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采用天然气的小型斯特林冷热电三联供关键技术研究和应用分析

来源:论文学术网
时间:2024-08-19 08:07:18
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采用天然气的小型斯特林冷热电三联供关键技术研究和应用分析【摘要】:能源的主要用途之一就是给用户提供电力、采暖(卫生热水)和制冷等。以往的能源单独供应方式使能源利用效率不高。而小型冷

【摘要】:能源的主要用途之一就是给用户提供电力、采暖(卫生热水)和制冷等。以往的能源单独供应方式使能源利用效率不高。而小型冷热电联产系统(CCHP)通过给用户综合提供这些能源,将一次能源“梯级利用”和“吃光用尽”,因此可以大幅度的节约能源,而且这些小型系统可以就近建设,省却了大规模线路建设和输配电损失。因此,小型三联供得到了各国政府的大力支持。另外,随着天然气或煤气等清洁燃料的推广利用,清洁能源的小型三联供系统则被广泛研究和重点推广。 小型三联供系统需要将一次能源转化成电能的装置,而斯特林发动机自从诞生那日起就引起了研究者的极大兴趣,因为它具有效率高、污染低、噪音低等优点,所以,斯特林的小型冷热电联供系统特别适合于人口密度大的城市。 在斯特林的三联供系统中,由于三联供的制冷系统的选择不同,使三联供系统输出的电能、热能和冷能所占的比例不同,而热能、电能、冷能的能量“品位”不同,无法将它们直接比较,因此本文提出将这些形式的能源转化为“一次能源利用率”这个统一指标,在此基础上分析了基于斯特林发动机组成的三联供系统的节能性。但一次能源利用率还只是对它们进行的静态分析,还不能得到完整的结论,因此本文还对这些方案进行了经济性分析及敏感性分析。最后确定了斯特林发动机的三联供组成方案。 显然,斯特林发动机是三联供系统中的关键设备,虽然国内斯特林发动机的技术已经成熟,但还没有以天然气为燃料的斯特林发动机,因此,需要为斯特林发动机开发天然气燃烧系统。斯特林发动机的燃烧室有其特殊性,其燃烧器要求结构紧凑,温度场分布均匀,而且燃烧效率高、排放低、燃烧稳定。燃烧系统的设计是项复杂的工作,本文结合数值模拟技术,对燃烧部件进行优化,完成燃烧器初步结构设计,然后对该结构进行了详细模拟,了解燃烧室内的燃烧过程和排放情况,最后开发了斯特林的天然气燃烧器。对燃烧器进行的装机试验表明,斯特林发动机达到了较高效率,在低工况时排放较低,高工况时NOx上升较快。为了进一步降低排放,根据排放抑制原理, 【关键词】:斯特林发动机 冷热电联供 一次能源利用率 经济性 天然气 低NO_x燃烧器 运行方式
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TK019
【目录】:
  • 第1章 绪论12-27
  • 1.1 引言12-14
  • 1.2 国内外冷热电联供系统发展现状14-22
  • 1.2.1 用于联供的小型/微型燃气轮机15-17
  • 1.2.2 用于联供的燃气内燃机17-18
  • 1.2.3 用于联供的燃气外燃机18-19
  • 1.2.4 用于联供的燃料电池19-21
  • 1.2.5 三联供系统中制冷系统的选择21-22
  • 1.3 天然气燃烧器研究的现状和进展22-24
  • 1.3.1 国内外斯特林天然气燃烧器研究现状22
  • 1.3.2 气体燃烧过程22-23
  • 1.3.3 燃烧技术的研究方法23-24
  • 1.3.4 湍流燃烧数值模拟进展24
  • 1.4 本文所作的工作24-27
  • 第2章 小型斯特林冷热电联产系统的分析27-58
  • 2.1 斯特林原理及配套制冷系统原理27-34
  • 2.1.1 斯特林循环原理27-30
  • 2.1.2 溴化锂吸收式制冷机原理30-32
  • 2.1.3 除湿空调原理32-33
  • 2.1.4 压缩式热泵33-34
  • 2.2 小型斯特林冷热电联产系统的节能性分析34-44
  • 2.2.1 一次能源利用率的概念34-36
  • 2.2.2 小型斯特林联供系统的一次能源利用率分析36-44
  • 2.3 小型斯特林冷热电联产系统的经济性分析44-48
  • 2.3.1 回收期法44-46
  • 2.3.2 净现值比较46-48
  • 2.4 小型斯特林冷热电联产系统的敏感性分析48-56
  • 2.4.1 对天然气价格的敏感性48-51
  • 2.4.2 对电价的敏感性51-53
  • 2.4.3 年运行时间的敏感性53-54
  • 2.4.4 对卫生热水负荷的敏感性54-55
  • 2.4.5 对设备使用年限的敏感性55-56
  • 2.5 各个方案的分析比较56-57
  • 2.6 本章小结57-58
  • 第3章 斯特林发动机天然气燃烧系统的设计58-115
  • 3.1 燃烧器设计概述58-63
  • 3.2 斯特林的天然气燃烧系统的设计和数值模拟63-94
  • 3.2.1 斯特林燃烧器的设计要求63-67
  • 3.2.2 湍流燃烧的数学模型67-79
  • 3.2.2.1 数值模拟的意义67-68
  • 3.2.2.2 燃烧过程满足物理和化学的基本定律68
  • 3.2.2.3 湍流的模拟68-70
  • 3.2.2.4 燃烧模型70-73
  • 3.2.2.5 辐射模型73-76
  • 3.2.2.6 多孔介质内的能量方程76
  • 3.2.2.7 基本方程的离散及求解76-78
  • 3.2.2.8 NO_x的生成与预测模型78-79
  • 3.2.3 空气预热器的设计79-86
  • 3.2.4 燃烧器的烧嘴部件设计和优化86-88
  • 3.2.4.1 旋流器设计和优化86-87
  • 3.2.4.2 燃烧器喷嘴设计和优化87-88
  • 3.2.5 燃烧器的数值模拟和实验88-94
  • 3.2.5.1 计算域、网格及边界条件88-91
  • 3.2.5.2 数值模拟结果及分析91-94
  • 3.3 扩散燃烧器的实验94-104
  • 3.3.1 燃烧实验的测量手段94-100
  • 3.3.2 燃烧实验的结果和分析100-104
  • 3.4 污染物的生成机理和抑制污染物排放的方法104-109
  • 3.4.1 燃烧过程中NO_x的生成途径104-105
  • 3.4.2 降低NO_x排放的方法105-107
  • 3.4.3 一氧化碳的生成和抑制107-109
  • 3.5 低排放的燃烧器设计和数值模拟109-114
  • 3.5.1 低排放的燃烧器结构设计109-111
  • 3.5.2 低排放的燃烧器的数值模拟和分析111-114
  • 3.6 本章小结114-115
  • 第4章 小型斯特林三联供的系统实验115-122
  • 4.1 小型斯特林三联供实验系统的组成115-117
  • 4.2 小型三联供系统实验的测量117-119
  • 4.3 实验结果和分析119-121
  • 4.4 本章小结121-122
  • 第5章 冷热电联供系统用户运行方式分析122-142
  • 5.1 典型用户能源负荷比例分析122-123
  • 5.2 不同季节、时间的负荷统计和分析123-130
  • 5.2.1 宾馆负荷统计123-127
  • 5.2.2 全年各季度用热、用电负荷运行分析127
  • 5.2.3 日平均用热和用电负荷运行规律分析127
  • 5.2.4 用户热负荷设备配置分析127-129
  • 5.2.5 用电负荷分析129
  • 5.2.6 系统方案配置129-130
  • 5.3 系统的运行模式分析130-139
  • 5.3.1 数学模型131-132
  • 5.3.2 模式一运行方式分析132-135
  • 5.3.3 模式二运行方式分析135-139
  • 5.4 两种运行方式的比较139-141
  • 5.5 本章小结141-142
  • 第6章 系统运行控制策略和控制参数142-146
  • 6.1 系统总体控制策略142-143
  • 6.2 电负荷的控制143-144
  • 6.3 热(生活热水)的控制144
  • 6.4 冷负荷的控制144-145
  • 6.5 本章小结145-146
  • 结论146-148
  • 参考文献148-156
  • 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果156-157
  • 致谢157


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