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基本信息

項(xiàng)目名稱：
沼氣機(jī)污水源熱泵系統(tǒng)研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一個(gè)利用沼氣驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并帶動(dòng)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)逆向循環(huán)來(lái)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(yùn)藏著大量的熱能。利用沼氣作為燃料驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵運(yùn)行，回收污水中蘊(yùn)藏的能量，并設(shè)計(jì)專門裝置回收沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣余熱，最終向空調(diào)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(hù)環(huán)境。
詳細(xì)介紹：
本作品工藝流程如下：1.將收集到的沼氣通入沼氣機(jī)，沼氣機(jī)工作帶動(dòng)壓縮機(jī)工作。2.制冷劑流經(jīng)壓縮機(jī)—冷凝器—節(jié)流閥—蒸發(fā)器—壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)吸放熱的一級(jí)循環(huán)。3.循環(huán)水流經(jīng)冷凝器—水泵—煙氣換熱器—散熱器實(shí)現(xiàn)二級(jí)循環(huán)。本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1. 沼氣機(jī)熱泵系統(tǒng)是基于蒸汽壓縮循環(huán)，用沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)代替了原有熱泵系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料的能量直接轉(zhuǎn)換成了壓縮機(jī)所需要的機(jī)械功，避免了電力生產(chǎn)及輸送過(guò)程的層層轉(zhuǎn)換以及在電動(dòng)機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換損失；2. 結(jié)合鍋爐中省煤器與經(jīng)濟(jì)器技術(shù)，自主設(shè)計(jì)了煙氣余熱換熱器，對(duì)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣余熱進(jìn)行二次回收，從而提高能源利用率；3. 將污水中蘊(yùn)藏的能量回收，為廠區(qū)提供空調(diào)供暖和制冷水，一機(jī)兩用，節(jié)省設(shè)備和機(jī)房初投資；4. 有利于環(huán)境保護(hù)，沼氣是一種清潔的燃料，幾乎不含粉塵和其它有害物質(zhì)，在燃燒過(guò)程中不產(chǎn)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

  • 沼氣機(jī)污水源熱泵系統(tǒng)研究
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)發(fā)明目的： 目前我國(guó)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(chǎn)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(yùn)藏著大量的熱能。如果將沼氣作為燃料驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵運(yùn)行，將污水中的熱能進(jìn)行回收，并設(shè)計(jì)專門裝置回收沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣余熱，則可以提供空調(diào)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(hù)環(huán)境。鑒于此，本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵運(yùn)行，同時(shí)利用余熱回收裝置來(lái)回收沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的余熱，提高一次能源利用效率，實(shí)現(xiàn)各種資源的綜合利用。 基本思路： 1. 沼氣機(jī)熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；2.沼氣機(jī)熱泵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境評(píng)價(jià)；3.沼氣機(jī)熱泵系統(tǒng)熱力計(jì)算；4.沼氣機(jī)熱泵系統(tǒng)各部件設(shè)計(jì)；5.制作實(shí)物模型進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.應(yīng)用沼氣機(jī)代替電力機(jī)節(jié)約了一級(jí)能源，具有很高的一次能源利用效率；2.因地制宜利用產(chǎn)生的沼氣和排放的污水，可實(shí)現(xiàn)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(jī)選用汽車空調(diào)壓縮機(jī),很好的適應(yīng)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性不穩(wěn)定情況。 關(guān)鍵技術(shù)：沼氣機(jī)和壓縮機(jī)的工況匹配 技術(shù)指標(biāo)：整個(gè)系統(tǒng)的供熱性能系數(shù)COP>=3

科學(xué)性、先進(jìn)性

熱泵技術(shù)是比較成熟的節(jié)能技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有污水廠的數(shù)據(jù)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(dòng)機(jī)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(xué)能量梯級(jí)利用原理的。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，沼氣機(jī)污水源熱泵系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能性。與電動(dòng)熱泵相比，燃?xì)鉄岜糜捎诓捎谜託鈾C(jī)直接帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行，沒(méi)有電力生產(chǎn)、傳輸以及電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)的能量損失，燃料的化學(xué)能燃燒轉(zhuǎn)化為機(jī)械能直接被壓縮機(jī)利用，通過(guò)氣缸壁面和排氣損失的部分熱能可以被回收用于進(jìn)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?xì)鈾C(jī)熱泵具有明顯優(yōu)勢(shì)。與燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、沼氣鍋爐或直燃型吸收式機(jī)組、電動(dòng)壓縮式熱泵相比，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的一次能源利用率可分別提高110％、75％和33％以上。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

本作品在今年的?！肮?jié)能減排大賽”和“五四杯”比賽中分獲一二等獎(jiǎng)。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)臺(tái)已制作完畢，可運(yùn)行采集數(shù)據(jù)。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

專利轉(zhuǎn)讓。

作品可展示的形式

實(shí)物運(yùn)行展示。

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

投資回收期：假設(shè)初投資160萬(wàn)元，經(jīng)4.5年可回收成本。 經(jīng)濟(jì)性分析：沼氣的比價(jià)最低，因此用沼氣作為燃料的經(jīng)濟(jì)效益顯著取沼氣機(jī)熱效率40%，傳動(dòng)效率0.95，燃燒1m3沼氣，用沼氣機(jī)熱泵和沼氣發(fā)電機(jī)產(chǎn)出能量比較可以提高能源利用率23.5%。 每天按運(yùn)行10小時(shí)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)煤（鍋爐效率按80%計(jì)算），耗煤2.12t/d（煤的熱值按25435kJ/kg算），每年要花費(fèi)50.8萬(wàn)元（每年按300天計(jì)算），選用沼氣機(jī)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(guó)地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國(guó)能源部、環(huán)保署、愛(ài)迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國(guó)地源熱泵協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)在近年中將投入一億美元從事開(kāi)發(fā)、研究和推廣工作。美國(guó)計(jì)劃到2001年達(dá)到每年安裝40萬(wàn)臺(tái)地源熱泵的目標(biāo)，屆時(shí)將降低溫室氣體排放1百萬(wàn)噸，相當(dāng)于減少50萬(wàn)輛汽車的污染物排放或種植樹(shù)1百萬(wàn)英畝，年節(jié)約能源費(fèi)用達(dá)4.2億美元。與美國(guó)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(guó)等國(guó)家主要利用淺層地?zé)豳Y源，地下土壤埋盤管（埋深<400米深）的地源熱泵，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。目前，水源熱泵在法國(guó)和美國(guó)發(fā)展較快，在瑞典、奧地利、荷蘭、日本等國(guó)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(zhǎng)，由2001年6 500臺(tái)套增至2002年的15000臺(tái)套，2003年，其政府采取對(duì)“所有新的空調(diào)設(shè)備的安裝有650歐元的補(bǔ)貼”措施，因此，水源熱泵銷量的增長(zhǎng)仍然可觀。 我國(guó)的水源熱泵事業(yè)較國(guó)外起步較晚，自上世紀(jì)90年代初期以來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助下，國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)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(yùn)行等方面的研究一直沒(méi)有突破。。由于缺乏對(duì)埋地?fù)Q熱器在土壤中復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)綜合傳遞過(guò)程的深入研究，使得這些結(jié)論只適用于某一具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少而不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。 近幾年來(lái)我國(guó)水源熱泵事業(yè)發(fā)展勢(shì)頭看好。天津大學(xué)、清華大學(xué)分別與有關(guān)企業(yè)結(jié)成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體開(kāi)發(fā)出中國(guó)品牌的地源熱泵系統(tǒng)，已建成數(shù)個(gè)示范工程，越來(lái)越多的中國(guó)用戶開(kāi)始熟悉地源熱泵，并對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣，可以預(yù)計(jì)中國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)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(guó)內(nèi)外大趨勢(shì)；另一方面，我國(guó)具有較好的熱泵科研與應(yīng)用的基礎(chǔ)，早在50年代，天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁教授就開(kāi)展了我國(guó)熱泵的最早研究，1965年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。重慶建筑大學(xué)、天津商學(xué)院等單位對(duì)地下埋盤管的地源熱泵也進(jìn)行了多年的研究。在中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所等單位還多次召開(kāi)全國(guó)性的有關(guān)熱泵技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的專題研討會(huì)。與此同時(shí)，科技部委托的中國(guó)企業(yè)公司正醞釀將美國(guó)的地源熱泵技術(shù)及設(shè)備引進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)，這將促進(jìn)我國(guó)地源熱泵的市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，并使我國(guó)地源熱泵的研究開(kāi)發(fā)盡快跟上國(guó)際潮流。
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