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燃气热泵技术及其应用
 
慧聪网   2005年12月7日10时0分   信息来源:杭州机电网上商城    

    论文摘要:介绍燃气热泵的工作原理及应用情况,说明燃气热泵可以缓解电力紧张状况,调节燃气用量的季节不均匀性,并有利于节约能源,保护环境。

    作者:焦文玲(哈尔滨建筑大学热能系,哈尔滨150008)

         胥杰(哈尔滨燃气化工集团总公司 ,哈尔滨150008)

         中图分类号 TU996.79 TK511.2

    1 引  言

    从最新的能源预测报告中可以看出,2030年的能源消费量几乎是目前的2倍(见表1),占能源20 %以上的天然气的消费量也在同步增长(见表2)。而我们这样的发展中国家,由于人口的增长和大量耗能工业生产装置的建立,预计能源消费量将急剧增长。

表1 全球能源消费量预测

年代
消费量 EJ
1992
326
2010
450
2030
610

表2 全球天然气消费量预测

年代
消费量 EJ
1992
75
2000
96
2010
114
2030
130

    由此引发的就是环保问题,为预防和减少空气污染,许多国家对燃烧设备都制定了污染排放的严格限制(见表3),气态燃料的排放限度比煤或石油要严格,这正是气态燃料的优势所在。

表3 大型燃烧设备排放极限

 
排放极限(mg/m3
燃烧
SO2
NOX
粉尘
固态
400~2 000
650
50~100
液态
400~1 700
450
50
气态
35
350
5

    本文试图通过介绍燃气热泵的工作原理及应用,以推动燃气热泵在我国的发展,达到节约能源,保护环境的目的。

    2 燃气热泵的工作原理

    2.1 热泵工作原理

热泵图一

图1 热泵的工作温度范围

    热泵的工作原理同制冷机相同,都是按热机的逆循环工作。根据热力学第二定律,当以消耗高位能W作为补偿条件时,就可以从低温热源吸取Q1热量转移给高温热源Q2热量,如图1所示。热泵是吸取环境温度下的热量而向高温热源供热,或者向相对的高温热源──环境放热,而制造低温的冷环境(制冷),或者可以同时实现制冷兼供热之目的。

    一台最简单的蒸气压缩式热泵是由压缩机冷凝器、节流阀、蒸发器组成,其工作原理如图2所示。

热泵图二

图2 蒸气压缩式热泵的工作原理

    热泵的驱动装置,原则上各种发动机都可以,比如电动机、燃料发动机、外燃机,但是,它们所能消耗的能源其价值是不一样的,评价能源的价值时,既要看其数量,又要看其质量,能量按其质量可分为高位能和低位能两种。

    从理论上讲,我们可以用制热性能系数εh来评价热泵系统的性能:

热泵图三

    但考虑到能源的质量,用能源利用系数来评价热泵的节能效果才更合理。能源利用系数E定义为供热量与消耗的初级能源之比。

    热泵的低温热源可以是空气、井水、海水、土壤热、太阳能等,热泵的优点在于它有效地利用了这些低温热源的能量,在消耗一定数量的高位能的情况下,供出的热量却是消耗的高位能和吸取的低位热量的总和,因此节约了高位能,特别是对于某些工业部门(如肉类加工厂)中,工艺上同时需要供冷和供热的场合,运用热泵装置就显得更为经济合理。

    2.2 燃气热泵

    用燃气发动机驱动的燃气热泵,具有热泵本身的一切优势,而且还兼有燃气燃烧污染物排放少的特点;另外燃气发动机的效率又较高,一般都在30 %以上(高于发电的总效率27 %),如果充分利用这种燃气发动机的排气、气缸冷却水套的废热,就能得到比较高的能源利用系数。比如:电能驱动热泵的能源利用系数E=η1η2εh,火力发电的效率η1=0.3,输配电的效率η2=0.9,εh取3,则E=0.81。而燃气驱动热泵,热机效率η=0.37,εh=3,则E=0.37×3=1.11,再考虑水套废热的利用46 %,则E=1.11+0.46=1.57。

    近年来发展较快的燃气吸收式热泵,是热泵的另一种驱动形式,它是以消耗热能加热吸收剂来完成这种使热量由低温热源传递给高温热源的非自发过程。

    3 燃气热泵的应用

    在工业发达国家中,建筑物(包括住宅和商业楼)中约有80%的耗能量(约占总耗量的26.6%)用于采暖、空调与热水供应中。当有较合适的低位热源时,用燃气热泵替代能量利用系数不高的锅炉房供热和电器空调,是保护环境、缓解电力紧张的得力措施,这在世界上许多国家已成为事实。

    目前,国内在建筑物中用得最多的是空气热源热泵。这种热泵型房间空调器有整体式和分离式。分离式热泵型房间空调器分室内、室外两部分,通过换向阀的变换在冬季实现制热循环,在夏季实现制冷循环。该型空调器安装方便,自动化程度高,操作简便。

    国外早在七十年代就已研制成功类似的用燃气机驱动的空气──空气热泵机组,它可为住宅供冷、采暖、供应热水。

    我国已投入运行的燃气直燃型吸收式冷温水机,同样兼有制冷和采暖,它以溴化锂浓溶液作吸收剂,吸收制冷剂──水,属非氟设备,被誉为绿色空调。该机组振动小,噪声低,运行简单,维修方便。

    目前,国外的燃气热泵已有了广泛的市场。居民用天然气引擎制动热泵在美国已经商业化。在效率、可靠性、舒适性等方面有优势,并已证明结构临界寿命可以达到15年。英国在控制空气湿度方面的研究也取得了突破性的进展,研制的燃气降湿轮被分为两个区段。一个区段吸收潮湿空气,另一个区段使燃气加热的干空气加热干燥剂,这种连续的运转,显著地降低了传统降低湿含量的运行费用。

    4 结  论

    (1) 热泵是一种靠高位能拖动,迫使热量从低位热源流向高位热源的装置,它合理地使用了高位能源,又利用了取之不尽,用之不竭的低位能源,显然是节约能源的。

    (2) 使用燃气热泵能缓解城市电力紧张的状况。我国电力仍相当紧张,合理用能,减轻电力负担这将是我国的长期政策。

    (3) 我国的燃气供应,特别是天然气供应有了长足的发展,它为燃气热泵的开发与利用提供了先决条件,同时燃气热泵的使用有利于燃气供需矛盾的解决。

    (4) 在下一个世纪初,我国的能源需求量将迅速增长,我国应积极投入力量,进行燃气热泵的研制和开发,国家还应制定一些有利燃气热泵推广使用的政策,使这一节约能源,保护环境的技术能在我国发挥同样重要的作用。

TECHNOLOGY AND APPLICATION FOR GAS HEAT PUMP

Jiao Wenling Xu Jie
(Dept. of Thermocal Energy, Haerbin Architect University, Haerbin 150008, China)

    ABSTACT This article introduces the work principle and application for gas heat pump, recounts that developing of gas heutpumpcould mitigrate electricityintense conditions, regulates seasonal gas, but also benefits for saving energy sources, protects surroundings.
KEY WORDS gas heat pump, principle, application

 
作者:焦文玲 胥杰 
 
 
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