本实用新型涉及热量回收装置，尤其涉及新能源驱动机械压缩式热泵循环的烟气余热回收系统。
背景技术：
为了改变乌鲁木齐冬天燃煤供暖造成的空气污染问题，自2010年起，乌鲁木齐市启动“煤改气”工程。“煤改气”工程的实施换来乌鲁木齐的蓝天白云。目前，乌鲁木齐市主城区天山区、沙依巴克区、高新区(新市区)、水磨沟区、米东区的清洁能源供热比例已达100％，彻底实现了天然气供暖，成为全国第一个采用天然气供暖的城市。截止到2014年供暖期，共安装热水量10-100万吨燃气锅炉700余台，这些燃气锅炉通过安装尾部烟气空气预热器来吸收烟气余热，使得炉膛出口烟气温度从130-140摄氏度降低到60-65摄氏度，然后从烟囱排到大气。目前对于低品位的60-65摄氏度的烟气余热没有采用回收装置。
对于炉膛出口130-140摄氏度的烟气温度的回收，目前是在燃气锅炉的烟道上通过安装尾部烟气空气预热器来吸收烟气余热，从燃气锅炉炉膛排出的130-140摄氏度的高温烟气引入到烟道上安装的空气预热器，该空气预热器利用高温烟气余热加热冷空气，冷空气被加热成热空气送入炉膛燃烧器，用于和天然气混合燃烧，高温烟气放热后变成60-65度的低温烟气排入大气。
对在燃气锅炉外部烟道上安装空气预热器来吸收烟气余热的缺点仍然存在，且其热源利用还能进一步提升。
技术实现要素：
本实用新型是为了解决上述不足，提供了一种太阳能风能混合驱动机械压缩式热泵循环的烟气余热回收系统。
本实用新型的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种太阳能风能混合驱动机械压缩式热泵循环的烟气余热回收系统，包括燃气锅炉和空气预热器，包括燃气锅炉、空气预热器、机械压缩式热泵装置、风力机装置和太阳能电池组，机械压缩式热泵装置包括依次连接成回路的蒸发器、压缩机、冷凝器和节流机构，蒸发器设有烟气及凝结水的排出管，冷凝器设有锅炉低温给水通道和锅炉高温给水通道，锅炉高温给水通道连接至燃气锅炉；燃气锅炉设有高温烟气通道；高温烟气通道连接空气预热器，空气预热器设有低温烟气通道连接至蒸发器；风力机装置包括风力机、逆变器和蓄电池组以及太阳能电池板。其中将风力机和太阳能电池分别连接到蓄电池组。
所述高温烟气通道连接空气预热器，空气预热器设有冷空气进口，并设有热空气出口通道连接至燃气锅炉，同时设有低温烟气通道连接至蒸发器；
所述太阳能电池组装置包括太阳能电池组，太阳能电池组连接至蓄电池。
所述风力机装置包括小型风力机、蓄电池和逆变器，其中风力机连接至蓄电池，蓄电池连接逆变器，且使用逆变器为压缩机供给能源。
本实用新型的工作原理为：从燃气锅炉炉膛排出的130-140摄氏度的高温烟气引入到烟道上安装的空气预热器，该空气预热器利用高温烟气余热加热冷空气，冷空气被加热成热空气送入燃气锅炉炉膛，用于和天然气混合燃烧，高温烟气放热后变成60-65摄氏度的低温烟气进入机械压缩式热泵装置中的蒸发器。机械压缩式热泵装置中低温低压的液态制冷剂工质流经蒸发器时，从低温烟气中吸收热量蒸发成气态制冷剂工质，低温烟气放热后变成10-15摄氏度烟气和凝结水排入环境，低温低压气态制冷剂工质，经过压缩机压缩后升温升压，达到高温高压的气态制冷剂工质流经冷凝器，在冷凝器中，将从蒸发器中吸取的热量和压缩机耗功所相当的那部分热量用于加热锅炉低温给水，使得锅炉低温给水被加热变成燃气锅炉的高温给水，高温高压的气态制冷剂工质冷凝降温后变成液态，流经节流机构膨胀后，压力继续下降，变成低温低压液态制冷剂工质流入蒸发器。
值得说明的是该压缩机的驱动采用的电机驱动，其电力驱动能源来自风力机和太阳能电池组。将太阳能电池组和小型风力机分别与蓄电池相连，同时蓄电池连接逆变器，将逆变器的电能作为热泵的驱动电力。
本实用新型与现有技术相比的优点是：本实用新型采用热泵技术回收燃气锅炉60-65摄氏度烟气废热，用于加热锅炉的给水，提高给水的温度5-8摄氏度，降低给水在锅炉中的吸热量，以减少燃气量，达到节能减排的目的。同时，利用太阳能与风能作为热泵的驱动能源，减少了一次能源的消耗。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步详述。
如图1所示，一种太阳能风能混合机械压缩式热泵循环的烟气余热回收系统，包括燃气锅炉1、空气预热器2、机械压缩式热泵装置3和太阳能装置组4，所述机械压缩式热泵装置3包括依次连接成回路的蒸发器3-1、压缩机3-2、冷凝器3-3和节流机构3-4，蒸发器3-1设有用于排放烟气和凝结水的排出管3-5，冷凝器3-3设有锅炉低温给水通道3-6和锅炉高温给水通道3-7，锅炉高温给水通道3-7连接至燃气锅炉1；
所述燃气锅炉1设有高温烟气通道1-1；
所述高温烟气通道1-1连接空气预热器2，空气预热器2设有冷空气进口2-1，并设有热空气出口通道2-2连接至燃气锅炉1，同时设有低温烟气通道2-3连接至蒸发器3-1；
所述太阳能电池组装置4包括太阳能电池组4-1，太阳能电池组4-1连接至蓄电池4-3。
所述风力机装置包括小型风力机4-2、蓄电池4-3和逆变器4-4，其中风力机4-2连接至蓄电池4-3，蓄电池4-3连接逆变器4-4，且使用逆变器4-4为压缩机供给能源。
本实用新型的工作原理为：从燃气锅炉1炉膛排出的130-140摄氏度的高温烟气引入到烟道上安装的空气预热器2，该空气预热器2利用高温烟气余热加热冷空气，冷空气被加热成热空气送入燃气锅炉1炉膛，用于和天然气混合燃烧，高温烟气放热后变成60-65摄氏度的低温烟气进入机械压缩式热泵装置中的蒸发器3-1。机械压缩式热泵装置中低温低压的液态制冷剂工质流经蒸发器3-1时，从低温烟气中吸收热量蒸发成气态制冷剂工质，低温烟气放热后变成10-15摄氏度烟气和凝结水排入环境，低温低压气态制冷剂工质，经过压缩机3-2压缩后升温升压，达到高温高压的气态制冷剂工质流经冷凝器3-3，在冷凝器3-3中，将从蒸发器3-1中吸取的热量和压缩机3-2耗功所相当的那部分热量用于加热锅炉低温给水，使得锅炉低温给水被加热变成燃气锅炉的高温给水，温度升高5-8摄氏度，高温高压的气态制冷剂工质冷凝降温后变成液态，流经节流机构3-4膨胀后，压力继续下降，变成低温低压液态制冷剂工质流入蒸发器3-1。
值得说明的是该压缩机3-2的驱动采用电机驱动，其电力驱动能源来自风力机4-2和太阳能电池组4-1。将太阳能电池组4-1和风力机4-2分别与蓄电池4-3相连，同时蓄电池4-3连接逆变器4-4，将逆变器4-4作为热泵的驱动电力。
按照实施例通过实际计算得到锅炉低温给水被加热变成锅炉的高温给水，温度升高5.8摄氏度，具体的计算过程比较复杂，现就计算步骤罗列如下：
按照实施例通过实际计算得到锅炉低温给水被加热变成锅炉的高温给水，温度升高5摄氏度，具体的计算过程比较复杂，现就计算步骤罗列如下：
表1锅炉能耗测试报告参数
第一步：锅炉烟气焓值计算
(1)理论空气量的计算
要计算出所需理论空气量，需要先算出燃料所处环境的绝对压力，即炉前燃气绝对压力为
P＝P0+Pg＝0.101+0.1×2.2＝0.321MPa (1.1)
式中：P0-大气压力，即0.01MPa；
Pg-炉前燃气压力，即2.2bar。
理想气体状态方程式为
PVm＝RT(1.2)
设炉前燃料所处温度为常温25℃。燃料在常温和标准状态下的摩尔气体常数R是相同的，由公式1.2可得方程式
则标准状态下燃气的体积为
式中：P-常温下炉前燃气绝对压力，即0.321MPa；
Vm-常温下炉前燃气的体积，即7190m3/h；
T0-标准状态下的炉前燃气温度，即273k；
P0-标准状态下炉前燃气压力，即0.101MPa；
T-常温下炉前燃料的温度，即25℃。
对气体燃料，可按其气体组成用化学反应方程式求得其理论空气量V0，其计算公式为
式中：CO-炉前燃气中收到基一氧化碳标准状态下的体积；
H2-炉前燃气中收到基氢气标准状态下的体积；
H2S-炉前燃气中收到基硫化氢标准状态下的体积；
CmHn-炉前燃气中收到基饱和烃标准状态下的体积总和；
O2-炉前燃料中收到基氧气标准状态下的体积。
由表1可知，燃料中不存在收到基一氧化碳，收到基氢气和收到基硫化氢，并且燃料在炉膛充分燃烧，所以公式1.5可简化成
(2)二氧化碳产生量、理论水蒸气产生量和理论氮气产生量的计算
由假设和表1可知，燃料燃烧的化学方程式为
4∑CmHn+(4m+n)O2＝4mCO2+2nH2O (1.7)
其中，算出来的二氧化碳体积是实际值，而理论水蒸气含量除了上式燃料燃烧产生的，还有理论空气量所带入的。在标准状态下，设1kg干空气中含有的水蒸气为d(g/kg)，通常取d＝10g/kg，干空气的密度为1.293kg/m3，水蒸气的密度为0.804kg/m3，则每立方米干空气所含水蒸气的体积为
则由理论空气量带入的水蒸气体积为0.0161V0。
另外，由于燃料中含有收到基氮气，并且理论空气量也带入了一部分氮气，所以在烟气的成分中含有氮气，计算烟气焓值时要计算出氮气的体积。
对气体燃料，按照气体燃料的组成可采用下列方程式求得标准状态下的实际二氧化碳体积理论水蒸汽体积和理论氮气体积
式中：CO2-炉前燃气中收到基二氧化碳标准状态下的体积；
式中：d-气体燃料中含有的水分，g/m3
同样，由表1可知，燃料中不存在收到基一氧化碳、收到基硫化氢和收到基氢气，且燃料充分燃烧，同时燃料中不自带水分，所以公式1.9和公式1.10可简写成
由公式1.11可得
(3)烟气焓值的计算
实际运行的锅炉，可从测得的烟气成分、烟气成分的平均定压比热容和烟气温度数据，由公式1.15计算烟气焓值Hy：
式中：θ-温度，单位℃；
α-过量空气系数；
ck-湿空气的平均定压比热容，kJ/(m3·℃)；
-定压下各气体在θ下的平均比热容，kJ/(m3.℃)。
由锅炉能效测试报告可知，该锅炉排烟处过量空气系数α为1.15，锅炉排烟温度为61.2℃。
查烟气平均定压比热容表见附录C，利用插空法可得湿空气和烟气的平均定压比热容如下表2：
因为锅炉排烟处存在过量空气，所以计算烟气焓值时，除了要计算燃料燃烧所产生的二氧化碳、理论水蒸气和理论氮气的焓值外，还要用空气的平均定压比热容ck替代过量空气中氧气、氮气和水蒸汽的定压平均比热容来计算出过量空气的焓值，则公式1.15和表2可得
表2 61.5℃和15℃时CO2、H2O、N2和湿空气的平均定压比热容kJ/(m3·℃)
61.2℃时的烟气焓值为
15℃时的烟气焓值为
烟气焓差为
由表1锅炉能效测试报告如表3。
表3锅炉给水参数
其目的是利用机械压缩式热泵系统回收锅炉烟气余热，并利用这部分烟气余热的热量将锅炉给水进口温度提高5-8℃，因此假设锅炉给水进口温度可提高5℃，使锅炉给水进口温度达到75.5℃，由水和水蒸气表分别查出在0.73MPa下70.5℃和75.5℃的水的焓值，如表4。
表4锅炉给水设计工况
锅炉给水是在冷凝器中与制冷剂蒸汽换热的，制冷剂蒸汽在进入冷凝器换热时，其热力状态是高温高压的过热蒸汽状态。制冷剂蒸汽先等压降温到对应于冷凝压力Pk的饱和温度tk，然后继续等压(同时也是等温)冷凝成饱和状态。在冷凝压力Pk下的冷凝温度tk要高于锅炉给水进口温度，通常温差在4-6℃，如此才能进行热量的传递。另外，考虑到制冷剂在经过节流机构绝热节流后要尽可能地减少制冷剂发生闪蒸现象，使制冷剂在蒸发器中能够吸收更多的热量，所以在冷凝器出口要使制冷剂有一定的过冷度δc。冷凝器具体工况见表5。
制冷剂在进入节流机构时，其热力状态是具有一定过冷度的饱和液体状态，经过节流机构时，发生绝热节流现象，降压降温，使得制冷剂闪蒸，但节流前后的焓值不变。同时，制冷剂液体的温度要低于制冷剂的蒸发温度。节流机构具体工况见表6。
表5冷凝器设计工况
表6节流机构设计工况
经过节流后的低温低压制冷剂进入蒸发器时处于湿蒸汽状态，其中蒸汽的质量分数一般占10％左右，其余均为液体。制冷剂在蒸发压力P0下等压吸热成低温低压的干饱和制冷剂蒸汽，此时含气率为100％。在蒸发压力P0下的蒸发温度t0要低于被冷却后的烟气(变成10-15℃的液态水排到外界)温度，通常温差在4-6℃，如此才能进行热量传递。为了避免压缩机发生液击现象，在蒸发器出口处需要保持制冷剂蒸气有一定的过热度。蒸发器具体工况见表7。
表7蒸发器设计工况
进入压缩机时制冷剂的热力状态是低温低压的过热蒸汽状态，进入压缩机后等熵压缩成高温高压的过热蒸汽。压缩机具体工况见表8。
从压缩机出来的高温高压过热制冷剂蒸汽再进入冷凝器，先进行等压降温过程，再进行等压等温的凝结过程，如此完成循环。(表5至表6均可由附录B查得)
表8压缩机设计工况
第二步：热泵循环计算
(1)供暖系数
由表8可知，压缩机耗功为
wc＝h2-h1′＝452.38-410.95＝41.43kJ/kg (1.19)
式中：h2-制冷剂R134a在压缩机出口处的同时也是在冷凝器进口处的焓值；
h1′-制冷剂R134a在压缩机进口处的同时也是在蒸发器出口处的焓值。
由表5可知，制冷剂单位制热量为
qc＝h2-h4′＝452.38-323.81＝128.57kJ/kg (1.20)
式中：h4′-制冷剂R134a在冷凝器出口处的同时也是在节流机构进口处的焓值。则供暖系数为
供暖系数ε′是热泵循环的经济性指标，其值永远大于1，值越大代表热泵的制热量占比越大，消耗外功占比越小，热泵的收益就越大越经济。
(2)总制热量
由表4可知，锅炉给水进口焓差为
Δh＝ho-hi＝316.63-295.68＝20.95kJ/kg (1.22)
式中：h0-锅炉进口给水温度提升后的焓值；
hi-锅炉进口给水温度提升前的焓值。
由表3和公式1.22可得总制热量为
Q＝Δh·G＝20.95×1143450＝23955277.5kJ/h＝6654.24375kw (1.23)
式中：G-锅炉给水循环流量，1143450kg/h。
第三步：锅炉给水计算
由锅炉能耗测试报告查得锅炉循环给水流量G＝1143450kg/h，锅炉低温给水温度i＝70.5℃，压力Pi＝0.73MPa，hi＝295.68kJ/kg(由水和水蒸气热力性质表查得)。加热后锅炉给水增加的焓值Δh＝Q/G＝20.95kJ/kg，得锅炉给水焓值h0＝hi+Δh＝316.18kJ/kg由水和水蒸气热力性质表查得i0＝75.3℃。加热前后锅炉给水参数如下表9：
表9加热前后锅炉给水参数
锅炉给水提高温度T＝i0-i＝5℃
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。