CN104769371B - 用于蒸汽驱动的吸收式热泵和吸收式变热器的装置和方法及其应用 - Google Patents

用于蒸汽驱动的吸收式热泵和吸收式变热器的装置和方法及其应用 Download PDF

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Abstract

在某些实施例中，提供了一种全蒸汽驱动吸收式热泵，包括：第一热泵发生器，该发生器包括降膜式热交换器并且用于接收高温蒸汽和稀释的工作介质并用于蒸发来自稀释的工作介质的传热材料；可选地，第二热泵发生器，该第二热泵发生器包括第二降膜式热交换器，该热交换器配置成用于接收浓缩的工作介质并且输出第一热泵中产生的蒸汽并且用于进一步蒸发工作介质并提供中温蒸汽输出和浓缩工作介质；以及热泵吸收器，该热泵吸收器配置成用于接收低温蒸汽和在不包括第二热泵发生器时接收来自第一热泵发生器的浓缩的工作介质，并配置成用于在包括第二热泵发生器时接收来自第二热泵发生器的所述浓缩的工作介质。

Description

用于蒸汽驱动的吸收式热泵和吸收式变热器的装置和方法及其应用
相关申请交叉引用
本申请要求2012年3月9日提交的USSN61/609106的优先权和权益，USSN61/609106的全部内容在所有方面以引用的方式纳入本文。
技术领域
本发明涉及吸收式热泵、脱盐工艺和蒸汽再压缩。特别地，在某些实施例中，提供了新型高效蒸汽驱动吸收式热泵和吸收式变热器及其应用。
背景技术
在热机应用中会产生大量的低温热,并通常必须通过湿式冷却法或干式冷却法被耗散到环境中。通常，热机利用高温高压蒸汽(例如，水汽/蒸汽)膨胀来产生动力，因此，典型地，会以包含潜热的低温蒸汽的形式提供废热。在湿式冷却处理中，冷凝器利用淡水冷却水(例如，来自水塔)来通过将大量的潜热耗散到冷却水中的方式移除低温潜热，从而升高冷却水的温度,并最终将上述热量耗散到环境空气中。在干式冷却处理中,由于气体不能像水一样有效耗散潜热,大型的送风机通常与更大型的换热器配套使用。这些被耗散的潜热通常占全世界火力发电站总耗能的50％以上，这些火力发电厂包括化石燃料火电厂、集中式太阳能电站(CSP)以及核电站。
一些重要的直热能应用，如吸收式热泵和低温多效蒸发脱盐工艺，使用中温或低温的水蒸气。通常，由于汽化工艺在相变过程中需要大量的潜热，为了获得中温或低温蒸汽需要消耗大量的热能。如果能够制造出吸收式热泵和吸收式变热器，那么中温到低温的剩余潜伏热能就能被进一步利用，而不是通过湿式冷却或干式冷却法直接被冷凝成水，从而节省大量的热能并大量降低二氧化碳的排放。
但是,在典型的传统的吸收式热泵(所谓的第一类热泵)中，需要高温热源产生足够高温度的蒸汽以将来自中到低温蒸汽的中到低温潜热转换为较高温度的水,以达到供暖(或其他)的目的。虽然这些***可以利用中到低温的蒸汽潜热，但是较高温度的水产生的显热与类似温度的蒸汽相比价值更低。这是因为蒸汽形式的热能可容易用于低温多效蒸发工艺中，例如，水净化和/或脱盐工艺。因此，感兴趣的是利用第一类热泵产生蒸汽形式的较高温热能的方法。
另一方面，机械蒸汽再压缩(MVR)是利用机械压缩机压缩和加热“废”蒸汽到较高温来再使用的有效方法。例如，MVR用于干式冷却工艺，其中，例如来自污水处理的结束阶段的浓缩的无机溶液被干燥成粉末，以致没有污染物排放到环境中去。传统的干式冷却工艺消耗大量的热能，因为必须把水加热到沸点后蒸发并且这一相变过程需要大量的潜热。利用MVR可将干式工艺产生的蒸汽再压缩至较高温，从而使高温蒸汽能够通过热交换被重新用于蒸发溶液中的水。在这一过程中，一定量的电能被消耗以驱动机械压缩机。换句话说，电能被转换为蒸汽的显热并由此提高蒸汽温度。如果能够适当使用蒸汽驱动的吸收式热泵和吸收式变热器(亦被称为第二类热泵)，就有可能通过消耗热能再压缩废蒸汽。这一方法能够节约优质能源，例如电能，并提供经济效益，因为电能比热能更昂贵。
进一步地，在传统的用于基于LiBr溶液热泵的发生器中，热交换器利用“池沸腾”从稀释后的LiBr溶液中产生蒸汽以浓缩LiBr溶液，用于吸收用。这是因为在大多数情况下，发生器中的热交换器具有常规管/壳配置，其中与热源连接的管浸入LiBr溶液。为了有效产生水蒸气，热源和稀释后的LiBr溶液之间的温度差应该大于20度。使用诸如天然气锅炉传统热能源时，该温度和压力要求对任何热源都不构成限制。这是因为对于化石燃料的热源，在蒸汽产生过程中仅仅20到30度的温度差不会消耗太多的化石燃料，并且无论如何锅炉都以高得多的温度工作。
但是，如果热量来自不同的热源，如太阳能集热器或其他热机或应用产生的废热，该20度或更高的温度差就很难获得。如果能利用较低温度的蒸汽，则可降低对热源温度的要求以驱动热泵或吸收式制冷机。
发明内容
本文在各实施例中提供了解决这些问题的通用方法和装置。特别地，本文通过降低用于潜热再利用的最低温度阈值和/或通过利用特别设计的吸收式热泵和吸收式变热器将低温潜热升高为蒸汽形式的高温潜热，提供了用于解决上述问题的方法和装置。这些方法的益处在于能够通过低温多效蒸发工艺应用于水净化或脱盐***，并在取代机械蒸汽再压缩的同时显著地降低能耗和相关成本。
在某些实施例中，此处描述的构造允许低温蒸汽循环回***而不冷凝，并允许再利用大量的潜热，进而大大降低产生蒸汽需消耗的热能。
在各实施例中提供了一种全蒸汽驱动吸收式热泵，包括：第一热泵发生器，该第一热泵发生器配置成用于接收来自高温热源的高温蒸汽，其中，该第一发生器包括降膜式热交换器并且该第一发生器配置成用于接收来自热泵吸收器的稀释后的工作介质并利用来自上述高温蒸汽的热来蒸发传热材料并因而提供中温蒸汽输出和浓缩的工作介质，所述传热材料来自被传输通过所述降膜式热交换器的稀释的工作介质；可选地第二热泵发生器，该第二热泵发生器包括第二降膜式热交换器，其中，该第二热泵发生器配置成用于接收在上述第一热泵发生器中产生的浓缩的工作介质和在所述第一热泵发生器中产生的所述输出蒸汽，所述第二热泵发生器还配置成用于利用来自所述第一热泵发生器中产生的输出蒸汽的热，进一步蒸发所述第一热泵发生器中产生并被传输通过所述第二降膜式热交换器的浓缩的工作介质，并因而提供中温蒸汽输出和更浓缩的工作介质；以及热泵吸收器，该热泵吸收器包括第三降膜式热交换器，其中所述吸收器配置成用于接收来自低温热源的低温蒸汽形式的传热材料，并且配置成在不包括所述第二热泵发生器时用于接收来自所述第一热泵发生器的所述浓缩的工作介质，而在包括所述第二热泵发生器时用于接收来自所述第二热泵发生器的所述浓缩的工作介质，并且所述热泵吸收器配置成用于利用通过所述浓缩的工作介质吸收所述低温蒸汽产生的热，在吸收器热交换管内部由输入水源生成中温蒸汽输出和稀释的工作介质，并且，其中所述热泵吸收器配置成用于将所述稀释的工作介质传输到所述第一热泵发生器。在某些实施例中，没有第二热泵发生器而转换器包括单效热泵。在某些实施例中，上述热泵包括热交换器，该热交换器使得将所述浓缩的工作介质从所述第一热泵发生器传输到所述热泵吸收器的管线与将所述稀释的工作介质从所述热泵吸收器传输到所述第一热泵发生器的管线之间进行热交换。在某些实施里中具有第二热泵发生器，而该热泵包括双效热泵。在某些实施例中，第一热泵发生器是高压发生器，而第二热泵发生器是低压热泵发生器。在某些实施例中，该热泵包括热交换器，该热交换器使得将所述浓缩的工作介质从所述第二热泵发生器传输到所述热泵吸收器的管线与将所述稀释的工作介质从所述热泵吸收器传输到所述第一热泵发生器的管线之间进行热交换。在某些实施例中，该热泵包括热交换器，该热交换器使得将所述浓缩的工作介质从所述第一热泵发生器传输到所述第二热泵发送器的管线与将所述稀释的工作介质从所述热泵吸收器传输到所述第一热泵发生器的管线之间进行热交换。在某些实施例中，该热泵包括热交换器，该热交换器交换一管线中的热量，该管线传输第一热泵发生器流出的载热液体。在各实施例中，该热泵中的蒸汽包括水蒸气。在某些实施例中，低温蒸汽的温度范围在约40℃～约70℃之间。在某些实施例中，中温蒸汽的温度范围在约60℃～约130℃之间。在某些实施例中，高温蒸汽的温度范围在约130℃～约165°之间。在某些实施例中，吸收器中的热交换器接收液体并吸收蒸汽，从而将吸收的蒸汽的潜热转换为化学吸热，以在热交换器内生成蒸汽(例如，在热交换器管内)，同时产生稀释后的工作介质。在某些实施例中，热传递流体为水。在某些实施例中，工作介质包括溴化锂。在某些实施例中，工作介质包括溴化锂以及钠和/或钾的有机盐(例如，醋酸盐、甲酸盐、乳酸盐等)。在某些实施例中，工作介质包括氨水。在某些实施例中，高温热源选自以下构成的组：太阳能聚光器、蒸汽轮机、核电站、燃煤电厂以及废弃物焚烧设备。在某些实施例中，该热泵可操作地连接于蒸发脱盐或水净化装置，从而使热泵的中温蒸汽输出进入脱盐装置，并使来自脱盐或水净化装置的低温蒸汽输出进入该热泵。在某些实施中，脱盐装置是多效蒸发设备或水净化装置。在某些实施例中，来自脱盐或水净化装置的低温蒸汽进入传统的冷凝器或低温相变储热设备中的任意一个被冷凝为水。在某些实施例中，上述水返回吸收器。在某些实施例中，该热泵可操作地连接于干燥***，以生成热再压缩***。在某些实施例中，该***配置成用于将中温蒸汽从干燥***引入到第一发生器和吸收器，并将该吸收器中产生的高温蒸汽传回干燥***。在某些实施例中，该干燥***是污水干燥***。
在某些实施例中提供了结合高温蒸汽和低温蒸汽以产生中温蒸汽的方法，其中，该方法包括：提供上述、和/或下文描述的和/或权利要求中的热泵；将高温蒸汽引入上述热泵中的第一热泵发生器；将低温蒸汽引入包含上述热泵的吸收器；以及接收该热泵产生的中温蒸汽。在某些实施例中，高温热源选自以下构成的组：太阳能聚光器、蒸汽轮机、核电站、燃煤电厂以及废弃物焚烧设备。在某些实施例中，该热泵可操作地连接于蒸发脱盐或水净化装置，从而使该热泵的中温蒸汽输出进入脱盐或水净化装置，并使来自脱盐装置的低温蒸汽输出进入该热泵。在某些实施例中，脱盐或水净化装置为多效蒸发装置。在某些实施例中，来自脱盐或水净化装置的低温蒸汽进入传统的冷凝器或低温相变储热设备中的任意一个被冷凝为水。在某些实施例中，上述水返回吸收器。在某些实施例中，该热泵可操作地连接于干燥***，以生成热再压缩***。在某些实施例中，该***将中温蒸汽从干燥***引入到第一发生器和吸收器，并将该吸收器中产生的高温蒸汽传回干燥***。在某些实施例中，该干燥***是污水干燥***。
附图说明
图1示出了包括全蒸汽驱动单效吸收式热泵(例如，第一类水/LiBr吸收式热泵)的示意性***的框图，该全蒸汽驱动单效吸收式热泵包括发生器和吸收器，与本文涉及所述创新的某些方面一致。
图2示出了包括全蒸汽驱动双效吸收式热泵(例如，第一类水/LiBr吸收式热泵)的示意性***的框图，该全蒸汽驱动双效吸收式热泵包括两个发生器和一个吸收器，与本文涉及所述创新的某些方面一致。
图3示出了包括组合有多效蒸汽设备的上述双效吸收式热泵的示意性***的框图，与本文涉及所述创新的某些方面一致。
图4A示出了包括全蒸汽驱动单效吸收式变热器(例如，第二类水/LiBr热泵)的示意性***的示意图，该全蒸汽驱动单效吸收式变热器包括发生器和吸收器，与本文涉及所述创新的某些方面一致。图4B示意性地示出了一实施例，其中，吸收器的输出是二相流并连接分离器，该分离器分离汽相和液相(例如，水和蒸汽)。分离后的水通过吸收器被再次抽回，以在管内的热交换中获得更多的蒸汽。
图5示出了包括单效吸收式热泵和单效吸收式变热器的示意性***的框图，其组合有两个污水干燥***和多效蒸发***，与本文涉及所述创新的某些方面一致。
具体实施方式
本文描述的吸收式热泵设备允许使用多个热源，包括但不限于太阳能集热器、太阳能聚光器、燃煤电厂、热电联产机组的天然气汽轮机产生的废气、废弃物焚烧发电厂、化学分解***、核电站，以及类似的用作驱动吸收式热泵循环的热源。
在创新方面，如下文描述的各实施方式中的详细解释，涉及将一或多个热泵与多效蒸发设备整合的方法或***。然而，应当理解，本文提供的本发明并不限于任何这些具体的说明，而是由权利要求范围和整个公开界定。
在创新方面，如下文描述的各实施方式中的详细解释，可涉及将单效吸收式热泵与单效吸收式变热器整合以形成蒸汽热再压缩设备的方法和***。然而，应当理解，本文提供的本发明并不限于任何这些具体的说明，而是由权利要求范围和整个公开界定。
还应当理解，本文描述的溴化锂吸收***中，描述的方法和设备不必限制为溴化锂吸收***。也可考虑其他吸收***(例如，氨水/水/氢气)。
在各实施方式中提供了一种吸收式热泵(例如，LiBr吸收式热泵)，用于将低温蒸汽提升为中温蒸汽，从而使升温的蒸汽能够用于低温多效脱盐***或其他工艺。如本文所述，可利用新型的单效或双效LiBr(或其他)吸收工艺来制造这种吸收式热泵。相应地，在某些实施例中，提供了与低温多效脱盐蒸发设备整合的热泵及其使用方法。通过这种方式，大量的低温潜热能够被利用，从而提高了总体热能利用效率。
在各实施例中，提供了一种新型的单效吸收式变热器(例如，第二类LiBr吸收式热泵)，用于将中温蒸汽转换为两部分-一部分是升温的蒸汽而另一部分是低温蒸汽。在某些实施例中，通过将单效吸收式热泵与单效吸收式变热器整合，形成了热蒸汽再压缩***。相应地，提供了热蒸汽再压缩设备和其使用方法。
如图1所示，在某些实施例中，在此描述了新型的单效吸收式热泵，该热泵包括发生器(例如，LiBr发生器)和吸收器(例如，LiBr吸收器)，并以蒸汽(例如，水蒸气)形式提供热输入和输出介质。低温低压的“折中蒸汽”，例如多效蒸发脱盐设备末级的热应用的废气，在真空条件下(例如，局部真空)进入吸收室并被淋或滴到吸收室热交换管表面的浓缩的工作液体(例如，LiBr/水溶液)吸收。吸收释放的热能直接加热吸收器管中的水而产生蒸汽。在某些实施例中，蒸汽/水分离器用于分离来自热交换管的蒸汽和水。由于热交换管的高循环效率，最终，产生了大量的能用于驱动多效脱盐蒸发***或其他工艺的中温水蒸汽。在吸收室吸收后稀释的工作液体(例如，锂-溴-水溶液)后，其被抽到发生器以淋或滴落到热交换管的表面。更高温的蒸汽，如太阳能集热器驱动的蒸汽源或天然气汽轮机废气驱动的蒸汽源，或来自末级蒸汽轮机作为热泵的输入能量源，进入热交换管，以通过例如降膜式热交换工艺蒸发稀释后的液体。
在某些实施例中，如图2所示，本文描述的新型双效热泵包括两个发生器(例如，LiBr发生器)。一个发生器是高压发生器而另一个发生器是低压发生器。该设备还包含吸收器(例如，LiBr吸收器)，并提供蒸汽(例如，水蒸气)作为热输入和热输出介质。来自热应用，如多效蒸发脱盐或水净化设备末级的废气或来自蒸汽轮机废气的蒸汽的低温低压的“折中(例如，废弃的)蒸汽”，在真空条件下进入吸收室并被淋或滴到吸收室中热交换管表面的浓缩的工作液体(例如，LiBr/水溶液)所吸收。在吸收时释放的热能直接加热吸收器管中的水而产生蒸汽。在某些实施例中，蒸汽/水分离器用于分离来自热交换管的蒸汽和水。由于热交换管的高循环效率，最终，产生了大量的能用于驱动多效蒸发脱盐和/或水净化工艺，或其他工艺的中温水蒸汽。稀释后的工作液(例如，溴化锂水容易)在吸收室被吸收后，被抽到双效发生器，从而淋或滴落到热交换管的表面。较高温蒸汽，如太阳能集热器驱动的蒸汽源或天然气汽轮机废气驱动的蒸汽源或蒸汽轮机末级，作为热泵的输入能量源，进入热交换管，通过降膜式热交换工艺蒸发稀释后的液体。
图3示出了某些可能的应用。如该图所示，双效热泵与低温多效脱盐或水净化装置组合。可从汽轮机发电机的中间级或较后级获取高温蒸汽，此时蒸汽的大部分动能已被用于发电，从而使热泵中使用的蒸汽不会很大程度上影响发电效率。这种蒸汽的消耗相对比较便宜。输入端的每吨较高温蒸汽加上来自多效脱盐设备废气的1.3吨低温蒸汽，产生将近2.1吨的中温蒸汽，该中温蒸汽能用于多效蒸发脱盐和/或水净化过程，从而因其产生的量是可用中温蒸汽量的两倍而增加淡水的生产。超过二分之一的所得的低温蒸汽能被再循环至上述同一热泵循环中。剩余的低于二分之一的所得的低温蒸汽能够被湿冷却或干冷却为水，或被传输到低温相变热能存储单元(例如，如申请号为PCT/US2010/049406的PCT申请所描述的；以及美国专利申请：12/885,411和12/916,539，其中描述的储热设备、材料及其方法以引用的方式包含于此文中)，在将其潜热释放到储热材料中时被冷却为水。然后，冷凝水返回以完成热动力循环。当环境空气温度在夜间降低时，储存在相变材料(PCM)中的低温潜热随后被耗散到周围环境中。也可以将该储存的低温潜热用于供暖或其他目的。
如图4A所示，在某些实施例中，在此描述的新型的单效吸收式变热器包括发生器(例如，LiBr发生器)和吸收器(例如，LiBr吸收器)，而热输入和输出介质为汽相(例如，水蒸气)。沸腾蒸发***的中温中压“废蒸汽”(例如来自干燥设备)被分成两部分。一部分从管侧进入发生器，以通过将来自吸收器的稀释后的工作液淋或滴落到发生器腔室中的热交换管表面，而重新生成浓缩的工作液体(例如，LiBr/水溶液)；发生器腔室中产生的蒸汽具有比输入蒸汽低的温度和压力。如下文详细的描述，该蒸汽可用于低温多效蒸发工艺。
另一部分在真空条件下进入吸收室并被淋或滴落到吸收室中的热交换管表面的浓缩的工作液体(例如，LiBr/水溶液)吸收；在吸收时所释放的热能将吸收管中的水加热直接产生蒸汽。在某些实施例中，蒸汽/水分离器用于分离来自热交换管的蒸汽和水。由于该热交换管的高循环效率，产生了大量温度高于输入蒸汽的水蒸气，然后，这些蒸汽被用于重新进入上述沸腾蒸发***以产生更多的中温蒸汽，下文将做描述。在吸收室吸收稀释的工作液(例如，锂-溴-水溶液)后，其被抽到发生器，从而淋或滴落到热交换管的表面以结束周期循环。
图1示出了单效吸收式热泵(所谓第一类热泵)的说明性实施方式。该热泵101采用蒸汽形式作为其热能的输入和输出。如图1所示，该热泵包括：发生器111；热泵吸收器114；LiBr溶液热交换器115；用于发生器的高温蒸汽输入121；发生器111中产生的中温蒸汽123；来自另一源头的低温蒸汽128(例如，来自多效蒸发***的排气阶段或来自其他热应用的末级单元)；稀释的工作液(例如，LiBr)循环泵133；吸收器114中稀释的工作液(例如，LiBr)134；来自另一循环回路用于吸收器的冷却水输入135；吸收器114的中温蒸汽输出136；发生器111输出的传热流体(例如，水)122；发生器111中产生的浓缩的工作液(例如，LiBr)138；151和163是用于发生器111和吸收器114的热交换管入口；152和164是热交换管；153和165是热交换管出口；154和166是用于洒落LiBr溶液的喷雾器(例如，降膜式热交换器)。
如图1所示，发生器111利用输入的高温蒸汽121，从稀释的工作液(例如，LiBr)134中产生浓缩的工作液(例如，LiBr)138。在发生器111中产生的蒸汽是中温蒸汽123。吸收器114吸收低温蒸汽128，同时在吸收管中以化学吸热和池沸腾的方式产生中温蒸汽136。该单效热泵的功能是利用高温输入蒸汽121将低温蒸汽128转变为中温蒸汽124。来自另一热源(如来自多效蒸发脱盐阶段的排气阶段)的低温蒸汽128进入吸收器114。来自发生器111的浓缩的工作液(例如，LiBr)138通过喷头166喷射到热交换管164的表面，吸收蒸汽128，同时通过降膜式热交换过程将化学吸收的热量传递到管164中的水中。在这一吸收过程中产生的热能将管164中的循环水135加热变成汽化的。这一过程产生的蒸汽136达到了中温范围。同时，利用循环泵133将吸收器114底部稀释的工作液(例如，LiBr)134抽到发生器111，其穿过热交换器115到达发生器111中的喷头154。高温蒸汽121穿过热交换器151、152和153，通过降膜热交换过程将喷射在热交换管152表面的稀释的工作液(例如，LiBr)134汽化。发生器111中产生的蒸汽123具有比输入蒸汽121低的温度。中温蒸汽123和136都被用于驱动多效蒸发***，该***脱盐或净化经过一定(处理的)的污水。工作液(例如，LiBr)138在一次浓缩过程后消失，故称为单效热泵。上述浓缩液通过喷头166流入吸收器114以完成热泵循环。
参考图1和表1，提供了一组说明但非限制性的工作参数，用于上述单效吸收式热泵的一典型应用。
表1.单效吸收式(第一类)热泵的说明性实例
端口 介质 温度(℃) 流速(t/h)
121 蒸汽 163 1.00
122 水 163 1.00
123 蒸汽 118 0.86
128 蒸汽 100 0.86
136 蒸汽 118 0.89
135 水 114 0.89
图2示出了双效热泵的说明性实施方式。该热泵201采用蒸汽形式作为其热能的输入和输出。图2中示出的该热泵包括：第一发生器211A；第二发生器211B；热泵吸收器214；LiBr溶液热交换器215、216和217；用于第一发生器的较高温蒸汽输入221；第一发生器产生的蒸汽223；第二发生器中产生的中温蒸汽224；来自另一源(例如，来自多效蒸发***的排气阶段或来自其他热应用的末级单元)的低温蒸汽228；稀释的工作液(例如，LiBr)循环泵233；吸收器214中稀释的工作液(例如，LiBr)234；来自另一循环回路用于吸收器的冷却水输入235；来自吸收器214的中温蒸汽输出236；第一发生器输出的传热流体(例如，水)222；第二发生器211B输出的传热流体(例如，水)232；第二发生器中产生的浓缩的工作液(例如，LiBr)237；第一发生器中产生的浓缩的工作液(例如，LiBr)238；251、255和263是用于两个发生器和吸收器的热交换管入口；252、256和264是热交换管；253、257和265是热交换管出口；254、258和266是喷雾器(例如，降膜式热交换器)。
如图2所示，发生器211A和211B利用输入的较高温蒸汽221，从稀释的工作液(例如，LiBr)234中产生浓缩的工作液(例如，LiBr)237和238。吸收器214吸收低温蒸汽228，同时在吸收管中以化学吸热和池沸腾的方式产生中温蒸汽236。该双效热泵的功能是通过低压发生器211B和吸收器214，利用高温输入蒸汽221将低温蒸汽228转变为中温蒸汽两部分224和236。
来自另一热源(如来自多效蒸发脱盐阶段的排气阶段)的低温蒸汽228进入吸收器214。来自发生器211B的浓缩的工作液(例如，LiBr)237通过喷头266喷射到热交换管264的表面，吸收蒸汽228的同时通过降膜式热交换工艺将化学吸收的热量传递到管264内的水中。在这一吸收过程中产生的热能将管264中的循环水235加热变成汽化。这一过程产生的蒸汽236的温度达到中温的范围。同时，利用循环泵233将吸收器214底部稀释的工作液(例如，LiBr)234抽到发生器211A中，其穿过3个热交换器217、216和215到达第一发生器211A中的喷头254。高温蒸汽221穿过热交换器251、252和253，将喷射在热交换管252表面的稀释的工作液(例如，LiBr)234通过降膜热交换过程汽化。发生器211A中产生的蒸汽223被传输到发生器211B以作为其热源。部分浓缩的工作液(例如，LiBr)238通过喷头258流入发生器211B并以上述的类似工艺被进一步浓缩。第二发生器211B中产生的蒸汽224的温度达到中温的范围。中温蒸汽224和236都被用于驱动海水脱盐或净化污水的多效蒸发***。同时，发生器211B底部的工作液(例如，LiBr)237被进一步浓缩。工作液(例如，LiBr)237在经过两次浓缩过程后消失，故称为双效热泵。上述浓缩液通过喷头266流入吸收器214以完成热泵循环。
参考图2和表2，提供了一组说明但非限制性的工作参数，用于上述双效吸收式热泵的一典型应用。
表2.双效吸收式(第一类)热泵的说明性实例
端口 介质 温度(℃) 流速(t/h)
221 蒸汽 163 1.00
232 水 114 0.67
222 水 110 1.00
223 蒸汽 114 0.67
224 蒸汽 70 0.64
228 蒸汽 40 1.31
236 蒸汽 70 1.47
235 水 32 1.47
图3示出了图2中描述的双效热泵组合双效蒸发脱盐设备或污水净化装置的示意图。如其所示，双效热泵(例如，如上所述)301与多效蒸发脱盐装置F40组合以从污水中生产淡水。如图3所示，较高温蒸汽通过端口321进入热泵301，而来自多效脱盐装置F40的F1阶段的部分低温蒸汽通过端口328进入同一热泵301以产生来自端口324和336的中温蒸汽。这两种中温蒸汽合并通过端口F2进入脱盐装置F40以启动多效蒸发过程。来自F40末级的剩余低温蒸汽F3进入传统的冷凝器或低温相变储热设备F4中的任意一个，从而冷凝为水。冷凝后的水通过循环泵F9循环回314以完成整个循环。
如上所述(例如，如图3所述的),下面将在各实施例中详细描述与上述的多效蒸发脱盐装置或污水净化装置组合的热泵。通常,多效蒸发装置将约70℃至75℃的蒸汽作为其热能输入。由于每个蒸发结果间的温差在2.5至3度之间,该***能获得蒸发过程中的10至12个结果(例如,如图3所示,每个结果是蒸发器中的一个阶段。因此,例如,对于每吨输入蒸汽(163℃)，通过这种装置可产生18吨的淡水。例如，如图2所示，利用此处所述的热泵,将接收的每吨163℃的蒸汽结合来自端口F1的1.3吨40℃的蒸汽输入吸收器314，可产生2.1吨70℃的蒸汽。特别地，如果浓缩的LiBr溶液以94℃的温度进入吸收器314，则存在足够的温度差来利用池沸腾机制在热交换管364内部产生72℃的蒸汽。以这种方式，假如能在组合时使用较大的多效蒸发脱盐装置，则利用70℃的蒸汽，可从污水中产生比所用蒸汽量的50％至80％多的淡水。同样的该工艺可用于处理海水或咸水以生成淡水。
参考图3，表3示出了一组说明但非限制性的提供给上述装置每个端口的工作参数。
表3.双效吸收式(第一类)热泵的一实例的说明性工作参数。
端口 介质 温度(℃) 流速(t/h)
321 蒸汽 163 1.00
323 蒸汽 114 0.67
324 蒸汽 70 0.64
328 蒸汽 40 1.31
336 蒸汽 70 1.47
332 水 114 0.67
322 水 110 1.00
F2 蒸汽 70 2.11
F3 蒸汽 40 0.04
F5 污水0.5％ 35 19.5
F6 盐水6％ 67 1.6
F7 水 不适用 18.7
F8 水 32 0.04
图4示出了单效吸收式变热器(所谓第二类热泵)的说明性实施方式。该变热器401采用蒸汽形式作为其热能的输入和输出。如图4所示，该变热器包括：发生器411；LiBr溶液热交换器415；用于该发生器的中温蒸汽输入421；该发生器产生的低温蒸汽423；与蒸汽421来源相同的中温蒸汽428(例如，如来自干燥蒸发器的蒸汽或来自蒸汽轮机的中间级蒸汽)。下列特征在图中标示：稀释的工作液(例如，LiBr)循环泵433；吸收器414中稀释的工作液(例如，LiBr)434；来自另一循环周期用于吸收器的冷却水输入435；吸收器414的高温蒸汽输出436；发生器输出的热交换液(例如，水)422；发生器411中产生的浓缩的工作液(例如，LiBr)438；451和263是用于发生器和吸收器的热交换管入口；452和264为热交换管；453和465为热交换管出口；454和266为喷雾器(例如，降膜式热交换器)。
如图4A所示，发生器411利用输入的较高温蒸汽421，从稀释的工作液(例如，LiBr)434中产生浓缩的工作液(例如，LiBr)438。在发生器411中产生的蒸汽是中温蒸汽423。吸收器414吸收低温水蒸汽428，同时在吸收管中以化学吸热和池沸腾的方式产生中温蒸汽436。该单效热泵的功能是利用高温输入蒸汽421，将低温蒸汽428转变为中温蒸汽424。来自另一热源(如来自多效蒸发脱盐阶段的排气阶段)的低温蒸汽428进入吸收器414。来自发生器411的浓缩的工作液(例如，LiBr)438通过喷头166喷射到热交换管464的表面，吸收蒸汽428的同时通过降膜式热交换过程将化学吸收的热量传导到管464内的水中。在这一吸收过程中产生的热能将管464中的循环水435加热变成汽化。这一过程产生温度达到中温的范围的蒸汽436。同时，利用循环泵433将吸收器414底部稀释的工作液(例如，LiBr)434抽到发生器411，其穿过热交换器415到达发生器411中的喷头454。较高温蒸汽421穿过热交换器451、452和453，将喷射在热交换管452表面的稀释的工作液(例如，LiBr)434通过降膜热交换过程汽化。发生器411中产生的蒸汽423具有比输入蒸汽421低的温度。中温蒸汽423和436都被用于驱动多效蒸发***，该***脱盐海水或净化经过一定(处理的)的污水。工作液(例如，LiBr)438在一次浓缩过程后消失，故称为单效热泵。上述浓缩液通过喷头466流入吸收器414以完成热泵循环。
值得注意的是，吸收器414中，管464的表面温度和该管464内部产生的蒸汽之间的温度差可能不足以达到理想池沸腾的条件。通常，需要再高25℃的温度来为“池沸腾”提供条件。因此，管464内的水可以仅仅蒸发一部分。如图4B所示，穿过端口的输出436为二相流体，例如，为蒸汽和水的混合物。在这种情况下，可使用蒸汽-水分离器440来分离蒸汽和水。蒸汽从端口441输出而水从端口442输出。循环泵445用于驱动水再次穿过吸收器，以通过管464内的热交换获得更多的蒸汽。上述循环速率取决于上述温度差并且可适应性调整。补充水435在循环泵445中结合分离的水442。值得注意的是，这种基于吸收器产生蒸汽的改进是一种通用的方法。其同样可以用于通过吸收产生蒸汽的其他吸收器中，例如用于吸收式热泵(单效或双效第一类热泵)中。
值得注意的是，在各实施方式中，如图1中所示的吸收式热泵(第一类热泵)和如图4中所示的吸收式变热器(第二类热泵)可具有相同的结构。但是，两者工作介质(如LiBr溶液)的浓缩，在发生器和吸收器中通常是不同的。通常，这两种热泵的输入蒸汽和输出蒸汽的温度是不同的。
综上所述，参考图3，利用以较高温蒸汽和较低温蒸汽作为输入蒸汽的双效吸收式热泵(第一类热泵)，发生器和吸收器都可产生中温蒸汽，产生的蒸汽的量约等于较高温蒸汽和较低温蒸汽的量的总和。该第一类热泵的功能是将较低温蒸汽的温度在较高温蒸汽的协助下升高到中温以用于进一步的应用。上述实例中，如表3总结的，163℃的蒸汽进入发生器而40℃的蒸汽进入吸收器，同时两部分70℃的蒸汽从发生器和吸收器中输出。
类似的，使用吸收式变热器(单效，第二类热泵)可将中温蒸汽分为两部分。一部分进入发生器而另一部分进入吸收器。在吸收器中产生高温蒸汽并在发生器中产生低温蒸汽。该第二类热泵的功能是将中温的输入蒸汽升温为较高温蒸汽和降低为较低温蒸汽，用于进一步的应用。在随后详细描述的一个应用中，来自干燥***的一个大气压下的100℃饱和蒸汽同时进入发生器和吸收器，同时吸收器输出118℃的蒸汽而发生器输出70℃的蒸汽。该118℃的蒸汽通过热交换重新进入干燥***，以在循环中再次生成100℃的蒸汽。通过这种方式，形成热蒸汽再压缩***。上述低温蒸汽可用于其他应用，比如低温多效蒸发装置。
参考图1，如表4所总结的，在不同的应用中利用单效吸收式热泵(还是第一类热泵)，在163℃饱和蒸汽进入发生器而100℃的蒸汽进入吸收器时，发生器和吸收器都产生120℃的蒸汽。
表4.用于单效吸收式(第二类)热交换器的说明但非限制性的工作参数
端口 介质 温度(℃) 流速(t/h)
421 蒸汽 100 1.00
422 水 100 1.00
423 蒸汽 70 1.12
428 蒸汽 100 1.12
436 蒸汽 120 1.00
435 水 95 1.00
图5示出了吸收式热泵523(单效第一类热泵，参考图1)和吸收式变热器524(单效第二类热泵，参考图4)的组合，并组合有两个污水干燥设备521和522，以及净化污水的低温多效蒸发***501(参考图3，装置F40)。为了利用该装置处理一定量的盐水污水，热源提供的163℃的蒸汽516进入单效吸收式热泵523(图1中的端口121)，与来自污水干燥设备521的100℃蒸汽508结合(图1中的端口128)，产生118℃的蒸汽509(图1中的端口123)。蒸汽509用于蒸发来自501的浓缩的污水，以通过污水干燥设备521中的热交换器产生100℃的蒸汽。干燥设备521将来自多效蒸发***501的较高浓度的盐水507转变为干燥的盐506和淡水505。同时，来自热泵523的升温后的118℃蒸汽512(图1中的端口136)用于在第二污水干燥设备522中产生100℃的蒸汽514。利用来自522的100℃蒸汽514a(图4中的端口421)和514b(图4中的端口428)，吸收式变热器524产生温度提升的120℃蒸汽515(图4中的端口423)，该蒸汽515用于通过另一热交换设备干燥来自装置501的浓缩的盐水510并产生出自干燥设备522的100℃的蒸汽514。同时，吸收式变热器524也用于产生70℃的蒸汽504(图4中的端口423)，该蒸汽504进一步用于低温多效蒸发***501。因此，在输入的较高温蒸汽516(图1中的端口121)的协助下，整个组合的装置作为热蒸汽再压缩设备，其可利用干燥设备521中产生的100℃的蒸汽508生成118℃的蒸汽509和512(图1中的端口123和136)；并将来自522的100℃蒸汽514升温而产生120℃的蒸汽515。118℃或120℃蒸汽的循环再次进入干燥设备，以继续产生更多的100℃的蒸汽，最终将污水溶液完全干燥成固体517(图1中的端口135)而519(图4中的端口435)为吸收器114或414的输入水，在该吸收器中水被蒸发为118°C和120℃的蒸汽，再次循环进入污水干燥设备。
如上所述(例如，如图5所述),下面将在各实施例中详细描述具有污水干燥设备的热再压缩单元。每小时处理164吨6.1％的浓缩污水，需每小时消耗18吨163℃的蒸汽。来自516的高温蒸汽进入吸收式热泵523，与干燥设备521中每小时产生的15.4吨100℃蒸汽508混合，以每小时产生16.5吨118℃的蒸汽，同时每小时将19.25吨20％的盐水溶液烘干，该盐水溶液是每小时处理164吨6.1％的污水的低温多效蒸发***所产生的浓缩液。吸收式热泵523产生的另一部分118℃的蒸汽512以14.9吨/小时的流速进入第二污水干燥单元522，以30.75吨/小时的流速干燥20％盐水溶液的第二部分。第二干燥设备与吸收式变热器524组合，利用干燥设备522产生的24.6吨/小时100℃蒸汽，每小时产生11.6吨120℃的蒸汽和用于低温多效蒸发***501来处理较少浓缩盐水的13吨70℃蒸汽。第二干燥设备每小时生产26.5吨的淡水和6.15吨的干燥盐。通过这种方式，所有的污水被蒸发，从而使排入环境的污水量为零。该组合***的总效果是每小时利用18吨163℃的蒸汽和16吨冷却水，来处理164吨6.1％的污水，以每小时获得170吨的淡水和10吨干燥的盐，同时释放到环境中的污水为零。
表5示出了该***的工作参数。
表5.用于组合有两个干燥设备和低温蒸发***的热蒸汽再压缩***的说明但非限制性工作参数。
端口 介质 温度(℃) 流速(t/h)
502 盐水6.1％ 30 164.00
503 水 不适用 127
504 蒸汽 70 13
505 水 118 16.5
506 盐 不适用 3.85
507 盐水20％ 67 19.25
508 蒸汽 100 15.40
509 蒸汽 118 16.5
510 盐水20％ 67 30.75
511 水 120 26.5
512 蒸汽 118 14.9
513 盐 不适用 6.15
514 蒸汽 100 24.6
515 蒸汽 120 11.6
516 蒸汽 163 18
517 水 95 16
518 水 163 18
519 水 95 11.6
520 水 100 11.6
值得注意的是，完全处理和干燥每吨6.1％的盐水需要消耗九分之一吨163℃的蒸汽。由于完全干燥1吨的水需要消耗750kWh的热量，上面提出的方法所消耗的等效热量为82kWh。以38％的热电转换效率计算，该值能被转换成等价的耗电量，即等于31.3kWh。该值可与典型的机械蒸汽再压缩***用于干燥每吨污水的30kWh相媲美。考虑到发电通常需要400℃到500℃的蒸汽，而热能消耗的温度仅仅是163℃。因而，本发明相比于MVR方案，在利用低能级热能方面具有优势。
应当认识到，尽管上述多个***涉及溴化锂(LiBr)***，它们仍可制成与其他吸收式制冷***(例如，氨水/氢气/水)工作。
还应当认识到，上述的溴化锂作为工作介质的地方也可考虑其他工作介质。在某些实施例中，溴化锂能与其他材料结合以提高粘度/混合度、质量传递，降低腐蚀性或修改其他属性。例如，在某些实施例中，溴化锂与有机盐(例如，有机钠盐和/或钾盐，如醋酸盐、甲酸盐、乳酸盐等等)结合。示例性的阻蚀剂包括，但不限于硝酸锂、铬酸锂、亚砷酸锂以及钼酸锂。示例性的表面活性剂包括，但不限于：2-乙基-1-己醇，1-辛醇等。
值得注意的是，如有没有必要再利用低温蒸汽，上述实施例中描述的BrLi吸收器仍可利用常规冷却水耗散潜热。在这些情况下，上述吸收器类似于现有技术中使用的吸收器。
值得注意的是，多种介质、尺寸、工作温度等意图是说明性和非限制性的。利用本文提供的教导，可给本领域技术人员提供上述设备及其应用的许多变化并反映出特殊的高温和低温蒸汽源、所需的应用等等。
可以理解，本文描述的实例和实施例仅出于说明的目的，并且其中突出的各种改进和修改将被建议给本领域技术人员，且会被包含在本申请和附加的权利要求的精神和范围之内。所有的出版物、专利以及本文援引的专利申请出于全部的目的通过引用的方式纳入本文。

Claims (34)

1.一种全蒸汽驱动吸收式热泵，配置成将高温蒸汽输入和低温蒸汽输入相结合从而产生中温蒸汽输出，所述热泵包括：
第一热泵发生器，所述第一热泵发生器配置成用于从高温热源接收高温蒸汽，其中所述第一热泵发生器包括降膜式热交换器且所述第一热泵发生器配置成用于接收来自热泵吸收器的稀释的工作介质并利用来自所述高温蒸汽的所述热来蒸发传热材料并因而提供中温蒸汽输出和浓缩的工作介质，所述传热材料来自被传输通过所述降膜式热交换器的稀释的工作介质；
可选地第二热泵发生器，所述第二热泵发生器包括第二降膜式热交换器，其中，所述其中的第二热泵发生器配置成用于接收在所述第一热泵发生器中产生的所述浓缩的工作介质和在所述第一热泵发生器中产生的所述输出蒸汽，所述第二热泵发生器还配置成用于利用来自所述第一热泵发生器中产生的输出蒸汽的热，进一步蒸发所述第一热泵发生器中产生并被传输通过所述第二降膜式热交换器的浓缩的工作介质，并因而提供中温蒸汽输出和更浓缩的工作介质；和
热泵吸收器，所述热泵吸收器包括第三降膜式热交换器，其中所述吸收器配置成用于接收来自低温热源的低温蒸汽形式的传热材料，并且配置成在不包括所述第二热泵发生器时用于接收来自所述第一热泵发生器的所述浓缩的工作介质，而在包括所述第二热泵发生器时用于接收来自所述第二热泵发生器的所述浓缩的工作介质，并且所述热泵吸收器配置成用于利用通过所述浓缩的工作介质吸收所述低温蒸汽产生的热，生成中温蒸汽输出和所述稀释的工作介质，并且，其中所述热泵吸收器配置成用于将所述稀释的工作介质传输到所述第一热泵发生器；
其中所述低温蒸汽的温度范围在40°～70℃之间，所述中温蒸汽的温度范围在60℃～130℃之间，以及所述高温蒸汽的温度范围在130℃～170℃之间。
2.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，不包括所述第二热泵发生器而所述热泵包括单效热泵。
3.如权利要求2所述的热泵，其特征在于，进一步包括热交换器，该热交换器使得将所述浓缩的工作介质从所述第一热泵发生器传输到所述热泵吸收器的管线与将所述稀释的工作介质从所述热泵吸收器传输到所述第一热泵发生器的管线之间进行热交换。
4.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，包括所述第二热泵发生器并且所述热泵包括双效热泵。
5.如权利要求4所述的热泵，其特征在于，所述第一热泵发生器是高压发生器并且所述第二热泵发生器是低压热泵发生器。
6.如权利要求5所述的热泵，其特征在于，进一步包括热交换器，该热交换器使得将所述浓缩的工作介质从所述第二热泵发生器传输到所述热泵吸收器的管线与将所述稀释的工作介质从所述热泵吸收器传输到所述第一热泵发生器的管线之间进行热交换。
7.如权利要求4所述的热泵，其特征在于，进一步包括热交换器，该热交换器使得将所述浓缩的工作介质从所述第一热泵发生器传输到所述第二热泵发送器的管线与将所述稀释的工作介质从所述热泵吸收器传输到所述第一热泵发生器的管线之间进行热交换。
8.如权利要求1项所述的热泵，其特征在于，进一步包括热交换器，该热交换器交换一管线中的热量，该管线传输所述第一热泵发生器流出的载热液体。
9.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述蒸汽包括水蒸气。
10.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，在所述吸收器中的热交换器配置成用于接收流体和吸收蒸汽，从而将吸收的蒸汽的潜热转换为化学吸收热，以在产生所述稀释的工作介质的同时在热交换器内生成蒸汽。
11.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述吸收器的输出是双相蒸汽/液体混合物，并且所述输出连接于蒸汽/液体分离器。
12.如权利要求11所述的热泵，其特征在于，所述分离器将所述液相引导返回至吸收器中。
13.如权利要求8所述的热泵，其特征在于，所述载热液体为水。
14.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述工作介质包括溴化锂。
15.如权利要求14所述的热泵，其特征在于，所述工作介质包括溴化锂，和钠和/或钾的有机盐。
16.如权利要求15所述的热泵，其特征在于，所述有机盐选自以下构成的组的盐：醋酸盐、甲酸盐和乳酸盐。
17.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述工作介质包括氨水。
18.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述高温热源选自以下构成的组：太阳能聚光器、蒸汽轮机、核电站、燃煤电厂和废弃物焚烧设备。
19.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述热泵可操作地连接于蒸发脱盐装置，以使该热泵的中温蒸汽输出进入所述脱盐装置并使来自所述脱盐装置的低温蒸汽输出进入所述热泵。
20.如权利要求19所述的热泵，其特征在于，所述脱盐装置是多效蒸发脱盐装置。
21.如权利要求19所述的热泵，其特征在于，来自所述脱盐装置的低温蒸汽进入传统冷凝器或低温相变储热设备中的任意一个被冷凝为水。
22.如权利要求21所述的热泵，其特征在于，所述水返回到所述吸收器。
23.如权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述热泵可操作地连接于干燥***，以生成热再压缩***。
24.如权利要求23所述的热泵，其特征在于，所述***配置成用于将中温蒸汽从所述干燥***引入到所述第一热泵发生器和所述吸收器中，并且将所述吸收器中产生的高温蒸汽传回所述干燥***。
25.如权利要求23所述的热泵，其特征在于，所述干燥***是污水干燥***。
26.一种结合高温蒸汽和低温蒸汽以产生中温蒸汽的方法，所述方法包括：
提供如权利要求1至18中任一项所述的热泵；
将所述高温蒸汽引入所述热泵中的所述第一热泵发生器中；
将所述低温蒸汽引入包含有所述热泵的吸收器中；并且
接收所述热泵产生的中温蒸汽。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述高温热源选自以下构成的组：太阳能聚光器、蒸汽轮机、核电站、燃煤电厂和废弃物焚烧设备。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述热泵可操作地连接于蒸发和/或脱盐装置，以使该热泵的中温蒸汽输出进入所述脱盐装置并使来自所述脱盐装置的低温蒸汽输出进入所述热泵。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述蒸发和/或脱盐装置是多效蒸发/脱盐装置。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，来自所述蒸发和/或脱盐装置的低温蒸汽进入传统冷凝器或低温相变储热设备中的任意一个被冷凝为水。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述水返回到所述吸收器。
32.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述热泵可操作地连接于干燥***以生成热再压缩***。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述***将中温蒸汽从所述干燥***引入到所述第一热泵发生器和所述吸收器并且将所述吸收器中产生的高温蒸汽传回所述干燥***。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述干燥***是污水干燥***。
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