CN102937334B - 一种提高燃气热水炉热效率的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种提高燃气热水炉热效率的装置，主要包括：一燃烧室，该燃烧室的烟道的进气口至排烟口依次安装有高温换热器、中温换热器和低温换热器；中温换热器的进液口连接第一溶液泵，中温换热器的出液口连接气液分离器，该气液分离器的气相出口连接第一冷凝器，液相出口通过第二溶液泵连接高温换热器的进液口，高温换热器的出液口连接至喷射器的入口；第一冷凝器连接至低温换热器的进液口，低温换热器的出液口连接至喷射器的引射口；喷射器的出口与第二冷凝器相连接，该第二冷凝器通过第一溶液泵连接至中温换热器的进液口。本发明还公开了提高燃气热水炉热效率的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高燃气热水炉热效率的方法。
本发明还涉及实现上述方法的装置，即喷射-吸收复合热泵式燃气热水炉。
背景技术
我国大部分大中城市的主城区的供暖和公共建筑(宾馆、浴室、游泳馆、医院等)的热水系统主要是靠燃气热水炉运行的。通常，燃气热水炉的排烟温度在140-200℃之间，热损失很大，因此常规燃气热水炉热效率一般不超过92％。为了提高热效率，基于燃气烟气比较干净、含硫量低、含水率高的特点，人们开发了冷凝式燃气锅炉。冷凝式燃气锅炉通过降低排烟温度回收烟气中所含水蒸气的部分潜热，可使热效率提高11％-15％，排烟温度约为50℃，其极限热效率约为110％(按低热值计算)。某些冷凝式燃气锅炉与热泵联合应用，可将排烟温度降至35℃左右，冷凝80％的水蒸气，进而达到比单纯的冷凝式燃气锅炉更高的热效率。
大部分热泵是由电能驱动的，也有一些由热能驱动的热泵，主要包括喷射式热泵和吸收式热泵两种。提高燃气炉热效率，应该从热力学第一定律和第二定律两个角度去考虑，前者关注燃气燃烧热转移到热水中去的过程中热能“量”的变化，尽可能减少“量”的损失，后者关注热能转移过程中“质”的变化，即品位的变化，尽可能减少品位的损失，或者以品位损失为代价换取热能“量”的增加。采用电能驱动热泵与冷凝式燃气锅炉联用，并没有改变燃气热能利用过程中高品位能(高温烟气)无偿转化为低品位能(低温热水)的现实，仍然仅仅是从“量”的方面考虑去减少热能损失。采用热能驱动热泵与冷凝式燃气锅炉联用，可以利用燃气燃烧后的高温烟气作为热泵驱动力，通过热泵吸收外界低品位热能，输出总量比燃气燃烧热更多的中品位热能(相对于环境而言)。
单独的吸收式热泵(或制冷)循环的性能系数往往较低，其原因在于正循环的初、终压力(浓度)参数由于受冷凝温度和蒸发温度的制约而无法独立地提高。在传统吸收式热泵(或制冷)系统的基础上增加喷射器是一种很好的改进，合理配置会很大程度上提高系统的COP。在制冷方面，喷射-吸收复合制冷系统很早就被提出来了，比较典型的例子包括：(1)以四甘醇二甲醚/R22或四甘醇二甲醚/R21为工质，利用从发生器回来的高压溶液作喷射器的工作流体来提高吸收器的压力(Chen Liting.A newejector-absorber cycle to improve the COP of an absorption refrigerationsystem.Applied Energy，1988，30(1)：37-51)；(2)喷射器放置在发生器和冷凝器之间，利用来自发生器的高压制冷剂蒸气作引射流体，蒸发器内的制冷剂蒸气不仅被吸收器吸收，还被喷射器吸入，相当于两种压缩方式并联，以溴化锂/水溶液为工质，系统COP可达0.86-1.04(Aphornratanas S，EamesW I.Experimental investigation of a combined ejector-absorption refrigerator.Fuel & Energy Abstracts，1998，22(3)：195-207)。吸收式热泵与吸收式制冷原理相同，但形式上有较大差别。喷射-吸收复合热泵系统尚不多见，而以氨水为工质对的喷射-吸收复合热泵或制冷系统未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高燃气热水炉热效率的方法。
本发明的又一目的在于提供一种实现上述方法的装置，即喷射-吸收复合热泵式燃气热水炉。
为实现上述目的，本发明提供的提高燃气热水炉热效率的装置，主要包括：
一燃烧室，该燃烧室的烟道的进气口至排烟口依次安装有高温换热器、中温换热器和低温换热器；
中温换热器的进液口连接第一溶液泵，中温换热器的出液口连接气液分离器，该气液分离器的气相出口连接第一冷凝器，液相出口通过第二溶液泵连接高温换热器的进液口，高温换热器的出液口连接至喷射器的入口；
第一冷凝器连接至低温换热器的进液口，低温换热器的出液口连接至喷射器的引射口；
喷射器的出口与第二冷凝器相连接，该第二冷凝器通过第一溶液泵连接至中温换热器的进液口。
所述的装置，其中，排烟口安装有引风机。
所述的装置，其中，第一冷凝器与低温换热器的进液口之间安装有节流阀。
所述的装置，其中，喷射器的蒸汽喷管为渐缩渐扩型蒸汽喷管。
所述的装置，其中，烟道开设有冷凝水排放口。
本发明提供的提高燃气热水炉热效率的方法，主要流程是：
燃气和空气在燃烧室中燃烧，燃烧的烟气在引风机的作用下沿烟道依次流经高温换热器、中温换热器和低温换热器后从排烟口排放；
氨水由第一溶液泵输送至中温换热器换热后变为气液混合状态，进入气液分离器分离，分离出的气相通往第一冷凝器，分离出的液相由第二溶液泵输送至高温换热器，由高温换热器生成的蒸汽氨气混合气进入喷射器的入口；
第一冷凝器将来自气液分离器的气体冷凝为氨水溶液并进入低温换热器进行换热，由喷射器的引射口吸入；
喷射器出来的混合气体由喷射器7的出口进入第二冷凝器冷凝为氨水，由第一溶液泵输送进入中温换热器再次循环；
冷却水由第一冷凝器的入口进入，从出口出来后被加热，用作洗浴或供暖；另一路冷却水由第二冷凝器的入口进入，从出口出来被加热至比第一冷凝器更高的温度后利用。
所述的方法，其中，第一冷凝器通过节流阀降低氨水溶液的压力并进入低温换热器进行换热。
所述的方法，其中，换热过程中产生的冷凝水经过冷凝水排放口排出。
本发明的有益效果是：
1、在燃气热水系统中引入的喷射器结构简单，无运动部件，噪音低，与传统的燃气热水系统相比，增加了燃料的利用效率，同时降低了燃烧排烟温度，提高了系统效率，减少了大气污染。
2、以氨气和蒸汽组成的混合工质，与传统的蒸汽喷射式制冷相比，可以迅速降低喷射器出口压力，有利于提高喷射器工作性能，增加喷射式热泵循环的经济性。选用的氨气常温下沸点比较低，蒸发压力比较高，热力性能优良，喷射器性能系数高，有利于低品位热能的应用。
附图说明
图1是本发明提供的喷射-吸收复合热泵式燃气热水炉的结构示意图。
图2是图1中的喷射器的结构示意图。
图3是图1中喷射器主要尺寸代号示意图。
图4是喷射器中的喷嘴主要尺寸代号示意图。
附图中主要组件符号说明：
1燃烧室、2烟道、3引风机、4高温换热器、5中温换热器、6低温换热器、7喷射器、8气液分离器、9第一冷凝器、10第二冷凝器、11第一溶液泵、12第二溶液泵、13节流阀、14冷凝水排放口、15工作蒸汽入口、16渐缩渐扩式蒸汽喷管、17吸入室、18混合室、19扩压室、20被引射气入口。
具体实施方式
本发明提供的提高燃气热水炉热效率的方法，采用浓度适中的氨水为工作介质(氨的质量浓度为35％～65％)，主要过程为：
天然气与助燃空气燃烧产生的烟气在烟道里依次完成高温、中温和低温三个阶段的换热，将热量分别传递给浓度各异的工作介质。其中，中温段烟气与中等浓度氨水溶液换热，目的是使其发生气液相分离，由于氨比水更容易挥发，液相为含有少量氨的稀氨水溶液，气相为含少量蒸汽的中温高压氨气，前者将被用于高温段换热，后者经冷凝并节流后被用于低温段换热；高温段烟气与稀氨水溶液换热，目的是产生高温高压的蒸汽氨气混合气，用作喷射器的工作气体；低温段烟气与极高浓度氨水溶液换热，目的是使其蒸发为低温低压蒸汽氨气混合气，该混合气被喷射器引射，以保持氨水持续蒸发并制冷，因而可使烟气冷却至-25℃甚至更低。
在喷射器出口，含少量氨气的工作蒸汽与含少量蒸汽的被引射氨气混合为中温中压气体，经冷凝后二者相互吸收，再次生成中等浓度氨水，开始新一轮循环。
上述过程中，混合气发生两次冷凝过程，所释放的热能用于生产热水。由于系统排烟温度低于天然气和助燃空气温度，意味着混合气吸收了烟气全部热能，包括烟气中蒸汽的冷凝潜热，还包括过量空气和天然气承载的环境热能，因此系统热效率可以超过100％。
本发明还提供一种实现上述方法的装置，即喷射-吸收复合热泵式燃气热水炉，主要包括：
燃烧室1、烟道2、引风机3、高温换热器4、中温换热器5、低温换热器6、喷射器7、气液分离器8、第一冷凝器9、第二冷凝器10、第一溶液泵11、第二溶液泵12、节流阀13和冷凝水排放口14。
所述的热泵式燃气热水炉，其中，喷射器7的蒸汽喷管为渐缩渐扩型蒸汽喷管。
所述的热泵式燃气热水炉，采用质量浓度为35％～65％的氨水为工质，其工作流程为：
天然气和助燃空气在燃烧室1中燃烧，烟气在引风机3的作用下，沿烟道2依次流经高温换热器4、中温换热器5和低温换热器6，然后排放。
氨水由第一溶液泵11输送进入中温换热器5，换热后变为气液混合状态，进入气液分离器8分离，气相通往第一冷凝器9，液相由第二溶液泵12输送至高温换热器4，高温换热器4生成的高温高压蒸汽氨气混合气进入喷射器7的入口A。
第一冷凝器9将来自气液分离器8的气体冷凝为高浓度氨水溶液，通过节流阀13降低其压力并进入低温换热器6进行低温换热，在此蒸发为低压混合气，由喷射器7的引射口B吸入。低温换热过程中，烟气侧可产生冷凝水，经过冷凝水排放口14排出。
喷射器7的出口C与第二冷凝器10相连接，由喷射器7出来的混合气体在此冷凝为氨水，由第一溶液泵11输送再次进入循环。
冷却水由第一冷凝器9的C1入口进入，从H1出口出来后被加热，可以用作洗浴或供暖；另一路冷却水由第二冷凝器10的C2入口进入，从H2出口出来被加热至比H1更高温度后利用。
本发明采用的喷射器及其工作原理说明：
喷射器是一种利用一股高压、高能量的引射流的引射作用来吸入另一股低压、低能量流体的装置，在这种装置里，不同压力的两股流体相互混合，并发生能量交换，以形成一股居中压力的混合流体[E.я.索科洛夫，H.M.津格尔.喷射器.pp1.]，因为可以维持被引射流体处于低压甚至真空状态，所以可以用作制冷或热泵。本发明所述喷射器7的蒸汽喷管为渐缩渐扩型蒸汽喷管，如图2所示，其主要部件有：工作蒸汽入口15、喷管16、吸入室17、混合室18、扩压室19和被引射气入口20。
假设以质量浓度50％的氨水作为工质，作为一个实施例，本发明所述方法及装置的具体工作流程为：
氨水由第一溶液泵11输送进入中温换热器5，加热至90℃，进入气液分离器，气液分离器压力控制在747.33kPa左右，此时液相的饱和浓度为30％，气相的氨浓度为93.46％。气相通过管道流入第一冷凝器9，第一冷凝器9的冷却水C1入口温度控制在15℃左右，因为在700kPa的压力下，浓度为93.46％的氨气可在18℃全部冷凝为同样浓度的氨水溶液，由于氨水为非共沸混合工质，在一个温度区间逐步冷凝，因此第一冷凝器9的冷却水出口H1可达到50℃左右。30％的氨水溶液由第二溶液泵12输送至高温换热器4，从130℃逐渐加热至210℃，可维持沸腾压力1900kPa左右，因为30％的氨水在130℃的饱和蒸气压为1849.0kPa，当液相含氨逐渐降低至0，210℃的水饱和蒸汽压为1907.7kPa。高温换热器4产生的蒸气通过管道进入喷射器7的工作蒸汽入口15，工作蒸气的压力也可以根据需要在一定范围内调节。
第一冷凝器9生成的93.46％的氨水溶液经过节流阀13，压力由700kPa降至110kPa左右，流入低温换热器6，由于低温换热器6的管道另一端与喷射器被引射气入口20相连接，并且由于喷射器工作蒸气做功，导致被引射气入口20处的压力约为50kPa以下，因此氨水溶液在低温换热器6内蒸发制冷，浓度最高时对应的制冷温度可达到-40℃，烟气侧即使达到-25℃仍可向氨水传热。但是，随着氨气蒸发越来越多，液相水分越来越多，若在50kPa压力下将换热器内部液体全部蒸干，至少需要将液相加热至80℃(饱和蒸汽压47kPa)以上，所以低温换热器6与烟气必须进行逆流式换热，并且烟气侧入口温度应不低于100℃。
第二冷凝器10与喷射器7的出口C相连接，进入第二冷凝器10的混合气的温度约为100℃上下，压力约300～500kPa，所含氨气与蒸汽的质量接近相等。若将该混合气冷凝为浓度50％的氨水，第二冷凝器10的冷却水C2入口温度不应高于20℃，因为50％的氨水在20℃的饱和蒸气压为269.50kPa，但是第二冷凝器10的冷却水出口H2的温度可以达到80℃左右。至此，工作介质50％的氨水得到再生，通过第二溶液泵11再次进入循环。
因为烟气排烟温度可降低至-25℃，通常这个温度会低于天然气温度和助燃空气温度，因此系统实际上是从环境吸收了一部分热量，为了吸收更多环境热量，在空气温度不是太低的情况下，可以适当考虑增大空燃比。根据烟气各阶段换热量的需求，通常，烟气经过高温换热器4后，温度以不低于250℃为宜；经过中温换热器5后，温度以不低于100℃为宜；经过低温换热器6后，温度以不高于-20℃为宜。另外，为防止低温换热器结霜，低温换热过程中产生的冷凝水，温度应控制在不低于5℃，并在换热器设计时确保冷凝水能够及时排出。
上述实施例中，喷射器7各部分的尺寸可按照图3、图4和表1所示进行设计。
表1：喷射器主要参考尺寸表
| 代号 | 尺寸mm | 代号 | 尺寸mm |
| D | 73.4 | L2 | 525 |
| D1 | 154.2 | d | 9.3 |
| D2 | 146.9 | d1 | 16.6 |
| D3 | 73 | d2 | 37 |
| D4 | 192 | l1 | 10 |
| L | 293.7 | l2 | 27.8 |
| L1 | 587.5 |
上述实施例的燃气热效率，以低位热值计算，考虑换热损失，按换热效率95％计算，预计系统热效率可以达到130％左右。
Claims (8)
1.一种提高燃气热水炉热效率的装置，主要包括：
一燃烧室，该燃烧室的烟道的进气口至排烟口依次安装有高温换热器、中温换热器和低温换热器；
中温换热器的进液口连接第一溶液泵，中温换热器的出液口连接气液分离器，该气液分离器的气相出口连接第一冷凝器，液相出口通过第二溶液泵连接高温换热器的进液口，高温换热器的出液口连接至喷射器的入口；
第一冷凝器连接至低温换热器的进液口，低温换热器的出液口连接至喷射器的引射口；
喷射器的出口与第二冷凝器相连接，该第二冷凝器通过第一溶液泵连接至中温换热器的进液口。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，排烟口安装有引风机。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，第一冷凝器与低温换热器的进液口之间安装有节流阀。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，喷射器的蒸汽喷管为渐缩渐扩型蒸汽喷管。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，烟道开设有冷凝水排放口。
6.一种提高燃气热水炉热效率的方法，主要流程是：
燃气和空气在燃烧室中燃烧，燃烧的烟气在引风机的作用下沿烟道依次流经高温换热器、中温换热器和低温换热器后从排烟口排放；
氨水由第一溶液泵输送至中温换热器换热后变为气液混合状态，进入气液分离器分离，分离出的气相通往第一冷凝器，分离出的液相由第二溶液泵输送至高温换热器，由高温换热器生成的蒸汽氨气混合气进入喷射器的入口；
第一冷凝器将来自气液分离器的气体冷凝为氨水溶液并进入低温换热器进行换热，由喷射器的引射口吸入；
喷射器出来的混合气体由喷射器7的出口进入第二冷凝器冷凝为氨水，由第一溶液泵输送进入中温换热器再次循环；
冷却水由第一冷凝器的入口进入，从出口出来后被加热，用作洗浴或供暖；另一路冷却水由第二冷凝器的入口进入，从出口出来被加热至比第一冷凝器更高的温度后利用。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，第一冷凝器通过节流阀降低氨水溶液的压力并进入低温换热器进行换热。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，换热过程中产生的冷凝水经过冷凝水排放口排出。
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