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(shè)計一個利用沼氣驅(qū)動沼氣發(fā)動機，并帶動壓縮機實現(xiàn)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(qū)動壓縮式熱泵運行，回收污水中蘊藏的能量，并設(shè)計專門裝置回收沼氣發(fā)動機煙氣余熱，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(jīng)壓縮機—冷凝器—節(jié)流閥—蒸發(fā)器—壓縮機實現(xiàn)吸放熱的一級循環(huán)。3.循環(huán)水流經(jīng)冷凝器—水泵—煙氣換熱器—散熱器實現(xiàn)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(zhuǎn)換成了壓縮機所需要的機械功，避免了電力生產(chǎn)及輸送過程的層層轉(zhuǎn)換以及在電動機中的能量轉(zhuǎn)換損失；2. 結(jié)合鍋爐中省煤器與經(jīng)濟器技術(shù)，自主設(shè)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(diào)供暖和制冷水，一機兩用，節(jié)省設(shè)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(zhì)，在燃燒過程中不產(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
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設(shè)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(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，蘊藏著大量的熱能。如果將沼氣作為燃料驅(qū)動壓縮式熱泵運行，將污水中的熱能進行回收，并設(shè)計專門裝置回收沼氣發(fā)動機煙氣余熱，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，保護環(huán)境。鑒于此，本項目旨在設(shè)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(qū)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(xiàn)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(shè)計；2.沼氣機熱泵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)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(shè)計；5.制作實物模型進行演示實驗。 創(chuàng)新點： 1.應(yīng)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(chǎn)生的沼氣和排放的污水，可實現(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.壓縮機選用汽車空調(diào)壓縮機,很好的適應(yīng)沼氣發(fā)動機工作特性不穩(wěn)定情況。 關(guān)鍵技術(shù)：沼氣機和壓縮機的工況匹配 技術(shù)指標：整個系統(tǒng)的供熱性能系數(shù)COP>=3
科學(xué)性、先進性
- 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(xué)能量梯級利用原理的。 與現(xiàn)有技術(shù)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(chǎn)、傳輸以及電動機等環(huán)節(jié)的能量損失，燃料的化學(xué)能燃燒轉(zhuǎn)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(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。
作品所處階段
- 實驗臺已制作完畢，可運行采集數(shù)據(jù)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓。
作品可展示的形式
- 實物運行展示。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 投資回收期：假設(shè)初投資160萬元，經(jīng)4.5年可回收成本。 經(jīng)濟性分析：沼氣的比價最低，因此用沼氣作為燃料的經(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(xié)會，該協(xié)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?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(diào)設(shè)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(xué)基金委員會的資助下，國內(nèi)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(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結(jié)論只適用于某一具體實驗系統(tǒng)，所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少而不能作為設(shè)計依據(jù)。 近幾年來我國水源熱泵事業(yè)發(fā)展勢頭看好。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)合體開發(fā)出中國品牌的地源熱泵系統(tǒng)，已建成數(shù)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(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣，可以預(yù)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(nèi)外大趨勢；另一方面，我國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展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機。重慶建筑大學(xué)、天津商學(xué)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(xué)院廣州能源研究所等單位還多次召開全國性的有關(guān)熱泵技術(shù)發(fā)展與應(yīng)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(shù)及設(shè)備引進中國市場，這將促進我國地源熱泵的市場化、產(chǎn)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。
