吸收式热泵主要和“热”打交道,“热”作为一种能源形式,具有“量”和“质”两个衡量指标,这两个方面既相互独立,又可以互相转换。对应这两个指标,吸收式热泵也可以分为两大类,一类是用于“降质增量”的增热型吸收式热泵,另一类是用于“减量提质”的升温型吸收式热泵。热“量”的方面很好理解,就是热量的多少;热“质”的方面,体现的是热所具有的做功能力,即热量能够转变成机械能的多少。对这种做功能力的衡量,介质为气相时可用“压力”为指标,介质为液态时则以“温度”作为标杆。
吸收式热泵主要和“热”打交道,“热”作为一种能源形式,具有“量”和“质”两个衡量指标,这两个方面既相互独立,又可以互相转换。对应这两个指标,吸收式热泵也可以分为两大类,一类是用于“降质增量”的增热型吸收式热泵,另一类是用于“减量提质”的升温型吸收式热泵。
热“量”的方面很好理解,就是热量的多少;热“质”的方面,体现的是热所具有的做功能力,即热量能够转变成机械能的多少。对这种做功能力的衡量,介质为气相时可用“压力”为指标,介质为液态时则以“温度”作为标杆。
工程应用中多以水作为热能的载体,因此这里以温度表征热能所具有的做功能力。热能在降温的过程中,对外输出功,而在升温的过程中,则需要外部输入功。以此为基本原理的吸收式热泵,就是利用一部分不同质热能的温降,实现另一部分不同质热能的温升。增热型吸收式热泵,以高温热和中温热之间的温降做功,实现低温热升温至中温热的功能,提高了输出中温热的总量;升温型吸收式热泵,以部分中温热和低温热之间的温降做功,实现另外一部分中温热到高温热的升温功能。两种吸收式热泵的原理如下图所示。
增热型吸收式热泵和升温型吸收式热泵
吸收式热泵利用不同“质”热量之间的温度差做功,不需要外界其他热量驱动,具有很好的经济性,在大量有类似传热过程的工艺流程中得到广泛应用。以升温型吸收式热泵为例,在很多工业领域,产生大量70℃以上的余热,没办法再次应用在工艺里,只能通过冷却塔或直排的方式释放到空气中,余热与外界空气之间的温差在50℃以上;利用这部分温差,完全可以在不补充外界能量的前提下,将一部分余热升温后再次应用于工艺流程,替代部分高温热量,达到余热利用的目的。升温型吸收式热泵的流程如下图所示。
升温型吸收式热泵
常规升温型吸收式热泵的升温幅度为30-40℃,供热COP接近0.5,即将近50%的中温热量可以升温30-40℃,剩余50%的热量降温排放至环境空气中。升温幅度的高低,取决于中温热(余热)和低温热(空气)之间温差的大小,在低温热温度一定的情况下,余热温度越高,升温幅度更大。
升温型吸收式热泵在不用输入额外能量的前提下,替代约50%的高温热,具有很好的经济价值。但是,产出高温热的温度取决于中温热和低温热之间的温度差,升温幅度是受限的。如果产生的高温热温度不够,不能替代原有的输入热量,就无法实现余热利用,此时可以采用大跨度升温型热泵。
大跨度升温型热泵是常规升温型热泵的改进型,升温幅度可以从30-40℃提高到60-80℃,基本可以覆盖常见的工业领域,大幅度扩展了升温型热泵的适用范围。为了实现更大的升温功能,大跨度升温型热泵采用了两种改进路线,一种是降低COP,一种是补充驱动能量。
降低COP的方式,使降温的中温热比例增加,升温的中温热比例减少,升温幅度更大。这种大跨度升温型热泵的COP大约为0.3,即30%的热量可提升60-80℃,70%热量排放到环境中,优点是不需要额外能量补充,缺点是产生的高温热减少。
补充驱动能量的方式,大跨度升温型热泵的COP保持在0.5不变,升温幅度达到60-80℃,但需要补充少量驱动能量,产生1t蒸汽约需要补充50-100kWh的电能或其他形式的能量,需要一定的运行费用,但是产汽量更大。
从余热温度和产热温度范围来看,升温型热泵更适用于工业领域,大幅降低了工艺中高温热量的消耗,经济效益明显。常规升温型热泵的升温幅度为30-40℃,经济性最佳,投资回收期在8个月到1年左右,但适用范围受到一定限制;在需要大温升的余热利用场景,可以采用大跨度升温型热泵,升温幅度可达60-80℃,扩大了升温型热泵的适用领域,但经济性略差,投资回收期在1.5年左右。