一种燃气吸收式热泵系统的制作方法

本发明涉及燃气供暖及吸收式系统领域，特别是一种燃气吸收式热泵系统。

背景技术：

我国建筑能耗约占总能耗的23％，而随着城镇化建设加速发展和居民生活水平的提高，建筑能耗将进一步增大。数据显示若中国城镇人均建筑能耗达到美国的50％，预计2020年中国的建筑能耗将超过2005年中国能源供给总量。而建筑能耗中空调、供暖和热水能耗占比最大，尤其是北方冬季城镇采暖，约占建筑能耗的40％。

现有的供暖手段主要是燃料燃烧制热水，包括：燃煤/燃气锅炉，热电联产以及冷热电联产。燃煤系统会产生大量的颗粒物，是导致雾霾的主要原因，不符合节能减排、保护环境的需求。传统的热电联产和冷热电联产设备庞大、投资高，而且受限于发电效率和电驱动热泵的效率，其供暖的一次能源效率(在0℃环温下)往往不超过1.4。目前广泛应用的燃气锅炉系统，其排气温度高达150～200℃，造成了巨大的能源浪费，其一次能源效率一般在0.7～0.8之间。很多文献聚焦于燃气锅炉系统的烟气余热回收，主要手段包括采用空气预热器、冷凝锅炉和吸收式热泵。采用空气预热器的系统，由于空气侧不存在相变而烟气侧大部分余热来自于蒸汽凝结，回收效果非常有限；采用冷凝锅炉的系统，由于热水温度一般在50～60℃左右，与烟气的露点温度非常接近，因此大部分的烟气潜热无法回收，一次能源效率提升幅度很小。

ming等人(energyconversionandmanagement,2014,87:175-184)利用吸收式热泵和烟气热交换器来回收燃气锅炉的烟气余热，并分析对比了三种形式的优劣。高温烟气显热通过烟气热交换器直接供给热水，低温烟气潜热供给吸收式热泵的蒸发器；而吸收式热泵的发生器热源则分别来自于高温烟气、热水和天然气直燃，模拟结果显示后两种形式可将燃气锅炉的一次能源效率提高10％。由于该系统的主要供热来源是天然气直燃，因此依次能源效率依旧不到0.9。wei等人(appliedthermalengineering,2015,86:326-332)利用开式吸收式热泵来回收燃气锅炉的烟气余热。其发生器的驱动热源来自于天然气直燃，其燃烧产生的烟气连同一部分燃气锅炉产生的烟气直接进入吸收器中，蒸汽被cacl2溶液吸收并释放出潜热，这部分吸收热连同冷凝热被用来预热进入燃气锅炉的热水。模拟结果显示，相较于采用吸收式热泵的燃气锅炉系统，该系统的一次能源效率提高1.5％，而相较于单一燃气锅炉系统提高11％。以上针对燃气锅炉的改进研究，其一次能源效率均无法突破1，且系统较为复杂。

对于传统的燃气吸收式热泵，其缺乏烟气余热(尤其是潜热部分)回收的有效手段，因而系统性能系数cop和一次能源效率pee较低；同时当环境温度降低时，系统性能迅速恶化。

技术实现要素：

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种可以提高余热利用率的燃气吸收式热泵系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种燃气吸收式热泵系统，包括：烟气支路、工质支路、溶液支路及热水支路，其中：

所述烟气支路包括燃烧室(2)、与所述燃烧室(2)连接的溶液预热器(17)和与所述溶液预热器(17)连接的中压蒸发器(7)；

所述工质支路包括依次连接的精馏器(3)、冷凝器(4)、过冷器(5)、中压工质节流阀(6)、中压蒸发器(7)、分离器(8)、低压工质节流阀(9)和低压蒸发器(10)，所述低压蒸发器(10)还连接所述过冷器(5)；

所述溶液支路包括依次顺序连接的发生器(1)、中压溶液节流阀(11)、中压吸收器(12)、低压溶液节流阀(13)、低压吸收器(14)、储液罐(15)及溶液泵(16)，所述溶液泵(16)还连接所述精馏器(3)；

所述热水支路包括所述精馏器(3)、所述冷凝器(4)和所述低压吸收器(14)中至少两种；在所述烟气支路中，燃气在所述燃烧室(2)燃烧，产生的燃烧热供应给所述发生器(1)，产生的高温烟气进入所述溶液预热器(17)，经所述溶液预热器(17)产生的中温烟气进入所述中压蒸发器(7)，经所述中压蒸发器(7)产生的低温烟气由所述中压蒸发器(7)排出；

在所述工质支路中，所述发生器(1)产生的气态工质进入精馏器(3)，产生的回流液进入所述冷凝器(4)冷凝，产生的液态工质进入所述过冷器(5)过冷，然后进入所述中压工质节流阀(6)节流，产生的中压工质进入所述中压蒸发器(7)部分蒸发，然后进入所述分离器(8)进行气液分离器，中压气态工质进入所述中压吸收器(12)被吸收，而中压液态工质进入所述低压工质节流阀(9)节流，然后进入所述低压蒸发器(10)蒸发，产生的低压气态工质进入所述过冷器(5)被加热，然后进入所述低压吸收器(14)被吸收；

在所述溶液支路中，回流液和预热后的浓溶液进入所述发生器(1)，发生后的高温稀溶液返回所述发生器(1)内部释放显热而温度降低，然后进入所述中压溶液节流阀(11)节流，节流后的稀溶液进入所述中压吸收器(12)，吸收中压气态工质而成为中间溶液，所述中间溶液进入所述低压溶液节流阀(13)节流，节流后的中间溶液进入所述低压吸收器(14)，吸收低压气态工质而成为浓溶液，所述浓溶液进入所述储液罐(15)，然后进入所述溶液泵(16)增压；

在所述热水支路中，回水经过所述热水支路温度升高而成为供水输送到热用户。

在一些较佳的实施例中，所述溶液支路还包括所述溶液预热器(17)，增压后的浓溶液进入所述中压吸收器(12)，吸收中压吸收热而温度升高；再进入所述溶液预热器(17)，吸收高温烟气显热而温度进一步升高；最后进入所述发生器(1)。

在一些较佳的实施例中，所述溶液支路还包括所述溶液预热器(17)，增压后的浓溶液首先进入所述精馏器(3)，吸收精馏热而温度升高；然后进入所述中压吸收器(12)，吸收中压吸收热而温度继续升高；然后进入所述溶液预热器(17)，吸收高温烟气显热而温度进一步升高；最后进入所述发生器(1)。

在一些较佳的实施例中，所述发生器(1)的浓溶液自上而下流经填充有填料的空间，所述空间与自下而上的气态蒸汽进行直接接触的热质交换，同时与自下而上的发生后的高温稀溶液进行间壁式换热。

在一些较佳的实施例中，所述精馏器(3)的气态工质自下而上流经填充有填料的空间，所述空间与自上而下的回流液进行直接接触的热质交换，同时与自上而下的热水进行间壁式换热。

在一些较佳的实施例中，所述精馏器(3)，的气态工质自下而上流经填充有填料的空间，所述空间与自上而下的回流液进行直接接触的热质交换，同时与自上而下的增压后的浓溶液进行间壁式换热。

在一些较佳的实施例中，所述中压蒸发器(7)的蒸发压力可由所述中压工质节流阀(6)根据当地环境温度实时调控。

在一些较佳的实施例中，所述热水支路中，回水依次经过所述冷凝器(4)和所述低压吸收器(14)，分别吸收冷凝热和低压吸收热后温度逐渐升高，成为供水输送给热用户。

在一些较佳的实施例中，所述热水支路中，回水依次经过所述低压吸收器(14)和所述冷凝器(4)，分别吸收低压吸收热和冷凝热后温度逐渐升高，成为供水输送给热用户。

在一些较佳的实施例中，还包括除霜支路，所述除霜支路包括除霜调节阀(18)，所述除霜调节阀(18)的两端分别连接所述低压工质节流阀(9)及所述低压溶液节流阀(13)。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的燃气吸收式热泵系统，在传统单效吸收式系统的基础上引入中压蒸发和中压吸收的新形式，其中压蒸发器的热源为低温烟气潜热，低压蒸发器的热源为外界环境，并根据环境温度实时调节中压工质节流阀开度，从而控制中间压力达到最佳，进而增强了系统在低环境温度下的适应性，提高了系统在低环境温度下的性能系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的燃气吸收式热泵系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的燃气吸收式热泵系统的结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的燃气吸收式热泵系统的结构示意图；

其中：1-发生器；2-燃烧室；3-精馏器；4-冷凝器；5-过冷器；6-中压工质节流阀；7-中压蒸发器；8-分离器；9-低压工质节流阀；10-低压蒸发器；11-中压溶液节流阀；12-中压吸收器；13-低压溶液节流阀；14-低压吸收器；15-储液罐；16-溶液泵；17-溶液预热器；18-除霜调节阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明实施例提供的燃气吸收式热泵系统的结构示意图，包括：烟气支路、工质支路、溶液支路及热水支路。其中：

所述烟气支路包括燃烧室(2)、与所述燃烧室(2)连接的溶液预热器(17)和与所述溶液预热器(17)连接的中压蒸发器(7)。

具体地，在所述烟气支路中，燃气在所述燃烧室(2)燃烧，产生的燃烧热供应给所述发生器(1)，产生的高温烟气进入所述溶液预热器(17)，经所述溶液预热器(17)产生的中温烟气进入所述中压蒸发器(7)，经所述中压蒸发器(7)产生的低温烟气由所述中压蒸发器(7)排出；

可以理解，本发明采用溶液预热器(17)和中压蒸发器(7)分别回收高温烟气显热和低温烟气潜热，实现了对烟气余热的梯级回收，降低了烟气传热温差和系统不可逆损失，提高了系统能源利用效率。

所述工质支路包括依次连接的精馏器(3)、冷凝器(4)、过冷器(5)、中压工质节流阀(6)、中压蒸发器(7)、分离器(8)、低压工质节流阀(9)和低压蒸发器(10)，所述低压蒸发器(10)还连接所述过冷器(5)。

具体地，在所述工质支路中，所述发生器(1)产生的气态工质进入精馏器(3)，产生的回流液进入所述冷凝器(4)冷凝，产生的液态工质进入所述过冷器(5)过冷，然后进入所述中压工质节流阀(6)节流，产生的中压工质进入所述中压蒸发器(7)部分蒸发，然后进入所述分离器(8)进行气液分离器，中压气态工质进入所述中压吸收器(12)被吸收，而中压液态工质进入所述低压工质节流阀(9)节流，然后进入所述低压蒸发器(10)蒸发，产生的低压气态工质进入所述过冷器(5)被加热，然后进入所述低压吸收器(14)被吸收。

可以理解，所述的工质支路中引入了中压蒸发器(7)，发生器(1)产生的工质蒸汽经精馏、冷凝、过冷和节流过程后，进入中压蒸发器(7)吸收高温烟气显热而部分蒸发，而未蒸发的液态工质经进一步节流后进入低压蒸发器(10)完全蒸发。

由于发生器(1)和中压吸收器(12)具有内部回热功能，发生器(1)可以有效回收发生后高温稀溶液的显热，而中压吸收器(12)可有效回收中压吸收热，从而显著提高系统性能。

所述溶液支路包括依次顺序连接的发生器(1)、中压溶液节流阀(11)、中压吸收器(12)、低压溶液节流阀(13)、低压吸收器(14)、储液罐(15)及溶液泵(16)，所述溶液泵(16)还连接所述精馏器(3)。

具体地，在所述溶液支路中，回流液和预热后的浓溶液进入所述发生器(1)，发生后的高温稀溶液返回所述发生器(1)内部释放显热而温度降低，然后进入所述中压溶液节流阀(11)节流，节流后的稀溶液进入所述中压吸收器(12)，吸收中压气态工质而成为中间溶液，所述中间溶液进入所述低压溶液节流阀(13)节流，节流后的中间溶液进入所述低压吸收器(14)，吸收低压气态工质而成为浓溶液，所述浓溶液进入所述储液罐(15)，然后进入所述溶液泵(16)增压。

可以理解，所述溶液支路中引入了中压吸收器(12)，中压蒸发器(7)蒸发出的中压气态工质在中压吸收器12中被稀溶液吸收而成为中间溶液，而低压蒸发器(10)蒸发出的低压气态工质在低压吸收器14中被中间溶液吸收而成为浓溶液。

在一些较佳的实施例中，所述溶液支路还包括所述溶液预热器(17)，增压后的浓溶液进入所述中压吸收器(12)，吸收中压吸收热而温度升高；再进入所述溶液预热器(17)，吸收高温烟气显热而温度进一步升高；最后进入所述发生器(1)。

在一些较佳的实施例中，所述溶液支路还包括所述溶液预热器(17)，增压后的浓溶液首先进入所述精馏器(3)，吸收精馏热而温度升高；然后进入所述中压吸收器(12)，吸收中压吸收热而温度继续升高；然后进入所述溶液预热器(17)，吸收高温烟气显热而温度进一步升高；最后进入所述发生器(1)。

在一些较佳的实施例中，所述发生器(1)的浓溶液自上而下流经填充有填料的空间，所述空间与自下而上的气态蒸汽进行直接接触的热质交换，同时与自下而上的发生后的高温稀溶液进行间壁式换热。

在一些较佳的实施例中，所述精馏器(3)的气态工质自下而上流经填充有填料的空间，所述空间与自上而下的回流液进行直接接触的热质交换，同时与自上而下的热水进行间壁式换热。

在一些较佳的实施例中，所述精馏器(3)，的气态工质自下而上流经填充有填料的空间，所述空间与自上而下的回流液进行直接接触的热质交换，同时与自上而下的增压后的浓溶液进行间壁式换热。

在一些较佳的实施例中，所述中压蒸发器(7)的蒸发压力可由所述中压工质节流阀(6)根据当地环境温度实时调控。

在一些较佳的实施例中，所述热水支路包括所述精馏器(3)、所述冷凝器(4)和所述低压吸收器(14)中至少两种，回水经过所述热水支路温度升高而成为供水输送到热用户，燃气制热水和区域供暖的高效手段，特别适用于寒冷地区。

在一些较佳的实施例中，所述热水支路中，回水依次经过所述冷凝器(4)和所述低压吸收器(14)，分别吸收冷凝热和低压吸收热后温度逐渐升高，成为供水输送给热用户，燃气制热水和区域供暖的高效手段，特别适用于寒冷地区。

在一些较佳的实施例中，所述热水支路中，回水依次经过所述低压吸收器(14)和所述冷凝器(4)，分别吸收低压吸收热和冷凝热后温度逐渐升高，成为供水输送给热用户，燃气制热水和区域供暖的高效手段，特别适用于寒冷地区。

在一些较佳的实施例中，所述燃气吸收式热泵系统还包括除霜支路，所述除霜支路包括除霜调节阀(18)，所述除霜调节阀(18)的两端分别连接所述低压工质节流阀(9)及所述低压溶液节流阀(13)。

可以理解，本发明提供的燃气吸收式热泵系统，通过增加除霜支路，可在系统持续供热的情况下进行蒸发器除霜，除霜速度由除霜调节阀开度来控制，操作简便、效果显著。

本发明提供的燃气吸收式热泵系统，在传统单效吸收式系统的基础上引入中压蒸发和中压吸收的新形式，其中，中压蒸发器的热源为低温烟气潜热，低压蒸发器的热源为外界环境，并根据环境温度实时调节中压工质节流阀开度，从而控制中间压力达到最佳，进而增强了系统在低环境温度下的适应性，提高了系统在低环境温度下的性能系数。

以下结合详细实施例说明。

实施例1

请参阅图2，为本发明实施例1提供的燃气吸收式热泵系统的结构示意图。

在烟气支路中，20℃的天然气(主要成分为甲烷)和助燃空气的混合气经g1进入燃烧室2在200℃下进行充分燃烧，过剩空气率为20％，产生的燃烧热供应给发生器1，产生的180℃高温烟气经g2进入溶液预热器17，其高温显热用以预热进入发生器的浓溶液，温度降低为120℃；然后经g3进入中压蒸发器7，其低温潜热用以蒸发部分工质，温度进一步降低为20℃，最后经g4排出系统，排向外界环境。

在溶液支路中，回流液经s0和预热后的110℃浓溶液经s1进入发生器，首先吸收发生后的高温稀溶液显热而在1.7mpa的压力下产生初步发生效果，然后吸收燃烧室2产生的燃烧热而产生进一步的发生效果；发生后的180℃、7％浓度稀溶液经s2返回发生器内部释放显热而温度降低为120℃，然后经s3进入中压溶液节流阀11节流，压力降低为中间压力0.7mpa；节流后的稀溶液经s4进入中压吸收器12，吸收0.7mpa中压气态工质而成为15％浓度中间溶液；中间溶液经s5进入低压溶液节流阀13节流，压力降低为0.23mpa；节流后的中间溶液经s6进入低压吸收器14，吸收0.23mpa低压气态工质而成为50℃、30％浓度浓溶液；浓溶液经s7进入储液罐15，然后经s8进入溶液泵16增压至1.7mpa。增压后的浓溶液经s9进入中压吸收器12，吸收中压吸收热而温度升高为100℃，然后经s10进入溶液预热器17，吸收高温烟气显热而温度进一步升高为110℃，最后经s1进入发生器。

工质支路中，发生器1产生的1.7mpa气态工质经r0进入精馏器，向热水释放精馏热而部分冷凝，同时与冷凝产生的回流液进行热质交换而浓度升高为99.9％以上，然后经r1进入冷凝器4冷凝，产生的液态工质经r2进入过冷器5过冷，然后经r3进入中压工质节流阀6节流为0.7mpa，产生的中压工质经r4进入中压蒸发器7部分蒸发，然后经r5进入分离器8进行气液分离器，中压气态工质经r6进入中压吸收器12被吸收，而中压液态工质经r7进入低压工质节流阀9节流为0.23mpa，然后经r8进入低压蒸发器10完全蒸发，产生的-15℃低压气态工质经r9进入过冷器5被加热为30℃，然后经r10进入低压吸收器14被吸收。

热水支路中，35℃回水经w1进入冷凝器4，吸收冷凝热而温度升高为43℃；然后经w2进入精馏器3，吸收精馏热而温度继续升高为46℃；然后经w3进入低压吸收器14，吸收低压吸收热而温度进一步升高为55℃；最后经w4输送到系统外，作为供水供应给热用户。

除霜支路中，低压蒸发器10需要除霜时，除霜调节阀18开启，部分中间溶液直接与节流后的液态工质混合并进入低压蒸发器10，产生的吸收热用以除霜；除霜过程中，系统将持续供热，但其供热量下降；除霜速率由除霜调节阀18开度控制，开度越大，除霜速率越快，但同时系统供热量下降越多；开度越小，除霜速率越慢，但同时系统供热量下降越少。

实施例2

请参阅图3，为本发明实施例2提供的燃气吸收式热泵系统的结构示意图。

烟气支路中，20℃的天然气(主要成分为甲烷)和助燃空气的混合气经g1进入燃烧室2在200℃下进行充分燃烧，过剩空气率为20％，产生的燃烧热供应给发生器1，产生的180℃高温烟气经g2进入溶液预热器17，其高温显热用以预热进入发生器的浓溶液，温度降低为120℃；然后经g3进入中压蒸发器7，其低温潜热用以蒸发部分工质，温度进一步降低为20℃，最后经g4排出系统，排向外界环境。

溶液支路中，回流液经s0和预热后的110℃浓溶液经s1进入发生器，首先吸收发生后的高温稀溶液显热而在1.7mpa的压力下产生初步发生效果，然后吸收燃烧室2产生的燃烧热而产生进一步的发生效果；发生后的180℃、7％浓度稀溶液经s2返回发生器内部释放显热而温度降低为120℃，然后经s3进入中压溶液节流阀11节流，压力降低为中间压力0.7mpa；节流后的稀溶液经s4进入中压吸收器12，吸收0.7mpa中压气态工质而成为15％浓度中间溶液；中间溶液经s5进入低压溶液节流阀13节流，压力降低为0.23mpa；节流后的中间溶液经s6进入低压吸收器14，吸收0.23mpa低压气态工质而成为50℃、30％浓度浓溶液；浓溶液经s7进入储液罐15，然后经s8进入溶液泵16增压至1.7mpa。增压后的浓溶液经s9进入精馏器3，吸收精馏热而温度升高为75℃；然后经s10进入中压吸收器12，吸收中压吸收热而温度继续升高为105℃；然后经s11进入溶液预热器17，吸收高温烟气显热而温度进一步升高为110℃；最后经s1进入发生器。

工质支路中，发生器1产生的1.7mpa气态工质经r0进入精馏器，向热水释放精馏热而部分冷凝，同时与冷凝产生的回流液进行热质交换而浓度升高为99.9％以上，然后经r1进入冷凝器4冷凝，产生的液态工质经r2进入过冷器5过冷，然后经r3进入中压工质节流阀6节流为0.7mpa，产生的中压工质经r4进入中压蒸发器7部分蒸发，然后经r5进入分离器8进行气液分离器，中压气态工质经r6进入中压吸收器12被吸收，而中压液态工质经r7进入低压工质节流阀9节流为0.23mpa，然后经r8进入低压蒸发器10完全蒸发，产生的-15℃低压气态工质经r9进入过冷器5被加热为30℃，然后经r10进入低压吸收器14被吸收。

热水支路中，35℃回水经w1进入低压吸收器14，吸收低压吸收热而温度升高为45℃；然后经w2进入冷凝器4，吸收冷凝热而温度进一步升高为55℃；最后经w3输送到系统外，作为供水供应给热用户。

除霜支路中，低压蒸发器10需要除霜时，除霜调节阀18开启，部分中间溶液直接与节流后的液态工质混合并进入低压蒸发器10，产生的吸收热用以除霜；除霜过程中，系统将持续供热，但其供热量下降；除霜速率由除霜调节阀18开度控制，开度越大，除霜速率越快，但同时系统供热量下降越多；开度越小，除霜速率越慢，但同时系统供热量下降越少。

当然本发明的燃气吸收式热泵系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。