基本信息
- 項目名稱：
- 沼氣機污水源熱泵系統(tǒng)研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目旨在設計一個利用沼氣驅動沼氣發(fā)動機，并帶動壓縮機實現逆向循環(huán)來回收污水中含有的大量能源的熱泵系統(tǒng)。 沼氣工程中存在大量的污水，污水的溫度冬暖夏涼，蘊藏著大量的熱能。利用沼氣作為燃料驅動壓縮式熱泵運行，回收污水中蘊藏的能量，并設計專門裝置回收沼氣發(fā)動機煙氣余熱，最終向空調系統(tǒng)提供供暖和制冷用水，取代原有的燃煤供暖和制冷裝置，節(jié)省能源，保護環(huán)境。
- 詳細介紹：
- 本作品工藝流程如下：1.將收集到的沼氣通入沼氣機，沼氣機工作帶動壓縮機工作。2.制冷劑流經壓縮機—冷凝器—節(jié)流閥—蒸發(fā)器—壓縮機實現吸放熱的一級循環(huán)。3.循環(huán)水流經冷凝器—水泵—煙氣換熱器—散熱器實現二級循環(huán)。本系統(tǒng)具有以下特點：1. 沼氣機熱泵系統(tǒng)是基于蒸汽壓縮循環(huán)，用沼氣發(fā)動機代替了原有熱泵系統(tǒng)中的電動機，發(fā)動機將燃料的能量直接轉換成了壓縮機所需要的機械功，避免了電力生產及輸送過程的層層轉換以及在電動機中的能量轉換損失；2. 結合鍋爐中省煤器與經濟器技術，自主設計了煙氣余熱換熱器，對沼氣發(fā)動機煙氣余熱進行二次回收，從而提高能源利用率；3. 將污水中蘊藏的能量回收，為廠區(qū)提供空調供暖和制冷水，一機兩用，節(jié)省設備和機房初投資；4. 有利于環(huán)境保護，沼氣是一種清潔的燃料，幾乎不含粉塵和其它有害物質，在燃燒過程中不產生灰渣，燃燒后的排放物較少，能夠減少溫室氣體及大氣污染物的排放總量。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計發(fā)明目的： 目前我國正在大力發(fā)展沼氣工程。至2005年，大中型沼氣工程年處理廢棄物1.2億噸，年產沼氣約3.4億立方米。沼氣工程中存在大量的污水，污水的溫度冬暖夏涼，蘊藏著大量的熱能。如果將沼氣作為燃料驅動壓縮式熱泵運行，將污水中的熱能進行回收，并設計專門裝置回收沼氣發(fā)動機煙氣余熱，則可以提供空調系統(tǒng)用供暖和制冷水，取代原有的燃煤供暖和制冷裝置，節(jié)省能源，保護環(huán)境。鑒于此，本項目旨在設計一套壓縮式熱泵系統(tǒng)，以污水作為低位熱源，利用沼氣發(fā)動機驅動熱泵運行，同時利用余熱回收裝置來回收沼氣發(fā)動機尾氣的余熱，提高一次能源利用效率，實現各種資源的綜合利用。 基本思路： 1. 沼氣機熱泵系統(tǒng)方案設計；2.沼氣機熱泵系統(tǒng)技術經濟和環(huán)境評價；3.沼氣機熱泵系統(tǒng)熱力計算；4.沼氣機熱泵系統(tǒng)各部件設計；5.制作實物模型進行演示實驗。 創(chuàng)新點： 1.應用沼氣機代替電力機節(jié)約了一級能源，具有很高的一次能源利用效率；2.因地制宜利用產生的沼氣和排放的污水，可實現資源的循環(huán)利用，提高能源的利用效率，減少環(huán)境污染。3.壓縮機選用汽車空調壓縮機,很好的適應沼氣發(fā)動機工作特性不穩(wěn)定情況。 關鍵技術：沼氣機和壓縮機的工況匹配 技術指標：整個系統(tǒng)的供熱性能系數COP>=3
科學性、先進性
- 熱泵技術是比較成熟的節(jié)能技術，根據現有污水廠的數據證明，冬季污水溫度約為14-15℃，夏季污水溫度在20℃左右，因此可作為熱泵良好的低位熱源。沼氣的主要成分是甲烷，其熱值較高，是發(fā)動機良好的燃料。因此整套系統(tǒng)在理論上是可行的，也是遵循熱力學能量梯級利用原理的。 與現有技術相比，沼氣機污水源熱泵系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能性。與電動熱泵相比，燃氣熱泵由于采用沼氣機直接帶動壓縮機運行，沒有電力生產、傳輸以及電動機等環(huán)節(jié)的能量損失，燃料的化學能燃燒轉化為機械能直接被壓縮機利用，通過氣缸壁面和排氣損失的部分熱能可以被回收用于進一步加熱熱水、提供生活熱水或加熱制冷劑。因此在一次能源利用率方面，燃氣機熱泵具有明顯優(yōu)勢。與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、沼氣鍋爐或直燃型吸收式機組、電動壓縮式熱泵相比，燃氣機熱泵的一次能源利用率可分別提高110％、75％和33％以上。
獲獎情況及鑒定結果
- 本作品在今年的校“節(jié)能減排大賽”和“五四杯”比賽中分獲一二等獎。
作品所處階段
- 實驗臺已制作完畢，可運行采集數據。
技術轉讓方式
- 專利轉讓。
作品可展示的形式
- 實物運行展示。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 投資回收期：假設初投資160萬元，經4.5年可回收成本。 經濟性分析：沼氣的比價最低，因此用沼氣作為燃料的經濟效益顯著取沼氣機熱效率40%，傳動效率0.95，燃燒1m3沼氣，用沼氣機熱泵和沼氣發(fā)電機產出能量比較可以提高能源利用率23.5%。 每天按運行10小時計算，冷凝器放熱14400MJ熱量，煙氣換熱器中吸收的熱量28800MJ熱量，若用燃煤鍋爐供熱，則需要54000MJ的標準煤（鍋爐效率按80%計算），耗煤2.12t/d（煤的熱值按25435kJ/kg算），每年要花費50.8萬元（每年按300天計算），選用沼氣機熱泵就可以節(jié)約這部分投入。
同類課題研究水平概述
- 美國地源熱泵工業(yè)已經成立了由美國能源部、環(huán)保署、愛迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國地源熱泵協會，該協會在近年中將投入一億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。美國計劃到2001年達到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標，屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸，相當于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝，年節(jié)約能源費用達4.2億美元。與美國的地源熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地熱資源，地下土壤埋盤管（埋深<400米深）的地源熱泵，用于室內地板輻射供暖及提供生活熱水。目前，水源熱泵在法國和美國發(fā)展較快，在瑞典、奧地利、荷蘭、日本等國家也得到了很好的發(fā)展。在挪威，銷量也以驚人的速度在增長，由2001年6 500臺套增至2002年的15000臺套，2003年，其政府采取對“所有新的空調設備的安裝有650歐元的補貼”措施，因此，水源熱泵銷量的增長仍然可觀。 我國的水源熱泵事業(yè)較國外起步較晚，自上世紀90年代初期以來，在國家自然科學基金委員會的資助下，國內開始對土壤源熱泵的探索性研究，但在如何有效地降低系統(tǒng)初投資、保證系統(tǒng)的可靠運行等方面的研究一直沒有突破。。由于缺乏對埋地換熱器在土壤中復雜的傳熱、傳質綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結論只適用于某一具體實驗系統(tǒng)，所提供的基礎數據較少而不能作為設計依據。 近幾年來我國水源熱泵事業(yè)發(fā)展勢頭看好。天津大學、清華大學分別與有關企業(yè)結成產學研聯合體開發(fā)出中國品牌的地源熱泵系統(tǒng)，已建成數個示范工程，越來越多的中國用戶開始熟悉地源熱泵，并對其應用產生了濃厚的興趣，可以預計中國的地源熱泵市場前景廣闊。一方面是要節(jié)約常規(guī)能源、充分利用可再生能源的國內外大趨勢；另一方面，我國具有較好的熱泵科研與應用的基礎，早在50年代，天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵空調機。重慶建筑大學、天津商學院等單位對地下埋盤管的地源熱泵也進行了多年的研究。在中國科學院廣州能源研究所等單位還多次召開全國性的有關熱泵技術發(fā)展與應用的專題研討會。與此同時，科技部委托的中國企業(yè)公司正醞釀將美國的地源熱泵技術及設備引進中國市場，這將促進我國地源熱泵的市場化、產業(yè)化的發(fā)展，并使我國地源熱泵的研究開發(fā)盡快跟上國際潮流。
