Absorption heat pump for waste heat reuse: current states and future development

Abstract

Absorption heat pump attracts increasing attention due to itsadvantages in low grade thermal energy utilization. It can be appliedfor waste heat reuse to save energy consumption, reduce environmentpollution, and bring considerable economic benefit. In this paper,three important aspects for absorption heat pump for waste heat reuseare reviewed. In the first part, different absorption heat pump cyclesare classified and introduced. Absorption heat pumps for heat amplificationand absorption heat transformer for temperature upgrading are included.Both basic single effect cycles and advanced cycles for better performanceare introduced. In the second part, different working pairs, includingthe water based working pairs, ammonia based working pairs, alcoholbased working pairs, and halogenated hydrocarbon based working pairs,for absorption heat pump are classified based on the refrigerant.In the third part, the applications of the absorption heat pump andabsorption heat transformer for waste heat reuse in different industriesare introduced. Based on the reviews in the three aspects, essentialsummary and future perspective are presented at last.

Keywords

absorption / heat pump / heat transformer / waste heat / working pair

References

[1] Lu  H, Price   L, Zhang  Q. Capturing the invisible resource: analysis of waste heat potential in Chinese industry. Applied Energy, 2016, 161: 497–511

[2] Johnson I, Choate  W T, Davidson  A. Waste heat recovery. Technology and opportunitiesin US industry. Technical Report, 2008

[3] Lecompte S, Huisseune  H, van den Broek M, Vanslambrouck B ,  De Paepe M . Review of organic Rankine cycle (ORC) architectures for waste heatrecovery. Renewable & Sustainable EnergyReviews, 2015, 47: 448–461

[4] Hatami M, Ganji  D, Gorji-Bandpy M . A review of different heatexchangers designs for increasing the diesel exhaust waste heat recovery. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 37: 168–181

[5] Ebrahimi K, Jones  G F, Fleischer  A S. A review of data center coolingtechnology, operating conditions and the corresponding low-grade wasteheat recovery opportunities. Renewable& Sustainable Energy Reviews, 2014, 31: 622–638

[6] Zhang H, Wang  H, Zhu X ,  Qiu Y J ,  Li K, Chen  R, Liao Q . A review ofwaste heat recovery technologies towards molten slag in steel industry. Applied Energy, 2013, 112: 956–966

[7] Brückner S, Liu  S, Miró L ,  Radspieler M ,  Cabeza L F ,  Lävemann E . Industrial waste heat recoverytechnologies: an economic analysis of heat transformation technologies. Applied Energy, 2015, 151: 157–167

[8] Centre IHP. Application of industrial heat pumps. IEA Heat Pump Programme Annex 35, 2014

[9] Rivera W, Best  R, Cardoso M ,  Romero R . A review of absorption heat transformers. Applied Thermal Engineering, 2015, 91: 654–670

[10] Wu W, Wang  B, Shi W ,  Li X. Absorption heating technologies: a review and perspective. Applied Energy, 2014, 130: 51–71

[11] Sun J, Fu  L, Zhang S . A review of working fluids of absorptioncycles. Renewable & Sustainable EnergyReviews, 2012, 16(4): 1899–1906

[12] Takeshita I, Yamamoto  Y, Harada T ,  Wakamatsu N . Residential gas-fired absorption heat pump based on R22-DEGDMEpair. Part 2 design, computer simulation and testing of a prototype. International Journal of Refrigeration, 1984, 7(5): 313–321

[13] Wu W, Wang  B, You T ,  Shi W, Li  X. A potential solution for thermal imbalance of ground source heat pump systems in cold regions:ground source absorption heat pump. Renewable Energy, 2013, 59: 39–48

[14] Zhu K, Xia  J, Xie X ,  Jiang Y . Total heat recovery of gas boiler by absorption heat pump and direct-contactheat exchanger. Applied Thermal Engineering, 2014, 71(1): 213–218

[15] Li X, Wu  W, Zhang X ,  Shi W, Wang  B. Energy saving potential of low temperature hot water system based on air source absorption heatpump. Applied Thermal Engineering, 2012, 48: 317–324

[16] Abrahamsson K, Stenström  S, Aly G ,  Jernqvist Å . Application of heat pump systems forenergy conservation in paper drying. International Journal of Energy Research, 1997, 21(7): 631–642

[17] Engler M, Grossman  G, Hellmann H M . Comparative simulation andinvestigation of ammonia-water: absorption cycles for heat pump applications. International Journal of Refrigeration, 1997, 20(7): 504–516

[18] Jian S, Lin  F, Zhang S . Performance calculation of single effectabsorption heat pump using LiBr+ LiNO₃+ H₂O as working fluid. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(17–18): 2680–2684

[19] Qu M, Abdelaziz  O, Yin H . New configurations of a heatrecovery absorption heat pump integrated with a natural gas boilerfor boiler efficiency improvement. Energy Conversion and Management, 2014, 87: 175–184

[20] Xu Z Y, Wang  R Z. Absorption refrigeration cycles: categorized based on the cycle construction. International Journal of Refrigeration, 2016, 62: 114–136

[21] Kang Y, Kunugi  Y, Kashiwagi T . Review of advanced absorption cycles:performance improvement and temperature lift enhancement. International Journal of Refrigeration, 2000, 23(5): 388–401

[22] Alarcón-Padilla D C ,  García-Rodríguez L, Blanco-Gálvez J. Assessment of an absorption heat pump coupled to a multi-effect distillation unit within AQUASOL project. Desalination, 2007, 212(1–3): 303–310

[23] Alarcón-Padilla D C ,  García-Rodríguez L, Blanco-Gálvez J. Experimental assessment of connection of an absorption heat pump to a multi-effect distillation unit. Desalination, 2010, 250(2): 500–505

[24] Le Lostec B, Galanis  N, Baribeault J ,  Millette J . Wood chip drying with an absorption heat pump. Energy, 2008, 33(3): 500–512

[25] Garimella S, Christensen  R N, Lacy  D. Performance evaluation of a generator-absorber heat-exchange heat pump. Applied Thermal Engineering, 1996, 16(7): 591–604

[26] Kang Y T, Kashiwagi  T. An environmentally friendly GAX cycle for panel heating: PGAX cycle. International Journal of Refrigeration, 2000, 23(5): 378–387

[27] Kang Y T, Hong  H, Park K S . Performance analysis of advanced hybridGAX cycles: HGAX. International Journalof Refrigeration, 2004, 27(4): 442–448

[28] Phillips B. Development of a high-efficiency, gas-fired, absorptionheat pump for residential and small-commercial applications. Oak Ridge National Lab., TN (USA); 1990

[29] Lazzarin R, Longo  G, Piccininni F . An open cycle absorptionheat pump. Heat Recovery Systems and CHP., 1992, 12(5): 391–396

[30] Westerlund L, Hermansson  R, Fagerström J . Flue gas purification andheat recovery: a biomass fired boiler supplied with an open absorptionsystem. Applied Energy, 2012, 96: 444–450

[31] Ye B, Liu  J, Xu X ,  Chen G, Zheng  J. A new open absorption heat pump for latentheat recovery from moist gas. Energy Conversion and Management, 2015, 94: 438–446

[32] Romero R J, Rodríguez-Martínez  A. Optimal water purification using low grade waste heat in an absorptionheat transformer. Desalination, 2008, 220(1–3): 506–513

[33] Rivera W, Cerezo  J, Rivero R ,  Cervantes J ,  Best R. Single stage and double absorptionheat transformers used to recover energy in a distillation columnof butane and pentane. International Journalof Energy Research, 2003, 27(14): 1279–1292

[34] Mashimo K. Overview of heat transformers in Japan. Heat pumps: Prospects In Heat Pump Technology and Marking, 1987: 271–285

[35] Riesch P, Scharfe  J, Ziegler F ,  Volkl J ,  Alefeld G. Part load behaviour of an absorption heat transformer. Conference Part load behaviour of an absorption heat transformer, 155–160

[36] Rivera W, Romero  R, Best R ,  Heard C . Experimental evaluation of a single-stage heat transformer operatingwith the water/Carrol™ mixture. Energy, 1999, 24(4): 317–326

[37] Ibarra-Bahena J, Romero  R, Velazquez-Avelar L ,  Valdez-Morales C ,  Galindo-Luna Y . Experimental thermodynamic evaluation for a single stage heat transformerprototype build with commercial PHEs. Applied Thermal Engineering, 2015, 75: 1262–1270

[38] Ma X, Chen  J, Li S ,  Sha Q, Liang  A, Li W ,  Zhang J ,  Zheng G ,  Feng Z. Application of absorption heat transformer to recover waste heat from a syntheticrubber plant. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(7): 797–806

[39] Sekar S, Saravanan  R. Experimental studies on absorption heat transformer coupled distillationsystem. Desalination, 2011, 274(1–3): 292–301

[40] Abrahamsson K, Gidner  A, Jernqvist Å . Design and experimental performanceevaluation of an absorption heat transformer with self-circulation. Heat Recovery Systems and CHP., 1995, 15(3): 257–272

[41] Hultén M, Berntsson  T. The compression/absorption heat pump cycle—conceptual designimprovements and comparisons with the compression cycle. International Journal of Refrigeration, 2002, 25(4): 487–497

[42] Tarique S M, Siddiqui  M A. Performance and economic study of the combined absorption/compressionheat pump. Energy Conversion and Management, 1999, 40(6): 575–591

[43] Niang M, Cachot  T, Le Goff P . Evaluation of the performance of an absorption–demixtionheat pump for upgrading thermal waste heat. Applied Thermal Engineering, 1998, 18(12): 1277–1294

[44] Alonso D, Cachot  T, Hornut J M . Performance simulation of an absorptionheat transformer operating with partially miscible mixtures. Applied Energy, 2002, 72(3–4): 583–597

[45] Privat R, Qian  J W, Alonso  D, Jaubert J N . Quest for an efficient binary working mixture for an absorption-demixingheat transformer. Energy, 2013, 55: 594–609

[46] Alonso D, Cachot  T, Hornut J M . Experimental study of an innovative absorptionheat transformer using partially miscible working mixtures. International Journal of Thermal Sciences, 2003, 42(6): 631–638

[47] Romero R J, Martínez  A R, Silva  S, Cerezo J ,  Rivera W . Comparison of double stage heat transformer with double absorption heat transformeroperating with Carrol–Water for industrial waste heat recovery. Chemical Engineering Transactions, 2011, 25: 129–134

[48] Ciambelli P, Tufano  V. On the performance of advanced absorption heat transformers—I. The two stage configuration. Heat Recovery Systems and CHP., 1988, 8(5): 445–450

[49] Wang X, Shi  L, Yin J ,  Zhu M S . A two-stage heat transformer with H₂O/LiBr for the first stage and 2,2,2-trifluoroethanol (TFE)/N-methy1–2-pyrrolidone (NMP) for thesecond stage. Applied Energy, 2002, 71(3): 235–249

[50] Ji J, Ishida  M. Behavior of a two-stage absorption heat transformer combining latent and sensibleheat exchange modes. Applied Energy, 1999, 62(4): 267–281

[51] Zhao Z, Ma  Y, Chen J . Thermodynamic performance of a new typeof double absorption heat transformer. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(18): 2407–2414

[52] Martínez H, Rivera  W. Energy and exergy analysis of a double absorption heat transformeroperating with water/lithium bromide. International Journal of Energy Research, 2009, 33(7): 662–674

[53] Saito K, Inoue  N, Nakagawa Y ,  Fukusumi Y ,  Yamada H ,  Irie T. Experimental and numerical performance evaluation ofdouble-lift absorption heat transformer. Science and Technology for the Built Environment, 2015, 21(3): 312–322

[54] Barragán R R M ,  Arellano G V M ,  Heard C L . Performance study of a double-absorption water/calcium chloride heat transformer. International Journal of Energy Research, 1998, 22(9): 791–803

[55] Horuz I, Kurt  B. Single stage and double absorption heat transformers in an industrial application. International Journal of Energy Research, 2009, 33(9): 787–798

[56] Zhao Z, Zhang  X, Ma X . Thermodynamic performance of a double-effect absorptionheat-transformer using TFE/E181 as the working fluid. Applied Energy, 2005, 82(2): 107–116

[57] Zhuo C, Machielsen  C. Performance of high-temperature absorption heat transformers usingAlkitrate as the working pair. Applied Thermal Engineering, 1996, 16(3): 255–262

[58] Donnellan P, Byrne  E, Oliveira J ,  Cronin K . First and second law multidimensional analysis of a triple absorptionheat transformer (TAHT). Applied Energy, 2014, 113: 141–151

[59] Khamooshi M, Parham  K, Egelioglu F ,  Yari M, Salati  H. Simulation and optimization of novel configurations of triple absorption heat transformers integratedto a water desalination system. Desalination, 2014, 348: 39–48

[60] Rivera W, Cardoso  M, Romero R . Theoretical comparison ofsingle stage and advanced absorption heat transformers operating withwater/lithium bromide and water/Carrol mixtures. International Journal of Energy Research, 1998, 22(5): 427–442

[61] Best R, Rivera  W, Cardoso M ,  Romero R ,  Holland F . Modelling of single-stageand advanced absorption heat transformers operating with the water/Carrolmixture. Applied Thermal Engineering, 1997, 17(11): 1111–1122

[62] Rivera W, Martínez  H, Cerezo J ,  Romero R ,  Cardoso M . Exergy analysis of an experimental single-stage heat transformeroperating with single water/lithium bromide and using additives (1-octanoland 2-ethyl-1-hexanol). Applied ThermalEngineering, 2011, 31(16): 3526–3532

[63] Rivera W, Cerezo  J. Experimental study of the use of additives in the performance of a single-stageheat transformer operating with water–lithium bromide. International Journal of Energy Research, 2005, 29(2): 121–130

[64] Barragán R, Heard  C, Arellano V ,  Best R, Holland  F. Experimental performance of the water/calcium chloride system ina heat transformer. International Journalof Energy Research, 1996, 20(8): 651–661

[65] Grover G, Devotta  S, Holland F . Thermodynamic design datafor absorption heat transformers—Part III. Operating on water-lithiumchloride. Heat Recovery Systems and CHP., 1988, 8(5): 425–431

[66] Reyes R M B ,  Gómez V M A ,  García-Gutiérrez A. Performance modelling of single and double absorption heat transformers. Current Applied Physics, 2010, 10(2): S244–S248

[67] Patil K, Chaudhari  S, Katti S . Thermodynamic design datafor absorption heat transformers—part III. Operating on water-lithiumiodide. Heat Recovery Systems and CHP., 1991, 11(5): 361–369

[68] Patil H, Chaudhari  S, Katti S . Thermodynamic design datafor absorption heat pump systems operating on water-lithium iodide—partII. Heating. Heat Recovery Systems andCHP., 1991, 11(5): 351–360

[69] Bourouis M, Coronas  A, Romero R ,  Siqueiros J . Purification of seawater using absorption heat transformerswith water-(LiBr+ LiI+ LiNO₃+ LiCl) and low temperature heat sources. Desalination, 2004, 166: 209–214

[70] Barragan R, Arellano  V, Heard C ,  Best R. Experimental performance of ternary solutions in an absorptionheat transformer. International Journalof Energy Research, 1998, 22(1): 73–83

[71] Ciambelli P, Tufano  V. The upgrading of waste heat by means of water-sulphuric acid absorption heat transformers. Heat Recovery Systems and CHP., 1987, 7(6): 517–524

[72] Ciambelli P, Tufano  V. On the performance of advanced absorption heat transformers—II. The double absorptionconfiguration. Heat Recovery Systems andCHP., 1988, 8(5): 451–457

[73] Stephan K, Schmitt  M, Hebecker D ,  Bergmann T . Dynamics of a heat transformer working with the mixtureNaOH H₂O. InternationalJournal of Refrigeration, 1997, 20(7): 483–495

[74] Romero R, Rivera  W, Gracia J ,  Best R. Theoretical comparison of performance of an absorption heat pumpsystem for cooling and heating operating with an aqueous ternary hydroxideand water/lithium bromide. Applied ThermalEngineering, 2001, 21(11): 1137–1147

[75] Kurem E, Horuz  I. A comparison between ammonia-water and water-lithium bromide solutions in absorptionheat transformers. International Communicationsin Heat and Mass Transfer, 2001, 28(3): 427–438

[76] Mclinden M, Radermacher  R. An experimental comparison of ammonia–water and ammonia–water–lithiumbromide mixtures in an absorption heat pump. ASHRAE Technical Data Bulletin and ASHRAE Transactions, 1985, 91(2B): 1837–1846

[77] Cacciola G, Restuccia  G, Rizzo G . Theoretical performance ofan absorption heat pump using ammonia-water-potassium hydroxide solution. Heat Recovery Systems and CHP, 1990, 10(3): 177–185

[78] Wu W, Zhang  X, Li X ,  Shi W, Wang  B. Comparisons of different working pairs and cycles on the performance of absorption heat pump for heatingand domestic hot water in cold regions. Applied Thermal Engineering, 2012, 48: 349–358

[79] Genssle A, Stephan  K. Analysis of the process characteristics of an absorption heat transformerwith compact heat exchangers and the mixture TFE–E181. International Journal of Thermal Sciences, 2000, 39(1): 30–38

[80] Zhang X, Hu  D. Performance analysis of the single-stage absorption heat transformer using a newworking pair composed of ionic liquid and water. Applied Thermal Engineering, 2012, 37: 129–135

[81] Coronas A, Vallés  M, Chaudhari S K ,  Patil K R . Absorption heat pump with the TFE-TEGDME and TFE-H₂O-TEGDME systems. Applied Thermal Engineering, 1996, 16(4): 335–345

[82] Zhuo C, Machielsen  C. Thermodynamic assessment of an absorption heat transformer with TFE-Pyras the working pair. Heat Recovery Systemsand CHP., 1994, 14(3): 265–272

[83] Zhuo C, Machielsen  C. Thermophysical properties of the trifluoroethanol-pyrrolidone systemfor absorption heat transformers. International Journal of Refrigeration, 1993, 16(5): 357–363

[84] Yin J, Shi  L, Zhu M S ,  Han L Z . Performance analysis of an absorption heat transformer with differentworking fluid combinations. Applied Energy, 2000, 67(3): 281–292

[85] Iyoki S, Tanaka  K, Uemura T . Theoretical performance analysis of absorptionrefrigerating machine, absorption heat pump and absorption heat transformerusing alcohol as working medium. International Journal of Refrigeration, 1994, 17(3): 180–190

[86] Kripalani V, Murthy  S S, Murthy  M K.Performance analysis of a vapour absorptionheat transformer with different working fluid combinations. Journal of heat recovery systems, 1984, 4(3): 129–140

[87] Ando E, Takeshita  I. Residential gas-fired absorption heat pump based on R 22-DEGDME pair.Part 1 thermodynamic properties of the R 22-DEGDME pair. International Journal of Refrigeration, 1984, 7(3): 181–185

[88] Borde I, Jelinek  M, Daltrophe N . Working fluids for an absorptionsystem based on R124 (2-chloro-1, 1, 1, 2,-tetrafluoroethane) andorganic absorbents. International Journalof Refrigeration, 1997, 20(4): 256–266

[89] Han X H, Xu  Y J, Gao  Z J, Wang  Q, Chen G M . Vapor−liquid equilibrium study of an absorption heat transformerworking fluid of (HFC-32+ DMF). Journal of Chemical & Engineering Data, 2011, 56(4): 1268–1272

[90] Jelinek M, Borde  I. Single-and double-stage absorption cycles based on fluorocarbon refrigerantsand organic absorbents. Applied ThermalEngineering, 1998, 18(9–10): 765–771

[91] Keil C, Plura  S, Radspieler M ,  Schweigler C . Application of customized absorption heat pumps for utilizationof low-grade heat sources. Applied Thermal Engineering, 2008, 28(16): 2070–2076

[92] Costa A, Bakhtiari  B, Schuster S ,  Paris J . Integration of absorption heat pumps in a Kraft pulpprocess for enhanced energy efficiency. Energy, 2009, 34(3): 254–260

[93] Cortés E, Rivera  W. Exergetic and exergoeconomic optimization of a cogeneration pulp and paper millplant including the use of a heat transformer. Energy, 2010, 35(3): 1289–1299

[94] Zhang X, Hu  D, Li Z . Performance analysis on a new multi-effect distillationcombined with an open absorption heat transformer driven by wasteheat. Applied Thermal Engineering, 2014, 62(1): 239–244

[95] Aly G, Abrahamsson  K, Jernqvist Å . Application of absorptionheat transformers for energy conservation in the oleochemical industry. International Journal of Energy Research, 1993, 17(7): 571–582

[96] Currie J, Pritchard  C. Energy recovery and plume reduction from an industrial spray dryingunit using an absorption heat transformer. Heat Recovery Systems and CHP., 1994, 14(3): 239–248

[97] Horuz I, Kurt  B. Absorption heat transformers and an industrial application. Renewable Energy, 2010, 35(10): 2175–2181

[98] Zhang K, Liu  Z, Li Y ,  Li Q, Zhang  J, Liu H . The improved CO₂ capture system with heat recovery based on absorption heat transformer and flash evaporator. Applied Thermal Engineering, 2014, 62(2): 500–506

Acknowledgments

This research is supported by National Key Researchand Development Program (Grant No. 2016YFB0601200). The support fromthe Foundation for Innovative Research Groups of the National NaturalScience Foundation of China (Grant No. 51521004) is also appreciated.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbHGermany