吸收式热泵技术及其研究发展介绍

2020-02-20杜文智郭小虎朱晓龙苟远波

山东化工 2020年16期

杜文智，郭小虎，朱晓龙，苟远波，吴迪

(1.西安航天源动力工程有限公司，陕西西安 710100；2.西安航天动力研究所，陕西西安 710100)

1 引言

低温余热一般指不高于200℃，甚至低到几十度的废热。它包括冷却介质余热、烟气废热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热等。随着社会经济发展，有效利用工业流程中的废热或余热对节能减排意义越来越重大。为此，我国制定多项法律法规推动余热利用。在实际应用中，吸收式热泵技术是一种应用非常广泛的低温余热回收利用技术。本文对吸收式热泵技术原理及其发展进行梳理、介绍，旨在为热泵技术的推广提供一定的帮助。

2 吸收式热泵技术介绍

吸收式热泵技术具有节能减排、环境保护等优点。常见的吸收式热泵以溴化锂为吸收剂，水为制冷剂，利用水和溴化锂组成的溶液的气液平衡特性工作[1]。

2.1 吸收式热泵工作原理

吸收式热泵系统一般由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溴化锂溶液泵、水泵、节流阀、相关管道附件等组成，其工作原理是：低温热源进入负压的蒸发器后，间接换热将蒸发器中的水加热为水蒸气。水蒸气流至吸收器中，将热量释放给循环水回水。然后水蒸气溶于吸收器中的溴化锂溶液，加热后的循环水流向冷凝器。稀释后的溴化锂溶液由泵加压送入发生器，在发生器内被外部驱动热源加热。溴化锂溶液受热蒸发出的水蒸气从发生器流动至冷凝器，浓缩后的溴化锂溶液流回吸收器。进入冷凝器的水蒸气凝结，将热量传递给冷凝器中管内的循环水，被再次加热的循环水离开冷凝器，供给到用户端。从冷凝器流出的凝结水经节流阀降压后进入蒸发器，遇低温热源后再次变为水蒸气，由此新一轮循环开始。

2.2 吸收式热泵分类

按照制热的目的，热泵可以分为两类，即第一类和第二类[2]。

第一类吸收式热泵利用少量高温热源回收低温余热，产生大量中温有用热能。该类型热泵的驱动热源可以是蒸汽，也可以是烟气。回收的低温余热可以来自10～70℃的废水、废气。产出的热能比废热温度高40℃左右，但不超过100℃。该类型热泵COP能够达到1.6～2.4。

第二类吸收式热泵利用大量中温热能产生少量高温有用热能，高温热能温度高于中温热源，但总热量少于中温热源。该类型热泵以60℃以上的中低品位余热为驱动，可产生80～160℃的热水或者0.6MPa以下的饱和蒸汽。该类型热泵COP约为0.46。

3 热泵技术发展

3.1 国外发展情况

吸收式制冷的原理在1824年由英国人法拉第发现，并于1855年在德国首次成功应用[3]，之后被世界各国广泛研究。美国Carrier公司在1945年生产了世界上第一台45万kcal/h制冷量的溴化锂吸收式制冷剂[4]。1981年Battele Columber Labs公司与Adolph Coors Company公司合作开发出了性能比较完善的吸收式热泵，并将其应用于炼油厂的冷凝热回收[5]。2007年德国在慕尼黑设置了一台吸收式热泵，将太阳能辅助系统的温差从45℃增加到80℃，提高了太阳能储热罐的储存效率。法国、英国、意大利等国家同样在吸收式热泵的开发利用方面做了大量工作[6]。到目前为止，吸收式热泵在全世界很多工业领域(如纸浆、石油化工、海水淡化、食品加工等)稳定地运行着[3]。

3.2 国内发展情况

我国对吸收式热泵的研究工作起步较晚，但发展迅猛，尤其近年来在工业余热回收供暖方面已有许多应用。

1963年上海704研究所开始进行溴化锂吸收式制冷机的研制，之后西安交大对溴化锂溶液在吸收器和发生器内的传热性能进行了实验研究[4]。上世纪九十年代上海交大为上海溶剂厂研制了30万kcal/h的溴化锂高温吸收式热泵，以回收蒸馏过程中水蒸气的潜热[3]。1993年上海704研究所与青岛同和空调设备厂共同开发了两级吸收式制冷机，用于首钢废热回收[4]。2000年中国石油大学将第一类和第二类吸收式热泵用于油田冬季采暖和原油加热输送系统，节能和经济效益显著[6]。2008年，清华大学等在赤峰市穆家营热力站安装2台吸收式换热机组，以加大热网供回水温差。随后2010年清华大学等利用吸收式热泵技术将大同第一热电厂供热能力大幅提高。此后，吸收式热泵机组大量应用于电厂余热供暖，尤以山西省为主[1]。2016年至2018年河北三河电厂创新地将背压机余压回收发电与吸收式热泵余热回收供热耦合，取得了良好的经济、环保和社会效益。