基于太陽能熱泵的LPG氣化系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著環(huán)境問題的日益嚴峻，作為清潔能源的液化石油氣(LPG)和可再生能源的太陽能受到中國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)的補充在國內(nèi)有著大量應(yīng)用，而太陽能熱泵技術(shù)作為太陽能利用的一種較成熟的應(yīng)用方式，近幾十年來得到了迅速發(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，而太陽能熱泵技術(shù)能夠高效地制取中高溫熱水，可作為液態(tài)LPG的氣化熱源?；诮鉀QLPG氣化高能耗問題和拓寬太陽能熱泵技術(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)主要由直膨式太陽能熱泵(DX-SAHP)、蓄熱水箱、輔助熱源及氣化器組成，將太陽能熱泵技術(shù)應(yīng)用到城市燃氣領(lǐng)域，提高了太陽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)方程建立了鋼瓶內(nèi)LPG自然氣化

3、模型。將鋼瓶內(nèi)的氣相LPG和液相LPG分別視為實際氣體和實際溶液，在模型中考慮了由于非共沸混合物的特性導致的LPG成分變化及其對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，對充裝LPG的ysp-50型鋼瓶內(nèi)的LPG自然氣化特性進行了數(shù)值模擬，并通過已有的實驗結(jié)果進行驗證。研究發(fā)現(xiàn)，自然氣化過程中，氣、液兩相LPG的成分瞬時變化，LPG溫度急劇下降后基本維持在一定值，氣相中低沸

4、點成分的減少和溫度的降低導致了LPG壓力的下降。對比模擬結(jié)果和實驗結(jié)果及實際現(xiàn)象，建立的LPG自然氣化模型具備較高的數(shù)值計算精度。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單個鋼瓶的自然氣化能力。同時，進行了居民燃氣用戶用氣量和用氣負荷波動性的分析和計算。該部分工作可以為DX-SAHPV系統(tǒng)的合理設(shè)計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)濟性，利用有限時間熱力學理論建立了DX-SAHP的熱力學模型。

5、以單位成本熱負荷最大為目標函數(shù)，推導出了最佳設(shè)計參數(shù)（如蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、換熱器面積比等）的理論表達式。同時，考察了環(huán)境參數(shù)、換熱器性能參數(shù)、經(jīng)濟性參數(shù)等對DX-SAHP優(yōu)化特性和最優(yōu)設(shè)計參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，DX-SAHP運行時，比供熱率應(yīng)小于單位成本熱負荷最大時對應(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、壓縮機投資和運行成本、集熱面太陽輻射強度、集熱/蒸發(fā)器吸收率

6、和透過率的乘積、負載水溫對DX-SAHP的優(yōu)化特性影響較大，當其它參數(shù)不變，這些參數(shù)分別變化10％時，最佳熱經(jīng)濟性的變化超過2％。
　　根據(jù)LPG自然氣化特性、用戶用氣負荷和氣象條件波動特性，研究了DX-SAHPV系統(tǒng)的六種運行模式和運行原理。以DX-SAHP熱經(jīng)濟性優(yōu)化為基礎(chǔ)，采用年費用最小、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，針對DX-SAHPV系統(tǒng)的供氣要求，建立了系統(tǒng)的多目標優(yōu)化設(shè)計模型。利用該模型分析了

7、系統(tǒng)中DX-SAHP和輔助熱源的最優(yōu)氣化負荷分配、各部分最優(yōu)設(shè)計參數(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)計方法。
　　建立了DX-SAHPV系統(tǒng)的動態(tài)仿真數(shù)學模型，制定了系統(tǒng)中DX-SAHP、輔助熱源和氣化器的啟/停條件，得出各運行模式的控制策略，進而得出不同運行工況下蓄熱水箱數(shù)學模型的具體表達形式。在所建立的LPG自然氣化模型、多目標優(yōu)化設(shè)計、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