热泵技术：吸收式热泵在烟气余热回收领域运行性能分析

热泵技术：吸收式热泵在烟气余热回收领域运行性能分析

吸收式热泵在烟气余热回收领域具有重要的应用价值。通过分析烟气余热进口温度、热泵出水温度、热网回水温度、驱动热源温度等因素对热泵性能系数（COP）的影响，可以优化系统运行，提高能源利用效率。

在吸收式热泵系统中，低温热源入口温度升高、热网入口温度降低、驱动热源温度升高时，热泵的性能系数升高，反之，性能系数下降。吸收式热泵的实际运行效率COP范围大致在1.73~19之间。通过分别改变余热水的进出口温度、驱动热源温度，供热管网供回水温度，可以探究对系统性能产生影响，深入分析最佳工况。

烟气余热进口温度对热泵 COP的影响

图 1 是在热泵进口温度为 48 ℃，热泵出口温度在 55℃、60℃、(65℃，且余热水进出口温差为15℃的情况下，余热水进口温度变化对机组性能COP的影响曲线图:

由图1可以看出:当其他条件不变的情况下，随着烟气余热进口温度升高时，热泵的性能系数升高，且随着循环水入口温度上升性能曲线逐渐变得平缓，在41℃左右达到峰值。其次可以看出随着热泵出口水温的升高，热泵的性能系数显著降低。从图中可以明显发现规律，当烟气余热温度较低同时热泵出口温度越高，热泵系统能效越差;反之，当烟气余热温度较高时，热泵性能系数随热泵出口温度的升高而波动越来越小，说明在烟气余热温度较高的情况下，热泵的性能受热泵出口温度和烟气余热入口温度的影响逐渐减弱，热泵性能系数的增大，主要因为烟气余热温度升高导致蒸发器中的进水温度与溶液温度差变大，所以传热温差增大。传热温差的增大使吸收器与冷凝器的制热量变大，热泵性能随之提高。当蒸发器中余热的入口温度,继续升高时，同理下的传热温差继续增大，温差变大导致冷剂蒸汽流量增加，同时制冷剂蒸汽的值增大，吸收式热泵的制热效率得到提升。所以在实际工程应用中，要尽可能的提高余热入口温度来提高热泵系统的制热量，达到提高系统效率的目的。

热泵出水温度对热泵 COP的影响

设置热泵的基本运行条件:驱动热源温度为130℃，余热入口温度为41℃，出口温度为 25℃，30℃，35℃。满足以上条件后，改变吸收式热泵出口温度 55℃~65℃得到机组性能 COP 曲线图，如图2 所示:

从图2可以看出,当吸收式热泵的热水出口温度较低时,机组的性能系数较高，并且随着温度的升高COP逐渐减小。当温度高于61℃时，性能系数变化速度加快。且余热出口温度变高，机组的性能COP显著减小，并且当余热出口温度在35℃时，性能系数在热水出口温度的升高后发生剧烈变化。

由于冷凝器直接与供热用水进行热交换，所以热水出口温度直接决定冷凝温度的大小。当热水出口温度的降低时，发生器压力也会随之间接下降，导致发生器内热负荷的降低，根据吸收式热泵性能与发生器负荷关系式，发生器热负荷降低会使热泵性能系数提高。但如果热水出口温度过低,会发生稀溶液浓度差在发送器中超过5%的情况,这样会出现溴化锂溶液结晶的事故，严重影响热泵机组性能。因此，在运行调节过程中降低热水出口温度是提高热泵机组COP的有效途径之一，但注意不能超过结晶温度范围。但是在实际应用中，为了达到供热面积大、供热效果好的目的，往往会采用提高热网水温的方法，所以很难实现较低的冷凝温度。在热泵系统的初步设计中，可以适当地改变余热出口参数，以降低其排放温度。但要谨慎确定发生温度，控制结晶温度，防止结晶事故的发生。

热网回水温度对热泵 COP 的影响

当驱动热源温度为 130℃，热水出口温度为62℃，循环水入口温度为41℃，出温度为 25℃，27℃，29℃时，改变热网回水温度为45℃至55℃，得到热泵性能参数曲线如图 3 所示。

从图中可以看出，热泵的COP随回水温度变化比较剧烈，机组性能系数随热网回水温度的升高而迅速降低。热泵的性能系数随着余热水排出温度的升高而降低，但变化相对较小。结果表明，热泵的性能系数对热网回水温度的影响大于余热出水温度的影响。

随着热网回水温度的上升，吸收器内溴化锂溶液温度也会随之上升，由此会增加溶液浓度。将浓溶液以及溴化锂稀溶液间的浓度差控制到合理水平，控制废气排放范围，有助于控制机组COP。同时，当余热出口温度出现波动时，将会同时导致冷媒蒸汽流量、蒸发温度的波动,进而对机组 COP产生冲击。考虑到随着热网回水温度波动，将会直接影响到热泵性能系数，特别是余热回收设计期间，需要我们对热泵性能系数进行分析时，考虑到热网回水温度在其中的影响因素，确定有效回水温度水平。

驱动热源对热泵 COP 的影响

余热进出口温度分别为 42℃和 27℃。热网回水温度为 48℃，热泵出水温度分别为55℃，60℃，65℃。满足上述条件下，改变参数驱动热源温度100℃到180℃。得到吸收式热泵性能系数曲线，如图4所示。

图4 驱动热源温度对热泵COP的影响

由图4可以发现，保持热泵出口温度不变时，驱动热源温度逐渐升高，机组性能 COP也随之增大。当驱动热源温度低于160℃时，驱动温度较低机组性能变化较为明显。其中，当热泵出口温度在65℃，驱动温度在100℃时，为最低性能系数。若热泵出口温度降低，热泵 COP会得到大幅度提升。反之，当驱动热源高于160℃时，性能系数变化不大。只有当热泵出口温度为65℃时，当驱动温度为100℃~150℃时，机组的性能系数才会迅速变化。所以从图中还可以看出，机组的性能系数受驱动热源的影响大于热泵出口温度的影响。

在一定的冷凝压力下，当进入发生器的驱动温度升高时，机组内的压力也随之升高，LiBr 浓溶液的浓度随之升高，使排汽范围增大。排气范围增大，导致高温蒸汽量增加，制热量增大的同时提高了热泵的性能系数。反之，若驱动热源温度过低，排气范围小蒸汽量不够时，则吸收式热泵的制热量不能满足建筑设计热负荷要求，热泵性能将会非常差。综上所述，在满足实际工程机组设计热负荷的前提下,应设置合理的高温驱动热源条件。

循环放汽量对热泵机组性能的影响

热泵机组设计与运行过程中都要注意循环放汽量对热泵机组性能的影响，放汽范围为浓溶液和稀溶液的浓度差，它在一定意义上决定了热泵系统的性能指标。在相同条件下，随着溴化锂循环溶液浓度差的增大,发生器内产生的过热蒸汽有效量增大，进一步增大了蒸发器余热水回收的热量，最终改善了加热性能。所以热泵机组端设计应满足两个要求，一是要选择合理的稀溶液浓度，其次就是要保证溶液循环的最佳排气范围。应考虑在尽可能提高热泵性能的同时,还要注意溶液浓度过高会产生结晶风险并堵塞机组管路，破坏装置的正常运行。

不凝性气体对热泵机组性能的影响

热泵机组运行过程中，作为不凝性气体，专门指同时不被溴化锂溶液吸收、不凝结的气体。其中，内部腐蚀出现氢气、外部排入装置的空气，这些均可以算作不凝性气体范畴。负压环境中，热泵机组中蒸发器、吸收器对应的绝对工作压力相对较低。所以,要求热泵机组具有较高的制造工艺和较好的气密性。即便机组气密性非常完备，在运行过程中，也很难能够能够保证其绝对气密性。随着出现不凝性气体之后,将伴随着机组腐蚀问题,腐蚀中伴随着氧化物的出现也会堵塞管道,不利于热泵机组的有效运转。凝汽器中出现不凝气体,将会将传热阻力加大,使得传热系统下降,不利于提升吸收器吸收效率，并且对热泵机组性能造成很大的影响。

热泵运行期间，为了能够将不凝气体对机组运行的影响控制到最低，需要我们做好对机组气密性检查，同时将不凝气体排放出去，保证机组正常运转。同时也要避免机组负荷不足或者过载运行的情况，应进行定期的维护和修理。

其他因素对热泵机组性能的影响

通过以上分析，我们可知对机组性能影响较大的几个因素，除了以上不利因素之外，机组的内部条件也会在一定程度上影响机组运行效率，如机组的污垢系数和工质水被溶液污染等。污垢系数是衡量传热管壁污垢对热泵系统效率影响的物理量。当机组运行一段时间后，传热管壁由于氧化作用形成一层油污，对热管传热进行阻隔影响称污垢系数，系数越大阻热能力越强，机组运行效率越低。另外，在机组实际运行过程中容易出现不正规操作，导致驱动压力骤减，溴化锂溶液渗入工质水中，导致工质水被污染。工质水被污染的情况出现后，蒸发器的吸收地温热源热量的能力显著降低，吸热量大打折扣。导致冷凝器的冷凝热热量不足，从而使得制热量低于建筑设计耗热量，系统 COP下降明显。