基本信息
- 项目名称：
- 沼气机污水源热泵系统研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目旨在设计一个利用沼气驱动沼气发动机，并带动压缩机实现逆向循环来回收污水中含有的大量能源的热泵系统。 沼气工程中存在大量的污水，污水的温度冬暖夏凉，蕴藏着大量的热能。利用沼气作为燃料驱动压缩式热泵运行，回收污水中蕴藏的能量，并设计专门装置回收沼气发动机烟气余热，最终向空调系统提供供暖和制冷用水，取代原有的燃煤供暖和制冷装置，节省能源，保护环境。
- 详细介绍：
- 本作品工艺流程如下：1.将收集到的沼气通入沼气机，沼气机工作带动压缩机工作。2.制冷剂流经压缩机—冷凝器—节流阀—蒸发器—压缩机实现吸放热的一级循环。3.循环水流经冷凝器—水泵—烟气换热器—散热器实现二级循环。本系统具有以下特点：1. 沼气机热泵系统是基于蒸汽压缩循环，用沼气发动机代替了原有热泵系统中的电动机，发动机将燃料的能量直接转换成了压缩机所需要的机械功，避免了电力生产及输送过程的层层转换以及在电动机中的能量转换损失；2. 结合锅炉中省煤器与经济器技术，自主设计了烟气余热换热器，对沼气发动机烟气余热进行二次回收，从而提高能源利用率；3. 将污水中蕴藏的能量回收，为厂区提供空调供暖和制冷水，一机两用，节省设备和机房初投资；4. 有利于环境保护，沼气是一种清洁的燃料，几乎不含粉尘和其它有害物质，在燃烧过程中不产生灰渣，燃烧后的排放物较少，能够减少温室气体及大气污染物的排放总量。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计发明目的： 目前我国正在大力发展沼气工程。至2005年，大中型沼气工程年处理废弃物1.2亿吨，年产沼气约3.4亿立方米。沼气工程中存在大量的污水，污水的温度冬暖夏凉，蕴藏着大量的热能。如果将沼气作为燃料驱动压缩式热泵运行，将污水中的热能进行回收，并设计专门装置回收沼气发动机烟气余热，则可以提供空调系统用供暖和制冷水，取代原有的燃煤供暖和制冷装置，节省能源，保护环境。鉴于此，本项目旨在设计一套压缩式热泵系统，以污水作为低位热源，利用沼气发动机驱动热泵运行，同时利用余热回收装置来回收沼气发动机尾气的余热，提高一次能源利用效率，实现各种资源的综合利用。 基本思路： 1. 沼气机热泵系统方案设计；2.沼气机热泵系统技术经济和环境评价；3.沼气机热泵系统热力计算；4.沼气机热泵系统各部件设计；5.制作实物模型进行演示实验。 创新点： 1.应用沼气机代替电力机节约了一级能源，具有很高的一次能源利用效率；2.因地制宜利用产生的沼气和排放的污水，可实现资源的循环利用，提高能源的利用效率，减少环境污染。3.压缩机选用汽车空调压缩机,很好的适应沼气发动机工作特性不稳定情况。 关键技术：沼气机和压缩机的工况匹配 技术指标：整个系统的供热性能系数COP>=3
科学性、先进性
- 热泵技术是比较成熟的节能技术，根据现有污水厂的数据证明，冬季污水温度约为14-15℃，夏季污水温度在20℃左右，因此可作为热泵良好的低位热源。沼气的主要成分是甲烷，其热值较高，是发动机良好的燃料。因此整套系统在理论上是可行的，也是遵循热力学能量梯级利用原理的。 与现有技术相比，沼气机污水源热泵系统具有明显的节能性。与电动热泵相比，燃气热泵由于采用沼气机直接带动压缩机运行，没有电力生产、传输以及电动机等环节的能量损失，燃料的化学能燃烧转化为机械能直接被压缩机利用，通过气缸壁面和排气损失的部分热能可以被回收用于进一步加热热水、提供生活热水或加热制冷剂。因此在一次能源利用率方面，燃气机热泵具有明显优势。与燃煤锅炉、燃气锅炉、沼气锅炉或直燃型吸收式机组、电动压缩式热泵相比，燃气机热泵的一次能源利用率可分别提高110％、75％和33％以上。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品在今年的校“节能减排大赛”和“五四杯”比赛中分获一二等奖。
作品所处阶段
- 实验台已制作完毕，可运行采集数据。
技术转让方式
- 专利转让。
作品可展示的形式
- 实物运行展示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 投资回收期：假设初投资160万元，经4.5年可回收成本。 经济性分析：沼气的比价最低，因此用沼气作为燃料的经济效益显著取沼气机热效率40%，传动效率0.95，燃烧1m³沼气，用沼气机热泵和沼气发电机产出能量比较可以提高能源利用率23.5%。 每天按运行10小时计算，冷凝器放热14400MJ热量，烟气换热器中吸收的热量28800MJ热量，若用燃煤锅炉供热，则需要54000MJ的标准煤（锅炉效率按80%计算），耗煤2.12t/d（煤的热值按25435kJ/kg算），每年要花费50.8万元（每年按300天计算），选用沼气机热泵就可以节约这部分投入。
同类课题研究水平概述
- 美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元。与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。目前，水源热泵在法国和美国发展较快，在瑞典、奥地利、荷兰、日本等国家也得到了很好的发展。在挪威，销量也以惊人的速度在增长，由2001年6 500台套增至2002年的15000台套，2003年，其政府采取对“所有新的空调设备的安装有650欧元的补贴”措施，因此，水源热泵销量的增长仍然可观。 我国的水源热泵事业较国外起步较晚，自上世纪90年代初期以来，在国家自然科学基金委员会的资助下，国内开始对土壤源热泵的探索性研究，但在如何有效地降低系统初投资、保证系统的可靠运行等方面的研究一直没有突破。。由于缺乏对埋地换热器在土壤中复杂的传热、传质综合传递过程的深入研究，使得这些结论只适用于某一具体实验系统，所提供的基础数据较少而不能作为设计依据。 近几年来我国水源热泵事业发展势头看好。天津大学、清华大学分别与有关企业结成产学研联合体开发出中国品牌的地源热泵系统，已建成数个示范工程，越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣，可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。一方面是要节约常规能源、充分利用可再生能源的国内外大趋势；另一方面，我国具有较好的热泵科研与应用的基础，早在50年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。重庆建筑大学、天津商学院等单位对地下埋盘管的地源热泵也进行了多年的研究。在中国科学院广州能源研究所等单位还多次召开全国性的有关热泵技术发展与应用的专题研讨会。与此同时，科技部委托的中国企业公司正酝酿将美国的地源热泵技术及设备引进中国市场，这将促进我国地源热泵的市场化、产业化的发展，并使我国地源热泵的研究开发尽快跟上国际潮流。
