CN112097416A - 一种带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，工质对为R22‑DEGDME；运行中，燃烧天然气对发生器中的稀溶液加热，制冷剂R22蒸发，稀溶液变成浓溶液进入溶液热交换器，在吸收器中浓溶液吸收来自蒸发器的R22蒸汽释放的热量，经过溶液泵进入溶液热交换器，后回到发生器；发生器中R22蒸汽进入冷凝器，释放热量后进入换热器Ⅲ与来自蒸发器的R22蒸汽换热，节流后进入蒸发器中，变为R22蒸汽，在换热器Ⅲ中，换热后的R22蒸汽进入吸收器中。除霜时，控制从发生器排出的部分R22蒸汽进入蒸发器除霜。天然气燃烧产生的烟气先进入所述换热器Ⅰ，将来自冷凝器的供暖热水加热，降温后的烟气进入所述换热器Ⅱ与蒸发器排出的R22蒸汽换热，换热后的烟气排出大气。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源利用与环保的空气源热泵，尤其涉及一种带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统。
背景技术
随着经济的发展和人民生活质量的提高，能源的消费也呈现上升趋势。在寒冷地区，区域供暖所需要的燃料依然是煤，石油和天然气等化石燃料。然而，大规模的使用化石燃料会带来一系列的雾霾和污染问题。尽管煤改电的大范围推广可以减缓污染问题，但是天然气短缺也是目面临的一个现状。目前，许多学者把研究的重点放在了可再生能源上，这其中，利用空气源取热被视为一个很有潜力的技术。空气源电热泵是目前广泛应用于冬季供暖的系统，且COP通常在3左右。但是其计算过程中未有考虑系统消耗的电能在热电厂的发电效率，一般热电厂的效率约为30％左右，乘以COP的话，实际的效率约在0.9-1左右。而空气源吸收式热泵消耗较少的电能，直接利用燃气作为驱动热源，从空气中取热，可以实现1.5以上的COP。
对于系统的发生器和吸收器，常用的形式有沉浸式和喷淋式。沉浸式发生器的液体静液柱压力会对发生效果产生影响，而喷淋式发生器虽然不存在静液柱的影响，且传热传质性能好，但是存在喷淋量小，传热面积利用不充分和难以完全湿润的特点。除此之外，还有立式降膜和水平降膜发生器。立式降膜发生器与水平降膜发生器相比，占地面积小，节约空间，可以更好的形成逆流换热，布液更加均匀，表明润湿率更好，从而获得更高温度的热输出等特点。
普通的天然气锅炉等热能动力设备烟气排放温度约为150-250℃，如果将这部分烟气排入空气中，会导致环境污染和热能的不充分利用，排烟热损失可达到10％。目前最普遍的燃气锅炉烟气热回收的方法是在锅炉尾部增加烟气余热利用回收装置，由于受被加热介质温度(如供暖热水)的限制，经过烟气余热回收利用后排烟温度仍在55℃以上，烟气中还有近多半的余热未能够被利用。若仅用烟气余热回收装置回收烟气余热，节能潜力是有限的。
发明内容
针对上述现有技术，为了解决空气源吸收式热泵冬季结霜问题，本发明提出了一种带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统。该系统可以实现高效，直接供暖，并对天然气燃烧产生的烟气进行回收。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，该系统包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、三个换热器、溶液热交换器、溶液泵、风扇以及五个节流阀，三个换热器分别记为换热器Ⅰ、换热器Ⅱ和换热器Ⅲ,所述换热器Ⅰ和所述换热器Ⅱ均包括烟气通道和水通道，所述换热器Ⅲ包括制冷剂蒸汽通道和制冷剂通道；五个节流阀分别记为第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀、第四节流阀和第五节流阀；该系统的工质对为R22-DEGDME；
所述发生器稀溶液进口、制冷剂蒸汽出口、浓溶液出口和烟气排放口；所述吸收器包括浓溶液进口、稀溶液出口、制冷剂蒸汽进口、回水进口和出水口；所述溶液热交换器包括稀溶液进口、稀溶液出口、浓溶液进口和浓溶液出口；
所述吸收器的稀溶液出口通过所述溶液泵后自所述溶液热交换器的稀溶液通道后连接至所述发生器的稀溶液进口；所述发生器的制冷剂蒸汽出口经过所述第一节流阀后分为两路，一路通过所述冷凝器的制冷剂蒸汽通道后连接至一储液器，所述储液器的出口通过所述交换器Ⅲ的制冷剂通道后连接至蒸发器的制冷剂进口；另一路通过所述第二节流阀后连接至所述蒸发器的制冷剂进口；所述发生器的浓溶液出口通过所述溶液热交换器的浓溶液通道后连接至所述吸收器的浓溶液进口；
所述吸收器的出水口依次通过所述冷凝器的水通道和所述换热器Ⅰ的水通道后连接至用户的供热水管，用户的回水管通过一水泵后连接至吸收器的回水进口；
所述发生器的烟气排放口依次通过所述换热器Ⅰ和所述换热器Ⅱ的烟气通道后排放，所述蒸发器的制冷剂蒸汽出口依次经过所述换热器Ⅱ的制冷剂通道和所述换热器Ⅲ的制冷剂蒸汽通道后连接至吸收器的制冷剂蒸汽进口；
所述第三节流阀设置在所述溶液热交换器的浓溶液出口连接至所述吸收器的浓溶液进口的管路上，所述第四节流阀设置在所述溶液热交换器的稀溶液出口连接至所述发生器的稀溶液进口的的管路上，所述第五节流阀设置在所述换热器Ⅲ的制冷剂通道的制冷剂出口连接至所述蒸发器的制冷剂进口的管路上。
进一步讲，本发明所述的带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，系统运行时，首先，开启第一节流阀、第二节流阀,第三节流阀、第四节流阀和第五节流阀，开启风扇，开启溶液泵，再开启发生器的燃烧器，此时系统通过发生器驱动，通过蒸发器从室外提取一部分热量，并将天然气燃烧产生的烟气与供暖热水进行换热，充分利用烟气的余热为用户供暖；
当系统检测到室外蒸发器需要除霜时，开启第二节流阀，从发生器排出的制冷剂蒸汽的一部分直接进入蒸发器中，进行除霜。
发明所述的带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，系统运行中，所述发生器由燃气燃烧驱动，对发生器中的稀溶液进行加热，制冷剂R22开始蒸发，溶液浓度增加，发生完全后，稀溶液变成浓溶液进入所述溶液热交换器，浓溶液在所述溶液热交换器中放热后，进入吸收器中，在吸收器中浓溶液吸收来自蒸发器的R22制冷剂蒸汽并释放热量，变成稀溶液；所述稀溶液经过溶液泵进入溶液热交换器吸热，之后进入发生器中；发生器中高温的制冷剂蒸汽进入冷凝器，释放热量后存于储液器，然后进入换热器Ⅲ与来自蒸发器的制冷剂蒸汽进行换热，经过节流后进入所述蒸发器中，蒸发吸热后变为制冷剂蒸汽，在换热器Ⅲ中，换热后的制冷剂蒸汽进入吸收器中。
发明所述的带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，天然气燃烧产生的烟气的主要成分为水和CO2，烟气先进入所述换热器Ⅰ，将来自冷凝器的供暖热水进一步加热，之后，降温后的烟气进入所述换热器Ⅱ与蒸发器排出的制冷剂蒸汽进一步换热，换热后的烟气从系统排出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明系统可以以空气为热源进行高效供暖，对烟气进行二级梯级利用，提高了了燃料利用效率。采用旁通除霜的模式，不需要系统停机，对室内供暖影响较小。吸收器和发生器采用立式降膜的形式，占地面积小，节约空间，传热性能更好。
附图说明
图1是本发明带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统构成示意图；
图2是系统的计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，本发明提出的一种带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，该系统包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、三个换热器、溶液热交换器、溶液泵、风扇以及五个节流阀，三个换热器分别记为换热器Ⅰ、换热器Ⅱ和换热器Ⅲ,所述换热器Ⅰ和所述换热器Ⅱ均包括烟气通道和水通道，所述换热器Ⅲ包括制冷剂蒸汽通道和制冷剂通道；五个节流阀分别记为第一节流阀V1、第二节流阀V2、第三节流阀V3、第四节流阀V4和第五节流阀V5；该系统的工质对为R22-DEGDME。
所述发生器稀溶液进口、制冷剂蒸汽出口R1、浓溶液出口S4和烟气排放口G1；所述吸收器包括浓溶液进口S6、稀溶液出口S1、制冷剂蒸汽进口R6、回水进口W1和出水口W2；所述溶液热交换器包括稀溶液进口S2、稀溶液出口S3、浓溶液进口和浓溶液出口S5。
本发明热泵系统中相关设备的连接关系如下：
所述吸收器的稀溶液出口S1通过所述溶液泵后自所述溶液热交换器的稀溶液通道后连接至所述发生器的稀溶液进口；所述发生器的制冷剂蒸汽出口R1经过所述第一节流阀V1后分为两路，一路通过所述冷凝器的制冷剂蒸汽通道后连接至一储液器，所述储液器的出口通过所述交换器Ⅲ的制冷剂通道后连接至蒸发器的制冷剂进口R4；另一路通过所述第二节流阀V2后连接至所述蒸发器的制冷剂进口R4；所述发生器的浓溶液出口S4通过所述溶液热交换器的浓溶液通道后连接至所述吸收器的浓溶液进口S6。
所述吸收器的出水口W2依次通过所述冷凝器的水通道和所述换热器Ⅰ的水通道后连接至用户的供热水管，用户的回水管通过一水泵后连接至吸收器的回水进口W1。
所述发生器的烟气排放口依次通过所述换热器Ⅰ和所述换热器Ⅱ的烟气通道后排放，所述蒸发器的制冷剂蒸汽出口依次经过所述换热器Ⅱ的制冷剂通道和所述换热器Ⅲ的制冷剂蒸汽通道后连接至吸收器的制冷剂蒸汽进口R6。
所述第三节流阀V3设置在所述溶液热交换器的浓溶液出口S5连接至所述吸收器的浓溶液进口S6的管路上，所述第四节流阀V4设置在所述溶液热交换器的稀溶液出口S3连接至所述发生器的稀溶液进口的的管路上，所述第五节流阀V5设置在所述换热器Ⅲ的制冷剂通道的制冷剂出口R3连接至所述蒸发器的制冷剂进口R4的管路上。
本发明热泵系统中，燃烧天然气为吸收式热泵提供驱动热源，天然气在发生器中燃烧后向浓溶液释放热量，产生的烟气则被进一步利用。冷凝器将高温制冷剂蒸汽冷凝，与供暖热水换热。蒸发器通过低温低压的制冷剂液体，在室外空气中提取一部分热量，为室内供暖所用。吸收器利用来自发生器的浓溶液，吸收蒸发器中蒸发的制冷剂蒸汽，向供暖热水放出热量。溶液泵将吸收了制冷剂蒸汽的低温低压稀溶液打入高温高压的发生器中。风机是为了强化空气和制冷剂的对流换热。
系统运行时，首先，开启第一节流阀V1、第二节流阀V2,第三节流阀V3、第四节流阀V4和第五节流阀V5，开启风扇，开启溶液泵，再开启发生器的燃烧器，此时系统通过发生器驱动，通过蒸发器从室外提取一部分热量，并将天然气燃烧产生的烟气与供暖热水进行换热，充分利用烟气的余热为用户供暖；系统运行中，所述发生器由燃气燃烧驱动，对发生器中的稀溶液进行加热，制冷剂R22开始蒸发，溶液浓度增加，发生完全后，稀溶液变成浓溶液进入所述溶液热交换器，浓溶液在所述溶液热交换器中放热后，进入吸收器中，在吸收器中浓溶液吸收来自蒸发器的R22制冷剂蒸汽并释放热量，变成稀溶液；所述稀溶液经过溶液泵进入溶液热交换器吸热，之后进入发生器中；发生器中高温的制冷剂蒸汽进入冷凝器，释放热量后存于储液器，然后进入换热器Ⅲ与来自蒸发器的制冷剂蒸汽进行换热，经过节流后进入所述蒸发器中，蒸发吸热后变为制冷剂蒸汽，在换热器Ⅲ中，换热后的制冷剂蒸汽进入吸收器中。
系统运行过程中，天然气燃烧产生的烟气的主要成分为水和CO2，烟气G1先进入所述换热器Ⅰ，将来自冷凝器的供暖热水进一步加热，之后，降温后的烟气G2进入所述换热器Ⅱ与蒸发器排出的制冷剂蒸汽进一步换热，换热后的烟气G3从系统排出。
当系统检测到室外蒸发器需要除霜时，开启第二节流阀V2，从发生器排出的制冷剂蒸汽的一部分直接进入蒸发器中，进行除霜。
本发明热泵系统仿真计算模型：
R22-DEGDME溶液平衡态的物性参数已由日本学者安藤荣司给出。溶液的平衡蒸汽压方程为:
式(1)中，P是溶液压力，Y是R22的摩尔浓度，常数系数见下表1。
表1公式(1)的常数系数
R22-DEGDME溶液的混合热为：
常数系数见下表2。
表2公式(2)的常数系数
溶液的摩尔焓可以表示为:
式(3)中，J是热功当量，MD和MR22分别是DEGDME和R22的摩尔质量。
能量分析是根据热力学第一和第二定律给出的。在蒸发器，冷凝器，溶液热交换器和换热器Ⅰ中，热负荷可以表示为：
蒸发器热负荷：Qevap＝mr(hR5-hR4) (4)
冷凝器热负荷：Qcond＝mr(hR1-hR2) (5)
溶液热交换器热负荷：Qshe＝mw(hS3-hS2) (6)
换热器Ⅰ热负荷：Qhe-I＝cp.wmw(TW4-TW3) (7)
在发生器中，热量从燃烧器传给浓溶液，热负荷可以表示为:
Qgen＝mr·hR1+mw·hS4-ms·hS3 (8)
在吸收器中，稀溶液吸收R22制冷剂蒸汽，释放热量给供暖热水。
Qabs＝mr·hR6+mw·hS6-ms·hS1 (9)
系统的COP是制热量和热消耗的比值:
COP＝(Qcond+Qabs)/(Qgen+Psp) (10)
本发明系统的计算流程如图2所示，通过编写MATLAB程序计算系统的热力学参数，包括压力，焓，流量，换热量和COP。
设计工况为：发生器负荷24kW，发生温度190℃，冷凝温度46℃，吸收温度43℃，蒸发温度-20℃。计算结果如下表所示：
表3计算结果
根据图1可以看出，系统的主要部件是换热器，因此计算系统的经济性能时，则主要考虑换热器的花费。系统的运行维护投资率
可以由下式表示：
式(11)中，
是消耗功率，EP是电价。设备的投资率可以计算为：
式(12)中，Zk是设备的投资，计算函数由表4给出。
表4投资函数
取单位立方米天然气产热量为36MJ，则24kW负荷下，运行3600h，需要约8640m3天然气，假设价格为2.4元/m3，则年天然气花费为2932.5$.年运行花费为257.4$。根据系统换热器的面积，可以算的系统的初投资为35804.7$.取中国地区的热价为0.08$/kWh，系统每年产生的效益为12035.5$.除去运行花费和天然气花费，每年净利润为8846.12$.系统的回收期等于初投资除以净利润，约为4年。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，该系统包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、三个换热器、溶液热交换器、溶液泵、风扇以及五个节流阀，三个换热器分别记为换热器Ⅰ、换热器Ⅱ和换热器Ⅲ,所述换热器Ⅰ和所述换热器Ⅱ均包括烟气通道和水通道，所述换热器Ⅲ包括制冷剂蒸汽通道和制冷剂通道；五个节流阀分别记为第一节流阀(V1)、第二节流阀(V2)、第三节流阀(V3)、第四节流阀(V4)和第五节流阀(V5)；该系统的工质对为R22-DEGDME；其特征在于，
所述发生器稀溶液进口、制冷剂蒸汽出口(R1)、浓溶液出口(S4)和烟气排放口(G1)；所述吸收器包括浓溶液进口(S6)、稀溶液出口(S1)、制冷剂蒸汽进口(R6)、回水进口(W1)和出水口(W2)；所述溶液热交换器包括稀溶液进口(S2)、稀溶液出口(S3)、浓溶液进口和浓溶液出口(S5)；
所述吸收器的稀溶液出口(S1)通过所述溶液泵后自所述溶液热交换器的稀溶液通道后连接至所述发生器的稀溶液进口；
所述发生器的制冷剂蒸汽出口(R1)经过所述第一节流阀(V1)后分为两路，一路通过所述冷凝器的制冷剂蒸汽通道后连接至一储液器，所述储液器的出口通过所述交换器Ⅲ的制冷剂通道后连接至蒸发器的制冷剂进口(R4)；另一路通过所述第二节流阀(V2)后连接至所述蒸发器的制冷剂进口(R4)；
所述发生器的浓溶液出口(S4)通过所述溶液热交换器的浓溶液通道后连接至所述吸收器的浓溶液进口(S6)；
所述吸收器的出水口(W2)依次通过所述冷凝器的水通道和所述换热器Ⅰ的水通道后连接至用户的供热水管，用户的回水管通过一水泵后连接至吸收器的回水进口(W1)；
所述发生器的烟气排放口(G1)依次通过所述换热器Ⅰ和所述换热器Ⅱ的烟气通道后排放，所述蒸发器的制冷剂蒸汽出口依次经过所述换热器Ⅱ的制冷剂通道和所述换热器Ⅲ的制冷剂蒸汽通道后连接至吸收器的制冷剂蒸汽进口(R6)；
所述第三节流阀(V3)设置在所述溶液热交换器的浓溶液出口(S5)连接至所述吸收器的浓溶液进口(S6)的管路上，所述第四节流阀(V4)设置在所述溶液热交换器的稀溶液出口(S3)连接至所述发生器的稀溶液进口的的管路上，所述第五节流阀(V5)设置在所述换热器Ⅲ的制冷剂通道的制冷剂出口(R3)连接至所述蒸发器的制冷剂进口(R4)的管路上。
2.根据权利要求1所述的带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，其特征在于，
系统运行时，首先，开启第一节流阀(V1)、第二节流阀(V2),第三节流阀(V3)、第四节流阀(V4)和第五节流阀(V5)，开启风扇，开启溶液泵，再开启发生器的燃烧器，此时系统通过发生器驱动，通过蒸发器从室外提取一部分热量，并将天然气燃烧产生的烟气与供暖热水进行换热，充分利用烟气的余热为用户供暖；
当系统检测到室外蒸发器需要除霜时，开启第二节流阀(V2)，从发生器排出的制冷剂蒸汽的一部分直接进入蒸发器中，进行除霜。
3.根据权利要求1所述的带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，其特征在于，
系统运行中，所述发生器由燃气燃烧驱动，对发生器中的稀溶液进行加热，制冷剂R22开始蒸发，溶液浓度增加，发生完全后，稀溶液变成浓溶液进入所述溶液热交换器，浓溶液在所述溶液热交换器中放热后，进入吸收器中，在吸收器中浓溶液吸收来自蒸发器的R22制冷剂蒸汽并释放热量，变成稀溶液；所述稀溶液经过溶液泵进入溶液热交换器吸热，之后进入发生器中；发生器中高温的制冷剂蒸汽进入冷凝器，释放热量后存于储液器，然后进入换热器Ⅲ与来自蒸发器的制冷剂蒸汽进行换热，经过节流后进入所述蒸发器中，蒸发吸热后变为制冷剂蒸汽，在换热器Ⅲ中，换热后的制冷剂蒸汽进入吸收器中。
4.根据权利要求1所述的带烟气余热回收的新型燃气空气源吸收式热泵系统，其特征在于，天然气燃烧产生的烟气的主要成分为水和CO2，烟气(G1)先进入所述换热器Ⅰ，将来自冷凝器的供暖热水进一步加热，之后，降温后的烟气(G2)进入所述换热器Ⅱ与蒸发器排出的制冷剂蒸汽进一步换热，换热后的烟气(G3)从系统排出。
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