NH3-H2O喷射-吸收复合式燃气热水炉系统研究及分析

郭永献，张大兴，梁世强*

(1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.西安电子科技大学机电工程学院，陕西 西安 710071)



【能源与动力】

NH3-H2O喷射-吸收复合式燃气热水炉系统研究及分析

郭永献1，张大兴2，梁世强1*

(1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.西安电子科技大学机电工程学院，陕西 西安 710071)

摘要：本文利用喷射器的工作原理构造出具有更高效率的喷射-吸收复合式燃气热水炉系统，选定氨水溶液为工质，建立了所设计系统的物理模型和数学模型，在选定系统合理匹配参数的基础上，计算了各换热器所交换热量的占比。结果表明，高温换热器吸收的烟气热量最多，其吸收的热量约占总换热量的40%以上；而低温换热器吸收的热量最少，一般不超过总换热量的25%。所设计系统在冬季效率也可达到110%以上，而夏季时效率更是可高达120%以上，可真正实现高效节能。

关键词：喷射器；喷射-吸收；氨水；燃气热水炉

在我国的能源消费中，工业能源消费占总能耗的70%左右[1]，其中锅炉是一次能源消费的主体，如何降低锅炉系统能耗，使锅炉系统进一步节能成为人们研究的热点。我国普通的天然气热水锅炉的排烟温度一般在130 ℃ 以上，蒸汽锅炉在200 ℃ 以上，有时甚至高达300 ℃ ，浪费了大量的能源[2]。冷凝式燃气锅炉可使热效率提高11%～15%[3]，排烟温度约为50 ℃[4]，其极限热效率约为110%(按低热值计算)。某些冷凝式燃气锅炉与热泵联合应用，可将排烟温度降至35 ℃ 左右，冷凝80%的水蒸气，进而达到比单纯的冷凝式燃气锅炉更高的热效率。已有研究人员对喷射器在换热器系统[5]、制冷系统和加热系统[6-9]中的应用进行过分析，本文将喷射器引入到燃气热水炉系统中，利用喷射器的工作原理构造具有更高效率的喷射-吸收复合式燃气热水炉系统，其效率将比热泵式冷凝式燃气锅炉进一步提高。

1系统原理

图1是喷射-吸收复合式燃气热水炉系统的原理图。该系统主要由喷射器、换热器和冷凝器等组成，与常规热水炉系统相比，其采用多级换热方式，并在换热器间增加了喷射器。系统包括燃烧炉、高温换热器、主换热器、低温换热器、喷射器、引风机、旋风分离器、主冷凝器、冷凝器、回流泵、主泵、节流阀、冷凝水容器和烟道等。

图1　喷射-吸收复合式燃气热水炉系统的原理图Fig.1　Schematic diagram of ejector-absorption composite gas water heater

不考虑系统热损失，C1和C2分别为冷水入口，H1和H2分别为加热水出口，t高、t中和t低分别为高温换热器入口、主换热器入口和低温换热器入口的烟气温度。A、B、C分别代表喷射器的工作气体入口、引射气体入口和混合气体出口。

系统的工作原理及过程为：

由主泵进入高温换热器中的工质与燃烧炉中中温段的烟气进行热量交换，吸收烟气中的热量后产生中温高压气液混合工质，经旋风分离器分离后的中温高压蒸气经冷凝器放热，冷凝降压后经节流阀进入低温换热器，与低温段烟气进行热量交换，吸热蒸发后的气体作为引射流体进入喷射器；由旋风分离器分离出的液体经回流泵进入高温换热器，与高温段的烟气进行热量交换，吸热后形成的高温高压蒸气作为工作蒸气由工作蒸气入口A进入喷射器，通过渐缩渐扩型蒸气喷管进行绝热膨胀，形成的气流将低温换热器中蒸发的低温低压蒸气吸入到喷射器吸入室内，在混合室内混合，并通过扩压室增压后进入主冷凝器。在主冷凝器中被冷却的混合介质冷凝为液体，进入主泵返回到主换热器，再次与燃烧炉中的烟气进行热交换，进入下一个循环。该系统工作过程中循环泵是唯一的运动部件，系统可靠性较高。

选取工质遵循的原则参见文献[10]，本系统选用NH3-H2O为工质，通过比较不同文献中的NH3-H2O热力模型[11-15]，最终采用文献[15]中的工程计算模型，计算其热力学参数如汽液平衡、焓和密度等。

2系统物理模型

图2　喷射吸收复合式系统的工作过程h-s图Fig.2h-s figure of working process of ejector-absorption composite water heater

图2为整个系统工作过程的h-s(焓-熵)图。经主冷凝器冷凝并由回流泵泵送的状态pi质量流量为M1的NH3-H2O混合液体，经高温换热器后生成高温高压工作蒸气(饱和或过热)，状态用po表示。工作蒸气通过喷射器的渐缩渐扩喷嘴后达到降压提速的目的并达到状态1，用于引射来自蒸发器的质量流量为M5的状态为eo的引射蒸气，工作蒸气和引射蒸气在喷射器的混合室中混合后达到ci点，排出的混合气体进入主冷凝器，冷凝为质量流量M2状态为co的液体。冷凝后的氨水在主换热器内换热后经旋风分离器分为两路完成循环：一路为质量流量为M5的NH3-H2O混合蒸气经氨冷凝器冷凝，并通过截流阀截流到ei点，通过低温换热器蒸发吸热后至eo点；另一路为质量流量为M1的NH3-H2O混合液体经回流泵泵送至压力为pi的状态进入高温换热器，完成能量循环。在整个循环过程中，低温换热器、主换热器和高温换热器输入的热量以及用于供给旋风分离器的热量为驱动热，两个冷凝器提供冷负荷，用于加热热水，而冷凝液和风扇排风排放到环境中的热量为较低品位的热。

3系统数学模型

建设系统的数学模型如下：

发生器(高温换热器)的负荷为：Q7=M1(h1o-h1i)；

主冷凝器的负荷为：Q2=M2(h2i-h2o)；

蒸发器(低温换热器)的负荷为：Q5=M5(h5o-h5i)，

式中，Q为热量，h为焓值，M为质量流量，i表示入口，o表示出口。

根据前述NH3-H2O溶液热力学性质的模型及喷射器计算相关模型，对本文系统进行热力学模拟，确定出系统内的各状态点参数的计算方法，通过建立系统平衡方程(包括各部件的质量平衡和能量平衡方程)，确定系统的参数范围见表1。

表1　系统参数范围

喷射-吸收制冷系统的每个部件都需要满足能量和质量的平衡，即:

∑Min-∑Mout=0；

(1)

∑(Mx)in-∑(Mx)out=0；

(2)

εQ+∑(Mh)in-∑(Mh)out=0，

(3)

其中，M为工质的质量流量，kg/s；h为工质的比焓，kJ/kg；Q为系统部件的换热负荷，kW；ε为换热器的换热效率，本文取理想情况，即ε=1。

经过对图2所示的系统流程进行质量和能量的衡算，求得系统效率η，令Q3/Q4=A1:

(4)

其中，Q1为冷凝器的换热负荷，Q2为主冷凝器的换热负荷，Q3为空气带入的换热负荷，Q4为燃气低热值对应的能量，Qq为热水炉吸收的潜热能，且Qq=0.1Q4。

由上式可见，由于在整个热水炉系统中引入了空气并吸收了空气能Q3，同时回收了天然气燃烧过程中产生的气化潜热能Qq，使得系统效率可以高于100%。

图3　u随t7的变化曲线Fig.3　Curves of t7 vs. u

4系统分析

在确定了系统参数范围之后，在此分析系统参数对引射系数、冷凝温度和放气范围的影响，放气范围Δx是指浓溶液和稀溶液的浓度差。图3为引射系数随旋风分离器参数变化的曲线，其中xm为喷射器出口混合工质中氨的含量。由图3可见，u随着旋风分离器温度升高和压力降低均增大，因此升高温度和降低压力对增大u有利，但考虑到大引射比可能使引射器的结构尺寸庞大，因此暂时不能确定高温高压旋风分离器对系统是否有利。

图4为u随P7的变化曲线。可见u随旋风分离器压力减小而增大，随系统氨质量含量xm减小而减小，因此为了系统便于设计，旋风分离器压力不能太小，而采用氨水混合工质的好处之一是为了吸收冷凝时的溶解热，因此xm减小势必会使吸收的溶解热在总热量中的比例减小，不利于体现系统特性。当系统中的引射器确定时，其最佳引射系数也就确定，因此实际工作情况下，对于确定的系统氨浓度，当冷凝压力确定时，旋风分离器存在最佳温度使系统处于最佳工作状态。

图4　u随P7的变化曲线Fig.4　Curves of P7 vs. u

图5是为保持冷凝器入口温度t7在一定值的情况下，所需的冷凝温度t10与P7的关系曲线，当旋风分离器温度升高时，冷凝温度也升高，且冷凝温度并不随压力线性降低，冷凝温度与氨含量无关，因此实际工作中选择高温低压力的旋风分离器并没有什么坏处。

图6给出了系统总氨摩尔浓度不同情况下Δx随冷凝器P7变化的曲线图。

通过上述分析，在选定系统的合理参数匹配后(表2)，可计算系统各换热器所交换能量的占比，如图7所示，其中各参数的含义见图1。

图5　冷凝温度t10与P7的关系曲线Fig.5　Curves of t10 vs P7

图6　Δx随P7变化的关系曲线Fig.6　Curves of P7 vs. Δx

参数数值参数数值冷凝器出口温度/℃15混合蒸气温度/℃120冷凝器出口温度/℃70膨胀比22排烟温度/℃-25

由图7a可以看出，在旋风分离器工况不变的情况下，Q2、Q5和Q6均随xm增大而增大，Q1和Q7随xm增大而减小。此外，还可以看出Q1和Q2几乎不随xm的变化发生变化(图7b和7c)，在xm不变的情况下，Q5、和Q6随旋风分离器温度t7的增大而增大(图7b)，随旋风分离器压力P7的增大而减小(图7c)，Q7则随旋风分离器温度t7的增大而减小(图7b)，随旋风分离器压力P7的增大而增大(图7c)。就冷凝器而言，通过主冷凝器交换的热量可以占总换热量的70%以上，随xm的增大而增大。具体到置于烟气腔内的3个换热器，高温换热器吸收的烟气热量(Q7)最多，其吸收的热量约占总换热量的40%以上，而低温换热器吸收的热量最少，一般不超过总换热量的25%。

进一步分析，关于Q6与xm的变化关系曲线如图8所示，可见Q6随xm的增大而增大，随P7的减小而增大，随t7的增大而增大。

不论系统工况如何，系统各换热器的占比都有如图9所示的关系，其中Q总=Q5+Q6+Q7=Q1+Q2。

最终确定的系统的工作参数如表3所示。

图7　不同换热器交换热量占比Fig.7　The proportion of heat exchange of different heat exchangers

图8　Q6与xm关系曲线Fig.8　Curves of Q6 vs.xm

图9　各换热器换热占比关系Fig.9The proportion of heat exchange of different heat exchangers for different Q6/Q总

参数数值参数数值冷凝器入口冷水温度/℃10u0.71主冷凝器冷水温度/℃15P7/MPa0.7排烟温度/℃-25t7/℃90t高/℃403.7P1/MPa0.11t中/℃222.1P2/MPa0.52t低/℃60.64P3/MPa0.239系统效率/%113.5Q1/Q总0.31混合蒸气温度/℃120Q2/Q总0.69膨胀比22Q5/Q总0.2二次空气量/(L/s)17Q6/Q总0.38xm0.55Q7/Q总0.42

注：环境温度-15 ℃ 。

由表3可见，系统的效率在冬季也可达到113.5%，高于现有冷凝式燃气热水炉的极限效率，并且将本文系统应用到其他季节时，由于环境温度升高，引入的二次空气携带的能量将更高，会进一步提高系统的效率。

5结论

本文提出一种喷射-吸收复合式燃气热水炉系统，选定氨水溶液为工质建立了系统的物理模型和数学模型，对系统热力过程进行了模拟，计算了各换热器所交换热量的占比。分析表明，系统中的通过主冷凝器交换的热量可以占总换热量的70%以上，其换热占比随喷射比u的增大而减小。而具体到3个换热器，高温换热器吸收的烟气热量最多，其吸收的热量约占总换热量的40%以上，而低温换热器吸收的热量最少，一般不超过总换热量的25%。系统在冬季的总效率即可超过现有冷凝式燃气热水炉的极限效率，真正实现了从环境中吸收热能、排烟无污染的目的。

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Research and analysis of an ammonia-water ejector-absorption composite gas water heater

GUO Yong-xian1,ZHANG Da-xing2, LIANG Shi-qiang1*

(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. School of Electromechanical Engineering, Xidian Univerity, Xi’an 710071, China)

Abstract∶We construct highly efficient ejector-absorption composite gas water heater with operating principle of an ejector. We further design its physical and mathematical models with ammonia-water solution as working fluid. We also calculate the proportion of each heat exchanger based on the selection of reasonable matching parameters. Results indicate that high temperature heat exchanger can absorb the maximum gas heat, more than 40% of total transferred heat. However, low temperature heat exchanger can absorb the minimum gas heat, no more than 25% of the total transferred heat. Thermal efficiency of the heater can attain more than 110% in winter, and even more than 120% in summer. High efficiency and energy saving can therefore be practically implemented.

Key words∶ejector; ejector-absorption system; ammonia solution; gas water heater

中图分类号：TK11

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)02-0041-08

作者简介：郭永献(1981-)，男，博士，副教授，研究方向为中低温余热利用。*通讯作者，梁世强。Email:liangsq@iet.cn

基金项目：国家自然科学基金(51306134)

收稿日期：2016-01-19

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.02.009