一种利用高温烟气驱动的开式热泵装置及其应用

技术领域

本发明属于热泵系统技术领域，具体涉及一种利用高温烟气驱动的开式热泵装置及其应用。

背景技术

随着世界人口总量的不断增加，我国面临着越来越严重的能源利用率低以及能源消费迅速成长等问题，现如今如何提高能源利用率已经成为社会广泛关注的重点内容。我国工业余热资源主要可分为高温烟气余热和冷却介质余热等，高温烟气余热在余热总资源中占有比较大的比重，提高对高温烟气余热的回收利用具有重要意义。近年开式热泵技术在提高能源利用率方面取得的了一定的成绩，尤其是利用开式热泵技术将高温烟气中的余热进行回收方面取得了很大的进展。开式热泵主要通过吸收高温烟气中的显热，以及水蒸汽中的潜热进行回收热量的，这种方式能够更多的回收高温烟气中的热量。但目前的开式热泵装置的适用性较差，当冷源的用量改变时，不能较好的回收高温烟气中的余热。

发明内容

为解决上述技术，本发明的第一个方面提供了一种利用高温烟气驱动的开式热泵装置，包括第一相变换热器，所述第一相变换热器上开有烟气入口和烟气出口；吸收塔，所述吸收塔与第一相变换热器之间通过第一管道相连通，所述吸收塔内部安装有喷淋装置；储液箱，所述储液箱与吸收塔的喷淋装置之间相连通，所述储存箱内储存有溶液工质；第一换热器，所述第一换热器上开有热源第一入口、热源第一出口、冷源第一入口和冷源第一出口，所述第一换热器通过热源第一入口与储液箱相连通，所述第一换热器通过热源第一出口与吸收塔相连通；回热器，所述回热器与储液箱之间相连通，所述回热器与第一相变换热器之间通过第二管道相连通；分离器，所述分离器的下部开有第七出口，中部开有第六入口以及顶部开有第八出口，所述分离器的下部通过第七出口、第三管道与回热器相连通，所述分离器的中部通过第六入口与第一相变换热器相连通，本技术方案中的高温烟气指110℃以上的烟气。

优选的，所述利用高温烟气驱动的开式热泵装置还包括第二换热器，所述第二换热器上开有热源第二入口、热源第二出口、冷源第二入口和冷源第二出口，所述第二换热器通过第四管道与分离器相连通，所述第四管道上设有第四控制阀，所述第二换热器通过冷源第二入口、冷源第一出口与第一换热器相连通。

优选的，所述利用高温烟气驱动的开式热泵装置还包括第二相变换热器，所述第二相变换热器上开有热源第三入口、热源第三出口、冷源第三入口和冷源第三出口，所述第二相变换热器通过热源第三入口、第五管道与分离器的顶部相连通，所述第五管道上设有第五控制阀，所述第二相变换热器通过热源第三出口、第六管道与分离器的中部相连通，所述第六管道上设有第六控制阀。

优选的，所述分离器通过第七出口、第七管道和第二管道与第一相变换热器相连通，所述第七管道上设有第七控制阀。

优选的，所述吸收塔的顶部安装有烟囱，所述吸收塔的外壁上设有旁通管路，所述旁通管路的一端与烟囱相连通，另一端通过第一管道与第一相变换热器相连通，所述旁通管路上设有旁通阀，所述第一管道上设有第一控制阀。

优选的，所述烟囱的下部设有控制阀。

优选的，所述溶液工质为吸湿性溶液，所述吸湿性溶液其溶剂为液态水，溶质为无机盐和/或有机物，所述吸湿性溶液的质量浓度在20-60％。

优选的，所述无机盐选自溴化钠、溴化锂、氯化锂和氯化钙中的至少一种，所述有机物选自草酸钾、乙二醇、甘油和三甘醇中的至少一种。

优选的，所述溶液工质为质量分数41％的氯化钙水溶液。

本发明提供的利用高温烟气驱动的开式热泵装置应用于高温烟气余热利用中。

有益效果：

(1)本发明的开式热泵装置中通过安装第一相变换热器和第二相变换热器，提高了整体热泵装的适用性，当冷源充足时，能够回收高温烟气中的显热和潜热；当冷源不充足时，能够回收高温烟气中的显热；提高了热泵装置的适应性。

(2)利用高温烟气作为开式热泵装置的驱动热源，无需消耗额外能源，提高了能源利用率。

(3)利用第一相变换热器作为蒸发器，能够控制第一相变换热器表面的温度，减少高温烟气对第一相变换热器的腐蚀，有利于延长开式热泵的使用寿命。

附图说明

图1是本发明中开式热泵装置的整体结构示意图。

1-第一相变换热器、2-烟气入口、3-烟气出口、4-第一相变换热器入口、5-第一相变换热器出口、6-吸收塔、7-第一入口、8-第一出口、9-第二出口、10-第一管道、11-喷淋装置、12-储液箱、13-第一换热器、14-热源第一入口、15-热源第一出口、16-冷源第一入口、17-冷源第一出口、18-回热器、19-第二管道、20-分离器、21-第七出口、22-第六入口、23-第八出口、24-第三管道、25-第二换热器、26-热源第二入口、27-热源第二出口、28-冷源第二入口、29-冷源第二出口、30-第四管道、31-第四控制阀、32-第七入口、33-第二相变换热器、34-热源第三入口、35-热源第三出口、36-冷源第三入口、37-冷源第三出口、38-第五管道、39-第五控制阀、40-第六管道、41-第六控制阀、42-第七管道、43-第七控制阀、44-旁通管路、45-旁通阀、46-第一控制阀、47-控制阀、48-第二入口、49-第三入口、50-第三出口、51-第四出口、52-第四入口、53-第五入口、54-第五出口、55-第六出口、56-第二控制阀、57-第三控制阀。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售得到的。

实施例1

如图1所示，一种利用高温烟气驱动的开式热泵装置包括第一相变换热器1、吸收塔6、储液箱12、第一换热器13、回热器18、分离器20、第二相变换热器33和第二换热器25，该实施例中是冷源介质充足时，装置的运行状态。所述第一相变换热器1的两侧分别开有烟气入口2、烟气出口3、第一相变换热器入口和第一相变换热器出口，高温烟气从烟气入口2流进第一相变换热器1，在第一相变换热器1中降温后，经烟气出口3流出第一相变换热器1。吸收塔6，所述吸收塔6的底部分别开有第一入口7和第一出口8，所述吸收塔6上部安装有喷淋装置11，所述喷淋装置11包括喷淋头，所述吸收塔的顶部开有第二出口9，所述第二出口9上安装有烟囱，所述第二出口9通过烟囱与大气相连通。所述吸收塔6通过第一入口7、第一管道10、烟气出口3与第一相变换热器1相连通，第一管道10上设置有第一控制阀46，通过控制第一控制阀46的开闭可以控制烟气是否从第一管道10中进入吸收塔6，在本实施例中第一控制阀46打开。所述吸收塔6的外壁上设有旁通管路44，所述旁通管路44的一端与烟囱相连通，另一端通过第一管道10与第一相变换热器1相连通，所述旁通管路44上设有旁通阀45，通过控制旁通阀45的开闭可以控制烟气是否从旁通管路44中通过，本实施例中旁通阀45处于关闭状态，烟气不从旁通管路44中通过。烟囱的下部设有控制阀47，通过控制阀47的开闭，可以控制烟气是否进入烟囱或者从吸收塔6的顶部进入吸收塔6内，该实施例中的控制阀47为打开状态，烟气可以从吸收塔6内部进入烟囱中。喷淋装置通过喷淋头喷出溶液工质，该实施例中的溶液工质为吸湿性的氯化钙溶液，氯化钙溶液的质量分数为41％，通过控制氯化钙溶液的浓度可以控制溶液工质的蒸发温度，可以控制第一相变换热器的表面温度，减少烟气对第一相变换热器的腐蚀。烟气经第一管道10和第一入口7进入吸收塔6内部，与溶液工质相接触，溶液工质吸收烟气中的显热被部分蒸发为水蒸气，烟气温度降低，烟气中的水蒸汽遇喷淋的溶液工质后冷凝，释放潜热，溶液工质吸收烟气中的水蒸气和释放的潜热，经过此过程之后，溶液工质的温度升高、浓度降低，由第一出口8排出吸收塔6外，被降温、降湿的烟气在吸收塔6内继续上升，通过第二出口9和烟囱之后排放到吸收塔6外。储液箱12，所述储液箱12是用于储存溶液工质的，所述储液箱上开有第二入口48、第三入口49、第三出口50和第四出口51，所述储液箱12通过第二入口48、第一出口8与吸收塔6相连通，温度升高、被稀释的溶液工质从吸收塔6流入到储液箱12中。回热器18，所述回热器18上开有第四入口52、第五入口53、第五出口54和第六出口55，回热器18通过第四入口52和第三出口50与储液箱12之间相连通，溶液工质从储液箱12中流入到回热器18中进行升温，回热器18通过第五出口54、第二管道19和第一相变换热器入口4与第一相变换热器相连通，第二管道19上安装有第二控制阀56，该实施例中第二控制阀56的状态为打开，溶液工质从回热器18流入到第一相变换热器1中，对高温烟气进行降温，自身被加热，变为气液混合物。分离器20，所述分离器20的下部开有第七出口21，中部开有第六入口22和第七入口32以及顶部开有第八出口23，所述分离器20通过第六入口22、第一相变换热器出口5第一相变换热器1相连通，所述分离器的第七出口21分别与第三管道21、第七管道42相连通，所述第三管道21上设有第三控制阀57，所述第七管道42上设有第七控制阀43，该实施例中第七控制阀43的状态为关闭，第三控制阀57的状态为打开。第一相变换热器1中的气液混合物流入到分离器20中进行气液分离，气液混合物在分离器20中形成二次蒸汽和被浓缩的溶液工质，被浓缩的溶液工质经第三管道24流入到回热器18中，在回热器18中被冷却后经过第六出口55和第三入口49回到储液箱12中。第二相变换热器33，所述第二相变换热器33上开有热源第三入口34、热源第三出口35、冷源第三入口36和冷源第三出口37，所述第二相变换热器33通过热源第三入口34、第五管道38与分离器33的顶部相连通，所述第五管道38上设有第五控制阀39，所述第二相变换热器33通过热源第三出口35、第六管道40通过第七入口32与分离器20的中部相连通，所述第六管道40上设有第六控制阀41，该实施例中的第五控制阀39和第六控制阀41处于关闭状态。第二换热器25，所述第二换热器25包括热源第二入口26、热源第二出口27、冷源第二入口28和冷源第二出口29，冷源介质从冷源第二入口28进入到第二换热器25中，第二换热器25通过热源第二入口26、第四管道30和第八出口23与分离器20相连通，第四管道20上设有第四控制阀31，该实施例中的第四控制阀为打开状态，分离器20中的二次蒸汽流入到第二换热器25中用于加热冷源介质，二次蒸汽在第二换热器25中被冷凝成二次蒸汽冷凝水，二次蒸汽冷凝水通过热源第二入口27流出，被加热的冷源介质通过冷源第二出口29流出第二换热器25。第一换热器13，所述第一换热器13包括热源第一入口14、热源第一出口15、冷源第一入口16和冷源第一出口17，冷源介质通过冷源第一入口16进入到第一换热器13中，所述第一换热器13通过热源第一入口14和第四出口51与储液箱12相连通，所述第一换热器13通过热源第一出口15与喷淋装置11相连通，储液箱12中的溶液工质通过第四出口和热源第一入口14流入到第一换热器13中，用于加热第一换热器13中的冷源介质，被降温的溶液工质通过热源第一出口进入到喷淋装置中，溶液工质通过喷淋装置中的喷淋头喷出，在吸收塔6内与高温烟气相接触。冷源介质在第一换热器13中被溶液工质加热之后通过冷源第一出口17和冷源第二入口28进入到第二换热器25中，在第二换热器25中被加热后，通过冷源第二出口流出第二换热器。

实施例2

如图1所示，该实施例2中与实施例1不同的点在于，该实施例中是冷源介质不充足时，开式热泵装置的运行状态。当冷源介质不充足时，第一控制阀46为关闭状态、旁通阀45为打开状态、控制阀47为关闭状态、第二控制阀56为关闭状态、第三控制阀57为关闭状态、第七控制阀43为打开状态、第四控制阀31为关闭状态、第五控制阀39为打开状态以及第六控制阀41为打开状态。高温烟气经烟气入口2进入到第一相变换热器1中，第一相变换热器1中装有循环利用的溶液工质，高温烟气在第一相变换热器1中对溶液工质进行加热，溶液工质被加热后形成气液混合物，高温烟气在第一相变换热器1中被降温后经过烟气出口3，流入到第一管道10中，经过第一管道10进入到旁通管路44中，然后经过烟囱流到大气中。冷源介质通过冷源第三入口36进入到第二相变换热器33中，在第二相变换热器33中被加热后，由冷源第三出口37流出第二相变换热器33。溶液工质的气液混合物通过第一相变换热器出口5和第六入口22进入到分离器20中，气液混合物在分离器20中分离形成二次蒸汽和被浓缩的溶液工质，二次蒸汽通过第五管道38进入到第二相变换热器33中，对第二相变换热器33中的冷源介质进行加热，二次蒸汽在第二相变换热器33中被冷凝成冷凝水，冷凝水经热源第三出口35流出第二相变换热器33，经过第六管道40和第七入口32流回到分离器20中，在分离器20中与被浓缩的溶液工质混合后，再经第七出口21和第七管道42进入到第一相变换热器1中，进行循环利用。该实施例中的溶液工质为吸湿性的氯化钙溶液，氯化钙溶液的质量分数为41％。

性能测试：

对实施例1和实施例2进行性能测试，得到如下结果：

从上述测试数据可以看出，本技术方案中的开式热泵装置具有较强的适用性，当冷源介质充足和冷源介质不充足时，均能够较好的回收高温烟气的余热，提高能源利用率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或更改为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。