Absorption heat pump for waste heat reuse: currentstates 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.

Key words： absorption; heat pump; heat transformer; waste heat; working pair

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.

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