[发明专利]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

说明书

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。虽然这些系统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系统，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系统而不冷凝，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。