CN113324346B - 双效/两级开式吸收热泵 - Google Patents

双效/两级开式吸收热泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双效/两级开式吸收热泵，包括高压发生器、低压发生器、一级开式吸收器、二级开式吸收器、冷凝器、高温溶液换热器、低温溶液换热器；高压发生器的溶液管路通过高温溶液换热器与一级开式吸收器连通，低压发生器的溶液管路通过低压溶液换热器与二级开式吸收器连通，低压发生器的蒸汽出口连接至冷凝器；一级开式吸收器和二级开式吸收器均与含湿空气连通，一级开式吸收器的空气管路与二级开式吸收器的空气管路串联；还包括控制器，控制器用于根据一级开式吸收器和二级开式吸收器的进口溶液水蒸汽分压力控制含湿空气的流动方向。本发明可提高开式吸收热泵循环对宽温域余热资源的热适应性，为高湿空气的余热能源高效利用提供有效途径。

Description

双效/两级开式吸收热泵
技术领域
本发明涉及低品位余热利用节能设备与工程技术领域，尤其涉及一种双效/两级开式吸收热泵。
背景技术
根据国际能源署(IEA)的统计，全球工业年消耗热量79EJ，约占全球总热能消耗的46％，是最大的热能消耗领域。我国工业每年也在消耗大量的能源，根据国家统计年鉴，近年来我国年工业能耗超过29亿吨标准煤，其中14％以上的工业能源消耗被工业生产设备或系统以低品位热能(固态<400℃，液态<120℃，气态<250℃)的形式排出，无法用于工艺生产过程。低品位含湿废气余热主要指造纸、食品、印染、化工等工业领域及以天然气为供热燃料的工业领域中生产设备或系统所排出的含有大量水蒸气的气体所含有的可以以热能形式回收的能量，其中以水蒸气形式存在的潜热占总燃料发热量的10％以上，通常这种热能无法用于工艺生产过程，导致能源利用效率低下。如果能够将这些余热通过相关技术有效地回收与利用，可以降低一次能源的需求，减少污染物的排放，带来显著的环境与经济效益。
开式吸收热泵回收与利用方法，结合了传统闭式吸收热泵与直接接触式全热交换器两类方法的优点，其机理是利用二元溶液的吸湿特性将废气中的水蒸气从气相转移至液相从而实现废气潜热的深度回收，并利用吸收热泵技术中化学压缩过程实现从低温热源取热，并形成高品位热能输出的需求。在高湿空气热回收领域，开式吸收热泵技术通过气液间热质传递克服了冷凝除湿的局限，相比传统吸收热泵能获得更优的热力性能，其节能效果甚至优于蒸汽压缩式热泵，实现了低温高湿烟气潜热高效回收。然而受目前开式吸收热泵循环形式、吸收工质对等限制，驱动热源温度范围窄，与外部热源的热匹配度差，余热与供热覆盖能力差。
现有单效开式吸收系统的正常运行对驱动热源温度的要求取决于含湿空气进口水蒸气分压力及用户需求，即对于不同含湿空气进口水蒸气分压力及不同输出温度存在最低发生温度。当热源温度低于所需最低发生温度时，单效开式吸收热泵循环无法正常工作；当热源温度高于所需的最低发生温度时，中高温热源无法得到高效利用。
发明内容
针对现有技术瓶颈与余热品位提升需求，本发明的目的是提供一种双效/两级开式吸收热泵，提高开式吸收热泵循环对宽温域余热资源的热适应性，为高湿空气的余热能源高效利用提供有效途径。
为实现上述技术目的，本发明采用的一些实施方案包括：
双效/两级开式吸收热泵，包括高压发生器、低压发生器、一级开式吸收器、二级开式吸收器、冷凝器、高温溶液换热器、低温溶液换热器；高压发生器的溶液管路通过高温溶液换热器与一级开式吸收器连通，高压发生器的蒸汽出口连接至低压发生器；低压发生器的溶液管路通过低压溶液换热器与二级开式吸收器连通，低压发生器的蒸汽出口连接至冷凝器；一级开式吸收器和二级开式吸收器均与含湿空气连通，一级开式吸收器的空气管路与二级开式吸收器的空气管路串联；还包括控制器，控制器用于根据一级开式吸收器和二级开式吸收器的进口溶液水蒸汽分压力控制含湿空气的流动方向。
作为本发明的优选方案之一，当一级开式吸收器的水蒸汽分压力大于二级开式吸收器的进口溶液水蒸汽分压力时，控制器控制含湿空气依次经一级开式吸收器、二级开式吸收器流出；当一级开式吸收器的水蒸汽分压力小于二级开式吸收器的进口溶液水蒸汽分压力时，控制器控制含湿空气依次经二级开式吸收器、一级开式吸收器流出。
作为本发明的优选方案之一，还包括蒸发器，含湿空气经一级开式吸收器或二级开式吸收器流出后，进入蒸发器。
作为本发明的优选方案之一，高温溶液换热器与一级开式吸收器之间设有第一溶液泵，低温溶液换热器与二级开式吸收器之间设有第二溶液泵。
作为本发明的优选方案之一，一级开式吸收器溶液出口与高温溶液换热器之间设有第一节流阀，二级开式吸收器的溶液出口与低温溶液换热器之间设有第二节流阀。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
高压发生器和低压发生器分别连接不同的开式吸收器和溶液热交换器，即采用了分级除湿，高压溶液循环与低压溶液循环相互独立，降低了各级溶液循环的溶液浓度差，且各级吸收过程中含湿空气与溶液间水蒸气分压力之差更小，两级除湿分压力差分布更均匀，减小了传质不均匀性系数，有利于增强传质。且预除湿过程中溶液进口水蒸气分压力大于进一步除湿过程中的出口溶液水蒸气分压力也可满足除湿要求，因此降低温度热源仍可满足系统的除湿要求。
附图说明
出于解释的目的，在以下附图中阐述了本发明技术的若干实施方案。以下附图被并入本文本并且构成具体实施方案的一部分。在一些情况下，以框图形式示出了熟知的结构和部件，以便避免使本发明主题技术的概念模糊。
图1为实施例所述双效/两级开式吸收热泵原理图。
图2为实施例所述步骤6对应的a-h点溶液水蒸汽分压力-浓度相图；
图3为实施例所述步骤7对应的a-h点溶液水蒸汽分压力-浓度相图。
附图说明：1-高压发生器，2-低压发生器，3-一级开式吸收器，4-二级开式吸收器，5-高温溶液换热器，6-低温溶液换热器，7-冷凝器。
具体实施方式
下面示出的具体实施方案旨在作为本发明主题技术的各种配置的描述，并且，不旨在表示本发明主题技术可被实践的唯一配置。具体实施方案包括具体的细节旨在提供对本发明主题技术的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说将清楚和显而易见的是，本发明主题技术不限于本文示出的具体细节，并且，可在没有这些具体细节的情况下被实践。
如图1所示，本实施例提供一种双效/两级开式吸收热泵，包括高压发生器1、低压发生器2、一级开式吸收器3、二级开式吸收器4、冷凝器7、高温溶液换热器5和低温溶液换热器6，高压发生器1的溶液管路通过高温溶液换热器5与一级开式吸收器3连通，高压发生器1的蒸汽出口连接至低压发生器2；低压发生器2的溶液管路通过低压溶液换热器6与二级开式吸收器4连通，低压发生器2的蒸汽出口连接至冷凝器7；一级开式吸收器3和二级开式吸收器4均与含湿空气连通，一级开式吸收器3的空气管路与二级开式吸收器4的空气管路串联。
图中，b-c-d-a为高温溶液子循环，e-f-g-h为低温溶液子循环。一级开式吸收器在常压下工作，b-c为一级开式吸收器3内溶液吸收状态点变化；c-d为一级开式吸收器3出口稀溶液与高压发生器1出口浓溶液的换热过程，溶液等浓度升温；d-a为高压发生器等压发生过程，溶液温度上升、浓度增大；a-b为高压发生器出口浓溶液等浓度降温过程,至此构成高压发生-开式吸收溶液循环。高压发生器1产生的制冷剂蒸气驱动低压发生器2，低压发生器2的工作压力等于冷凝压力，e-h为低压发生器内等压发生过程；e-f为低压发生器出口溶液等浓度降温过程，低温溶液换热器出口溶液进入开式吸收器，f-g为二级开式吸收过程溶液吸收状态点变化，g-h为开式吸收器出口溶液等浓度升温过程，至此构成低压发生-开式吸收溶液循环。
所述双效/两级开式吸收热泵包括控制器(图中未示出)，高压发生器的溶液出口和低压发生器均设有温度与压力传感器，一级开式吸收器与二级开式吸收器溶液进口设有温度传感器，传感器与控制器电性连接，控制器根据温度与压力传感器检测值计算获得的溶液水蒸气分压力值，主动控制含湿空气的流动方向。
当一级开式吸收器的进口溶液水蒸气分压力大于二级开式吸收器的进口溶液水蒸气分压力时，控制器控制含湿空气依次经一级开式吸收器、二级开式吸收器流出；当一级开式吸收器的进口溶液水蒸气分压力小于二级开式吸收器的进口溶液水蒸气分压力时，控制器控制含湿空气依次经二级开式吸收器、一级开式吸收器流出。
高温溶液换热器与一级开式吸收器之间设有第一溶液泵和第一节流阀，低温溶液换热器与二级开式吸收器之间设有第二溶液泵和第二节流阀。
本实施例所述双效/两级开式吸收热泵的运行步骤如下：
1、在高压发生器、低压发生器的内腔中预先加注溶液，使高压发生器、低压发生器内部加热通道均沉浸在溶液中；高压发生器的外部热源通过高压发生器热源进口持续进入高压发生器内部加热通道的内腔，通过高压发生器内部加热通道与高压发生器内腔中的溶液发生热交换释放热量后，从高压发生器热源出口持续流出；
2、高压发生器-低压发生器间的蒸汽通道
高压发生器内腔中的溶液被高压发生器内部加热通道加热后，高压发生器内部压力升高，溶液中的部分水分蒸发为蒸汽从高压发生器蒸汽出口流出，高压蒸发器蒸汽出口与低压发生器内部加热通道进口连接，蒸汽持续进入低压发生器内部加热通道的内腔，通过低压发生器内部加热通道与低压发生器内腔中的溶液发生热交换释放热量后，从低压发生器热源出口持续流出。
3、低压发生器-冷凝器间的蒸汽通道
低压发生器内腔中的溶液被低压发生器内部加热通道加热后，低压发生器内部压力升高，溶液中的部分水分蒸发为蒸汽从低压发生器蒸汽出口流出，低压蒸发器蒸汽出口与冷凝器蒸汽进口连接，蒸汽持续进入冷凝器；低压发生器热源出口与冷凝器蒸汽进口连接，持续进入冷凝器。低压发生器蒸汽出口的蒸汽与低压发生器热源出口的冷凝水一同进入冷凝器，与冷凝器内部冷却通道中的冷却水发生热交换释放热量后，从冷凝器出口持续泵出。冷凝器出口与冷凝泵连接。
4、高压发生器-高温溶液换热器-一级开式吸收器间的溶液循环
高压发生器内腔中的溶液吸收内部加热通道放出的热量后，高压发生器内腔中的溶液的部分水分蒸发为蒸汽从高压发生器蒸汽出口流出，溶液浓度增加变为浓溶液；浓溶液从高压发生器溶液出口流出后进入高温溶液换热器的冷却通道，与高温溶液交换器中加热通道内的低温稀溶液交换热量，浓溶液温度降低保持浓度不变，接着经过溶液泵增压，压力升高，最后从一级开式吸收器的溶液进口进入喷淋装置并向吸收器内腔中喷洒；
在一级开式吸收器内部溶液水蒸气分压力与作用下，喷淋装置喷洒出的浓溶液吸收含湿空气中的水蒸汽成为稀溶液，同时放出冷凝潜热用于加热一级开式吸收器冷却通道的水；稀溶液落入一级开式吸收器底部，从吸收器溶液出口出来，经过高温溶液换热器，经节流阀减压到高压发生器的内腔压力，通过高温溶液换热器的加热通道，吸收高温溶液换热器冷却通道内的浓溶液释放的热量后，温度升高，再通过高压发生器溶液进口进入高压发生器内，继续参与高压发生-吸收循环；
5、低压发生器-低温溶液换热器-二级开式吸收器间的溶液循环
低压发生器内腔中的溶液吸收内部加热通道放出的热量后，部分水分蒸发为蒸汽从低压发生器蒸汽出口流出，溶液浓度增加变为浓溶液；浓溶液从低压发生器溶液出口流出后进入低温溶液换热器的冷却通道，与低温溶液交换器中加热通道内的低温稀溶液交换热量，浓溶液温度降低保持浓度不变，接着经过溶液泵增压，压力升高，最后从二级开式吸收器的溶液进口进入喷淋装置并向吸收器内腔中喷洒；
在二级开式吸收器内部溶液水蒸气分压力与作用下，喷淋装置喷洒出的浓溶液吸收从一级开式吸收器空气出口进入二级开式吸收器的含湿空气中的水蒸汽成为稀溶液，同时放出冷凝潜热用于加热二级开式吸收器冷却通道的水；稀溶液落入二级开式吸收器底部，从吸收器溶液出口出来，经过低温溶液换热器，经节流阀减压到低压发生器的内腔压力，通过低温溶液换热器的加热通道，吸收低温溶液换热器冷却通道内的浓溶液释放的热量后，温度升高，再通过低压发生器溶液进口进入低压发生器内，继续参与低压发生-吸收循环；
6.含湿空气从一级开式吸收器的空气进口流入一级开式吸收器的内腔，与一级开式吸收器内腔中的溶液直接接触，在水蒸气分压力差的推动下，含湿空气中的水蒸气被溶液吸收，含湿量下降，水蒸气相变引起的相变潜热热量被吸收器中冷却通道内的水吸收。含湿空气从一级开式吸收器的空气出口流出，并从二级开式吸收器的空气进口流入二级开式吸收器的内腔，与二级开式吸收器内腔中的溶液直接接触，在水蒸气分压力差的推动下，含湿空气中的水蒸气被溶液吸收，含湿量下降，水蒸气相变引起的相变潜热热量被吸收器中冷却通道内的水吸收。含湿空气从二级开式吸收器的空气出口流出。此过程中，图1中a-h点的溶液水蒸汽分压力-浓度相图如图2所示。
或者，7.含湿空气从二级开式吸收器的空气进口流入二级开式吸收器的内腔，与二级开式吸收器内腔中的溶液直接接触，在水蒸气分压力差的推动下，含湿空气中的水蒸气被溶液吸收，含湿量下降，水蒸气相变引起的相变潜热热量被吸收器中冷却通道内的水吸收。含湿空气从二级开式吸收器的空气出口流出，并从一级开式吸收器的空气进口流入一级开式吸收器的内腔，与一级开式吸收器内腔中的溶液直接接触，在水蒸气分压力差的推动下，含湿空气中的水蒸气被溶液吸收，含湿量下降，水蒸气相变引起的相变潜热热量被吸收器中冷却通道内的水吸收。含湿空气从一级开式吸收器的空气出口流出。此过程中，图1中a-h点溶液水蒸汽分压力-浓度相图如图3所示。
以下以热泵典型设计工况，说明双效/两级开式吸收热泵的工作原理：
当高压发生器的驱动温度为140℃，高压发生器工作压力为105kPa时，高压发生器出口溶液浓度为53.09％，该溶液经过溶液高温溶液换热器换热后，温度降低至96.15℃，此时溶液水蒸气分压力为22.26kPa。而高压发生器内腔溶液蒸发的水蒸气压力为270kPa的饱和蒸汽，进入低压发生器驱动低压发生器内腔的溶液再生，低压发生器出口溶液浓度为49.38％，经过低温溶液换热器换热后，温度降低至87.45℃，此时溶液水蒸气分压力为20.79kPa.因此在该工况下，一级开式吸收器入口溶液的水蒸气分压力高于二级开式吸收器溶液的水蒸气分压力，则含湿空气流向应为步骤6所示。此时，进入一级开式吸收器的含湿空气的水蒸气高，而进入二级开式吸收器的水蒸气分压力低，与溶液在两吸收器中的水蒸气分压力的分布规律相同，由此在两开式吸收器中含湿空气与溶液的水蒸气分压力之差均匀分布，减小了传质不均匀性系数，有利于增强传质。
当高压发生器的发生压力进一步增大至120kPa时，高发出口溶液浓度下降至51.05％；而高发出口蒸气压力上升，即低发驱动蒸气温度增大，导致低发出口溶液浓度x2上升至51.41％。此时一级开式吸收器进口溶液水蒸气分压力小于二级开式吸收器进口溶液水蒸气分压力，则含湿空气流向应为实施例二中步骤7所示。且当高压发生器的发生压力小于该临界压力(120kPa)时，一级开式吸收器吸收的含湿空气中的水蒸气质量随高压发生器的发生压力上升而下降，一级开式吸收器吸收的含湿空气中的水蒸气质量随高发压力上升而上升。一级、二级开式吸收器吸收的含湿空气中的水蒸气质量分别等于高压、低压发生器产生的水蒸气质量，因此，当驱动低压发生器的制冷剂蒸气量小于临界值压力对应的蒸汽质量时，部分高压发生器出口制冷剂蒸气直接进入冷凝器；只有当一级、二级开式吸收器吸收的含湿空气中的水蒸气质量相等时，系统COP最高。直至高压发生器产生的制冷剂蒸汽质量不断减小至不足以驱动低压发生器发生时，即高压发生器的工作压力大于该临界压力时，含湿空气流动方向发生改变。因此在给定温度下可通过优化高压发生器的工作压力优化系统的COP。
以上对本发明主题技术方案以及相应的细节进行了介绍，可以理解的是，以上介绍仅是本发明主题技术方案的一些实施方案，其具体实施时也可以省去部分细节。
本领域技术人员在实施本发明主题技术方案时，可以根据本发明的主题技术方案以及附图获得其它细节配置或附图，显而易见地，这些细节在不脱离本发明主题技术方案的前提下，这些细节仍属于本发明主题技术方案涵盖的范围。

Claims (4)

1.双效/两级开式吸收热泵，其特征在于，包括高压发生器、低压发生器、一级开式吸收器、二级开式吸收器、冷凝器、高温溶液换热器、低温溶液换热器；
高压发生器的溶液管路通过高温溶液换热器与一级开式吸收器连通，高压发生器的蒸汽出口连接至低压发生器；
低压发生器的溶液管路通过低压溶液换热器与二级开式吸收器连通，低压发生器的蒸汽出口连接至冷凝器；
一级开式吸收器和二级开式吸收器均与含湿空气连通，一级开式吸收器的空气管路与二级开式吸收器的空气管路串联；
还包括控制器，控制器用于根据一级开式吸收器和二级开式吸收器的进口溶液水蒸汽分压力控制含湿空气的流动方向；
当一级开式吸收器的水蒸汽分压力大于二级开式吸收器的进口溶液水蒸汽分压力时，控制器控制含湿空气依次经一级开式吸收器、二级开式吸收器流出；当一级开式吸收器的水蒸汽分压力小于二级开式吸收器的进口溶液水蒸汽分压力时，控制器控制含湿空气依次经二级开式吸收器、一级开式吸收器流出。
2.根据权利要求1所述的双效/两级开式吸收热泵，其特征在于，还包括蒸发器，含湿空气经一级开式吸收器或二级开式吸收器流出后，进入蒸发器。
3.根据权利要求2所述的双效/两级开式吸收热泵，其特征在于，高温溶液换热器与一级开式吸收器之间设有第一溶液泵，低温溶液换热器与二级开式吸收器之间设有第二溶液泵。
4.根据权利要求3所述的双效/两级开式吸收热泵，其特征在于，一级开式吸收器溶液出口与高温溶液换热器之间设有第一节流阀，二级开式吸收器的溶液出口与低温溶液换热器之间设有第二节流阀。
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