KURT B[3]對AHT進行了模擬計算，并分析了發(fā)生器、蒸發(fā)器和冷凝器溫度變化對機組性能的影響。KARAMI S和FARHANIEH B[4]對降膜吸收過程進行了數(shù)值模擬，得出膜內(nèi)溫度和濃度的膜厚方向和流動方向的分布，并且得到了傳熱傳質(zhì)系數(shù)隨著流動方向的變化。INOUE S等[5]對降膜式的AHT進行了理論分析和實際案例的研究。對傳熱速率進行了測量，并對加入不同抑制腐蝕的添加劑后在高溫下的腐蝕速率進行了測量和分析。MA X H等[6]分析了國內(nèi)首個工業(yè)規(guī)模的AHT機組用于回收合成橡膠廠廢熱制取工藝熱水的案例，其制熱功率為5,000 kW，機組COP為0.47，投資回收期為2年。已有的研究多數(shù)圍繞AHT機組的模擬和實驗工作，而鮮見AHT機組的設計計算方法。本文提供一種針對內(nèi)燃機缸套水驅(qū)動的AHT機組的設計計算方法，并以此為根據(jù)加工出制熱功率為20 kW的AHT機組。

1 系統(tǒng)流程與原理

AHT主要由發(fā)生器（gen）、吸收器（abs）、蒸發(fā)器（eva）、冷凝器（con）、溶液換熱器（shx）、溶液泵、冷劑泵和節(jié)流閥等部件組成。本文所研究的AHT選用溴化鋰-水工質(zhì)對。AHT系統(tǒng)流程如圖1所示。在發(fā)生器中溴化鋰稀溶液（1）受到了內(nèi)燃機缸套水（02）熱量的驅(qū)動，沸點較低的制冷劑水被發(fā)生出來成為水蒸氣（2）；隨后水蒸氣（2）進入與發(fā)生器連通的冷凝器，在其中冷凝并對外放熱形成冷凝水（4）；冷凝水通過冷劑泵進入高壓端的蒸發(fā)器吸收來自內(nèi)燃機缸套水（01）的熱量，并蒸發(fā)出水蒸氣（6）；水蒸氣（6）再進入與蒸發(fā)器連通的吸收器中被來自發(fā)生器的溴化鋰濃溶液（10）吸收，該過程放出的熱量用于產(chǎn)生工藝熱水（08），作為某些特定化工過程的熱源。溴化鋰水溶液則是在發(fā)生器與吸收器之間循環(huán)，吸收了來自蒸發(fā)器的水蒸氣（6）的稀溶液（7）經(jīng)過節(jié)流閥后進入發(fā)生器，在發(fā)生器中發(fā)生出水蒸氣（2）之后，剩余濃溶液（3）經(jīng)溶液泵進入吸收器中。濃溶液和稀溶液在溶液換熱器中進行熱交換。本文設計對象是一臺立式降膜式的溴化鋰吸收式熱泵。溶液和制冷劑水在管外降膜，冷卻水、熱源水和工藝熱水在管內(nèi)流動換熱。溶液換熱器采用板式換熱器，逆流換熱。立式降膜具有換熱效果好，占地面積小和壓損小等優(yōu)點。

圖1 AHT系統(tǒng)流程圖

2 數(shù)學模型的建立和計算

2.1 循環(huán)計算的假設與模型

系統(tǒng)模型的建立在一系列簡化假設條件之上，這些假設條件包括[7]：

1）系統(tǒng)中發(fā)生的一切過程為穩(wěn)態(tài)；

2）發(fā)生器和吸收器出口的溶液處于飽和狀態(tài)；

3） 冷凝器和蒸發(fā)器出口的制冷劑處于飽和狀態(tài)；

4）不考慮換熱過程中熱損失、熱泄露以及流動過程的壓力損失；

5）不考慮節(jié)流過程中流體的熱損失。

在計算過程中，主要利用質(zhì)量守恒、能量守恒、相平衡關系式和傳熱關系式建立數(shù)學模型。

1）質(zhì)量守恒式

式中：

m——溴化鋰溶液質(zhì)量流量，kg/s；

X——溴化鋰質(zhì)量濃度，%。

2）能量守恒式

3）相平衡關系式

F1為溴化鋰溶液相平衡關系式，采用PATEK J和KLOMFAR J[8]提出的模型。

F2為水的相平衡關系式，采用IRVINE T和LILEY P[9]提出的模型。

4）傳熱關系式

2.2 熱泵主要部件設計計算與模型建立

2.2.1 管內(nèi)對流換熱模型

管內(nèi)流體的對流換熱，不考慮入口段和變物性的影響，采用CHURCHILL W S[10]的公式：

式中：

λ——液體導熱系數(shù)，W/(m·K)；

kh——管內(nèi)對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

d——管子直徑（非圓形管時采用當量直徑），m；

u——流體軸向流速，m/s；

v——流體的運動粘度，m2/s。

2.2.2 發(fā)生器和吸收器管外降膜的數(shù)學模型

對于發(fā)生器和吸收器管外降膜的換熱系數(shù)，采取模擬計算的方法得到。首先，對降膜過程做一些假設[11]：

1）液膜常物性；

2）氣液接觸面處于氣液平衡狀態(tài)；

3）蒸汽的黏性和對液膜的傳熱不計；

4）牛頓流體，二維流動，無擾動；

5）由于液膜厚度遠小于管徑，因此作平面來計算；

6）整個降膜過程壓力保持不變。

基于以上假設，發(fā)生器和吸收器采用以下控制方程：

邊界條件：

1）入口

濃度、溫度均勻，流動充分發(fā)展，溶液飽和。

2）壁面

3）氣液接觸面

氣液平衡，熱平衡。吸收器和發(fā)生器中：

式中：

D——溴化鋰溶液傳質(zhì)系數(shù)，m2/s；

hg——吸收器解析熱，J/kg；

cp——比定壓熱容，J/(kg·K)；

v——液膜在y方向流速，m/s；

μ——流體黏度，Pa·s；

Th——管內(nèi)對流流體的溫度，℃；

Tw——管壁溫度，℃；

δ——液膜厚度，m。

2.2.3 蒸發(fā)器和冷凝器管外降膜的數(shù)學模型

蒸發(fā)器管外降膜蒸發(fā)采用CHUN K R和SEBAN R A[12]建立的關系式，并將其轉(zhuǎn)換為國際單位制：

式中：

kh——液膜換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

L——管子長度，m；

?！耗さ慕盗髅芏?，kg/(m·s)；

mh——管內(nèi)熱載體的質(zhì)量流量，kg/s；

cp,h——管內(nèi)熱載體的比定壓熱容，J/(kg·K)。

2.2.4 計算方法

本文利用有限差分的方法對溴化鋰管外吸收和發(fā)生過程進行了數(shù)值模擬。網(wǎng)格數(shù)為200×40，精度為1×10-6。建立封閉的方程組對循環(huán)進行迭代計算，得出各點參數(shù)，計算精度為1×10-9。

3 實驗裝置開發(fā)

3.1 設計參數(shù)

通過設計計算，可以獲得AHT系統(tǒng)中各關鍵點參數(shù)以及AHT結(jié)構(gòu)設計所需參數(shù)，如表1所示。

表1 設計工況參數(shù)表

根據(jù)以上參數(shù)，設計建造了20 kW熱輸出功率的立式降膜LiBr吸收式熱變換器裝置，如圖2所示。實驗裝置設計指標如下：熱源溫度為94 ℃/84 ℃；冷卻水溫度為30 ℃/36 ℃；制熱功率為20 kW；輸出蒸汽溫度為110 ℃；熱泵COP為0.47。該實驗裝置技術(shù)特點如下。

圖2 20 kW的AHT機組

1) 主體設備采用立式降膜結(jié)構(gòu)，包括降膜蒸發(fā)、降膜冷凝、降膜吸收和降膜解析等過程，在吸收器中設計了管內(nèi)和管外雙側(cè)降膜結(jié)構(gòu)，有效提高了換熱系數(shù)，減小了設備尺寸，使熱水溫升達到25 ℃以上。

2) 吸收器和發(fā)生器采用二次布液方式，同時將二次布液與支撐板集成設計。提出了新結(jié)構(gòu)的受液槽和液體分布器，實現(xiàn)了小流量下的均勻降膜，改善了設備換熱性能。

3) 開展了液/氣流穩(wěn)定輸運通道的結(jié)構(gòu)設計。針對發(fā)生器與蒸發(fā)器的氣體發(fā)生過程，以及吸收器和冷凝器的氣體凝聚過程，在管束的非均勻布置、幾何排布方式、不完全封閉的支撐板設計等方面進行革新，實現(xiàn)蒸汽的有效發(fā)生與凝聚。

4) 采用了機械式與溶液噴射自動抽氣兩種真空技術(shù)相結(jié)合，確保實驗裝置保持穩(wěn)定的高真空狀態(tài)，確保實驗效果的同時，最大限度減少了溶液對設備的腐蝕。

4 應用案例分析

提出了集成吸收式熱變換器的天然氣分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)，利用內(nèi)燃機煙氣和缸套水余熱生產(chǎn)蒸汽，聯(lián)供系統(tǒng)如圖3所示。

該系統(tǒng)利用內(nèi)燃機高溫排煙余熱和缸套水熱量來生產(chǎn)過熱蒸汽為用戶供熱。缸套水作為AHT的高溫熱源，將來自用戶的低溫供熱回水加熱成為常壓下飽和蒸汽，這部分蒸汽經(jīng)過換熱器，利用一部分高溫排煙余熱，最終變成低壓，將130 ℃過熱蒸汽供給用戶。剩余部分的高溫排煙通過換熱器，將來自用戶的低溫供熱回水直接加熱成為130 ℃飽和蒸汽，供給用戶。

圖3 集成吸收式熱變換器的內(nèi)燃機分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)

系統(tǒng)采用與卡特彼勒G3512E型1,200 kW內(nèi)燃機，以及與實驗裝置性能指標相同的300 kW吸收式熱變換器，則系統(tǒng)發(fā)電功率為1,200 kW，過熱蒸汽輸出功率為1,150 kg/h，天然氣耗量為305 m3/h。與不采用熱泵的同型號內(nèi)燃機熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比，能夠多供蒸汽424 kg/h，若按年運行7,000 h，每年可節(jié)能320噸標煤。該系統(tǒng)對于汽電聯(lián)供用戶，具有較大的節(jié)能潛力。

5 結(jié)論

1）熱泵以溴化鋰-水作為工質(zhì)對，制熱量為20 kW，COP為0.47，可以將熱水溫度從95 ℃提高到110 ℃。

2）利用有限差分法對溴化鋰管外吸收和發(fā)生過程進行了模擬，利用已有關聯(lián)式對管內(nèi)對流換熱以及水蒸氣和水的管外換熱進行模擬計算；建立封閉的方程組對循環(huán)進行迭代計算，得出設計參數(shù)。

3）在立式降膜結(jié)構(gòu)、降膜與布液方式、汽/流疏運通道和真空保持等方面采用了新的設計方法，提高了裝置的性能。

4）提出了集成吸收式熱變換器的分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用內(nèi)燃機的排煙和缸套水余熱，生產(chǎn)過熱蒸汽，相對于無吸收式熱泵的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，具有明顯的節(jié)能效果。

[1] 陳松, 杜塏. 吸收式熱泵初步分析與研究[J]. 制冷技術(shù), 2003, 23(3): 12-16.

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Study on Vertical Falling Film Absorption Heat Transformer for Low Grade Waste Heat Recovery

SUI Jun*1,2, LIU Feng1,2, GUO Pei-jun1,2, JIN Hong-guang1,2
(1-Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2-Beijing Key Laboratory of Distributed CCHP System, Beijing 100190, China)

In distributed energy systems driven by internal combustion engines, over 30% of input system energy is taken away by 90 ℃ ～99 ℃ jacket water whose energy level can be upgraded by absorption heat transformers (AHT). A design method of the AHT driven by the waste heat of jacket water was developed in this study. Then a vertical falling film AHT facility with 20 kW heating capacity was manufactured. And a distributed energy system with AHT was proposed. In the system, the superheated steam was made with waste heat of smoke and jacket water, which improves the energy efficiency.

Heat recovery; Absorption heat transformer; Experimental facility; Distributed energy system

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.102

*隋軍（1973-），男，研究員。研究方向：分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，吸收式熱泵技術(shù)，可再生能源利用。聯(lián)系地址：北京北四環(huán)西路11號，郵編：100190。聯(lián)系電話：010-82543161。E-mail：suijun@iet.cn。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（No.2014CB249202），科技部中瑞綠色創(chuàng)新合作項目（No.S2014GR03880）