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摘 要

氨水属于对环境无害的绿色工质，常用于吸收式热泵循环，尤其在制取低温和回收余热时，相比溴化锂/水工质对具有明显的优势。GAX换热器是改进传统氨水吸收式热泵，实现能量充分利用，提升系统性能系数的有效手段。本文即对利用氨水吸收式GAX循环回收烟气余热做出研究。

本文采用Schulz氨水溶液状态方程来描述氨水的热力学性质，并运用MATLAB编写系统的热力计算流程，实现模型的参数化和计算方法的程序化，以便于分析工况参数变化时系统性能的变化趋势。计算表明，加入了GAX换热器的循环相比普通单级氨水吸收式热泵系统，COP平均提升0.2；在燃气直接驱动的氨水吸收式GAX循环热泵系统中加入烟气余热回收流程，相比于无烟气余热回收流程的系统热力系数平均提升31.45%，能耗也有明显降低。在变工况条件下，热源温度、蒸发温度的提高使得系统性能有明显提升：热源温度从145℃提升至165℃，COP增加了0.10；蒸发温度从-20℃提升至5℃，COP增加了0.58。冷却水温度从25℃提升至40℃则会使系统性能表现有所下降，表现为COP降低0.22。

关键词： 氨水，吸收式，GAX循环，烟气余热回收，MATLAB

ABSTRACT

Aqua-ammonia has greater potential compared to LiBr-water when used as working medium of absorption heat pump with low evaporation temperature or waste heat recovery and does no harm to environment. GAX (Generator-Absorber-Exchange) is one of the effective methods to eliminate the defects of traditional aqua-ammonia absorption heat pump, enhance utilization of energy and improve system performance. In this paper, waste heat recovery through aqua-ammonia heat pump with GAX is thoroughly analyzed.

Schulz equation of state for ammonia is applied to analyze the thermodynamic properties of aqua-ammonia solution. A MATLAB program is written to calculate designed system’s properties and COPs in different working conditions. It can conclude from the calculation that the COP of single-stage aqua-ammonia absorption heat pump system with GAX exceeds that of system without GAX by 0.2 on average. Gas-direct-fired absorption GAX cycle with waste heat recovery shows less energy consumption and averagely 31.45% higher COP compared to standard GAX cycle. Furthermore, the rises of temperature of heat source and evaporation respectively do good to system’s working performance. When temperature of heat source rises from 145℃ to 165℃, the increment of COP is 0.10. When temperature of evaporation rises from -20℃ to 5℃, the increment of COP is 0.58. While the rise of temperature of cooling water results in decline in COPs. The decline is 0.22 when temperature of cooling water rises from 25℃ to 40℃.

Keywords: aqua-ammonia, absorption, GAX, waste heat recovery of natural gas, MATLAB

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2氨水吸收式热泵的研究现状 1

1.3氨水吸收式GAX循环的研究现状 2

1.4烟气余热回收研究现状 3

1.5本文主要研究内容 4

第二章 单级氨水吸收式热泵的设计计算 5

2.1单级氨水吸收式热泵的工作循环 5

2.2单级氨水吸收式热泵的热力计算 6

2.2.1循环状态点确定 6

2.2.2设备热负荷计算 9

2.2.3系统主要消耗指标 11

2.3单级变工况设计及分析 12

第三章 单级氨水吸收式热泵的程序化设计 15

3.1氨水溶液的状态方程 15

3.1.1纯组分状态方程 15

3.1.2混合物状态方程 15

3.1.3方程中的部分符号和取值 16

3.2状态参数求解方法 17

3.2.1状态方程对温度偏导 17

3.2.2状态方程对压力偏导 18

3.2.3状态方程对氨的摩尔分数偏导 18

3.2.4对比态热力学参数 19

3.2.5状态参数计算方法及公式 20

3.3程序编制及运行 21

3.3.1编程环境简介 21

3.3.2程序运行结果 22

3.4计算结果对比与分析 22

第四章 氨水吸收式热泵基本GAX循环的设计计算 24

4.1基本GAX循环的数学模型 24

4.2基本GAX循环的热力计算 25

4.2.1循环状态点确定 25

4.2.2设备热负荷计算 27

4.2.3系统主要消耗指标 28

4.3GAX循环变工况计算结果 28

4.4GAX循环与单级结果对比 32

第五章 利用氨水吸收式热泵进行烟气余热深度回收 35

5.1烟气余热回收系统设计及工作流程 35

5.2烟气余热回收系统热力计算 36

5.2.1系统热质平衡 36

5.2.2设备热负荷计算 36

5.2.3变工况对系统的影响 37

5.3主要设备的设计计算 40

5.3.1换热设备的传热面积 40

5.3.2主要换热设备的传热计算 43

5.3.3主要换热设备的结构设计 45

5.3.4发生器结构型式 46

第六章 结论与展望 48

6.1主要结论 48

6.2研究难点与展望 48

参考文献（References） 50

致 谢 52

第一章 绪论

1.1选题背景

我国正处于全面建成小康社会的决胜阶段，人民生活质量的提高离不开能源资源的保障。参考国家统计局[^[1]]的数据，2018年我国能源消费总量达到了464000万吨，相较十年前增加了44.7%，其中一次能源在能源消费结构中还是主要的组成部分。为了应对环境污染问题和能源安全问题，在开发新型可再生能源的同时，也要管理、改造传统高能耗的工业，改良生产方式，提升能源的利用效率。

烟气余热是我国工业余热资源中的重要组成部分，约占工业余热资源的50%。废弃的低品位热量中，有相当一部分可以通过一定的技术进行回收利用。早在2015年，国家发改委就推出了《余热暖民工程实施方案》，意在提高能源利用效率，降低北方供暖成本，减少煤炭消耗和污染。低于200℃的低温烟气因很难被再次利用被大量浪费，如何充分回收这部分的冷凝热是一大难点。

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