回收烟气热泵设备的制作方法
【专利摘要】一种回收烟气热泵设备，包括空气源热泵热水器本体、设置在空气源热泵中的蒸发器、气-水换热器、混合降温器、水-水换热器和第一水箱。该回收烟气热泵设备可以利用锅炉排烟气余热，又使热泵的工作环境得到改善，使源热泵在寒冷地区的应用不再受结霜和低效的问题的制约，有效降低热水的加热成本。把高温热气转换成低温，把回收的冷凝水、水源热泵转换高温热水60℃提供采暖。
【专利说明】回收烟气热泵设备
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及热泵热气回收领域，具体来说是一种回收烟气热泵设备。
【背景技术】
[0002]为减少锅炉烟气对城市大气的污染，许多城市限制燃煤锅炉，大力发展以清洁的天然气为燃料的燃气锅炉。目前燃气热水锅炉的排烟温度在90°C以上(蒸汽锅炉在140°C以上)，特别是北方的取暖季节，有大量的热能被排放入空气，不但浪费了能源，也排出了大量的C02、N0等有害气体，加剧了大气污染。现有的成熟技术采用气-水换热器将余热回收后，其排烟温度仍在80°C左右。风冷热泵热气源是当前节能、环保、能效比高的热水设备，技术成熟，已在我国的南方地区风冷热泵热气源迅速推广使用。但是，在北方由于冬季低温使设备的蒸发器结霜和设备的能效比降低的问题制约了该项技术在北方地区的普及和发展。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是提供一种回收烟气热泵设备，可以利用锅炉排烟气余热，又使热泵的工作环境得到改善，使源热泵在寒冷地区的应用不再受结霜和低效的问题的制约，有效降低热水的加热成本。把高温热气转换成低温，把回收的冷凝水、水源热泵转换高温热水60°C提供采暖。
[0004]本实用新型的目的通过以下技术方案来实现。
[0005]本实用新型提供了一种回收烟气热泵设备，包括空气源热泵热水器本体、设置在空气源热泵中的蒸发器、气-水换热器、混合降温器、水-水换热器和第一水箱、气-水换热器与燃气锅炉的烟气通道之间连接有第一烟气管道，气-水换热器与混合降温器之间连接有第二烟气管道，混合降温器与蒸发器之间连接有第三烟气管道，在蒸发器的出气管路上设有回气管与混合降温器连接，第一水箱与气-水换热器之间连接有循环水管，在循环水管上设有循环泵，气-水换热器、混合降温器和热泵热水器本体分别连接有冷凝水管，各冷凝水管与水-水换热器连接，水-水换热器连接有要加热的源水(来自第一水箱的自来水)的水管，第一水箱通过进水管与空气源热泵热水器本体连接，在进水管路上设有水泵，空气源热泵热水器本体与水箱之间连有出水管。所述气-水换热器是用于气体与水进行热交换的换热器，所述水-水换热器是利用水之间的温差，进行水与水的热交换的换热器。混合降温器包括一个腔室和在该腔室内设置的水喷雾设备，通过喷雾的水雾与烟气在混合降温器腔室内接触来降低烟气温度。
[0006]优选的是，第一烟气管道的进口为双进口结构。另外，优选的是，在第三烟气管道中设有中和剂投放器，用于中和冷凝水中的酸。
[0007]在上述系统基础上，回收热泵完成后第二级设一套水源热泵、水箱、风冷热泵及太阳能组成第二级升温间制冷系统。即，第一水箱通过进水管(进水管设有水泵)与出水管与第二水箱连接，第二水箱通过进水管和出水管(出水管设有水泵)与水源热泵连接，水源热泵通过进水管和出水管(出水管设有水泵)与第三水箱连接，第三水箱设有暖气供水口。
[0008]一级回收热水，循环到储存水箱内由水源热泵，提升高温采暖。太阳能的温度循环到储存水箱内提供水源热泵低温升高温，夏天水源热泵由水箱与冷却设备循环提供制冷，太阳能夏天与空调源热泵混合不受天气影响产出每天60吨热水成本3元/吨，水源与风冷热泵组合可用于室内制冷。
[0009]本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
[0010](I)鉴于在取暖季节燃气锅炉的烟气排热和空调气源热泵热水器的需热，在时间上是一致的，在能量上是互补的，因此本技术的重要特征就是将燃气锅炉的低温烟气排热和空气源热泵热水器的需热结合起来，使燃气锅炉的排烟的热能转化为空气源热水器的热源，给空气源热泵热水器创造了能够高效运行的环境，解决了空气源热泵热水器在冬季运行的难题，在降低制热成本的同时也回收了大量的冷凝水，减少燃气锅炉向大气中排放的有害气体，实现节能、减排、节水的环境效益社会效益。
[0011](2)根据北方的气候特点，春夏秋三季的气温都适合空气源热泵热水器的运行，只有冬季低温时受到影响。采用本技术后，将冬季取暖的燃气锅炉的烟气经降温脱水处理，回用给空气源热泵热水器做热源，可以产生一举多得的效果。从全年来分析，取暖锅炉排烟和热泵的高效运行在时空上是互补的，即气温较高(彡14°C )时，热泵工作环境较好，在高效区工作，COP值在夏季可达到4-6，春秋季可达到3-5，冬季气温下降时热泵运行环境恶化甚至不能运行，但取暖锅炉开始运行，锅炉排烟气余热可以利用，又使热泵的工作环境得到改善，而且气温越低，锅炉负荷越大，排出烟气余热越多，热泵可转换的热能越多。出于烟气温度可根据热泵的需要进行调整，热泵可以获得比春夏秋季还好的环境温度和运行条件，COP值可以达到4-6，在此意议上，凡有燃气设备烟气余热回用的条件下，空气源热泵在寒冷地区的应用不再受结霜和低效的问题的制约，由热回收转换高节能研究设备，以单一供热水，转换为春夏制冷的混合不受季节性最节能设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型烟气热泵设备原理方框图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本实用新型回收烟气热泵设备作进一步详细描述。
[0014]如图1所示，本实用新型回收烟气热泵设备包括空气源热泵热水器本体1、蒸发器
2、气-水换热器5、混合降温器6、水-水换热器10和第一水箱3、气-水换热器5与燃气锅炉4的烟气通道之间连接有第一烟气管道11，气-水换热器5与混合降温器6之间连接有第二烟气管道21，混合降温器6与蒸发器2之间连接有第三烟气管道22，在蒸发器2的出气管路上设有回气管12与混合降温器6连接，第一水箱3与气-水换热器5之间连接有循环水管，在循环水管上设有循环泵8，气-水换热器5、混合降温器6和热泵热水器本体I分别连接有冷凝水管，各冷凝水管与水-水换热器10连接，水-水换热器10连接有要加热的源水(来自第一水箱3的自来水)的水管，第一水箱3通过进水管与空气源热泵热水器本体I连接，在进水管路上设有水泵9，空气源热泵热水器本体I与第一水箱3之间连有出水管。
[0015]优选的是，第一烟气管道的进口为双进口结构。另外，优选的是，在第三烟气管道中设有中和剂投放器7，用于中和冷凝水中的酸。
[0016]优选的是，第一水箱3通过进水管(进水管设有水泵17)与出水管与第二水箱13连接，第二水箱13通过进水管和出水管(出水管设有水泵16)与水源热泵15连接，水源热泵15通过进水管和出水管(出水管设有水泵18)与第三水箱14连接。
[0017]从烟囱来的烟气(温度在160?230°C)进入气-水换热器5中，与水箱I循环来的水进行换热，将水箱I的储水(自来水)加热(可达30°C )，然后送回水箱I中，通过气-水换热器5，烟气温度被降低到75?85°C，通常80°C左右，进入混合降温器6(混合降温器包括一个腔室和在该腔室内设置的水喷雾设备，通过喷雾的水雾与烟气在混合降温器腔室内接触来降低烟气温度)中，烟气在气-水换热器5、混合降温器6中冷凝下来的冷凝水引入到冷凝水管中，在水-水换热器10中与来自水箱I中的自来水进行热交换(能够将来自水箱I的水从20°C左右升高到35?45°C，通常40°C )，从气水换热器5出来的烟气在混合降温器6中与自来水喷雾接触，烟气温度下降到35?40°C，优选38°C左右，然后通过第三烟气道进入空气源热泵I中，在空气源热泵I中进入空气源热泵翅片热能交换经压缩机压缩、冷凝、节流、蒸发的热力循环，然后通过空气源热泵I的蒸发器上的出气管路上设置的回气管一部分返回混合降温器，一部分通过管道排放到大气中，在空气源热泵中会有从烟气中冷凝下来的水进入冷凝水管，在水-水换热器10中与水箱3中的水进行热交换，经过这样交换后能够将来自水箱3中的水从约20°C加热到约40°C，水箱3的水然后供给水箱13，由水箱13提供给水源热泵15冷凝器循环进行转换加热至55-70°C热水，供给水箱14再用于供暖，水箱14设有进水口(进冷水)，用于供给水箱14源水。水箱14上端进自来水，侧端出55-60°C热水。
[0018]同时，在夜间，利用空气源热泵I将来自第一水箱3的水从15?20°C加热到40?45°C，由于冬季采暖锅炉的运行负荷高峰一般在夜间，因此空气源热泵热水器也可在夜间运行而享受谷电的政策，又一次降低了制水成本，同时也可起到电网调峰的作用。如果按照北京低谷电0.3元/度计算，在此环节加热一吨水耗电4度其成本只有1.2元。
[0019]已加热到约40_45°C的热水再输送到高温烟气回用部分的气水换热器5进一步加热到约60°C，可用于供暖，因为烟气温度120°C (蒸汽炉为150°C )与被加热的水的温差较大，所以换热效率也很高。本环节也没有运行成本(循环泵的功率较低可忽略)。
[0020]本实用新型的优点:
[0021]采用本实用新型的技术后，可以通过三个环节降低热水的加热成本:
[0022]①烟气在换热器降温的过程中要排出大量温度在40°C以上的冷凝水，首先通过水-水换热器将待加热的源水加热(例如可以从15°C加热到22°C )，本环节不产生运行费用。
[0023]②待加热的源水经过空气源热泵从18°C加热到42°C，根据空气源热泵热水器的特性曲线，进出水的温差小于20°C时，其COP值最高。因此，此环节要让空气源热水器在高效区工作，其COP可以达到5-6，每吨水加热温升20°C需4°C电，成本为约400元。由于冬季采暖锅炉的运行负荷高峰一般在夜间，因此空气源热泵热水器也可在夜间运行而享受谷电的政策，又一次降低了制水成本，同时也可起到电网调峰的作用。如果按照北京低谷电0.3元/度计算，在此环节加热一吨水耗电4度其成本只有1.2元。
[0024]③已加热到40°C的热水再经过高温烟气回用部分的气水换热器进一步加热到60°C因为烟气温度120°C (蒸汽炉为150°C )与被加热的水的温差较大，所以换热效率也很高。本环节也没有运行成本(循环泵的功率较低可忽略)。
[0025]④由于通过上述三个环节的高效热交换，即可将天然气燃烧烟气余热(包括显热和潜热，其中潜热约占低位热能的10%以上)全部加以利用，如果按照低位发热量为基准计算，可以使燃气锅炉加本技术的综合热效率达到110%以上，产生很好的节能的效果。
[0026]天然气的成分中绝大部分为烃，燃烧后产生大量的水并气化为水蒸气(约占烟气总容积的20% )随烟气排放到大气中。每一立方米天燃气燃烧后可以产生1.55公斤的水蒸气。排放温度在120°C以上的烟气中的水蒸气处于过热状态。由于水蒸气的冷凝温度在58°C左右，现有的烟气回收技术将烟气降到70—90°C，也只能回收少部分冷凝水。由于本技术的应用，燃气锅炉的烟气经过三次降温利用，将最终排放温度将至接近室外气温，则在回用热能的同时最大限度的回收冷凝水。以一台4吨燃气热水采暖炉计，每天运行20小时，每小时耗气320M 3，每天需燃烧6400M3天燃气。其排放的烟气中能回收冷凝水10吨/天。2008年北京市共消耗天燃气52亿M3，如果将其50%的烟气冷凝水回收，即可达到500万吨水，相当一座小型水库的水量。
[0027]由于在三次降温过程中产生大量的冷凝水，烟气中的大部分C02、NOx等有害气体会溶解在冷凝水中而使其呈弱酸性。这样就减少了燃气锅炉向大气中排放的有害气体，产生一定的坏境效益，为在冬季进一步净化北京的空气作贡献。
[0028]以下是技术经济效益分析；
[0029]现状热水的成本比较(一吨水从15°C加热到55°C，温升为40°C )
[0030]
热水器使用能能源热当量总耗量能折单价(北京地能源费用形式E)
电400% (夏丨丨.50 0,48元/kwh (民用)5.52元
860Kcal/kwh 季)Kwh
0,76 元/kwh (商用)8.74 元热泵低谷电iT5(j 0.30元/kwh(低谷电
kwh 价)3.45 元
电热水器51.680.48元/kwh (民用)24.81元
860Kcal/kwh90%
Kwh0.76 元/kwh(商用)
燃气热水天然气 8400kca/M"80% 5.95MJ2.05 元/M3 (民用)12.20 元器2.55元/M3 (商用)15.17元
燃油锅炉轻柴油10200kcal/kg 80% 4.61kg5.7 元/kg26.28 元
[0031]以采暖锅炉为六台四吨燃气热水锅炉为例，其中五台冬季运行供暖，一台全年运行专供生活热水。现状生活用水为每天40吨。根据实际测算，由于用水量较少，锅炉运行管理成本很高，目前每吨水加热的成本为33.80元。如采用热泵方案，在春夏秋三季采用热泵的加热成本为6579元。冬季采用烟气回收与热泵联合，再利用低谷电价，每吨水加热成本可进一步降低。全年的热水加热成本平均为5元。比目前用燃气锅炉加热减少28元，经济效益是非常明显的。
[0032]投资估算:据测算，空气源热泵热水器投资为1.5万元/吨水/日，需60万元，节水换热器、混合降温器、50吨水箱等需35万元，总计投资95万元。按照日供水40吨每吨节约28元，每年运行330天，共可节约45万元，二年内可收回投资。
【权利要求】
1.一种回收烟气热泵设备，其特征在于，其包括空气源热泵热水器本体、设置在空气源热泵中的蒸发器、气-水换热器、混合降温器、水-水换热器和第一水箱、气-水换热器与燃气锅炉的烟气通道之间连接有第一烟气管道，气-水换热器与混合降温器之间连接有第二烟气管道，混合降温器与蒸发器之间连接有第三烟气管道，在蒸发器的出气管路上设有回气管与混合降温器连接，第一水箱与气-水换热器之间连接有循环水管，在循环水管上设有循环泵，气-水换热器、混合降温器和热泵热水器本体分别连接有冷凝水管，各冷凝水管与水-水换热器连接，水-水换热器连接有要加热的源水的水管，第一水箱通过进水管与空气源热泵热水器本体连接，在进水管路上设有水泵，空气源热泵热水器本体与水箱之间连有出水管。
2.根据权利要求1所述的回收烟气热泵设备，其特征在于，第一烟气管道的进口为双进口结构。
3.根据权利要求1所述的回收烟气热泵设备，其特征在于，在第三烟气管道中设有中和剂投放器。
4.根据权利要求1所述的回收烟气热泵设备，其特征在于，第一水箱进一步通过进水管与出水管与第二水箱连接，第二水箱通过进水管和出水管与水源热泵连接，水源热泵通过进水管和出水管与第三水箱连接，第三水箱设有暖气供水口。
【文档编号】F24H9/00GK203980632SQ201420326034
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】郭洪雨 申请人:郭洪雨