CN105423550B - 一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉 - Google Patents

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Abstract

一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉，主要解决锅炉排烟温度高，锅炉热效率较低问题。尾部烟道内布置有光管省煤器及两个冷凝式换热器；三通阀与回水管、热泵及冷凝式换热器二连通，热泵的冷端换热器出水口与冷凝式换热器一进水口连通，冷凝式换热器一出水口与热泵的热端换热器进水口连通，热泵的热端换热器出水口与冷凝式换热器二出水口与U形集箱连通，U形集箱的两侧墙及后墙集箱通过水冷管与上集箱一及二连通，上集箱一及二与上集箱三连通，上集箱三通过前、后墙水冷壁管与下集箱二连通，下集箱二通过连接管与下集箱一连通，下集箱一通过侧墙水冷壁管与上集箱四连通，之后通过连接管与光管省煤器连通。本锅炉产生的热水用于生产生活需要。

Description

一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉
技术领域
本发明涉及一种燃气热水锅炉，属于燃气锅炉技术领域。
背景技术
锅炉通过燃烧化石能源，将化石能源的化学能转化为工质的内能，用于满足人类生产生活的需要，但燃烧煤往往会产生严重的环境污染，而天然气作为一种清洁能源越来越受到人们的青睐。但目前大多数燃烧天然气的热水锅炉的排烟温度往往在110~130℃左右，烟气中含有20%（容积）的水蒸汽，烟气中水蒸汽的汽化潜热未能得到充分利用，这使得锅炉热效率往往低于94%。与此同时，水源热泵根据逆卡诺循环原理，采用电能驱动，通过制冷剂将低品位热能吸收，转化为高品位热能。所以说，如果将热泵耦合在给水系统中，并采用冷凝换热器，可以将热水锅炉的回水温度由40~45℃降到25~30℃，从而将排烟温度由110~130℃降低到40℃，烟气中的水蒸汽就会发生冷凝，释放汽化潜热，这不仅能将锅炉效率提高10个百分点以上，还能将收集到的冷凝水用于生产生活的需要，这具有重要节能节水意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉，主要解决锅炉排烟温度高，锅炉热效率较低的问题。本发明具有热转换效率高、使用寿命长、结构简单的特点。
实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉，包括炉膛、光管省煤器、上集箱一、上集箱二、上集箱三、上集箱四、燃烧器、下集箱一、下集箱二、转向室、尾部烟道、数根两侧墙水冷管、数根后墙水冷管、炉膛的前、后墙水冷壁、数根引出管一、侧墙水冷壁及数根引出管二；所述的高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉还包括热泵、三通阀、冷凝式换热器一、冷凝式换热器二及U形集箱；
对于燃气侧而言，所述的燃烧器与炉膛连通，所述的炉膛的烟气出口通过转向室与尾部烟道连通，所述的尾部烟道内由上至下依次布置有光管省煤器、冷凝式换热器二和冷凝式换热器一，所述的燃气为天然气；
对于水循环而言，所述的三通阀一端与回水管连通，三通阀另两端分别与热泵冷端换热器的进水口及冷凝式换热器二的进水口连通，所述的热泵的冷端换热器出水口与冷凝式换热器一的进水口连通，所述的冷凝式换热器一的出水口与热泵的热端换热器进水口连通，热泵的热端换热器出水口与冷凝式换热器二的出水口并联后与设置在炉膛后侧的U形集箱连通，所述的U形集箱水平设置，U形集箱的两侧墙集箱分别通过数根两侧墙水冷管与上集箱一连通，U形集箱的后墙集箱通过数根后墙水冷管与上集箱二连通，所述的上集箱一及上集箱二均与上集箱三连通，所述的上集箱三通过炉膛的前、后墙水冷壁与下集箱二连通；下集箱二通过数根引出管一与下集箱一连通，所述的下集箱一通过炉膛的侧墙水冷壁与上集箱四连通，所述的上集箱四通过数根引出管二与光管省煤器连通。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、热泵与回水支路耦合，回水支路通过热泵的冷端换热器换热后，给水温度从40~45℃降低到25~30℃，经过冷凝式换热器一，吸收烟气显热及水蒸气的汽化潜热，将烟气温度由110-130℃降至40℃，锅炉效率最高可提高到107%（按低位热值）。同时，经冷凝式换热器一换热后，水温由25~30℃上升到35~40℃后，再通过热泵的热端换热器，吸收来自冷端换热器侧的热量以及热泵的电能后，温度由35~40℃上升到55~60℃。热泵的COP性能指数高达5.6，经济性好；
2、回水另一支路的给水（温度为40~45℃，低于烟气中水蒸汽的露点温度，注：天然气锅炉的烟气露点温度为58℃左右），经冷凝式换热器二将省煤器后烟气温度（约600℃）降至110~130℃，吸收烟气显热及水蒸气的汽化潜热（注：1m3的天然气燃烧后中可以获得1.51kg冷凝水，同时释放水蒸汽潜热3480kJ），传热系数大幅提高；
3、采用搪瓷螺旋翅片管作为冷凝换热元件，避免换热面腐蚀，与采用316L合金钢相比，大幅降低造价。
4、本发明具有热转换效率高、寿命长、结构简单的特点。
附图说明
图1为本发明的高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉的整体结构示意图；
图2为U形集箱的俯视图；
图3为工质侧各构件连接框图；
图4为烟气侧各构件连接框图；
图5为图1的A区域局部放大图；
图6为图1的B区域局部放大图；
图7为图1的C区域局部放大图；
图8为图1的D区域局部放大图。
图中：热泵1、冷端换热器1-1、热端换热器1-2、三通阀2、冷凝式换热器一3、冷凝式换热器二4、U形集箱5、两侧墙集箱5-1、后墙集箱5-2、光管省煤器6、上集箱一7、上集箱二8、上集箱三9、上集箱四10、炉膛11、燃烧器12、下集箱一13、下集箱二14、转向室15、尾部烟道16、两侧墙水冷管17、后墙水冷管18、炉膛11的前、后墙水冷壁19、引出管一20、侧墙水冷壁21、引出管二22、回水管23。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一：如图1~图8所示，本实施方式记载了一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉，包括炉膛11、光管省煤器6、上集箱一7、上集箱二8、上集箱三9、上集箱四10、燃烧器12、下集箱一13、下集箱二14、转向室15、尾部烟道16、数根两侧墙水冷管17、数根后墙水冷管18、炉膛11的前、后墙水冷壁19、数根引出管一20、侧墙水冷壁21及数根引出管二22；所述的高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉还包括热泵1、三通阀2、冷凝式换热器一3、冷凝式换热器二4及U形集箱5；
对于燃气侧而言，所述的燃烧器12与炉膛11连通，所述的炉膛11的烟气出口通过转向室15与尾部烟道16连通，所述的尾部烟道16内由上至下依次布置有光管省煤器6、冷凝式换热器二4和冷凝式换热器一3，所述的燃气为天然气；
对于水循环而言，所述的三通阀2一端与回水管23连通，三通阀2另两端分别与热泵1冷端换热器1-1的进水口及冷凝式换热器二4的进水口连通，所述的热泵1的冷端换热器1-1出水口与冷凝式换热器一3的进水口连通，所述的冷凝式换热器一3的出水口与热泵1的热端换热器1-2进水口连通，热泵1的热端换热器1-2出水口与冷凝式换热器二4的出水口并联后与设置在炉膛11后侧的U形集箱5连通，所述的U形集箱5水平设置，U形集箱5的两侧墙集箱5-1分别通过数根两侧墙水冷管17与上集箱一7连通，U形集箱5的后墙集箱5-2通过数根后墙水冷管18与上集箱二8连通，所述的上集箱一7及上集箱二8均与上集箱三9连通，所述的上集箱三9通过炉膛11的前、后墙水冷壁19与下集箱二14连通。
具体实施方式二：如图1及图3所示，具体实施方式一所述的一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉，所述的三通阀2为三通流量调节阀。可以调整经三通阀2所述的另两端进入热泵1及冷凝式换热器二4的流量。
所述的光管省煤器6的材质为20g。
所述的冷凝式换热器一3和冷凝式换热器二4优选搪瓷螺旋翅片管，其次是316L，316等。搪瓷螺旋翅片管，其已在专利-螺旋翅片高频焊接式搪瓷换热管（申请号：201220270918.4）中公开。使用搪瓷螺旋翅片管，有以下好处：耐腐蚀，增强传热效果，大幅降低造价，使用寿命长达8~10年。
工作过程（如图1~图4所示）：本发明在热水锅炉的尾部烟道16内由上至下依次布置了光管省煤器6以及冷凝式换热器二4和冷凝器换热器一3。
在水循环中，回水经三通阀2后分为两路，一路通过热泵1的冷端换热器1-1，回水温度由40～45℃降至25~30℃，再经冷凝式换热器一3加热后，进入热泵1内的热端换热器1-2，并经热泵1加热后与另一路经冷凝式换热器二4加热后的水并联进入U形集箱5，U形集箱5的两侧墙集箱5-1及数根两侧墙水冷管17进入上集箱一7，另一路经过U形集箱5的后墙集箱5-2及数根后墙水冷管18进入上集箱二8；进入上集箱一7及上集箱二8的水均进入上集箱三9内，再经上集箱三9及炉膛11的前、后墙水冷壁19进入下集箱二14，之后，由下集箱二14进入下集箱一13内，再依次经下集箱一13、炉膛11的侧墙水冷壁21、上集箱四10及数根引出管二22进入光管省煤器6内，最后将所需热水引出。工质（水）侧采用强制循环。
对于烟气流程而言，采用天然气作为燃气，燃气经过燃烧器12后在炉膛11中燃烧，产生的高温烟气经过炉膛11、转向室15、光管省煤器6以及冷凝式换热器二4及冷凝式换热器一3，与工质（水）发生热交换，从而吸收烟气显热和水蒸汽的汽化潜热，最后排向大气，其排烟温度大幅降低至40℃，从而大幅提高锅炉热效率至107%（按低位热值计算）。
例如：一台58MW的燃天然气热水锅炉，排烟温度为130℃，热效率为93.5%，如果采用该热泵耦合技术，将排烟温度降至40℃，可以从冷凝器获得6MW的热量，热效率提高到107%，热泵电耗为1.3MW，COP=5.6，节能效果非常显著。
停电保护：由于天然气锅炉在突然停电后，燃烧器停止工作，不再向炉内释放热量，而且炉膛内没有蓄热，炉膛水冷壁管内的水温低于工作压力下的饱和温度，不会产生水击，所以，本发明的燃天然气的强制循环热水锅炉不需要停电保护措施。

Claims (2)

1.一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉，包括炉膛（11）、光管省煤器（6）、上集箱一（7）、上集箱二（8）、上集箱三（9）、上集箱四（10）、燃烧器（12）、下集箱一（13）、下集箱二（14）、转向室（15）、尾部烟道（16）、数根两侧墙水冷管（17）、数根后墙水冷管（18）、炉膛（11）的前、后墙水冷壁（19）、数根引出管一（20）、侧墙水冷壁（21）及数根引出管二（22）；其特征在于：所述的高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉还包括热泵（1）、三通阀（2）、冷凝式换热器一（3）、冷凝式换热器二（4）及U形集箱（5）；
对于燃气侧而言，所述的燃烧器（12）与炉膛（11）连通，所述的炉膛（11）的烟气出口通过转向室（15）与尾部烟道（16）连通，所述的尾部烟道（16）内由上至下依次布置有光管省煤器（6）、冷凝式换热器二（4）和冷凝式换热器一（3），所述的燃气为天然气；
对于水循环而言，所述的三通阀（2）一端与回水管（23）连通，三通阀（2）另两端分别与热泵（1）冷端换热器（1-1）的进水口及冷凝式换热器二（4）的进水口连通，所述的热泵（1）的冷端换热器（1-1）出水口与冷凝式换热器一（3）的进水口连通，所述的冷凝式换热器一（3）的出水口与热泵（1）的热端换热器（1-2）进水口连通，热泵（1）的热端换热器（1-2）出水口与冷凝式换热器二（4）的出水口并联后与设置在炉膛（11）后侧的U形集箱（5）连通，所述的U形集箱（5）水平设置，U形集箱（5）的两侧墙集箱（5-1）分别通过数根两侧墙水冷管（17）与上集箱一（7）连通，U形集箱（5）的后墙集箱（5-2）通过数根后墙水冷管（18）与上集箱二（8）连通，所述的上集箱一（7）及上集箱二（8）均与上集箱三（9）连通，所述的上集箱三（9）通过炉膛（11）的前、后墙水冷壁（19）与下集箱二（14）连通；所述的下集箱二（14）通过数根引出管一（20）与下集箱一（13）连通，所述的下集箱一（13）通过炉膛（11）的侧墙水冷壁（21）与上集箱四（10）连通，所述的上集箱四（10）通过数根引出管二（22）与光管省煤器（6）连通。
2.根据权利要求1所述的一种高效热泵耦合冷凝式燃气热水锅炉，其特征在于：所述的三通阀（2）为三通流量调节阀。
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