溴化锂吸收式热泵的原理及应用探讨

溴化锂吸收式热泵的原理及应用探讨

王中华

新疆广汇商业运营管理有限责任公司 新疆省昌吉市 831100

摘要：热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，可以把不能直接利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的，热泵虽然需要消耗一定量的高位能，但所供给用户的热量却是消耗的高位热能与吸取的低位热能的总和，因此，热泵是一种节能装置。目前，国内的溴化锂吸收式热泵节能项目主要集中在热电厂、钢厂、油田等领域，这些领域共同的特点是有着足够多的可利用低温余热资源和较高温度热水的生产需求，某油田作业区集中处理站每天有6000-7000m³左右的采出液分离污水，温度在40℃左右，污水直接回注油田，存在着大量的余热浪费。针对站区大量的低温污水余热，利用一套2400kW的溴化锂吸收式热泵机组，以天然气为驱动热源、溴化锂溶液为媒介，通过吸收40℃污水中的大量余热，来制取较高温度的采暖水（采暖水出回水温度为80℃→60℃），代替原热水锅炉为集中处理站供暖，以达到节能减排的目的。经西北油田节能监测中心测试，该热泵机组的节能率为43.6%，节能效果显著。

关键词：溴化锂吸收式热泵；供暖；节能减排

溴化锂吸收式热泵是一种利用水的蒸发、冷凝、以及溴化锂水溶液吸收及解析水蒸气的循环过程中产生的传热作用，实现将热量从低温热源向高温热源泵送的循环系统。设备以天然气或蒸汽等为驱动热源，回收低温余热水中的热量，来制取较高温度的热水，以供区域采暖、工艺加热等利用。具有节约能源、保护环境的双重作用。相比于传统加热系统（如锅炉、加热炉），在溴化锂吸收式热泵供热系统中，从低温余热水中回收的热量即是系统的节能量。

一、溴化锂吸收式热泵的原理和性能

溴化锂吸收式热泵的工作原理

图2 溴化锂吸收式热泵原理图

溴化锂吸收式热泵是以水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂。水在常压下100℃沸腾、蒸发，在5mmHg真空状态下4℃时蒸发，吸收式热泵的蒸发器利用的就是这个原理。另一方面，溴化锂溶液是一种极易吸收水（蒸汽）、化学性质稳定的物质，在温度越低、浓度越高的时候吸收能力越强。利用此性质，水在蒸发器中吸收低温余热水的热量蒸发变成蒸汽，被浓溶液在吸收器中吸收变成稀溶液，同时放出吸收热，实现采暖水的第一次升温。稀溶液被送到再生器，被高温热源加热浓缩成浓溶液，进入吸收器。再生器产生的水蒸气进入冷凝器与采暖水换热，冷凝成水进入蒸发器，采暖水在冷凝器中被加热实现二次升温，如此反复循环。

溴化锂吸收式热泵的蒸发器和吸收器是一个整体，两者之间存在一种特殊隔膜，其特性是液态水分子不能通过而气态水分子可以通过。余热水放热使真空度只有5mmHg的蒸发器内的冷剂（水）变为水蒸气通过隔膜进入吸收器，吸收器内的溴化锂浓溶液吸收水蒸气变为稀溶液的同时放出大量热。热量被采暖水吸收的同时溴化锂稀溶液在再生器内被加热变为溴化锂浓溶液和高温水蒸气。溴化锂浓溶液流回吸收器，水蒸气进入冷凝器与采暖水进行二次换热冷凝为水滴汇聚在一起流入蒸发器，如此反复循环。

2、热泵系统节能量计算方法

系统节能量的计算方法有3种：

一是机组COP衡量法，即测定机组的热效率，判断机组是否达到设计的节能要求。这也是设计和评价热泵机组能力的行业硬性指标，可以随时验证机组的节能能力。

二是计算法，节能率=（余热水进出口温差*余热水流量）/（采暖水出回水温差*采暖水流量）。计算法比较直观易懂，计算中所需的全部数据都能通过计量仪表取得，方便快捷准确，可以随时验证机组的节能能力。

三是一个采暖期结束时，用热泵机组的燃气流量计和电表的总计量值与原热水锅炉运行一个采暖期所记录的燃气和电力总耗量相减，得出节能量。此方法必须要有准确的热水锅炉系统采暖运行期的能源消耗数据。因为采暖期内负荷随时变化，每个采暖期的环境温度变化程度和采暖天数总是存在着差异，所以一般取前3年的数据平均值。很少采用此方法来衡量机组的节能量。

3、机组运行中注意的技术性问题

机组内部为真空环境，真空度是机组的生命线，只有在保持机组真空度的情况下，冷剂水才能在低温情况下蒸发，从而保障机组内部溴化锂溶液的循环。

机组运行中最容易出现的问题是溴化锂溶液结晶。溴化锂溶液结晶的原因会是多种情况，最常见的原因是机组真空度受到破坏、运行中突然长时间断电、外部循环和内部循环匹配失衡等。

因此，正确的系统设计、规范的操作、保证电力供应和定期维护保养是机组正常稳定运行的保障。

二、溴化锂吸收式热泵的应用

某油田作业区联合站每天有6000m³左右的采出液分离污水，温度在40°C左右，污水直接回注油田，存在着大量的余热浪费。

针对站区大量的低温污水余热，现有针对地提出供暖节能技术改造方案，具体是利用一套2.4MW的溴化锂吸收式热泵机组，以天然气为驱动热源、溴化锂溶液为媒介，通过吸收40°C污水中的大量余热，来制取较高温度的采暖水（采暖水出回水温度为80→60℃），代替原热水锅炉为联合站供暖，以达到节能减排的目的。

溴化锂吸收式热泵机组设计COP值为1.6±10%（即实际节能率在25.7%~43.2%之间，达到了设计标准），预计每年可节约天然气102万方，折合标准煤1086吨，减排CO2达2034吨，节能减排效果显著。

三、溴化锂吸收式热泵节能效果

以冬季采暖期为210天进行统计计算，经过实际检验，未使用热泵机组前的热水锅炉及使用热泵机组后的节能效果，见表2：

表 2　天然气节约量分析表

四、结论

在能源紧缺的今天，通过几年不断的实验、改进，成功将热泵技术应用于油田集中处理站等供暖，不但节约了大量的天然气，而且还减少了环境污染，取得明显的节能减排效益。

由于热泵能将低温热能转换为高温热能，提高能源的有效利用率，因此是回收低温余热。污水源热泵系统可以循环利用废热，提高能源利用率，代替一部分高位能源的使用，降低对不可再生能源的依赖。污水源热泵系统可以减少天然气、煤炭等的消耗，降低CO2、NOx、SOx 和粉尘的排放量，减小环境污染，在油田节能减排方面的应用具有广泛的前景。

参考资料：

《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003

2) 《锅炉房设计规范》GB50041-2008

3) 《城市热力网设计规范》CJJ34—1990

4) 《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB50264—1997

5) 《石油天然气工程设计防火规范》GB50183-2004

6) 《建筑设计防火规范》GB50016-2006

7) 《室外排水设计规范》GB50014-2006

8) 《供配电系统设计规范》GB50052-1995；

9) 《石油与石油设施雷电安全规范》GB15599-1995；

10) 《石油工业用吸收式热泵安全规程》(Q/DSR.001-2009)

作者简介：王中华，（1980年7月15日），民族：俄罗斯族，性别：男，籍贯：新疆省昌吉市，工作单位：新疆广汇商业运营管理有限责任公司，学历：大学本科，职称：热能动力工程师（中级）.