吸收式熱泵技術(shù)及其研究發(fā)展介紹

杜文智，郭小虎，朱曉龍，茍遠(yuǎn)波，吳 迪

(1.西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西 西安 710100；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

1 引言

低溫余熱一般指不高于200℃，甚至低到幾十度的廢熱。它包括冷卻介質(zhì)余熱、煙氣廢熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱等。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有效利用工業(yè)流程中的廢熱或余熱對(duì)節(jié)能減排意義越來(lái)越重大。為此，我國(guó)制定多項(xiàng)法律法規(guī)推動(dòng)余熱利用。在實(shí)際應(yīng)用中，吸收式熱泵技術(shù)是一種應(yīng)用非常廣泛的低溫余熱回收利用技術(shù)。本文對(duì)吸收式熱泵技術(shù)原理及其發(fā)展進(jìn)行梳理、介紹，旨在為熱泵技術(shù)的推廣提供一定的幫助。

2 吸收式熱泵技術(shù)介紹

吸收式熱泵技術(shù)具有節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。常見的吸收式熱泵以溴化鋰為吸收劑，水為制冷劑，利用水和溴化鋰組成的溶液的氣液平衡特性工作[1]。

2.1 吸收式熱泵工作原理

吸收式熱泵系統(tǒng)一般由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溴化鋰溶液泵、水泵、節(jié)流閥、相關(guān)管道附件等組成，其工作原理是：低溫?zé)嵩催M(jìn)入負(fù)壓的蒸發(fā)器后，間接換熱將蒸發(fā)器中的水加熱為水蒸氣。水蒸氣流至吸收器中，將熱量釋放給循環(huán)水回水。然后水蒸氣溶于吸收器中的溴化鋰溶液，加熱后的循環(huán)水流向冷凝器。稀釋后的溴化鋰溶液由泵加壓送入發(fā)生器，在發(fā)生器內(nèi)被外部驅(qū)動(dòng)熱源加熱。溴化鋰溶液受熱蒸發(fā)出的水蒸氣從發(fā)生器流動(dòng)至冷凝器，濃縮后的溴化鋰溶液流回吸收器。進(jìn)入冷凝器的水蒸氣凝結(jié)，將熱量傳遞給冷凝器中管內(nèi)的循環(huán)水，被再次加熱的循環(huán)水離開冷凝器，供給到用戶端。從冷凝器流出的凝結(jié)水經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，遇低溫?zé)嵩春笤俅巫優(yōu)樗魵?，由此新一輪循環(huán)開始。

2.2 吸收式熱泵分類

按照制熱的目的，熱泵可以分為兩類，即第一類和第二類[2]。

第一類吸收式熱泵利用少量高溫?zé)嵩椿厥盏蜏赜酂幔a(chǎn)生大量中溫有用熱能。該類型熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源可以是蒸汽，也可以是煙氣。回收的低溫余熱可以來(lái)自10～70℃的廢水、廢氣。產(chǎn)出的熱能比廢熱溫度高40℃左右，但不超過(guò)100℃。該類型熱泵COP能夠達(dá)到1.6～2.4。

第二類吸收式熱泵利用大量中溫?zé)崮墚a(chǎn)生少量高溫有用熱能，高溫?zé)崮軠囟雀哂谥袦責(zé)嵩?，但總熱量少于中溫?zé)嵩础Ｔ擃愋蜔岜靡?0℃以上的中低品位余熱為驅(qū)動(dòng)，可產(chǎn)生80～160℃的熱水或者0.6MPa以下的飽和蒸汽。該類型熱泵COP約為0.46。

3 熱泵技術(shù)發(fā)展

3.1 國(guó)外發(fā)展情況

吸收式制冷的原理在1824年由英國(guó)人法拉第發(fā)現(xiàn)，并于1855年在德國(guó)首次成功應(yīng)用[3]，之后被世界各國(guó)廣泛研究。美國(guó)Carrier公司在1945年生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)45萬(wàn)kcal/h制冷量的溴化鋰吸收式制冷劑[4]。1981年Battele Columber Labs公司與Adolph Coors Company公司合作開發(fā)出了性能比較完善的吸收式熱泵，并將其應(yīng)用于煉油廠的冷凝熱回收[5]。2007年德國(guó)在慕尼黑設(shè)置了一臺(tái)吸收式熱泵，將太陽(yáng)能輔助系統(tǒng)的溫差從45℃增加到80℃，提高了太陽(yáng)能儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)存效率。法國(guó)、英國(guó)、意大利等國(guó)家同樣在吸收式熱泵的開發(fā)利用方面做了大量工作[6]。到目前為止，吸收式熱泵在全世界很多工業(yè)領(lǐng)域(如紙漿、石油化工、海水淡化、食品加工等)穩(wěn)定地運(yùn)行著[3]。

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

我國(guó)對(duì)吸收式熱泵的研究工作起步較晚，但發(fā)展迅猛，尤其近年來(lái)在工業(yè)余熱回收供暖方面已有許多應(yīng)用。

1963年上海704研究所開始進(jìn)行溴化鋰吸收式制冷機(jī)的研制，之后西安交大對(duì)溴化鋰溶液在吸收器和發(fā)生器內(nèi)的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[4]。上世紀(jì)九十年代上海交大為上海溶劑廠研制了30萬(wàn)kcal/h的溴化鋰高溫吸收式熱泵，以回收蒸餾過(guò)程中水蒸氣的潛熱[3]。1993年上海704研究所與青島同和空調(diào)設(shè)備廠共同開發(fā)了兩級(jí)吸收式制冷機(jī)，用于首鋼廢熱回收[4]。2000年中國(guó)石油大學(xué)將第一類和第二類吸收式熱泵用于油田冬季采暖和原油加熱輸送系統(tǒng)，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益顯著[6]。2008年，清華大學(xué)等在赤峰市穆家營(yíng)熱力站安裝2臺(tái)吸收式換熱機(jī)組，以加大熱網(wǎng)供回水溫差。隨后2010年清華大學(xué)等利用吸收式熱泵技術(shù)將大同第一熱電廠供熱能力大幅提高。此后，吸收式熱泵機(jī)組大量應(yīng)用于電廠余熱供暖，尤以山西省為主[1]。2016年至2018年河北三河電廠創(chuàng)新地將背壓機(jī)余壓回收發(fā)電與吸收式熱泵余熱回收供熱耦合，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益。

4 總結(jié)

余熱資源的回收利用是節(jié)約能源的重要途徑，其中吸收式熱泵技術(shù)是余熱利用的重要方式。本文梳理介紹了吸收式熱泵技術(shù)原理及其發(fā)展歷程，以期為推廣該技術(shù)提供一些幫助。