一种高温高湿气体中水热回收的开式压缩吸收式热泵系统的制作方法

1.本发明属于换热、余热利用、环保技术领域，涉及到一种高温高湿气体中水热回收的开式压缩吸收式热泵系统。


背景技术：

2.高温高湿气体广泛存在于各类工业行业中，包括高温高湿空气，脱硫烟气，高湿煤气等。以600mw燃煤锅炉为例，排放湿烟气中水蒸气含量约为230t/h，将造成大量水资源的排放流失。同时，水蒸汽雾滴在排放时形成凝结核心，在一定气象条件下会促进雾霾的形成。另一方面，50℃烟气作为一种废热，虽然其能量品味低、密度小，但总量比较大，直接外排环境将造成热量的损失。因此对高温高湿气体水分及余热回收利用，具有节约能源、保护环境的双重意义。
3.热泵是一种常见的提升能量品味并利用的技术，其采用逆卡诺循环，将热量由低温热源向高温热源转移，在电厂循环水余热、印染、制药等行业应用广泛。其中压缩式热泵与吸收式热泵较为常见。传统的压缩式热泵由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀组成。工质在蒸发器中吸收低温热源的热量后蒸发，然后进入压缩机，压缩机将工质蒸汽压缩为高温高压工质后进入冷凝器，工质在冷凝器中冷凝放热，最后经过膨胀阀后送入蒸发器，完成一个循环，实现将低温热源的热量转移给中高温热源。传统的吸收式热泵由吸收器、节流阀、再生器、冷凝器、蒸发器等组成。吸收溶液在发生器中被加热，溶液中制冷剂首先沸腾蒸发，在再生蒸汽冷凝器中冷凝为液体，并在再生蒸汽冷凝器表面放热，通过节流装置的节流降压作用，在蒸发器中吸收低温热源的热量进行蒸发，此时制冷剂为低压蒸汽状态；经发生过程剩余的高浓度吸收剂通过溶液泵输送至吸收器中，与来自蒸发器中的低压蒸汽混合并进行吸收，使吸收剂恢复到初始的浓度。由于气体比热较低，在热泵中采用传统间接换热工艺对高温高湿气体余热利用，受气体与吸热介质间冷端温差的影响，换热量较小，吸热介质出口温度较低，一般低于换热器气体出口温度约5℃，出口温度较低导致其后续热利用场景受限；同时间接换热形式只能将气体冷却至露点温度，气体中的大量汽化潜热及水分无法得以利用，余热利用效果欠佳。
4.近些年来，对于压缩式热泵已有大量研究和成果，如专利：“第一类热驱动压缩式热泵”(cn 201810685634.3)、“第二类热驱动压缩式热泵”(cn 201610815260.3)、“第三类热驱动压缩式热泵”(cn 201810685635.8)、“第四类热驱动压缩式热泵”(cn202010252741.4)中采用高温热源作为驱动，实现供热与机械能的输出。其中，低温热介质与工作介质采用间接接触的传统换热形式，换热过程中两种介质冷端温差限制整体的换热效果，该类热泵如利用高温高湿气体作为低温热介质，将仅能利用气体的显热部分能量，无法实现对水蒸汽及其潜热的提取及利用。如专利：“开式吸收式热泵
‑
mvr技术耦合的闭路循环干燥系统”(cn202010720409.6)、“一种利用高温烟气驱动的开式热泵装置及其应用”(cn202011257645.5)采用开式热泵形式以烟气热源作为低温热源，以电能或过热蒸汽作为高温热源，通过热泵进行提质升温，实现对余热的利用。由于吸收式热泵受到吸收溶液结晶
温度的限制，溶液温度需要在其对应浓度的结晶温度以下，因此限制吸收式热泵溶液的工作范围。
5.申请人的在先申请“一种控制输入烟气压力的湿烟气源热泵系统”(cn202110363262.4)已经进行了相关方面的研究，该申请提出一种集水及余热回收、污染物脱除的新型湿烟气源热泵，湿烟气提高烟气压力后，其温度随之升高，随后与循环水进行直接接触式换热，其中烟气降温释放显热，烟气中水蒸汽达到饱和状态后进一步释放汽化潜热。升温的循环水进入用户端热输出装置中输出热量后，降温进入换热器中喷淋完成循环。在运行过程中，该装置可利用湿烟气中水蒸汽的汽化潜热，出口烟气为正压状态，烟气的露点温度提高，水蒸汽更容易达到饱和状态冷凝。同时，烟气压力升高后其含湿量降低，相较于一般直接接触式冷凝方式，可冷凝更多水蒸汽，进而回收更多余热。降温后的饱和湿烟气进入涡轮，依靠气体释压过程的膨胀力，推动涡轮叶轮旋转，带动发电机发电或输出机械能同轴带动循环水泵电机做功，最终达到常压状态排放。
6.但是该申请还存在如下问题：1.增压的烟气在接触换热后，烟气仍为饱和状态，仍有较多水分释放至环境，导致水分及其汽化潜热浪费；2.经增压接触换热后，循环水温度仍较低，导致后续用能效果较差；3.饱和水蒸汽直接进入膨胀机涡轮中，释压过程中水蒸汽温度降低，导致冷凝出现液滴，涡轮机带水会使功率严重下降,甚至会导致叶片折断。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术存在的上述不足，申请人提出一种高温高湿气体中水热回收的开式压缩吸收式热泵系统，高温高湿气体进入气体压力调节装置提高气体压力后，其温度随之升高，随后与循环水进行直接接触式换热，其中气体降温释放显热，气体中水蒸汽达到饱和状态后进一步释放汽化潜热。降温后的高温高湿空气进入吸收器中，与吸收溶液进行直接接触，高温高湿气体中水蒸汽被吸收进入溶液中进一步释放气化潜热，最后高温高湿气体进入膨胀装置中释压。循环水首先在溶液水换热器中与再生后浓溶液进行间接式换热，再与冷凝器中的再生蒸汽进行间接式换热，随后进入接触换热器进行接触式换热，换热后的循环水进入水箱中，经加药净化处理后，输送至用户端热输出装置中输出热量后降温，最后回到溶液水换热器中完成循环。浓吸收溶液在吸收器中与降温后高温高湿气体发生吸收反应，高温高湿气体中水蒸汽进入吸收溶液的同时释放汽化潜热，溶液浓度降低，稀吸收溶液在溶液热交换器中与再生后的浓吸收溶液换热后，进入到再生器中，在一定真空度及热源作用下完成再生，再生后的浓溶液与循环水在溶液水换热器中换热后，进入到吸收器中喷淋完成循环。再生过程中产生的再生蒸汽受真空泵作用，由再生器进入冷凝器中，与循环水换热，冷凝水进入冷凝水箱中，剩余不凝气体由真空泵抽出系统。运行过程中，该装置可利用高温高湿气体中水蒸汽的汽化潜热，出口烟气为正压状态，烟气的露点温度提高，水蒸汽更容易达到饱和状态冷凝。同时，烟气压力升高后其含湿量降低，相较于一般直接接触式冷凝方式，可冷凝更多水蒸汽，进而回收更多余热。降温后的饱和高温高湿气体进入吸收器中，由于其中水蒸汽的分压力较高于吸收溶液表面水蒸汽的饱和分压力，高温高湿气体中水蒸汽进一步被吸收溶液吸收；最终高温高湿气体进入膨胀装置，依靠气体释压过程的膨胀力，推动膨胀机做功，输出机械能，最终达到常压状态排放。
8.区别于已有的闭式热泵系统，该装置通过循环水、吸收溶液直接与高温高湿气体
相接触，对高温高湿气体中潜热的回收、提质利用，为一种全新的开式热泵系统。本发明采用如下方案：
9.一种高温高湿气体中水热回收的开式压缩吸收式热泵系统，所述系统包括气体压力调节装置、接触式换热器、压力控制阀、膨胀机、换热器、冷凝水箱、吸收器、再生器、真空泵、循环水箱和用户端热输出装置。
10.气体管道出口连接接触式换热器，所述气体管道上设置气体压力调节装置，接触式换热器连接吸收器，吸收器上端气体出口连接膨胀机，吸收器和膨胀机之间的管路上设置第一压力控制阀；循环水入口与溶液水换热器连接，溶液水换热器与冷凝器连接，冷凝器连接接触式换热器，接触式换热器下端与循环水箱连接，循环水箱连接用户端热输出装置，用户端热输出装置连接溶液水换热器；所述吸收器连接溶液热交换器，溶液热交换器连接再生器，再生器连接溶液热交换器，溶液热交换器连接溶液水换热器，溶液水换热器连接吸收器；所述再生器连接冷凝器，冷凝器连接真空泵；所述膨胀机向真空泵输送能量。
11.高温高湿气体通过气体管道出口进入接触式换热器，在接触式换热器中与循环水进行换热，换热后的气体进入吸收器中，在吸收器中与溶液进行热交换，热交换后的气体进入膨胀机中，推动膨胀机做功，输出机械能。
12.循环水在接触式换热器中与气体进行换热后，进入循环水箱，然后从循环水箱进入用户端热输出装置，在用户端热输出装置换热后进入溶液水换热器，与溶液进行热交换，换热后的水进入冷凝器中与来自再生器的再生蒸汽进行换热，然后进入接触式换热器中。
13.吸收溶液在吸收器中与气体发生吸收反应后，进入溶液热交换器，与来自再生器的溶液进行热交换后，进入再生器再生，再生后的溶液进入溶液热交换器中换热后进入溶液水换热器，与循环水进行换热后进入吸收器中。
14.再生蒸汽产生自再生器中溶液的再生过程，再生蒸汽进入冷凝器中与循环水进行换热，然后进入冷凝水箱，冷凝水箱连接真空泵。
15.作为优选，用户端热输出装置与溶液水换热器之间设置循环水泵ⅰ，循环水箱与接触式换热器的管路上设置第二压力控制阀，循环水箱与用户端热输出装置间设置循环水泵ⅱ；吸收器与溶液热交换器之间管路设置循环溶液泵ⅰ，再生器与溶液热交换器之间管路设置循环溶液泵ⅱ。
16.作为优选，冷凝器与冷凝水箱连接的管路伸入冷凝水箱中，并没入一定液位中，冷凝水箱与真空泵连接的管路伸入冷凝水箱中，管口位于液位上方；再生器中采用低压加热蒸发形式，再生器内部设置加热盘管，吸收溶液由上方进入再生器中，再生后浓溶液由再生器底部流出，再生后的再生蒸汽由再生器顶部流出。
17.作为优选，气体压力调节装置包括压缩机。
18.一种针对高温高湿气体水热回收、污染物脱除方法，高温高湿气体经气体管道进入气体压力调节装置，压缩成高温高压的气体，随后通入接触式换热器中，高温高压气体与循环水进行直接接触式换热，其中气体降温释放显热，气体中水蒸汽达到饱和状态后进一步释放汽化潜热，实现对于气体汽化潜热的回收，随后气体进入吸收器，与浓吸收溶液发生吸收反应，气体中水蒸汽进一步被吸收溶液吸收，水蒸汽的汽化潜热随之进入到吸收溶液中，降温除湿后的高温高湿气体进入膨胀机，依靠高压气体的膨胀力推动膨胀机叶轮旋转，带动发电机发电或输出机械能同轴带动真空泵或循环水泵电机做功，最终达到常压状态排
放；循环水在接触式换热器中与气体进行接触式换热，升温后的循环水进入循环水箱中，经过滤、脱除处理工艺后，在循环水泵ⅱ进行增压后泵送至用户端热输出装置释放热量，降温的循环水经过循环水泵ⅰ增压后，进入溶液水换热器中，对再生后的浓溶液进行降温，进入冷凝器与再生蒸汽换热，随后回到接触式换热器喷淋完成循环；浓吸收溶液在吸收器中与高压饱和高温高湿气体接触发生吸收反应，水蒸汽进入溶液中使溶液浓度降低，稀溶液经循环溶液泵ⅱ增压泵送至溶液热交换器，与再生后的浓溶液进行热交换，随后进入再生器中低压加热再生，再生后的浓溶液通过循环溶液泵ⅰ泵送至溶液热交换器，随后进入溶液水换热器与循环水再次换热后，进入吸收器中喷淋完成循环；再生过程中产生的水蒸汽通过真空泵产生的负压带动，进入冷凝水箱中脱除冷凝水，剩余气体排放至大气环境中。
19.作为优选，吸收器与接触式换热器中的气体压力保持一致，为气体压力调节装置增压量与环境压力之和，本实施方式中约为80kpa正压。温度为换热器气体出口温度，约为45℃。由于换热后气体压力高于环境压力，其对应水蒸汽的分压力较对应常压状态下饱和温度水蒸汽的分压力高，在吸收器中受气体中水蒸汽分压力与吸收溶液表面蒸汽压差的驱动，吸收溶液可吸收更多的水蒸汽；经吸湿后，气体在其释放到环境过程中会膨胀做功，因此利用该部分膨胀功带动膨胀机涡轮转动做功，可将气体内能转化为机械能形式。膨胀后的低温气体以环境压力排放至环境中。
20.作为优选，压力控制阀选用自立式压力阀或数字式压力阀，用于控制接触式换热器与吸收器内压力状态。
21.作为优选，吸收器中气液接触采用逆流喷淋形式，气体由吸收器下方进入，由顶部流出，吸收溶液由上方进入，由底部流出。吸收溶液选择金属卤素溶液，如溴化锂水溶液(libr
‑
h2o)、氯化锂水溶液(licl
‑
h2o)溶液及氯化钙水溶液(cacl2‑
h2o)，溶液浓度需低于吸收过程设计温度下的结晶浓度。
22.作为优选，膨胀机可选用容积型膨胀机，具体形式可采用涡旋式、螺杆式、活塞式、滚动转子式机械等。
23.作为优选，冷凝器与冷凝水箱连接的管路伸入冷凝水箱中，并没入一定液位中，冷凝水箱与真空泵连接的管路伸入冷凝水箱中，管口位于液位上方。
24.作为优选，由于再生器气体出口含湿量仍较高，真空泵选用水环式真空泵。
25.作为优选，再生器中采用低压加热蒸发形式，吸收溶液由上方进入再生器中，再生后浓溶液由再生器底部流出，再生后的再生蒸汽由再生器顶部流出。
26.作为优选，再生器中蒸发区域设置加热盘管，加热盘管位于再生器溶液喷淋区域下方，加热采用间接式换热形式，加热热源可采用汽轮机抽气、高温烟气、电加热、高温蒸汽等形式，可根据具体场景需求进行确定。
27.与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：
28.1.本发明提供了一种新的系统，该系统将集水及余热回收、污染物脱除、烟气膨胀功回用融合到一个系统，使得余热回收和污染物脱除后的烟气直接用于生成机械能，进而输出机械能或电能用于系统的真空泵、循环水泵或周围小型设备的能量来源，从而达到整体的集水及余热回收、污染物脱除、高湿气体膨胀功回用一体化系统。相对于在先的申请，本发明的系统能进一步提高高温高湿气体余热的利用、水分的回收及污染物组分的捕集、气体膨胀功回用。
29.2.本发明装置中，高温高湿气体经气相压力调节装置提高压力后与水进行接触式换热，直接接触式换热器出口烟气仍为增压状态，与吸收溶液发生吸收反应时，由于吸收过程推动力为水蒸汽分压力与吸收溶液表面蒸汽压的差值，相较于常压状态下的吸收过程蒸气压差更大，推动力更强，在相同设备工况下，增压后吸收效率优于常压，因此该过程可吸收更多水蒸汽，进入液态循环水中的汽化潜热量也进一步增多，装置水热回收效率相较于传统方式有明显提升。
30.3.本发明装置中，高压饱和高温高湿气体进入吸收器中，经吸收溶液吸湿后，高温高湿气体相对湿度进一步降低，气体显热及潜热被进一步回收，经膨胀机做功后，气体最终出口压力为大气压力，气体最终出口温度低于大气压力下对应饱和温度，高温高湿气体为不饱和状态，降低白烟生成几率。
31.4.本发明装置中，高温高湿气体经循环水喷淋洗涤后，进入吸收器中被吸收溶液吸湿，可减少如烟气中残余组分对吸收溶液的污染，降低系统运行的成本及故障风险。
32.5.本发明装置中，高温高湿气体经吸收后进入涡轮中释压，其中水蒸汽为不饱和状态，可保证在释压过程中水蒸汽不会冷凝出现液滴，避免涡轮机带水作业，保证膨胀做功工序的安全运行。
33.6.该系统运行过程中，循环水作为对外输出热量的载热工质，依次流经溶液水换热器、冷凝器、接触式换热器，该过程中，以上装置中的热流体温度依次升高，可实现循环水逐级升温，实现对于高温高湿气体余热及系统运行过程中产生废热的梯级利用。
附图说明
34.图1为一种高温高湿气体中水热回收的开式压缩吸收式热泵系统的结构示意图；
35.其中，1、气体压力调节装置，2、压力控制阀，3、接触式换热器，4、吸收器，5、压力控制阀，6、膨胀机，7、冷凝水箱，8、真空泵，9、冷凝器，10、溶液水换热器，11、循环水泵ⅰ，12、循环溶液泵ⅰ，13、溶液热交换器，14、再生器，15、循环溶液泵ⅱ，16、用户端热输出装置，17、循环水泵ⅱ，18、循环水箱。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
37.图1展示了一种高温高湿气体中水热回收的开式压缩吸收式热泵系统。如图1所示，所述系统包括气体压力调节装置1、接触式换热器3、压力控制阀2和5、膨胀机6、吸收器4、溶液水换热器10、溶液热交换器13、冷凝器9、再生器14、冷凝水箱7、真空泵8、循环水箱18和用户端热输出装置16。气体管道出口连接接触式换热器3，所述气体管道上设置气体压力调节装置1，接触式换热器3连接吸收器4，吸收器4上端气体出口连接膨胀机6，吸收器4和膨胀机6之间的管路上设置第一压力控制阀5；循环水入口与溶液水换热器10连接，溶液水换热器10与冷凝器9连接，冷凝器9连接接触式换热器3，接触式换热器3下端与循环水箱18连接，循环水箱18连接用户端热输出装置16，用户端热输出装置16连接溶液水换热器10；所述吸收器4连接溶液热交换器13，溶液热交换器13连接再生器14，再生器14底端连接溶液热交换器13，溶液热交换器13连接溶液水换热器10，溶液水换热器10连接吸收器4；所述再生器14连接冷凝器9，冷凝器9连接真空泵8；所述膨胀机6向真空泵8输送能量。
38.所述系统中包含四种工质：高温高湿气体、循环水、吸收溶液、再生蒸汽。
39.所述高温高湿气体通过气体管道出口进入接触式换热器3，在接触式换热器3中与循环水进行换热，换热后的气体进入吸收器4中，在吸收器4中与溶液进行吸收反应，经吸收后的气体进入膨胀机6中，推动膨胀机做功，输出机械能。最后膨胀后的气体排放至大气中。
40.所述循环水在接触式换热器3中与气体进行换热后，进入循环水箱18，然后从循环水箱18进入用户端热输出装置16，在用户端热输出装置16换热后进入溶液水换热器10，与再生后的浓溶液进行热交换，换热后的水进入冷凝器9中与来自再生器14的再生蒸汽进行换热，然后进入接触式换热器3中，完成循环水循环。
41.所述吸收溶液在吸收器4中与气体发生吸收反应后进入溶液热交换器13，与来自再生器14的溶液进行热交换后，进入再生器14再生，再生后生成的浓溶液进入溶液热交换器13中换热后进入溶液水换热器10，与循环水进行换热后进入吸收器4中，完成溶液循环。
42.所述再生蒸汽产生自再生器14中溶液再生过程，再生蒸汽进入冷凝器9中与循环水进行换热，然后进入冷凝水箱7，冷凝水箱7连接真空泵8，再生蒸汽冷凝至冷凝水箱7中。
43.作为优选，循环水自用户端热输出装置16放热后，先后经过溶液水换热器、冷凝器、接触式换热器，最后回到循环水箱中，经提水、净化等操作后，泵送至用户端热输出装置16中完成循环。该流程可实现循环水逐级升温，实现余热资源的梯级利用。
44.作为优选，气体压力调节装置1包括压缩机。高温高湿气体经气体压力调节装置1提高压力后，高温高湿气体温度升高，高温高湿气体由进口处饱和状态变为过热状态，高温高湿气体压力露点温度随压力升高而升高，与水进行接触式换热时可冷凝更多水分，进入液态循环水中的汽化潜热量也进一步增多，装置水热回收效率相较于传统方式有明显提升。
45.作为优选，接触式换热器3中气液接触采用逆流喷淋形式，可采用喷淋塔、板式塔、填料塔等气液接触式反应装置。循环水由上方进入，由底部流出，气体由喷淋位置下方进入，由顶部流出。作为优选，接触式换热器3底部连接管道通入循环水箱18中，没入液面下方。
46.作为优选，所述循环水连接管路末端连接喷淋装置，所述气体压力调节装置1与接触式换热器3连接管路伸入到接触式换热器3中并位于喷淋装置的下部。通过喷淋装置的喷淋使得气体和水进行充分混合换热，提高换热效率。
47.作为优选，所述接触式换热器3由于流经其内部气体温度较高且其内部压力高于外界环境压力，设计材料需选用不锈钢等耐压材料。换热器中压力为气体压力调节装置增压量与环境压力之和，如环境压力为101.3kpa，气体增压量为80kpa，则换热器中压力为181.3kpa，可通过布置于换热器上侧气体出口及下侧热水出口的压力控制阀进行调节控制。
48.作为优选，设置除沫器、除雾器布置于接触式换热器3内部上方，用于滤除随气体夹带的液滴。除沫器可选用丝网除沫器，除雾器可选用折流板式除雾器。所述除雾器设置在除沫器的上部，吸收器与接触式换热器之间的连接管路伸入到接触式换热器中并设置在除沫器的下部。由于循环冷却水采用喷淋形式进入接触式换热器，内部空气与冷却水逆向接触且流速较高，可通过除雾器与除沫器对大颗粒液滴进行捕集固定。
49.作为优选，所述循环水箱18中设置过滤装置、加药补水口和取水口，所述加药补水
口和取水口设置在过滤装置的下部。
50.作为优选，所述循环水箱18和用户端热输出装置16之间的管路上设置循环水泵ⅱ17，所述用户端热输出装置16与溶液水换热器10之间的管路上设置循环水泵ⅰ11。
51.作为优选，所述吸收器4与溶液热交换器13之间的管路上设置循环溶液泵ⅰ12，所述再生器14与溶液热交换器13之间的管路上设置循环溶液泵ⅱ15。
52.作为优选，吸收器4中气液接触采用逆流喷淋形式，吸收溶液由上方进入，由底部流出，气体由吸收器溶液喷淋位置下方进入，由顶部流出。作为优选，吸收溶液选择氯化钙水溶液(cacl2‑
h2o)。
53.所述气体入口连接气体压力调节装置，气体压力调节装置连接接触式换热器，接触式换热器上端气体出口连接吸收器，吸收器上端气体出口连接膨胀机，吸收器和膨胀机之间的管路上设置第一压力控制阀，所述接触式换热器下端的热水出口连接循环水箱，热水出口和循环水箱之间的管路上设置第二压力控制阀，所述循环水箱连接用户端热输出装置，用户端热输出装置连接溶液水换热器，所述膨胀机对外输送能量。
54.所述压力控制阀2、压力控制阀5用于控制接触式换热器3与吸收器4中的压力参数，可选用自立式压力控制阀或数字式压力控制阀。由于系统为连续进气，利用自立式压力控制阀或数字式压力控制阀进行间歇式压力控制。本实施方案选用数字式压力控制阀。
55.所述热泵系统，根据压力可分为高压区及低压区，通过压力控制阀2、压力控制阀5对压力进行控制。接触式换热器3、吸收器4中的压力维持在较高的压力工况。所述压力控制阀采用阀后减压方式，压力控制值与气体压力调节装置设定值一致。当接触式换热器3和/或吸收器4内压强低于设定值时，控制阀2、5处于关闭状态，升压后的气体在接触式换热器3、吸收器4中富集，尤其是在吸收器4中富集，内部压强逐步增大；当接触式换热器3和/或吸收器4内压强高于设定值时，控制阀2、5处于开启状态，气体经控制阀5离开吸收器4，内部压强逐步降低，控制阀复位，最终恢复关闭状态。以换热器内压强为80kpa正压为例，换热器液位高度为1m，环境压强为101kpa，则第一压力控制阀的压力控制参数为181kpa，第二压力控制阀的压力控制参数为换热器内压强与液位水头压强(9.8kpa)之差，即171.2kpa。通过上述的设置，能够保证吸收器4输出的气体保证一定的压力，从而保证推动膨胀机6做功，从而输出保证质量的机械能。
56.作为优选，膨胀机6可选用容积型膨胀机，具体形式可根据输入气体参数及输出功率需求选用涡旋式、螺杆式、活塞式、滚动转子式机械等，本实例采用螺杆式膨胀机。
57.作为优选，溶液水换热器10用于降低进入吸收器中浓吸收溶液的温度，可有效提高并改善吸收效率，并将溶液热量传递至循环水中。
58.作为优选，溶液热交换器13用于将浓吸收溶液的热量传递至稀吸收溶液，该种设计形式可使经加热再生的浓吸收溶液降低温度，有利于提高吸收溶液在吸收器中的吸收效率；同时，可使经吸收反应后的稀吸收溶液提高温度，有利于达到再生装置设定的工况条件，降低再生器14加热需求的热量。
59.作为优选，冷凝器9用于冷凝再生蒸汽，以实现间接回收高温高湿气体中的水分。
60.作为优选，冷凝器9采用间接接触式冷凝，来自溶液
‑
水换热器的循环水作为冷却介质，再生蒸汽作为载热介质，循环水吸收再生蒸汽冷凝过程释放的汽化潜热。
61.作为优选，冷凝器9与冷凝水箱7连接的管路伸入冷凝水箱中，并没入一定液位中，
冷凝水箱与真空泵连接的管路伸入冷凝水箱中，管口位于液位上方。如此设计，可保证冷凝的大液滴流经冷凝水箱，液滴被已有冷凝液充分捕集，液滴不会对真空泵工作造成影响；同时，不凝气体可经上方真空泵连接管路顺利流出冷凝水箱中，保证系统维持在设定负压状态下。
62.作为优选，再生器14中蒸发区域设置加热盘管，加热盘管位于再生器溶液喷淋区域下方，加热采用间接式换热形式，加热热源可采用汽轮机抽气、高温烟气、高温蒸汽、电加热等形式，可根据具体场景需求进行确定。
63.作为优选，再生器14中采用低压加热蒸发形式，吸收溶液由上方进入再生器中，再生后浓溶液由再生器底部流出，再生后产生的再生蒸汽由再生器顶部流出。再生器中设置的压力，根据吸收溶液的浓度与温度计算得到其表面蒸汽压相关。再生器中压力需小于等于设计工况下吸收溶液表面蒸汽压。如本实施方式中选用的cacl2‑
h2o的表面蒸汽压计算公式，选用manuelr.conde给出的蒸汽压拟合公式如下：
[0064][0065][0066]
θ＝
‑
0.379 3.457ξ
‑
3.531ξ2#(3)
[0067][0068][0069][0070]
作为优选，由于再生器气体出口含湿量仍较高，真空泵选用水环式真空泵。
[0071]
作为优选，冷凝水箱7可与循环水箱18连接，冷凝水经循环水箱中的过滤，加药处理后，经提水口提取出。
[0072]
所述循环水泵ⅱ17、循环水泵ⅰ11用于提升管道内循环水压力。循环水泵ⅰ11提供的压力用于保证进入溶液水换热器10与冷凝器9中循环水的流动换热状态，优选是接触式换热器3中喷嘴的工作状态，压力、流量参数由喷嘴的喷淋工况确定。循环水泵ⅱ17提供的压力用于保证用户端热输出装置16中循环水的流动换热状态，压力、温度、流量参数由用户端热输出装置热力计算结果反馈调节。所述热力过程通过接触式换热器3气液能量平衡进行计算。计算过程不考虑设备散热损失，可得到气液能量平衡方程为：
[0073]
m
f
δh
f
＝c
w
m
w
δt
w
#(7)
[0074]
其中，m
f
、m
w
分别为气体与循环水质量流量，δh
f
为换热器气体进出口比焓差，c
w
为循环水定压比热容，δt
w
为换热器循环水进出口温差。
[0075]
气体比焓可通过气体焓值经验公式进行计算：
[0076]
h＝1.01t (2500 1.84t)d#(8)
[0077]
压缩后气体温度可根据多变过程t、p关系进行计算：
[0078][0079]
其中n为该热力过程的多变指数，可取n＝1.55。
[0080]
含湿量可利用公式(11)(12)进行计算。
[0081]
根据以上方程，由于进入该系统气体参数可作为已知数据，可得到接触式换热器循环水温差与循环水流量m
w
间关系。
[0082]
所述用户端热输出装置16为用户端热利用设备，可采用常见换热形式以利用循环水热量。本实例采用家用散热器采暖工艺形式作为热利用装置。出口温度、热水量可根据用户端需求，利用系统循环水量、气体增压量，进行反馈调节。
[0083]
所述循环水箱18位于接触式换热器与压力控制阀下方，用于储存该系统的循环水并起缓冲作用，同时也可通过控制循环水流量调节系统运行温度。循环水在接触式换热器3进行气液换热后，受到塔内压强作用流动至下方循环水箱18中。由于系统运行时气体中微量杂质、颗粒物等溶于循环水中，长期运行将导致富集于循环水中，循环水箱内部需设置水处理装置及过滤装置。
[0084]
作为优选，循环水箱18底部设置加药补水口，用于污染物处理药剂的投放，可采用定时投放、连续投放等加药方式。
[0085]
作为优选，在循环水箱18底部设置取水口，由于系统可提取气体中的水蒸气进入循环水中，长期运行将打破系统原有水分的质量平衡，因此需对回收的水分进行提取。同时，取水口也可用于循环水箱18中循环水的排出。
[0086]
作为优选，循环水箱18内部设置过滤装置，用于过滤较大粒径的颗粒物或沉淀物质。
[0087]
如图1所示的集水及余热回收工作方法，高温高湿气体经气体管道进入气体压力调节装置，压缩成高温高压的气体，随后通入接触式换热器中，高温高压气体与循环水进行直接接触式换热，其中气体降温释放显热，气体中水蒸汽达到饱和状态后进一步释放汽化潜热，实现对于气体汽化潜热的回收；随后气体进入吸收器，与浓的吸收溶液发生吸收反应，气体中水蒸汽进一步被吸收溶液吸收，水蒸汽的汽化潜热随之进入到吸收溶液中，降温除湿后的高温高湿气体进入膨胀机，依靠高压气体的膨胀力推动膨胀机叶轮旋转，输出机械能同轴带动真空泵或循环水泵电机或外接发电机做功，最终达到常压状态排放；循环水在接触式换热器中与气体进行接触式换热，随后进入循环水箱中，经过滤、脱除处理工艺后，在循环水泵ⅱ进行增压后泵送至用户端热输出装置释放热量，降温的循环水经过循环水泵ⅰ增压后，进入溶液水换热器中，对再生后的浓溶液进行再降温，进入冷凝器与再生蒸汽换热，随后回到接触式换热器喷淋完成循环；浓的吸收溶液在吸收器中与高压饱和的高温高湿气体接触发生吸收反应，水蒸汽进入溶液中使溶液浓度降低，稀溶液经循环溶液泵ⅱ增压泵送至溶液热交换器，与再生后的浓溶液进行热交换，随后进入再生器中低压加热再生，再生后的浓溶液通过循环溶液泵ⅰ泵送至溶液热交换器，随后进入溶液水换热器与循环水再次换热后，进入吸收器中喷淋完成循环；再生过程中产生的再生蒸汽通过真空泵产生的负压带动，进入冷凝水箱中脱除冷凝水，剩余不凝气体排放至大气环境中。
[0088]
作为优选，所述气体压力调节装置1中压缩机可选用蒸汽压缩机、罗茨风机等气体压力变送装置。因高温高湿气体中含湿量较高，可采用涂料防腐、材料防腐等方式。选用变
频式压缩机，可调节压缩机的功率，用于调节系统的流量参数。本技术可以根据实际需要调节压力调节装置的功率，从而使得输送的气体流量根据需要发生变化；根据实际需要调节压力控制阀阈值，从而使得接触式换热器内的气体温度与压力根据需要发生变化。例如当检测的接触式换热器中输出的气体的压力和温度低于预定的压力和温度，则系统智能调整输送的功率及阀门阈值，使得输出的气体压力增加，从而保证进入接触式换热器热水出口温度及流量以满足供热要求，进而改变进入膨胀机中气体参数。
[0089]
作为优选，接触式换热器3上部气体出口设置温度和/或压力传感器，用于检测排出的气体的温度和/或压力，气体压力调节装置1、温度和/或压力传感器与控制器进行数据连接，所述控制器根据检测的温度和/或压力自动调节气体压力调节装置1的功率，从而保证进入接触式换热器气体的流量、换热后热水出口温度及流量以满足供热要求，进而改变进入膨胀机中气体参数。
[0090]
作为优选，当检测的气体温度低于设定温度和/或压力下限时候，控制器控制气体压力调节装置的功率提高，从而提高进入接触式换热器中的气体压力，进一步提高接触式换热器中的气体温度；同时控制器控制压力控制阀提高阈值，从而提高接触式换热器内气体的温度和压力。
[0091]
作为优选，当检测的气体温度高于设定温度和/或压力上限时候，控制器控制气体压力调节装置的功率降低，从而降低进入接触式换热器中的气体压力，进一步提高接触式换热器中的气体温度；同时控制器控制压力控制阀降低阈值，从而降低接触式换热器内气体的温度和压力。
[0092]
上述根据接触式换热器3出口气体温度/压力控制气体压力调节装置1的压缩功率，可以保证进入接触式换热器3的压力和温度满足其换热要求。
[0093]
作为优选，循环水泵ⅰ11与控制器进行数据连接，所述控制器根据接触式换热器3上部气体出口温度控制循环水泵ⅰ11的功率的大小。
[0094]
作为优选，接触式换热器3上部气体出口设置温度和/或压力传感器，用于检测排出的气体的温度和/或压力，循环水泵ⅰ11、温度传感器与控制器进行数据连接，所述控制器根据检测的温度和/或压力自动调节循环水泵ⅰ11的功率，从而保证进入接触式换热器热水出口温度及流量以满足供热要求，进而改变进入涡轮中气体参数。
[0095]
作为优选，当检测的气体温度低于设定温度和/或压力下限时候，控制器控制循环水泵ⅰ11功率降低，从而减少进入接触式换热器的冷源流量；同时，循环水依次流经溶液水换热器、冷凝器，冷源流量降低可提高循环水在上述两设备的出口温度，导致进入接触式换热器的循环水温度提高，最终提高接触式换热器3输出的气体温度和压力。
[0096]
作为优选，当检测的气体温度高于设定温度和/或压力上限时候，控制器控制循环水泵ⅰ11的功率增加，从而增加进入接触式换热器的冷源流量；同时，循环水依次流经溶液水换热器、冷凝器，冷源流量提高可降低循环水在上述两设备的出口温度，导致进入接触式换热器的循环水温度降低，从而降低接触式换热器3中输出的气体温度和压力。通过如此设置，可控制接触式换热器中换热情况，进一步控制接触式换热器热水出口温度，更好的满足用户需要。
[0097]
通过上述的根据接触式换热器3出口气体温度压力控制循环水泵ⅰ11的功率大小，可以实现保证离开接触式换热器3气体、循环水的压力和温度满足要求，同时满足吸收工艺
需要。
[0098]
所述接触式换热器3上部气体出口设置温湿度和/或压力传感器，用于检测排出的气体的温湿度和/或压力，循环溶液泵ⅱ15、循环溶液泵ⅰ12、温湿度传感器与控制器进行数据连接，所述控制器根据检测的温湿度和/或压力自动调节循环溶液泵ⅱ15、循环溶液泵ⅰ12的压缩功率，从而调整进入吸收器、再生器吸收溶液流量以满足对气体中水蒸汽吸收及溶液再生的要求，进而改变气体出口含湿量参数。
[0099]
作为优选，循环溶液泵ⅱ15、循环溶液泵ⅰ12与控制器进行数据连接，由于系统运行过程中吸收溶液要保证其物料平衡，因此所述控制器根据接触式换热器3上部气体出口温湿度同步控制循环溶液泵ⅱ15、循环溶液泵ⅰ12的功率大小。
[0100]
作为优选，当检测的气体温湿度低于设定温湿度和/或压力下限时候，气体中含湿量降低，控制器控制循环溶液泵ⅱ15、循环溶液泵ⅰ12功率降低，从而减少进入吸收器、再生器的溶液流量，降低吸收、再生效率，气体体积逐步增大，提高吸收器4输出的气体温度和压力。
[0101]
作为优选，当检测的气体温度高于设定温度和/或压力上限时候，气体中含湿量提高，控制器控制循环溶液泵ⅱ15、循环溶液泵ⅰ12功率提高，从而增大进入吸收器、再生器的溶液流量，提高吸收、再生效率，气体体积逐步减小，降低吸收器4输出的气体温度和压力。
[0102]
通过上述的根据换热器3出口气体温度压力控制循环溶液泵ⅱ15、循环溶液泵ⅰ12的功率大小，可以实现保证进入吸收器4、再生器的溶液流量，进而调节吸收及再生效率，最终使接触式换热器与吸收器中气体的温度压力参数维持相对平衡状态。
[0103]
作为优选，膨胀机6、真空泵8与控制器数据连接，膨胀机6可向真空泵8输送电能或机械能，所述控制器通过控制膨胀机6向真空泵8输送能量的大小来控制真空泵8的功率，来控制再生器中的温度压力参数。
[0104]
作为优选，当检测的再生器出口气体温湿度/压力低于设定温湿度和/或压力下限时候，控制器控制膨胀机输出至真空泵的功率降低，从而降低再生器的真空度，降低再生效率。
[0105]
作为优选，当检测的再生器出口气体温湿度/压力高于设定温湿度和/或压力下限时候，控制器控制膨胀机输出至真空泵的功率提高，从而提高再生器的真空度，提高再生效率。通过如此设置，可控制再生器的再生效率，以维持热泵系统中吸收溶液的物质平衡。
[0106]
通过上述的根据再生器14再生蒸汽出口气体温湿度/压力控制膨胀机6输出功率的大小，可以实现保证输入真空泵8的功率满足运行要求，使得再生器中再生压力满足再生工艺要求与系统稳定性。
[0107]
作为优选，真空泵、再生器加热热源与控制器进行数据连接，所述控制器根据接触式换热器3上部气体进出口、吸收器出口与冷凝器出口的温湿度、压力数据控制真空泵8的功率的大小。
[0108]
作为优选，接触式换热器3上部气体出口设置温湿度和/或压力传感器，用于检测排出的气体的温湿度和/或压力，吸收器4上部气体出口设置温湿度和/或压力传感器，冷凝器9上部再生蒸汽出口设置温湿度和/或压力传感器、流量计，所述控制器根据检测的温度和/或压力自动调节真空泵8的压缩功率，从而保证进入再生器、冷凝器、冷凝水箱中的压力参数，进而改变溶液再生效率以保证系统吸收再生达到平衡状态。
[0109]
所述真空泵8用于为再生过程营造真空条件，优选是利用真空泵的功率大小对再生过程进行控制。真空泵8提供的真空度用于保证再生器14、冷凝器9中的压力参数，压力、温湿度、流量参数由接触式冷凝器、吸收器、再生器热力计算结果反馈调节。所述热力过程通过进入系统的气体参数、吸收器出口气体参数及再生器出口气体参数气液物质平衡进行计算。计算过程不考虑设备散热损失，可得到气液质量平衡方程为：
[0110]
m
4dry
δh4‑5＝m
14dry
h
14
#(10)
[0111]
其中，m
4dry
、m
14dry
分别为吸收器、再生器出口干空气质量流量，δh4‑5为吸收器进出口含湿量的差值，h
14
为再生器出口含湿量。
[0112]
气体含湿量d可通过公式进行计算：
[0113][0114]
p
b
为气体压力，p
s
为水蒸气分压力，为相对湿度，可使用antoine水的饱和蒸汽压与温度关系方程计算：
[0115][0116]
通过以上方程，可根据系统各测点的温度及压力参数计算得到含湿量，进而实现对系统的动态调整。
[0117]
一种高温高湿气体中水热回收的开式压缩吸收式热泵系统的工作方法，包括：
[0118]
高温高湿气体经气体管道进入气体压力调节装置，压缩成高温高压的气体，随后通入接触式换热器中，高温高压气体与循环水进行直接接触式换热，其中气体降温释放显热，气体中水蒸汽达到饱和状态后进一步释放汽化潜热，实现对于气体汽化潜热的回收，随后气体进入吸收器，与浓吸收溶液发生吸收反应，气体中水蒸汽进一步被吸收溶液吸收，水蒸汽的汽化潜热随之进入到吸收器中，经吸收溶液降温除湿后，高温高湿气体进入膨胀机，依靠高压气体的膨胀力推动膨胀机做功，输出机械能同轴带动真空泵电机或外接发电机做功，最终达到常压状态排放；循环水在接触式换热器中与气体进行接触式换热，升温后的循环水进入循环水箱中，经过滤、脱除处理工艺后，在循环水泵ⅱ进行增压后泵送至用户端热输出装置释放热量，降温的循环水经过循环水泵ⅰ增压后，进入溶液水换热器中，对再生后的浓溶液进行再降温，进入冷凝器与再生蒸汽换热，随后回到接触式换热器喷淋完成循环；浓吸收溶液在吸收器中与高压饱和高温高湿气体接触发生吸收反应，水蒸汽由高温高湿气体进入溶液中，使溶液浓度降低，稀溶液经循环溶液泵ⅱ增压泵送至溶液热交换器，与再生后的浓溶液进行热交换，随后进入再生器中低压加热再生，再生后的浓溶液通过循环溶液泵ⅰ泵送至溶液热交换器，随后进入溶液水换热器与循环水再次换热后，进入吸收器中喷淋完成循环；再生过程中产生的水蒸汽通过真空泵产生的负压带动，进入冷凝水箱中脱除冷凝水，剩余不凝气体排放至大气环境中。
[0119]
饱和高温高湿气体经气体压力调节装置升压后，高温高湿气体中水蒸气由饱和状态转变为过热状态，高温高湿气体的露点温度随压力增大而提高。以1.8倍升压比为例，可将50℃饱和高温高湿气体提升至约125℃。由于循环水温度远低于过热空气温度，气液直接接触后，过热气体降温至该压力下水蒸气的饱和温度，过程中释放气体的显热；受气液温差，饱和气体进一步降温放热，该阶段释放干空气组分的显热与水蒸气的汽化潜热。
[0120]
由于高温高湿气体露点提高，与传统常压接触式冷凝器相比，冷凝至相同温度可冷凝水量增加。因此可实现对高温高湿气体中水蒸气的回收。
[0121]
接触换热后的高温高湿气体进入吸收器中，在高温高湿气体水蒸汽的饱和分压力与吸收溶液表面水蒸汽分压力差值驱动下，高温高湿气体中水蒸汽被吸收溶液的吸收，水蒸汽汽化潜热随吸收过程一同进入吸收溶液中。
[0122]
由于高温高湿气体压力在吸收器中仍高于常压，与常压状态下相同温度的饱和蒸汽比，其水蒸汽的分压力较高，因此吸收过程中分压力差值较常压下更大，可促进吸收反应的进行。
[0123]
雾化的循环水液滴及小粒径冷凝水液滴可作为晶核吸附烟气中的污染物气体分子、颗粒物，在加压作用下进一步促进了扩散作用，强化了吸附能力。降温吸湿后气体离开吸收器，进入膨胀机，可膨胀发电或输出机械能同轴带动真空泵电机做功。释压至常压后的气体温度进一步降低，且为不饱和状态。循环水在接触过程中吸收气体的显热及水蒸气的汽化潜热，自身温度升高，离开换热器后作为输出热源对外供热。
[0124]
在系统的整个流程中，可实现对于高温高湿气体余热的利用、水分的回收及烟气中污染物组分的捕集，有极强的工程实践意义。
[0125]
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。