一种双重作用热泵式太阳能工业锅炉系统及其方法
【专利摘要】本发明公开一种双重作用热泵式太阳能工业锅炉热力系统及其方法，补水泵与软化水箱进口相连，软化水箱第一出口、给水泵、高压蒸汽发生器、一级喷射器第一入口、二级喷射器第一入口顺次相连，软化水箱第二出口、节流阀、冷凝式蒸发器、蓄热水箱第一入口、第一电磁阀、太阳能集热器、第二电磁阀、太阳能蒸发器入口、二级喷射器第二入口顺次相连，太阳能蒸发器的冷凝水出口经第三电磁阀与蓄热水箱第二入口相连，二级喷射器第一出口与一级喷射器第二入口顺次相连。本发明利用热蒸汽再压缩的双重作用，进一步减少锅炉高温高压蒸汽的需求量,大大提高泵系统的热效率，将太阳能及排烟余热的低品位热能转变为供热用的中品味热能，实现了“热能增值”。
【专利说明】一种双重作用热泵式太阳能工业锅炉系统及其方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双重作用热泵式太阳能工业锅炉系统及其方法，属于清洁能源利用的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]当今世界正在面临着一次能源日益紧缺枯竭的问题，大力发展可再生能源无疑为此提供了一条新的出路。我国陆地面积960万km2，居世界第三位，太阳能辐射能力约为1.59 X IO11KWh,相当于陆地表面积每年接受太阳能量约有69000亿吨煤炭。其中年日照时略大于2200h，每年太阳能辐射总量高于5016MJ/m2的面积占全国总面积的2/3以上。相当于每年有4500-5000亿吨标煤可以用太阳能光热技术来获取。太阳能热利用是可再生能源利用的重要领域，技术成熟，应用前景广阔。在能源替代，减少排放、安全用等等方面优势明显。目前太阳能热利用仅仅限于低温热水器，中高温热利用尚未介入，工业、农业、商业中高温利用的项目无雷声也无雨点。阻碍我国光热发展最为显著的挑战是现阶段国内尚未成熟适合大规模推广的本地化光热综合利用技术，也没有商业化太阳能热利用整套系统集成和运行经验。太阳能与锅炉结合不仅可替代锅炉供汽还可以利用锅炉烟道尾部余热回收能量供太阳能配套，节能效果更显著。
[0003]太阳能热发电中分成槽式、塔式、碟式。太阳能聚光镜场规模生产技术要求高,安装难度较大，在太阳能热发电系统中占整个系统投资的60%以上，因此，开发低成本、高效率的太阳能聚光镜场是关键所在。与以上三种镜场相比，槽式系统单位面积所需钢和玻璃镜材料最少，造价成本低、容量可大可小、地面放置维护安装方便，所有的聚光集热器可同步跟踪，成本大大降低。因此，槽式太阳能热发电具有规模大，寿命长，成本低，安装维护方便等特点，非常适合商业并网发电。
[0004]热泵式太阳能生物质锅炉是热泵式工业锅炉的另一种形式，其特点是保持原有锅炉的单纯产热特性，利用热泵技术与槽式太阳能集热器相结合，使系统具有直接转换为更多热量的功能。通过提高系统的效率，大幅度提高泵系统的热效率。热泵利用蒸汽发生器产生高品位热能作为动力，将环境(太阳能)及废热(排烟余热)的低品位热能转变为供热用的中品味热能，从而实现“热能增值”。利用热蒸汽再压缩的双重作用，可以进一步减少锅炉高温高压蒸汽的需求量，从而进一步降低一次能源消耗。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提高锅炉系统热效率，促进清洁能源利用，提供一种高效率、充分利用烟气余热和可再生能源(太阳能)降低一次燃料消耗的双重作用热泵式太阳能工业锅炉系统及其方法。
[0006]双重作用热泵式太阳能工业锅炉系统包括给水泵、软化水箱、节流阀、蓄热水箱、锅炉高压蒸汽发生器、一级热泵喷射器、二级热泵喷射器、太阳能蒸发器、槽式太阳能集热器、冷凝式蒸发器、补水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀；补水泵与软化水箱进口相连，软化水箱设有两出口，软化水箱的第一出口、给水泵、锅炉高压蒸汽发生器、一级热泵喷射器第一入口、二级热泵喷射器第一入口顺次相连，软化水箱的第二出口、节流阀、冷凝式蒸发器、蓄热水箱第一入口、第一电磁阀、槽式太阳能集热器、第二电磁阀、太阳能蒸发器入口、二级热泵喷射器第二入口顺次相连，太阳能蒸发器的冷凝水出口经第三电磁阀与蓄热水箱第二入口相连，二级热泵喷射器设有两个出口，二级热泵喷射器第一出口与一级热泵喷射器第二入口相连，二级热泵喷射器第二出口为输出口。
[0007]双重作用热泵式太阳能工业锅炉的方法，其特征在于补水泵抽取常温常压下的水进入软化水箱，软化水箱中的一路水经给水泵提供动力直接进入锅炉高压蒸汽发生器，锅炉高压蒸汽发生器由燃料直接供给热量，从而在锅炉内产生温度Th为260-320°C，压力Ph为1.5-2.5MPa的高温高压过热水蒸汽，之后高温高压的水蒸汽经管道进入一级热泵喷射器供使用；软化水箱中的另一路水则是经节流阀进入冷凝式蒸发器，利用从锅炉排出的温度Tyl为110-180°C的高温烟气对进入冷凝式蒸发器中的水进行加热，排烟温度Ty2为60-80°C，从而充分利用了烟气余热，大大降低了烟气的排烟温度和余热损失，流经冷凝式蒸发器的水再进入蓄热水箱，接着在槽式太阳能集热器中进行加热，产生温度Ttll为140-180°C的高温水经第二电磁阀进入蒸发器蒸发产生温度Ts2为180-200°C，压力Ps2为0.3-0.5MPa的水蒸汽，蒸发器内的水蒸汽的温度和压力相对锅炉高压蒸汽发生器内的高温高压蒸汽都要低，故称为低温低压蒸汽，高温高压蒸汽进入一级热泵喷射器后进行喷射，从而产生压力差，将回流的部分输出蒸汽吸入一级热泵喷射器，两部分蒸汽汇合产生，直至一级喷射器出口蒸汽进入二级热泵喷射器。一级喷射器出口蒸汽进入二级喷射器后继续高速喷射，产生的压力差将蒸发器内的低温低压水蒸汽吸入二级喷射器，从而实现了两部分蒸汽的汇合，最终混合产生温度Tst为220-260°C，压力Pst为0.45-0.7MPa的输出蒸汽输出，部分输出蒸汽将会通过回流管道回流至一级喷射器以供使用。蒸发器内的部分水蒸汽会冷凝成水，这些水通过第三电磁阀控制送回蓄热水箱。
[0008]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1、本发明加入反馈调节环节，可以方便地根据实际使用要求调节回流蒸汽流量，达到对输出蒸汽流量和参数控制的目的。
[0009]2、本发明利用热蒸汽再压缩的双重作用，进一步减少锅炉高温高压蒸汽的需求量，大大提高泵系统的热效率，降低了一次能源消耗。
[0010]3、采用槽式太阳能集热器对蓄热水箱中的水进行加热，充分利用了清洁无污染的太阳能，有利于环境保护和可持续发展。
[0011]4、本发明中对锅炉排烟烟气余热进行了有效的利用，从而降低了烟气排放的温度，提高了锅炉整体的热效率。
[0012]5、本发明所使用的喷射器可以根据高、低压蒸汽的参数可以对设备进行不同的结构设计，得到各种压力等级的蒸汽，满足不同热用户的要求。通过蒸汽喷射式热泵吸入的低压蒸汽既可以是放散的废蒸汽，也可以是凝结水产生的闪蒸汽，使低焓热能得到充分利用，达到节约能源的目的。
[0013]6、本发明使用的喷射器可保证供汽压力稳定，具有很好的实用性，节能效益显著。【专利附图】
【附图说明】[0014]图1双重作用热泵式太阳能工业锅炉系统的主结构图；
图2双重作用热蒸汽再压缩能流图。
【具体实施方式】
[0015]如图1所示，双重作用热泵式太阳能工业锅炉系统包括给水泵1、软化水箱2、节流阀3、蓄热水箱4、锅炉高压蒸汽发生器5、一级热泵喷射器6、二级热泵喷射器7、太阳能蒸发器8、槽式太阳能集热器9、冷凝式蒸发器10、补水泵11、第一电磁阀12、第二电磁阀13、第三电磁阀14 ;补水泵11与软化水箱2进口相连，软化水箱2设有两出口，软化水箱2的第一出口、给水泵1、锅炉高压蒸汽发生器5、一级热泵喷射器6第一入口、二级热泵喷射器7第一入口顺次相连，软化水箱2的第二出口、节流阀3、冷凝式蒸发器10、蓄热水箱4第一入口、第一电磁阀12、槽式太阳能集热器9、第二电磁阀13、太阳能蒸发器8入口、二级热泵喷射器7第二入口顺次相连，太阳能蒸发器8的冷凝水出口经第三电磁阀14与蓄热水箱4第二入口相连，二级热泵喷射器7设有两个出口，二级热泵喷射器7第一出口与一级热泵喷射器6第二入口相连，二级热泵喷射器7第二出口为输出口。
[0016]图1中，Ql为燃料热量，Qy为锅炉排烟热量，Q01为太阳能供高温热水热量，Q0为吸收废热量，Qh为过热蒸汽热量，Q02为补充水带进热量，Qf为太阳能吸热量，Tyl、Ty2分别为烟气进、出口温度，Th为锅炉过热蒸汽温度，Ph为锅炉过热蒸汽压力，T0为软化水温度，Ty0为蓄热水箱出口温度，Tst为输出蒸汽温度，Pst为输出蒸汽压力，Gw为过热蒸汽流量，G为输出蒸汽流量，Gs1为回流蒸汽流量，Ps1为回流蒸汽压力，Gs2为太阳能蒸发器蒸汽流量，Ts2为太阳能蒸发器蒸汽温度，Ps2为太阳能蒸发器蒸汽压力，Gst1为一级喷射器出口蒸汽流量，Pst1为一级喷射器出口蒸汽压力，Gst2为二级喷射器出口蒸汽流量，Pst2为二级喷射器出口蒸汽压力。
[0017]系统装置内所述软化水箱2分别于与锅炉高压蒸汽发生器5和冷凝式蒸发器10相连，软化水箱2与锅炉高压蒸汽发生器5连接的管路中安装有给水泵I用于供水，软化水箱2与冷凝式蒸发器10连接的管路中安装有节流阀3用于调节流量，此外还为软化水箱2装有一补水泵11用于补水。
[0018]所述冷凝式蒸发器10连接有排烟烟气管道，由软化水箱2流出的部分水经冷凝式蒸发器10进入蓄热水箱4。
[0019]所述蓄热水箱4与槽式太阳能集热器9相连，经过槽式太阳能集热器9加热所产生的高温水进入太阳能蒸发器8蒸发产生水蒸汽，太阳能蒸发器8中的一部分水蒸汽被吸入二级热泵喷射器7，一部分冷凝下来，由冷凝管道通过第三电磁阀14控制送回蓄热水箱4。
[0020]所述锅炉高压蒸汽发生器5由给水泵I直接供水，并直接与一级热泵喷射器6相连，将锅炉内产生的高温高压蒸汽送入一级热泵喷射器6内。
[0021]所述一级热泵喷射器6进口端通过管道分别与高压蒸汽发生器5和回流蒸汽管道相连，出口端与二次热泵喷射器7相连。
[0022]所述二次热泵喷射器7进口端通过管道分别与一级热泵喷射器6和太阳能蒸发器8相连，出口端通过管道输出蒸汽，部分输出蒸汽由管道回流至一级热泵喷射器。
[0023]双重作用热泵式太阳能工业锅炉的方法是:补水泵11抽取常温常压下的水进入软化水箱2，软化水箱2中的一路水经给水泵I提供动力直接进入锅炉高压蒸汽发生器5，锅炉高压蒸汽发生器5由燃料直接供给热量，从而在锅炉内产生温度Th为260-320°C，压力PhS 1.5-2.5MPa的高温高压过热水蒸汽，之后高温高压的水蒸汽经管道进入一级热泵喷射器6供使用；软化水箱2中的另一路水则是经节流阀3进入冷凝式蒸发器10，利用从锅炉排出的温度Tyl为110-180°C的高温烟气对进入冷凝式蒸发器10中的水进行加热，排烟温度Ty2为60-80°C，从而充分利用了烟气余热，大大降低了烟气的排烟温度和余热损失，流经冷凝式蒸发器10的水再进入蓄热水箱，接着在槽式太阳能集热器9中进行加热，产生温度TqiS 140-180°C的高温水经第二电磁阀(13)进入蒸发器8蒸发产生温度Ts2为180_200°C，压力Ps2约为0.3-0.5MPa的水蒸汽，蒸发器8内的水蒸汽的温度和压力相对锅炉高压蒸汽发生器5内的高温高压蒸汽都要低，故称为低温低压蒸汽，高温高压蒸汽进入一级热泵喷射器6后进行喷射，从而产生压力差，将回流的部分输出蒸汽吸入一级热泵喷射器6，两部分蒸汽汇合产生，直至一级喷射器出口蒸汽进入二级热泵喷射器7。一级喷射器6出口蒸汽进入二级喷射器7后继续高速喷射，产生的压力差将蒸发器8内的低温低压水蒸汽吸入二级喷射器7，从而实现了两部分蒸汽的汇合，最终混合产生温度Tst为220-260°C，压力Pst为0.45-0.7MPa的输出蒸汽输出，部分输出蒸汽将会通过回流管道回流至一级喷射器6以供使用。蒸发器8内的部分水蒸汽会冷凝成水，这些水通过第三电磁阀14控制送回蓄热水箱。
[0024]如图2所示，高温高压蒸汽进入一级热泵喷射器后进行喷射，从而产生压力差，将回流的部分输出蒸汽吸入一级热泵喷射器，两部分蒸汽汇合产生，直至产生一级喷射器出口蒸汽进入二级热泵喷射器。一级喷射器出口蒸汽进入二级喷射器后继续高速喷射，产生的压力差将蒸发器内的低温低压水蒸汽吸入二级喷射器，从而实现了两部分蒸汽的汇合，最终混合产生符合一定参数 要求的输出蒸汽输出，部分输出蒸汽将会通过回流管道回流至一级喷射器以供使用。
实施例
[0025]以下结合具体实例对本发明进行阐述，但不会以任何方式限制本发明。
[0026]本实例中的第一级热泵驱动蒸汽参数分别为:温度Th=300°C，压力P=2.5Mpa，流量Gw=5t/h，吸入蒸汽参数为温度1^=2181:，压力P,1=。.49Mpa，流量输出蒸汽参数为温度 1^=2501:，压力 Ρ^=0.98Mpa，流量 &/=8七/11。
[0027]第二级热泵驱动蒸汽参数分别为:驱动蒸汽参数即为第一次热泵输出蒸汽参数，吸入蒸汽参数为温度TS2=180°C，压力Ps2=0.3Mpa，流量Gs2=4.48t/h，输出蒸汽参数为温度Tst=230°C，压力Pst=0.45Mpa，流量Gst=12.48t/h。双重作用引射系数达到0.936，对外供气量为9.48t/h，相对单级热泵节能量Λ E占20.8%，说明采用双重作用热泵喷射器能进一步减少一次能源消耗，增加了清洁能源(太阳能)利用比例，进一步体高系统热效率。
【权利要求】
1.一种双重作用热泵式太阳能工业锅炉系统，其特征在于包括给水泵(I)、软化水箱(2)、节流阀(3)、蓄热水箱(4)、锅炉高压蒸汽发生器(5)、一级热泵喷射器(6)、二级热泵喷射器(7)、太阳能蒸发器(8)、槽式太阳能集热器(9)、冷凝式蒸发器(10)、补水泵(11)、第一电磁阀(12)、第二电磁阀(13)、第三电磁阀(14);补水泵(11)与软化水箱(2)进口相连，软化水箱(2)设有两出口，软化水箱(2)的第一出口、给水泵(I)、锅炉高压蒸汽发生器(5)、一级热泵喷射器(6)第一入口、二级热泵喷射器(7)第一入口顺次相连，软化水箱(2)的第二出口、节流阀(3)、冷凝式蒸发器(10)、蓄热水箱(4)第一入口、第一电磁阀(12)、槽式太阳能集热器(9)、第二电磁阀(13)、太阳能蒸发器(8)入口、二级热泵喷射器(7)第二入口顺次相连，太阳能蒸发器(8)的冷凝水出口经第三电磁阀(14)与蓄热水箱(4)第二入口相连，二级热泵喷射器(7)设有两个出口，二级热泵喷射器(7)第一出口与一级热泵喷射器(6)第二入口相连，二级热泵喷射器(7)第二出口为输出口。
2.一种使用如权利要求1所述系统的双重作用热泵式太阳能工业锅炉的方法，其特征在于补水泵(11)抽取常温常压下的水进入软化水箱(2)，软化水箱(2)中的一路水经给水泵(I)提供动力直接进入锅炉高压蒸汽发生器(5)，锅炉高压蒸汽发生器(5)由燃料直接供给热量，从而在锅炉内产生温度Th为260-320°C，压力Ph为1.5-2.5MPa的高温高压过热水蒸汽，之后高温高压的水蒸汽经管道进入一级热泵喷射器(6)供使用；软化水箱(2)中的另一路水则是经节流阀(3)进入冷凝式蒸发器(10)，利用从锅炉排出的温度Tyl为110-180°C的高温烟气对进入冷凝式蒸发器(10)中的水进行加热，排烟温度Ty2为60-80°C，从而充分利用了烟气余热，大大降低了烟气的排烟温度和余热损失，流经冷凝式蒸发器(10)的水再进入蓄热水箱，接着在槽式太阳能集热器(9)中进行加热，产生温度Ttll为140-180°C的高温水经第二电磁阀(13)进入蒸发器(8)蒸发产生温度Ts2为180-200°C，压力Ps2为0.3-0.5MPa的水蒸汽，蒸发器(8)内的水蒸汽的温度和压力相对锅炉高压蒸汽发生器(5)内的高温高压蒸汽都要低，故称为低温低压蒸汽，高温高压蒸汽进入一级热泵喷射器(6)后进行喷射，从而产生压力差，将回流的部分输出蒸汽吸入一级热泵喷射器(6)，两部分蒸汽汇合产生，直至一级喷射器出口蒸汽进入二级热泵喷射器(7)，一级喷射器(6)出口蒸汽进入二级喷射器(7)后继续高速喷射，产生的压力差将蒸发器(8)内的低温低压水蒸汽吸入二级喷射器(7)，从而实现了两部分蒸汽的汇合，最终混合产生温度Tst为220-260°C，压力Pst为.0.45-0.7MPa的输出蒸汽输出，部分输出蒸汽将会通过回流管道回流至一级喷射器(6)以供使用，蒸发器(8)内的部分水蒸汽会冷凝成水，这些水通过第三电磁阀(14)控制送回蓄热水箱。
【文档编号】F24J2/00GK103604108SQ201310497834
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】肖刚, 倪明江, 骆仲泱, 高翔, 岑可法, 方梦祥, 周劲松, 施正伦, 程乐鸣, 王勤辉, 王树荣, 余春江, 王涛 申请人:浙江大学