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直膨式热泵型烟气余热回收系统实验研究

直膨式热泵型烟气余热回收系统实验研究

作者：王明爽北京建筑大学

学位级别：硕士

中国已经成为世界上第一大化石能源消费国家,伴随着经济突飞猛进的发展,不可避免的产生了资源用量消耗过大的现象,不合理的能源利用模式所带来的环境影响显现出来。因此,我国政府积极采取措施减少碳排放,倡导“绿色经济增长”的发展理... 详细信息

中国已经成为世界上第一大化石能源消费国家,伴随着经济突飞猛进的发展,不可避免的产生了资源用量消耗过大的现象,不合理的能源利用模式所带来的环境影响显现出来。因此,我国政府积极采取措施减少碳排放,倡导“绿色经济增长”的发展理念。在京津冀地区,“控制煤炭消费总量,推动能源利用清洁化”的“煤改气”工程开始逐步加速实施,燃气锅炉得到广泛应用。截至2016年底,北京市在用燃气锅炉达到9635座,占全市供热锅炉总量的80%以上。常规燃气热水锅炉的排烟温度为150-200℃,其供热效率约为90%左右,具有很大的热量回收空间,尤其是冷凝潜热的回收。因此,对于燃气锅炉的余热回收技术研究有着重要的意义。为了利用回水温度为50℃左右的热水管网对中小型烟气锅炉(10 kW-10 MW)进行深度烟气余热回收,本课题以直膨式热泵型烟气余热回收技术为研究对象,通过实验的方法探究直膨式热泵型烟气余热回收系统的余热回收效果,并对其影响因素进行分析。根据直膨式热泵应用于烟气中存在的烟道温度高、可利用空间小、热网回水温度高三个特点,从工质、压缩机、直膨式蒸发器、换热器四个方面介绍直膨式热泵系统的设计方法。详细介绍了直膨式热泵型烟气余热回收系统实验台的工作原理、核心装置设计过程、实验台实验方案、测试系统,确定以系统烟气余热回收效果和直膨式热泵运行能效为指标的系统性能评价标准用于评价直膨式热泵型烟气余热回收系统的实际运行效果。通过实验的方法分析余热回收系统进口水温、余热回收系统水流量对系统余热回收效果及直膨式热泵COP的影响。结果表明,直膨式热泵型烟气余热回收系统具有较好的余热回收效果。在本实验中的不同工况下,直膨式热泵型烟气余热回收系统的燃气利用效率在13%-18%之间,最低出口排烟温度可达19℃,余热回收出口水温最高为77℃。与普通锅炉相比,直膨式热泵型烟气冷凝锅炉系统热效率提高了15.8%,节能率提高了7.2%。与常规热泵型烟气冷凝锅炉相比,直膨式热泵型烟气冷凝锅炉系统热效率提高了5.4%,节能率提高了2.8%。同时,直膨式热泵型烟气冷凝锅炉的投资回收年限为1.42年,每年约产出97.69吨冷凝水,在节能、经济、环保方面均具有明显的优势。

关键词：燃气锅炉直膨式热泵烟气深度余热回收

基于直膨式热泵技术的燃气锅炉烟气余热深度利用

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工业锅炉 2021年第5期 32-36页

作者：刘丽红何争艳罗武生喻胜飞田斌胡文凤湖南省特种设备检验检测研究院湖南长沙410111 中南林业科技大学湖南长沙410004

针对燃气锅炉烟气含有较高水分的特点,计算不同排烟温度下烟气释放的显热和潜热及可预热的锅炉给水量和助燃空气量,提出了采用直膨式热泵技术的烟气余热深度利用方法,以及不同冷凝温度和蒸发温度时的供热效率,为燃气锅炉的余热深度利用... 详细信息

针对燃气锅炉烟气含有较高水分的特点,计算不同排烟温度下烟气释放的显热和潜热及可预热的锅炉给水量和助燃空气量,提出了采用直膨式热泵技术的烟气余热深度利用方法,以及不同冷凝温度和蒸发温度时的供热效率,为燃气锅炉的余热深度利用系统设计提供了理论计算依据。

关键词：燃气锅炉烟气余热直膨式热泵汽化潜热

新型光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵性能

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化工学报 2020年第S01期71卷 368-374页

作者：杜伯尧全贞花侯隆澍赵耀华任海波北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室北京100124

以平板热管(微热管阵列)为核心部件,设计了一种新型太阳能光伏/空气集热蒸发器并建立了光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵系统,实现全年供热水、冬季供热、夏季供冷以及全年光伏发电的功能。对北京地区3月至5月天气条件下的热泵系统... 详细信息

以平板热管(微热管阵列)为核心部件,设计了一种新型太阳能光伏/空气集热蒸发器并建立了光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵系统,实现全年供热水、冬季供热、夏季供冷以及全年光伏发电的功能。对北京地区3月至5月天气条件下的热泵系统性能进行不同运行模式(S、SA以及A模式)的实验研究。实验结果表明,在典型工况下S、SA与A模式的多能互补系统COPs分别为4.8、4.2与3.8,综合效率分别为109.7%、125.9%、32.4%,即在有太阳辐照的条件下,S与SA模式下多能互补系统性能优于A模式。该新型光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵系统性能优良,研究结果为该系统应用提供了基础数据支撑。

关键词：微热管阵列微通道太阳能直膨式热泵多能互补再生能源

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直膨式太阳能热泵干燥系统的性能及优化

直膨式太阳能热泵干燥系统的性能及优化

作者：刘硕楠山东大学

学位级别：硕士

干燥行业涉及到人们生产生活的众多领域,它是食品、农副产品、药品、木制品等行业中十分重要的生产环节,干燥过程需要消耗大量能源,在国民经济总能耗中,干燥行业能耗占比达到12%左右。目前干燥领域大部分采用煤炭、电、天然气等能源,存... 详细信息

干燥行业涉及到人们生产生活的众多领域,它是食品、农副产品、药品、木制品等行业中十分重要的生产环节,干燥过程需要消耗大量能源,在国民经济总能耗中,干燥行业能耗占比达到12%左右。目前干燥领域大部分采用煤炭、电、天然气等能源,存在干燥能耗大、干燥产品经济效益低等问题,因此如何提高干燥系统的能效具有很重要的意义。本文基于太阳能利用的节能环保干燥系统,搭建了直膨式太阳能热泵干燥系统,分别从理论分析、实验测试、优化评价等方面展开研究。主要研究工作内容如下:（1）为了探究热泵与太阳能联合使用时的干燥特性,设计出合理的物料干燥特性曲线,对干燥过程中所涉及到的传热传质机理进行了理论研究。分析得出物料中的水分类型主要包括机械结合水、物理化学结合水和化学结合水三类。影响干燥速率的主要因素包括外部环境条件和物料内部条件两大方面,控制好干燥介质的温度、湿度和流动速度,合理选择物料的尺寸和堆放方式等都是提高干燥速率的有效途径。（2）本研究搭建了直膨式太阳能热泵干燥系统,对干燥系统的部件构成及基本工作原理进行了阐述,通过实验研究揭示了环境温度、太阳能辐射强度和压缩机运行频率等参数对系统效率的影响规律。干燥室内空气的温度和相对湿度是影响干燥效果最主要的因素,两者基本呈现相反的变化趋势,具有明显的负相关性。热泵制热性能系数（COP）和干燥室内温度的变化趋势一致性较高,热泵COP的大小在一定程度上反映了干燥系统的干燥效果和能力,影响热泵COP大小的因素包括压缩机运行频率、太阳能辐射强度及室外环境温度。（3）为了提高太阳能的利用率,针对不同季节和气候条件制定了四种不同的干燥模式,对比分析了不同干燥模式下的系统性能。研究表明,典型气候条件下热泵系统的平均制热性能系数（COP）变化范围为1.92～6.01,夏季太阳能辅助热泵间歇运行干燥（SAHPD）模式下的平均COP最高,达到6.01,高于常规闭式热泵干燥系统的COP。系统运行过程中无结霜现象,干燥室内空气温度保持在40℃以上,系统的单位能耗除湿率（SMER）为0.123 kg/kW·h。（4）为了测试系统的实用性能,以香菇为物料进行了干燥实验,并从色泽、质地、风味等方面对不同干燥模式下的香菇产品进行感官评价,对比分析表明,太阳能辅助热泵间歇运行干燥（SAHPD）模式下的香菇综合评分最高,为92.5分。另外,对香菇干燥实验数据进行了干燥动力学分析,对比分析了7种干燥模型的拟合结果,对于直膨式太阳能热泵干燥系统,最佳的香菇干燥动力学模型是Page 模型,R2 值为 0.996,RMSE 值为 0.0211。本文研究结果表明,直膨式太阳能热泵干燥系统在降低干燥能耗、提高干燥品质等方面具有较大的应用潜力,本文研究可以为高效节能太阳能热泵联合干燥系统的研发设计和优化运行提供参考依据。

关键词：直膨式热泵太阳能利用干燥特性动力学模型

直膨式太阳能—空气复合热源热泵热水器的性能优化研究

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直膨式太阳能—空气复合热源热泵热水器的性能优化研究

作者：赵伟强东南大学

学位级别：硕士

太阳能的开发利用对于我国经济社会可持续发展具有重要战略意义。直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器将太阳能热利用与空气源热泵技术相结合,可同时吸收太阳辐射能和空气中的热量,能够有效克服太阳辐射能流密度低和波动大的缺点,大大... 详细信息

太阳能的开发利用对于我国经济社会可持续发展具有重要战略意义。直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器将太阳能热利用与空气源热泵技术相结合,可同时吸收太阳辐射能和空气中的热量,能够有效克服太阳辐射能流密度低和波动大的缺点,大大提高系统运行时的制热效率和稳定性,具有较好的全年综合运行性能,是太阳能高效利用的有效途径。但目前这种系统的结构型式以及运行控制等仍有待进一步优化以提高系统性能。本文主要围绕复合热源热泵热水器的运行特性、部件优化、性能影响因素分析以及运行控制优化等方面展开实验研究和模拟分析。首先,对直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器实验装置的集热/蒸发器结构型式进行改进,并通过实验研究,分析了系统在不同天气条件下的运行特性。结果表明,系统在不同天气条件下均能够可靠地制取120L、温度为55℃的生活热水,且在不同的天气条件下,系统将以不同的模式运行。分析还发现,现有装置中使用的热力膨胀阀难以满足流量控制要求,有待进一步改进。其次,将MEMS思服阀流体智控系统应用于实验装置上,对集热/蒸发器的过热度控制进行了实验研究,并与采用热力膨胀阀的装置进行对比分析。为了更好地实现部件之间的容量匹配,为系统配置了变频控制器和变频压缩机,对改进后的实验装置进行了一系列实验测试,所得结果可为系统的变工况运行控制提供实验依据。再次,建立了直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器的数学模型并用实验数据加以验证。利用验证过的模型进一步分析了各参数对系统性能的影响,为系统运行控制策略的制定提供理论依据。最后,根据太阳辐射强度和环境温度的变化,制定了不同工况下系统运行策略,并用实验检测变容量控制策略的控制效果。结合南京地区典型气象年的气象参数,对系统在变容量模式下和定容量模式下运行时的性能状况进行全年对比分析。结果表明,相比定容量模式,系统在变容量模式下的COP全年平均增长49.27%,耗电量平均下降29.73%,全年能源消耗效率增长37.29%,节能效果显著。

关键词：太阳能直膨式热泵复合热源热泵热水器性能优化

带有涂层蒸发器的直膨式太阳能热泵系统的实验研究

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带有涂层蒸发器的直膨式太阳能热泵系统的实验研究

作者：赵方亮中国科学技术大学

学位级别：硕士

当前,家用空调成为家庭用电的主要电器,其耗电量在家庭用电总量中占有最大的比例。然而,空调器在冬季工况运行时,其制热效率往往受到外界环境的制约,导致其效率不高,造成电能的浪费。因此如何使得空调器在低温环境下稳定运行以及获得较... 详细信息

当前,家用空调成为家庭用电的主要电器,其耗电量在家庭用电总量中占有最大的比例。然而,空调器在冬季工况运行时,其制热效率往往受到外界环境的制约,导致其效率不高,造成电能的浪费。因此如何使得空调器在低温环境下稳定运行以及获得较高的COP是当前的研究课题之一。在本文中,作者将太阳能引入到室外蒸发器的换热中,构成一种新型结构的直膨式太阳能热泵(Direct Expansion Solar Assisted Heat Pump,简称DX-SAHP)。为了能够直接利用太阳能,设计并加工两块带有涂层的蒸发器,以及与其做对照的光板蒸发器。由于该系统的蒸发器能够直接吸收太阳能改善低温环境下蒸发器的换热,提高DX-SAHP系统的制热COP。为研究该系统在低温工况下的制热性能和蒸发器的换热性能,本文在带有太阳能模拟器的焓差实验室中进行了相关的实验。通过对不同工况下DX-SAHP系统进行实验,并对其实验结果进行分析。本文的研究工作主要有以下两个方面：(1)设计并加工蒸发器以及构建热泵部件模型。在分析了原有热泵空调系统各参数的基础上,设计并加工用于作对比实验的光板蒸发器和涂层蒸发器(各两块),并对系统所需制冷剂的充注量做了相关的计算。为保证涂层蒸发器有足够的面积,本文采用了单排管蒸发器。其尺寸和结构则参照原有热泵的蒸发器进行设计计算,在验证涂层蒸发器的换热系数能够满足实验要求后,本文采用翅片间距为2mm的蒸发器作为实验所用的蒸发器。此外,为对热泵系统的理论作进一步的了解,在实验前期构建各部件的理论模型,为实验模拟和分析提供理论基础。(2)搭建实验测试平台并对不同工况下的热泵系统进行制热性能以及涂层蒸发器的换热性能进行实验研究。在带有太阳能模拟器的焓差实验室中搭建了此次实验测试平台。该测试平台具有两种运行模式：常规热泵运行模式和太阳能热泵运行模式。本次实验主要对低温高湿工况下,两种运行模式下的热泵系统在进行实验测试,并将实验结果进行分析。

关键词：太阳能涂层蒸发器直膨式热泵制热性能

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直膨式太阳能热泵系统的设计要点及应用探讨

洁净与空调技术 2021年第3期 92-93页

作者：郑健安利娟王连平冯丽敏薛慧苏道帅山东桑乐集团有限公司

直膨式太阳能热泵系统是一种太阳能和热泵技术结合的互补优势能源利用的有效方式,但系统实际应用中会出现问题。针对直膨式太阳能热泵在实际应用过程中存在功率匹配性差、性能不稳定等问题,通过对直膨式太阳能热泵技术的国内外研究和应... 详细信息

直膨式太阳能热泵系统是一种太阳能和热泵技术结合的互补优势能源利用的有效方式,但系统实际应用中会出现问题。针对直膨式太阳能热泵在实际应用过程中存在功率匹配性差、性能不稳定等问题,通过对直膨式太阳能热泵技术的国内外研究和应用现状,对直膨式太阳能热泵的设计要点,简要分析得出系统的耦合方式、蓄热技术以及负荷与各部件匹配存在的问题。同时,提出了系统设计应用的方法。最后,对直膨式太阳能热泵系统的研究前景进行展望。

关键词：太阳能直膨式热泵设计工程应用

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复合热源热泵热水器变工况运行特性分析

化工进展 2017年第11期36卷 3977-3985页

作者：赵伟强李舒宏张小松东南大学能源与环境学院江苏南京210096

为了对复合热源热泵热水器进行变工况运行特性分析,采用变频压缩机与电子膨胀阀,搭建了直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器实验装置,建立了系统数学模型,并在相同工况下进行模拟计算和实验验证,比较发现,模拟结果与实验结果吻合良好... 详细信息

为了对复合热源热泵热水器进行变工况运行特性分析,采用变频压缩机与电子膨胀阀,搭建了直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器实验装置,建立了系统数学模型,并在相同工况下进行模拟计算和实验验证,比较发现,模拟结果与实验结果吻合良好。利用验证过的数学模型进一步分析了环境温度、太阳辐射强度和压缩机频率对系统性能的影响,并制定了压缩机变频控制策略,给出了不同工况下的推荐频率和加热时长,可以为用户提供变工况运行控制指导。利用南京地区典型年气象参数,对系统在不同模式下的全年逐月运行特性进行了模拟计算并作对比分析。结果表明,相比定容量模式,系统在变容量模式下的性能系数(COP)全年平均增长49.27%,耗电量全年平均下降29.73%,节能效果显著。

关键词：直膨式热泵太阳能复合热源热水器变工况

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运行频率对复合热源热泵热水器性能的影响

建筑热能通风空调 2018年第1期37卷 11-16页

作者：赵伟强东南大学能源与环境学院

为了研究运行频率对复合热源热泵热水器系统性能的影响,采用变频压缩机与电子膨胀阀,构建了直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器实验装置,并在相近的环境工况下,针对不同运行频率,对该装置进行了性能测试。分析了运行频率的变化对加热... 详细信息

为了研究运行频率对复合热源热泵热水器系统性能的影响,采用变频压缩机与电子膨胀阀,构建了直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器实验装置,并在相近的环境工况下,针对不同运行频率,对该装置进行了性能测试。分析了运行频率的变化对加热时间,蒸发压力及冷凝压力,压缩机耗功以及系统性能系数(COP)和集热效率等的影响,并比较了运行频率的变化对系统性能参数影响的敏感程度。实验结果表明,系统平均COP随运行频率的降低而增大,高频率运行会影响系统稳定性。运行频率的变化对系统各性能参数影响的敏感程度不同,系统平均蒸发压力和压缩机的平均耗功对运行频率的变化最为敏感,其次是加热时间和系统平均COP。

关键词：直膨式热泵太阳能复合热源热水器运行频率