基于太陽(yáng)能熱泵的LPG氣化系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，作為清潔能源的液化石油氣(LPG)和可再生能源的太陽(yáng)能受到中國(guó)政府的日益重視和青睞。LPG管道集中供應(yīng)作為天然氣管網(wǎng)的補(bǔ)充在國(guó)內(nèi)有著大量應(yīng)用，而太陽(yáng)能熱泵技術(shù)作為太陽(yáng)能利用的一種較成熟的應(yīng)用方式，近幾十年來(lái)得到了迅速發(fā)展。
　　在LPG管道集中供應(yīng)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的LPG氣化方式能耗高，而太陽(yáng)能熱泵技術(shù)能夠高效地制取中高溫?zé)崴?，可作為液態(tài)LPG的氣化熱源。基于解決LPG氣化高能耗問(wèn)題和拓寬太陽(yáng)能熱泵技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

2、的思想，我們提出了一種新型的基于太陽(yáng)能熱泵的LPG氣化(Direct Expansion Solar Assisted Heat Pump Vaporization，DX-SAHPV)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由直膨式太陽(yáng)能熱泵(DX-SAHP)、蓄熱水箱、輔助熱源及氣化器組成，將太陽(yáng)能熱泵技術(shù)應(yīng)用到城市燃?xì)忸I(lǐng)域，提高了太陽(yáng)能熱泵的全年利用率。
　　本文利用熱量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、氣液相平衡原理和SRK狀態(tài)方程建立了鋼瓶?jī)?nèi)LPG自然氣化

3、模型。將鋼瓶?jī)?nèi)的氣相LPG和液相LPG分別視為實(shí)際氣體和實(shí)際溶液，在模型中考慮了由于非共沸混合物的特性導(dǎo)致的LPG成分變化及其對(duì)LPG溫度、壓力、氣化潛熱、密度等物性參數(shù)的影響。以此為基礎(chǔ)，在給定初始液相LPG成分和外界參數(shù)的條件下，對(duì)充裝LPG的ysp-50型鋼瓶?jī)?nèi)的LPG自然氣化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，自然氣化過(guò)程中，氣、液兩相LPG的成分瞬時(shí)變化，LPG溫度急劇下降后基本維持在一定值，氣相中低沸

4、點(diǎn)成分的減少和溫度的降低導(dǎo)致了LPG壓力的下降。對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際現(xiàn)象，建立的LPG自然氣化模型具備較高的數(shù)值計(jì)算精度。在自然氣化模擬的基礎(chǔ)上確定了定用氣量和變用氣量時(shí)單個(gè)鋼瓶的自然氣化能力。同時(shí)，進(jìn)行了居民燃?xì)庥脩粲脷饬亢陀脷庳?fù)荷波動(dòng)性的分析和計(jì)算。該部分工作可以為DX-SAHPV系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與性能研究提供客觀依據(jù)。
　　為了使DX-SAHP具有良好的熱經(jīng)濟(jì)性，利用有限時(shí)間熱力學(xué)理論建立了DX-SAHP的熱力學(xué)模型。

5、以單位成本熱負(fù)荷最大為目標(biāo)函數(shù)，推導(dǎo)出了最佳設(shè)計(jì)參數(shù)（如蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、換熱器面積比等）的理論表達(dá)式。同時(shí)，考察了環(huán)境參數(shù)、換熱器性能參數(shù)、經(jīng)濟(jì)性參數(shù)等對(duì)DX-SAHP優(yōu)化特性和最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，DX-SAHP運(yùn)行時(shí)，比供熱率應(yīng)小于單位成本熱負(fù)荷最大時(shí)對(duì)應(yīng)的比供熱率值，以避免DX-SAHP的供熱性能系數(shù)和熱經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)惡化;內(nèi)不可逆性、單位面積換熱器投資成本、壓縮機(jī)投資和運(yùn)行成本、集熱面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、集熱/蒸發(fā)器吸收率

6、和透過(guò)率的乘積、負(fù)載水溫對(duì)DX-SAHP的優(yōu)化特性影響較大，當(dāng)其它參數(shù)不變，這些參數(shù)分別變化10％時(shí)，最佳熱經(jīng)濟(jì)性的變化超過(guò)2％。
　　根據(jù)LPG自然氣化特性、用戶用氣負(fù)荷和氣象條件波動(dòng)特性，研究了DX-SAHPV系統(tǒng)的六種運(yùn)行模式和運(yùn)行原理。以DX-SAHP熱經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化為基礎(chǔ)，采用年費(fèi)用最小、一次能源節(jié)省率最大和全球變暖影響指數(shù)最小作為優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)DX-SAHPV系統(tǒng)的供氣要求，建立了系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。利用該模型分析了

7、系統(tǒng)中DX-SAHP和輔助熱源的最優(yōu)氣化負(fù)荷分配、各部分最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)和最優(yōu)輔助熱源形式，制定了DX-SAHPV系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　建立了DX-SAHPV系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，制定了系統(tǒng)中DX-SAHP、輔助熱源和氣化器的啟/停條件，得出各運(yùn)行模式的控制策略，進(jìn)而得出不同運(yùn)行工況下蓄熱水箱數(shù)學(xué)模型的具體表達(dá)形式。在所建立的LPG自然氣化模型、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真模型及控制策略基礎(chǔ)上，以規(guī)模為1000戶居民的住宅小區(qū)為供氣