基于太陽能熱泵的LPG氣化系統(tǒng)研究

【摘要】：隨著常規(guī)能源的日漸枯竭和環(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管道集中供應作為天然氣管網的補充在國內有著大量應用,而太陽能熱泵技術作為太陽能利用的一種較成熟的應用方式,近幾十年來得到了迅速發(fā)展。在LPG管道集中供應系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的LPG氣化方式能耗高,而太陽能熱泵技術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應用領域的思想,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,將太陽能熱泵技術應用到城市燃氣領域,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LPG自然氣化模型。將鋼瓶內的氣相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、密度等物性參數的影響。以此為基礎,在給定初始液相LPG成分和外界參數的條件下,對充裝LPG的ysp-50型鋼瓶內的LPG自然氣化特性進行了數值模擬,并通過已有的實驗結果進行驗證。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。對比模擬結果和實驗結果及實際現(xiàn)象,建立的LPG自然氣化模型具備較高的數值計算精度。在自然氣化模擬的基礎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)的合理設計與性能研究提供客觀依據。為了使DX-SAHP具有良好的熱經濟性,利用有限時間熱力學理論建立了DX-SAHP的熱力學模型。以單位成本熱負荷最大為目標函數,推導出了最佳設計參數(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、換熱器性能參數、經濟性參數等對DX-SAHP優(yōu)化特性和最優(yōu)設計參數的影響。研究結果表明,DX-SAHP運行時,比供熱率應小于單位成本熱負荷最大時對應的比供熱率值,以避免DX-SAHP的供熱性能系數和熱經濟性出現(xiàn)惡化；內不可逆性、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,當其它參數不變,這些參數分別變化10%時,最佳熱經濟性的變化超過2%。根據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熱經濟性優(yōu)化為基礎,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)化設計模型。利用該模型分析了系統(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)設計參數和最優(yōu)輔助熱源形式,制定了DX-SAHPV系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法。建立了DX-SAHPV系統(tǒng)的動態(tài)仿真數學模型,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)化設計、系統(tǒng)仿真模型及控制策略基礎上,以規(guī)模為1000戶居民的住宅小區(qū)為供氣對象,深入研究了DX-SAHPV系統(tǒng)在北京地區(qū)的全年動態(tài)運行性能。此外,改變應用地區(qū)的地理參數和氣象條件,模擬預測分析了系統(tǒng)在全國幾個不同太陽能資源等級典型地區(qū)的運行性能。 【關鍵詞】：太陽能熱泵 液化石油氣 直膨式 氣化 優(yōu)化設計 運行特性
【學位授予單位】：華北電力大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU83
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 緒論16-33
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義16-20
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀分析20-31
• 1.2.1 LPG氣化的研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.2 DX-SAHP技術研究現(xiàn)狀22-30
• 1.2.3 國內外研究LPG氣化和DX-SAHP技術的現(xiàn)狀總結30-31
• 1.3 本文的主要工作31-33
• 第2章 LPG自然氣化及供氣量計算33-55
• 2.1 引言33
• 2.2 LPG自然氣化的理論研究33-45
• 2.2.1 LPG自然氣化現(xiàn)象33
• 2.2.2 LPG自然氣化模型33-42
• 2.2.3 LPG自然氣化模型求解及驗證42-45
• 2.3 LPG自然氣化能力的確定45-48
• 2.3.1 定用氣量時鋼瓶的自然氣化能力46-47
• 2.3.2 變用氣量時鋼瓶的自然氣化能力47-48
• 2.4 供氣量計算48-54
• 2.4.1 LPG年用氣量48-49
• 2.4.2 燃氣全年需用工況49-51
• 2.4.3 小時計算流量及逐時用氣量51-54
• 2.4.4 鋼瓶數量的確定54
• 2.5 本章小結54-55
• 第3章 直膨式太陽能熱泵的熱力學優(yōu)化55-69
• 3.1 引言55
• 3.2 DX-SAHP熱力學模型的建立55-60
• 3.3 DX-SAHP優(yōu)化設計參數的確定60-61
• 3.4 DX-SAHP優(yōu)化特性及最優(yōu)設計參數的影響因素分析61-67
• 3.4.1 氣象條件的影響61-63
• 3.4.2 負載水溫的影響63-64
• 3.4.3 集熱/蒸發(fā)器性能參數的影響64-65
• 3.4.4 冷凝器傳熱系數的影響65-66
• 3.4.5 內不可逆性的影響66
• 3.4.6 經濟性參數的影響66-67
• 3.5 本章小結67-69
• 第4章 DX-SAHPV系統(tǒng)運行模式及多目標優(yōu)化設計69-89
• 4.1 引言69
• 4.2 系統(tǒng)運行模式69-71
• 4.3 系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計模型的建立71-79
• 4.3.1 決策變量71-72
• 4.3.2 目標函數72-78
• 4.3.3 約束條件78-79
• 4.3.4 模型形式79
• 4.4 基于NSGA-Ⅱ和多屬性決策的DX-SAHPV系統(tǒng)優(yōu)化設計79-86
• 4.4.1 多目標優(yōu)化問題求解算法概述79-80
• 4.4.2 NSGA-Ⅱ算法的優(yōu)化原理80-83
• 4.4.3 多屬性決策83-86
• 4.5 系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計86-88
• 4.6 本章小結88-89
• 第5章 DX-SAHPV系統(tǒng)數學模型和運行控制策略研究89-104
• 5.1 引言89
• 5.2 系統(tǒng)部件的結構設計89
• 5.3 系統(tǒng)數學模型的建立89-98
• 5.3.1 DX-SAHP模型90-97
• 5.3.2 蓄熱水箱模型97-98
• 5.3.3 氣化器模型98
• 5.3.4 輔助熱源模型98
• 5.4 DX-SAHP模型的計算方法98-101
• 5.4.1 離散和迭代求解方法98-99
• 5.4.2 DX-SAHP模型的計算流程99-101
• 5.5 系統(tǒng)運行模式間的轉換控制101-102
• 5.5.1 DX-SAHP的啟/?？刂品桨?/span>101
• 5.5.2 氣化器的啟/停控制方案101
• 5.5.3 輔助熱源的啟/?？刂品桨?/span>101-102
• 5.5.4 系統(tǒng)運行控制策略102
• 5.6 本章小結102-104
• 第6章 DX-SAHPV系統(tǒng)的數值仿真和運行性能分析104-124
• 6.1 引言104
• 6.2 系統(tǒng)運行工況104-106
• 6.2.1 單純自然氣化104-105
• 6.2.2 自然氣化同時強制氣化105-106
• 6.3 系統(tǒng)模擬框圖106-108
• 6.4 系統(tǒng)數值仿真所用參數108-110
• 6.5 系統(tǒng)數值仿真運行特性分析110-118
• 6.6 系統(tǒng)在其它地區(qū)運行性能預測118-122
• 6.7 本章小結122-124
• 第7章 結論與展望124-127
• 7.1 本文研究工作的總結124-125
• 7.2 本文的創(chuàng)新點125-126
• 7.3 后續(xù)工作展望126-127
• 參考文獻127-137
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果137-139
• 攻讀博士學位期間參加的科研工作139-140
• 致謝140-141
• 作者簡介141

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