回收煙氣熱泵設備的制作方法
【專利摘要】一種回收煙氣熱泵設備，包括空氣源熱泵熱水器本體、設置在空氣源熱泵中的蒸發(fā)器、氣-水換熱器、混合降溫器、水-水換熱器和第一水箱。該回收煙氣熱泵設備可以利用鍋爐排煙氣余熱，又使熱泵的工作環(huán)境得到改善，使源熱泵在寒冷地區(qū)的應用不再受結霜和低效的問題的制約，有效降低熱水的加熱成本。把高溫熱氣轉換成低溫，把回收的冷凝水、水源熱泵轉換高溫熱水60℃提供采暖。
【專利說明】回收煙氣熱泵設備

【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及熱泵熱氣回收領域，具體來說是一種回收煙氣熱泵設備。

【背景技術】
[0002]為減少鍋爐煙氣對城市大氣的污染，許多城市限制燃煤鍋爐，大力發(fā)展以清潔的天然氣為燃料的燃氣鍋爐。目前燃氣熱水鍋爐的排煙溫度在90°C以上(蒸汽鍋爐在140°C以上)，特別是北方的取暖季節(jié)，有大量的熱能被排放入空氣，不但浪費了能源，也排出了大量的C02、N0等有害氣體，加劇了大氣污染?，F(xiàn)有的成熟技術采用氣-水換熱器將余熱回收后，其排煙溫度仍在80°C左右。風冷熱泵熱氣源是當前節(jié)能、環(huán)保、能效比高的熱水設備，技術成熟，已在我國的南方地區(qū)風冷熱泵熱氣源迅速推廣使用。但是，在北方由于冬季低溫使設備的蒸發(fā)器結霜和設備的能效比降低的問題制約了該項技術在北方地區(qū)的普及和發(fā)展。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的是提供一種回收煙氣熱泵設備，可以利用鍋爐排煙氣余熱，又使熱泵的工作環(huán)境得到改善，使源熱泵在寒冷地區(qū)的應用不再受結霜和低效的問題的制約，有效降低熱水的加熱成本。把高溫熱氣轉換成低溫，把回收的冷凝水、水源熱泵轉換高溫熱水60°C提供采暖。
[0004]本實用新型的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)。
[0005]本實用新型提供了一種回收煙氣熱泵設備，包括空氣源熱泵熱水器本體、設置在空氣源熱泵中的蒸發(fā)器、氣-水換熱器、混合降溫器、水-水換熱器和第一水箱、氣-水換熱器與燃氣鍋爐的煙氣通道之間連接有第一煙氣管道，氣-水換熱器與混合降溫器之間連接有第二煙氣管道，混合降溫器與蒸發(fā)器之間連接有第三煙氣管道，在蒸發(fā)器的出氣管路上設有回氣管與混合降溫器連接，第一水箱與氣-水換熱器之間連接有循環(huán)水管，在循環(huán)水管上設有循環(huán)泵，氣-水換熱器、混合降溫器和熱泵熱水器本體分別連接有冷凝水管，各冷凝水管與水-水換熱器連接，水-水換熱器連接有要加熱的源水(來自第一水箱的自來水)的水管，第一水箱通過進水管與空氣源熱泵熱水器本體連接，在進水管路上設有水泵，空氣源熱泵熱水器本體與水箱之間連有出水管。所述氣-水換熱器是用于氣體與水進行熱交換的換熱器，所述水-水換熱器是利用水之間的溫差，進行水與水的熱交換的換熱器?；旌辖禍仄靼ㄒ粋€腔室和在該腔室內(nèi)設置的水噴霧設備，通過噴霧的水霧與煙氣在混合降溫器腔室內(nèi)接觸來降低煙氣溫度。
[0006]優(yōu)選的是，第一煙氣管道的進口為雙進口結構。另外，優(yōu)選的是，在第三煙氣管道中設有中和劑投放器，用于中和冷凝水中的酸。
[0007]在上述系統(tǒng)基礎上，回收熱泵完成后第二級設一套水源熱泵、水箱、風冷熱泵及太陽能組成第二級升溫間制冷系統(tǒng)。即，第一水箱通過進水管(進水管設有水泵)與出水管與第二水箱連接，第二水箱通過進水管和出水管(出水管設有水泵)與水源熱泵連接，水源熱泵通過進水管和出水管(出水管設有水泵)與第三水箱連接，第三水箱設有暖氣供水口。
[0008]一級回收熱水，循環(huán)到儲存水箱內(nèi)由水源熱泵，提升高溫采暖。太陽能的溫度循環(huán)到儲存水箱內(nèi)提供水源熱泵低溫升高溫，夏天水源熱泵由水箱與冷卻設備循環(huán)提供制冷，太陽能夏天與空調源熱泵混合不受天氣影響產(chǎn)出每天60噸熱水成本3元/噸，水源與風冷熱泵組合可用于室內(nèi)制冷。
[0009]本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0010](I)鑒于在取暖季節(jié)燃氣鍋爐的煙氣排熱和空調氣源熱泵熱水器的需熱，在時間上是一致的，在能量上是互補的，因此本技術的重要特征就是將燃氣鍋爐的低溫煙氣排熱和空氣源熱泵熱水器的需熱結合起來，使燃氣鍋爐的排煙的熱能轉化為空氣源熱水器的熱源，給空氣源熱泵熱水器創(chuàng)造了能夠高效運行的環(huán)境，解決了空氣源熱泵熱水器在冬季運行的難題，在降低制熱成本的同時也回收了大量的冷凝水，減少燃氣鍋爐向大氣中排放的有害氣體，實現(xiàn)節(jié)能、減排、節(jié)水的環(huán)境效益社會效益。
[0011](2)根據(jù)北方的氣候特點，春夏秋三季的氣溫都適合空氣源熱泵熱水器的運行，只有冬季低溫時受到影響。采用本技術后，將冬季取暖的燃氣鍋爐的煙氣經(jīng)降溫脫水處理，回用給空氣源熱泵熱水器做熱源，可以產(chǎn)生一舉多得的效果。從全年來分析，取暖鍋爐排煙和熱泵的高效運行在時空上是互補的，即氣溫較高(彡14°C )時，熱泵工作環(huán)境較好，在高效區(qū)工作，COP值在夏季可達到4-6，春秋季可達到3-5，冬季氣溫下降時熱泵運行環(huán)境惡化甚至不能運行，但取暖鍋爐開始運行，鍋爐排煙氣余熱可以利用，又使熱泵的工作環(huán)境得到改善，而且氣溫越低，鍋爐負荷越大，排出煙氣余熱越多，熱泵可轉換的熱能越多。出于煙氣溫度可根據(jù)熱泵的需要進行調整，熱泵可以獲得比春夏秋季還好的環(huán)境溫度和運行條件，COP值可以達到4-6，在此意議上，凡有燃氣設備煙氣余熱回用的條件下，空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應用不再受結霜和低效的問題的制約，由熱回收轉換高節(jié)能研究設備，以單一供熱水，轉換為春夏制冷的混合不受季節(jié)性最節(jié)能設備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型煙氣熱泵設備原理方框圖。

【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖對本實用新型回收煙氣熱泵設備作進一步詳細描述。
[0014]如圖1所示，本實用新型回收煙氣熱泵設備包括空氣源熱泵熱水器本體1、蒸發(fā)器
2、氣-水換熱器5、混合降溫器6、水-水換熱器10和第一水箱3、氣-水換熱器5與燃氣鍋爐4的煙氣通道之間連接有第一煙氣管道11，氣-水換熱器5與混合降溫器6之間連接有第二煙氣管道21，混合降溫器6與蒸發(fā)器2之間連接有第三煙氣管道22，在蒸發(fā)器2的出氣管路上設有回氣管12與混合降溫器6連接，第一水箱3與氣-水換熱器5之間連接有循環(huán)水管，在循環(huán)水管上設有循環(huán)泵8，氣-水換熱器5、混合降溫器6和熱泵熱水器本體I分別連接有冷凝水管，各冷凝水管與水-水換熱器10連接，水-水換熱器10連接有要加熱的源水(來自第一水箱3的自來水)的水管，第一水箱3通過進水管與空氣源熱泵熱水器本體I連接，在進水管路上設有水泵9，空氣源熱泵熱水器本體I與第一水箱3之間連有出水管。
[0015]優(yōu)選的是，第一煙氣管道的進口為雙進口結構。另外，優(yōu)選的是，在第三煙氣管道中設有中和劑投放器7，用于中和冷凝水中的酸。
[0016]優(yōu)選的是，第一水箱3通過進水管(進水管設有水泵17)與出水管與第二水箱13連接，第二水箱13通過進水管和出水管(出水管設有水泵16)與水源熱泵15連接，水源熱泵15通過進水管和出水管(出水管設有水泵18)與第三水箱14連接。
[0017]從煙囪來的煙氣(溫度在160?230°C)進入氣-水換熱器5中，與水箱I循環(huán)來的水進行換熱，將水箱I的儲水(自來水)加熱(可達30°C )，然后送回水箱I中，通過氣-水換熱器5，煙氣溫度被降低到75?85°C，通常80°C左右，進入混合降溫器6(混合降溫器包括一個腔室和在該腔室內(nèi)設置的水噴霧設備，通過噴霧的水霧與煙氣在混合降溫器腔室內(nèi)接觸來降低煙氣溫度)中，煙氣在氣-水換熱器5、混合降溫器6中冷凝下來的冷凝水引入到冷凝水管中，在水-水換熱器10中與來自水箱I中的自來水進行熱交換(能夠將來自水箱I的水從20°C左右升高到35?45°C，通常40°C )，從氣水換熱器5出來的煙氣在混合降溫器6中與自來水噴霧接觸，煙氣溫度下降到35?40°C，優(yōu)選38°C左右，然后通過第三煙氣道進入空氣源熱泵I中，在空氣源熱泵I中進入空氣源熱泵翅片熱能交換經(jīng)壓縮機壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)的熱力循環(huán)，然后通過空氣源熱泵I的蒸發(fā)器上的出氣管路上設置的回氣管一部分返回混合降溫器，一部分通過管道排放到大氣中，在空氣源熱泵中會有從煙氣中冷凝下來的水進入冷凝水管，在水-水換熱器10中與水箱3中的水進行熱交換，經(jīng)過這樣交換后能夠將來自水箱3中的水從約20°C加熱到約40°C，水箱3的水然后供給水箱13，由水箱13提供給水源熱泵15冷凝器循環(huán)進行轉換加熱至55-70°C熱水，供給水箱14再用于供暖，水箱14設有進水口(進冷水)，用于供給水箱14源水。水箱14上端進自來水，側端出55-60°C熱水。
[0018]同時，在夜間，利用空氣源熱泵I將來自第一水箱3的水從15?20°C加熱到40?45°C，由于冬季采暖鍋爐的運行負荷高峰一般在夜間，因此空氣源熱泵熱水器也可在夜間運行而享受谷電的政策，又一次降低了制水成本，同時也可起到電網(wǎng)調峰的作用。如果按照北京低谷電0.3元/度計算，在此環(huán)節(jié)加熱一噸水耗電4度其成本只有1.2元。
[0019]已加熱到約40_45°C的熱水再輸送到高溫煙氣回用部分的氣水換熱器5進一步加熱到約60°C，可用于供暖，因為煙氣溫度120°C (蒸汽爐為150°C )與被加熱的水的溫差較大，所以換熱效率也很高。本環(huán)節(jié)也沒有運行成本(循環(huán)泵的功率較低可忽略)。
[0020]本實用新型的優(yōu)點:
[0021]采用本實用新型的技術后，可以通過三個環(huán)節(jié)降低熱水的加熱成本:
[0022]①煙氣在換熱器降溫的過程中要排出大量溫度在40°C以上的冷凝水，首先通過水-水換熱器將待加熱的源水加熱(例如可以從15°C加熱到22°C )，本環(huán)節(jié)不產(chǎn)生運行費用。
[0023]②待加熱的源水經(jīng)過空氣源熱泵從18°C加熱到42°C，根據(jù)空氣源熱泵熱水器的特性曲線，進出水的溫差小于20°C時，其COP值最高。因此，此環(huán)節(jié)要讓空氣源熱水器在高效區(qū)工作，其COP可以達到5-6，每噸水加熱溫升20°C需4°C電，成本為約400元。由于冬季采暖鍋爐的運行負荷高峰一般在夜間，因此空氣源熱泵熱水器也可在夜間運行而享受谷電的政策，又一次降低了制水成本，同時也可起到電網(wǎng)調峰的作用。如果按照北京低谷電0.3元/度計算，在此環(huán)節(jié)加熱一噸水耗電4度其成本只有1.2元。
[0024]③已加熱到40°C的熱水再經(jīng)過高溫煙氣回用部分的氣水換熱器進一步加熱到60°C因為煙氣溫度120°C (蒸汽爐為150°C )與被加熱的水的溫差較大，所以換熱效率也很高。本環(huán)節(jié)也沒有運行成本(循環(huán)泵的功率較低可忽略)。
[0025]④由于通過上述三個環(huán)節(jié)的高效熱交換，即可將天然氣燃燒煙氣余熱(包括顯熱和潛熱，其中潛熱約占低位熱能的10%以上)全部加以利用，如果按照低位發(fā)熱量為基準計算，可以使燃氣鍋爐加本技術的綜合熱效率達到110%以上，產(chǎn)生很好的節(jié)能的效果。
[0026]天然氣的成分中絕大部分為烴，燃燒后產(chǎn)生大量的水并氣化為水蒸氣(約占煙氣總容積的20% )隨煙氣排放到大氣中。每一立方米天燃氣燃燒后可以產(chǎn)生1.55公斤的水蒸氣。排放溫度在120°C以上的煙氣中的水蒸氣處于過熱狀態(tài)。由于水蒸氣的冷凝溫度在58°C左右，現(xiàn)有的煙氣回收技術將煙氣降到70—90°C，也只能回收少部分冷凝水。由于本技術的應用，燃氣鍋爐的煙氣經(jīng)過三次降溫利用，將最終排放溫度將至接近室外氣溫，則在回用熱能的同時最大限度的回收冷凝水。以一臺4噸燃氣熱水采暖爐計，每天運行20小時，每小時耗氣320M 3，每天需燃燒6400M3天燃氣。其排放的煙氣中能回收冷凝水10噸/天。2008年北京市共消耗天燃氣52億M3，如果將其50%的煙氣冷凝水回收，即可達到500萬噸水，相當一座小型水庫的水量。
[0027]由于在三次降溫過程中產(chǎn)生大量的冷凝水，煙氣中的大部分C02、NOx等有害氣體會溶解在冷凝水中而使其呈弱酸性。這樣就減少了燃氣鍋爐向大氣中排放的有害氣體，產(chǎn)生一定的壞境效益，為在冬季進一步凈化北京的空氣作貢獻。
[0028]以下是技術經(jīng)濟效益分析；
[0029]現(xiàn)狀熱水的成本比較(一噸水從15°C加熱到55°C，溫升為40°C )
[0030]
熱水器使用能能源熱當量總耗量能折單價(北京地能源費用形式E)
電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 元熱泵低谷電iT5(j 0.30元/kwh(低谷電

kwh 價)3.45 元
電熱水器51.680.48元/kwh (民用)24.81元

860Kcal/kwh90%


Kwh0.76 元/kwh(商用)
燃氣熱水天然氣 8400kca/M"80% 5.95MJ2.05 元/M3 (民用)12.20 元器2.55元/M3 (商用)15.17元
燃油鍋爐輕柴油10200kcal/kg 80% 4.61kg5.7 元/kg26.28 元
[0031]以采暖鍋爐為六臺四噸燃氣熱水鍋爐為例，其中五臺冬季運行供暖，一臺全年運行專供生活熱水?，F(xiàn)狀生活用水為每天40噸。根據(jù)實際測算，由于用水量較少，鍋爐運行管理成本很高，目前每噸水加熱的成本為33.80元。如采用熱泵方案，在春夏秋三季采用熱泵的加熱成本為6579元。冬季采用煙氣回收與熱泵聯(lián)合，再利用低谷電價，每噸水加熱成本可進一步降低。全年的熱水加熱成本平均為5元。比目前用燃氣鍋爐加熱減少28元，經(jīng)濟效益是非常明顯的。
[0032]投資估算:據(jù)測算，空氣源熱泵熱水器投資為1.5萬元/噸水/日，需60萬元，節(jié)水換熱器、混合降溫器、50噸水箱等需35萬元，總計投資95萬元。按照日供水40噸每噸節(jié)約28元，每年運行330天，共可節(jié)約45萬元，二年內(nèi)可收回投資。
【權利要求】
1.一種回收煙氣熱泵設備，其特征在于，其包括空氣源熱泵熱水器本體、設置在空氣源熱泵中的蒸發(fā)器、氣-水換熱器、混合降溫器、水-水換熱器和第一水箱、氣-水換熱器與燃氣鍋爐的煙氣通道之間連接有第一煙氣管道，氣-水換熱器與混合降溫器之間連接有第二煙氣管道，混合降溫器與蒸發(fā)器之間連接有第三煙氣管道，在蒸發(fā)器的出氣管路上設有回氣管與混合降溫器連接，第一水箱與氣-水換熱器之間連接有循環(huán)水管，在循環(huán)水管上設有循環(huán)泵，氣-水換熱器、混合降溫器和熱泵熱水器本體分別連接有冷凝水管，各冷凝水管與水-水換熱器連接，水-水換熱器連接有要加熱的源水的水管，第一水箱通過進水管與空氣源熱泵熱水器本體連接，在進水管路上設有水泵，空氣源熱泵熱水器本體與水箱之間連有出水管。
2.根據(jù)權利要求1所述的回收煙氣熱泵設備，其特征在于，第一煙氣管道的進口為雙進口結構。
3.根據(jù)權利要求1所述的回收煙氣熱泵設備，其特征在于，在第三煙氣管道中設有中和劑投放器。
4.根據(jù)權利要求1所述的回收煙氣熱泵設備，其特征在于，第一水箱進一步通過進水管與出水管與第二水箱連接，第二水箱通過進水管和出水管與水源熱泵連接，水源熱泵通過進水管和出水管與第三水箱連接，第三水箱設有暖氣供水口。
【文檔編號】F24H9/00GK203980632SQ201420326034
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權日:2014年6月18日
【發(fā)明者】郭洪雨 申請人:郭洪雨