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文檔簡介
新能源技術(shù)
32學(xué)時(shí)
主講:別玉
昆明理工大學(xué)本科教學(xué)新能源技術(shù)2012.9~2013.1新能源技術(shù)緒論太陽能及其應(yīng)用氫能及其應(yīng)用地?zé)崮芗捌鋺?yīng)用4123其它新能源及其應(yīng)用5熱泵技術(shù)(含實(shí)驗(yàn))64.1地?zé)崮芨攀?.1.1地?zé)崮芑靖拍?.地球內(nèi)部構(gòu)造及溫度變化圖4-1地球構(gòu)造示意圖地球內(nèi)部的溫度分布我們居住的地球?qū)嶋H上是一個(gè)龐大的熱球據(jù)估計(jì),全世界地?zé)豳Y源的總量,大約為1.45×1026J,相當(dāng)于4.948×1015t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)所放出的熱量。如果把地球上貯存的全部煤炭燃燒時(shí)所放出的熱量作為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算,那么,石油的貯存量約為煤炭的3%,目前可利用的核燃料的貯存量約為煤炭的15%,而地?zé)崮艿目傎A存量則為煤炭的1.7億倍。在地殼中,地?zé)岬姆植伎煞譃?個(gè)帶,即可變溫度帶、常溫帶和增溫帶??勺儨囟葞в捎谑芴栞椛涞挠绊?,其溫度有著晝夜、年份、世紀(jì)、甚至更長的周期性變化,其厚度一般為15~20m;常溫帶,其溫度變化幅度幾乎等于0,深度一般為20~30m;增溫帶在常溫帶以下,它的溫度隨深度增加而升高,其熱量的主要來源是地球內(nèi)部的熱能。地溫梯度地球每一層次的溫度狀況是迥然不同的。在地殼的常溫帶以下,地?zé)釡囟入S深度增加而不斷升高,越深越熱。這種沿地下等溫面的法線向地球中心方向上單位距離內(nèi)溫度增加的數(shù)值,叫地溫梯度,也叫做地?zé)嵩鰷芈?,其單位通常采用?km。地球各層次的地?zé)嵩鰷芈什顒e是很大的:地表至15km深處,地?zé)嵩鰷芈势骄鶠?~3℃/km;15~25km深處,地?zé)嵩鰷芈式禐槠骄?.5℃/km;再往下,則只有0.8℃/km。根據(jù)各種資料推斷,地殼底部至地幔上部的溫度大約為1100~1300℃,地核的溫度大約在2000~5000℃之間。假如按照正常的地?zé)嵩鰷芈蕘硗扑悖?0℃的地下熱水,大致是埋藏在2000~2500m左右的地下。地?zé)嵴^(qū)和地?zé)岙惓^(qū)大地?zé)崃髦狄彩呛饬康責(zé)嵴^(qū)和地?zé)岙惓^(qū)的重要指標(biāo)。大地?zé)崃髦凳侵竼挝粫r(shí)間內(nèi)通過地球表面單位面積所散失的熱量,用符號(hào)HFU表示熱流單位(1HFU=4.1868×10-7J/(cm2·s))。從全球來看,地表大地平均熱流值為1.4~1.5熱流單位(5.9~6.3μJ/(cm2·s)),地表平均地溫梯度為1.5~3.0℃/km。凡接近上述平均熱流值和地溫梯度的地區(qū),均稱為地?zé)嵴^(qū);凡熱流值和地溫梯度超過上述平均值的地區(qū),稱為地?zé)岙惓^(qū)。在地?zé)嵴^(qū),較高溫度的熱水和蒸汽埋藏在地殼的較深處;在地?zé)岙惓^(qū),由于地?zé)嵩鰷芈瘦^大,較高溫度的熱水或蒸汽埋藏在地殼的較淺部位,有的甚至露出地表。一般把那些天然露出的地下熱水和蒸汽叫做溫泉,溫泉是在當(dāng)前技術(shù)水平下最容易利用的一種地?zé)豳Y源。在地?zé)岙惓^(qū),除溫泉外,人們也較容易通過鉆井等人工方法把地下熱水或蒸汽引導(dǎo)到地面上來并加以利用。2.地?zé)崽锱c熱儲(chǔ)(1)地?zé)豳Y源地?zé)豳Y源是指地殼表層以下,到地下3000~5000米的深度以內(nèi),聚集15℃以上的巖石和熱流體所含總熱量。地?zé)豳Y源有以下四種類型:水熱型、干熱巖型、地壓型和巖漿型,而以水熱型最為常見。水熱型又分為蒸汽型和熱水型兩種。蒸汽型又可分為干蒸汽(以蒸汽為主的)和濕蒸汽(有的學(xué)者把干度小的濕蒸汽劃入熱水型中)兩類。世界上最大的地?zé)崽餅槊绹腉EYSYS地?zé)崽?。?地?zé)豳Y源分類資源類型含義特征水熱型蒸汽型 熱水型干蒸汽 濕蒸汽 熱水型地下以蒸汽為主的對(duì)流系統(tǒng)的地?zé)豳Y源以溫度較高的過熱蒸汽為主,雜有少量其它氣體,水很少或沒有,無水的干蒸汽資源罕見,含水的稱為濕蒸汽資源熱水型熱儲(chǔ)中以水為主的對(duì)流系統(tǒng)的地?zé)豳Y源包括低于當(dāng)?shù)貧鈮合嘛柡蜏囟鹊臒崴蜏囟鹊扔陲柡蜏囟鹊臐裾羝?,分布廣、儲(chǔ)量大地壓地?zé)嵝吞N(yùn)藏在含油氣沉積盆地深處(3000~6000m),由機(jī)械能(高壓)、熱能(高溫)和化學(xué)能組成的地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)中受巖層和封存水負(fù)荷而導(dǎo)致高溫(120~180℃),高壓(幾百個(gè)大氣壓),并在高溫高壓下積聚了溶于水中的烴類物質(zhì),是一種綜合性能源干熱巖型地下一定深度2~3km,含水量少或不含水,滲透性差而含有異常高熱的地質(zhì)體含熱量甚大,曾估計(jì)1立方英里350℃的熱巖體冷卻到150℃,可產(chǎn)出相當(dāng)于三億桶石油的熱量。巖漿型在熔融狀或半熔融狀熾熱巖漿中蘊(yùn)藏著的巨大能量資源溫度在600~1500℃不等,一些火山地區(qū)資源埋藏較淺,而多數(shù)埋藏于目前鉆探技術(shù)還比較困難的地層中,因此開采難度大(2)地?zé)崽锏責(zé)崽锸侵冈谀壳凹夹g(shù)條件下可以采集的深度內(nèi),富含可經(jīng)濟(jì)開發(fā)和利用的地?zé)崃黧w的地域。它一般包括熱儲(chǔ)、蓋層、熱流體通道和熱源四大要素,是具有共同的熱源,形成統(tǒng)一熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu),可用地質(zhì)、物化探方法圈閉的特定范圍。1)熱水田這一地區(qū)富集的主要是熱水,水溫一般在60~120℃。這里地下熱水的形成過程大致可分為兩種情況。①深循環(huán)型大氣降水落到地表以后,在重力作用下,沿著土壤、巖石的縫隙,向地下深處滲透,成為地下水。地下水在巖石裂隙內(nèi)流動(dòng)過程中,不斷吸收周圍巖石的熱量,逐漸被加熱成地下熱水。滲流越深,水溫越高,地下水被加熱后體積要膨脹,在下部強(qiáng)大的壓力作用下,它們又沿著另外的巖石縫隙向地表流動(dòng),成為淺埋藏的地下熱水,如果露出地面,就成為溫泉。②特殊熱源型地下深處的高溫灼熱的巖漿,沿著斷裂上升,如果巖漿沖出地表,就形成火山爆發(fā);如果壓力不足,巖漿未沖出地表,而在上升通道中停留下來,就構(gòu)成巖漿侵入體。這是一個(gè)特殊的高溫?zé)嵩?,它可以把滲透到地下的冷水加熱到較高的溫度,而成為熱水田中的一種特殊類型。(2)地?zé)崽?)蒸汽田蒸汽田內(nèi)由水蒸氣和高溫?zé)崴M成。它的形成條件是:熱儲(chǔ)水層的上覆蓋層透水性很差,而且沒有裂隙。這樣,由于蓋層的隔水、隔熱作用,蓋層下面的儲(chǔ)水層在長期受熱的條件下,就聚集成為具有一定壓力、溫度的大量蒸汽和熱水的蒸汽田。地?zé)崮艿男纬?.1.2我國的地?zé)豳Y源 環(huán)球性的地?zé)釒е饕邢铝?個(gè):(1)環(huán)太平洋地?zé)釒鞘澜缱畲蟮奶窖蟀鍓K與美洲、歐亞、印度板塊的碰撞邊界。世界著名的地?zé)崽?,如美國的蓋瑟爾斯、長谷、羅斯福;墨西哥的塞羅、普列托;新西蘭的懷臘開;我國的臺(tái)灣馬槽;日本的松川、大岳等均在這一帶。(2)地中海-喜馬拉雅地?zé)釒菤W亞板塊與非洲板塊和印度板塊的碰撞邊界。世界第一座地?zé)岚l(fā)電站意大利的拉德瑞羅地?zé)崽锞臀挥谶@個(gè)地?zé)釒е?。我國的西藏羊八井及云南騰沖地?zé)崽镆苍谶@個(gè)地?zé)釒е?。?)大西洋中脊地?zé)釒н@是大西洋海洋板塊開裂部位。冰島的克拉弗拉、納馬菲亞爾和亞速爾群島等一些地?zé)崽锞臀挥谶@個(gè)地?zé)釒А#?)紅海-亞丁灣-東非裂谷地?zé)釒继?、埃塞俄比亞、肯尼亞等國的地?zé)崽?。除了在板塊邊界部位形成地殼高熱流區(qū)而出現(xiàn)高溫地?zé)崽锿?,在板塊內(nèi)部靠近板塊邊界部位,在一定地質(zhì)條件下也可形成相對(duì)的高熱流區(qū)。其熱流值大于大陸平均熱流值1.46熱流單位,而達(dá)到1.7~2.0熱流單位。如我國東部的膠、遼半島,華北平原及東南沿海等地。1.我國地?zé)豳Y源的基本情況全國主要沉積盆地儲(chǔ)存的地?zé)崮芰繛?3.61×1020J,相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煤2500億噸。全國地?zé)崴砷_采資源量為每年68億m3,所含熱量為963×1015J,折合每年3284萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量。其中:對(duì)流型山區(qū)地?zé)崴砷_采資源量為每年19億m3,熱能量為335×1015J/a,折合每年1142萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量。以消耗儲(chǔ)存資源量為主,傳導(dǎo)型平原區(qū)地?zé)崴诳砷_采量為每年49億m3,熱能量為:628×1015J/a,折合每年2142萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量。山區(qū)和平原區(qū)地?zé)崴砷_采水量分別占總量的28%和72%,山區(qū)和平原區(qū)可開采熱量分別占全國地?zé)崮芸衫昧康?5%和65%。2.我國地?zé)豳Y源的類型我國大陸屬歐亞板塊的一部分,它的東側(cè)為島弧型洋-陸匯聚邊緣,西南側(cè)為陸-陸碰撞造山帶,是由許多不同時(shí)期的古板塊(如華北、華南、塔里木、哈薩克斯坦、西伯利亞等)經(jīng)碰撞、增生和拼接而成的。中國大陸構(gòu)造演化經(jīng)歷了古生代陸洋分化對(duì)立階段、石碳二疊紀(jì)軟碰撞轉(zhuǎn)化階段和中新生代盆山對(duì)峙發(fā)展階段,多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與多期盆地疊加塑造出不同的地?zé)崽?。?gòu)造的演化伴隨著不同時(shí)期的巖漿活動(dòng),形成了不同巖性和結(jié)構(gòu)的地層,使得大地?zé)崃髦档姆植季哂忻黠@的規(guī)律性。西南地區(qū)沿雅魯藏布江縫合帶,熱流值較高(91~364MW/m2),向北隨構(gòu)造階梯下降,到準(zhǔn)格爾盆地只有33~44MW/m2。我國東部臺(tái)灣板塊地緣帶,熱流值較高,為80~120MW/m2,越過臺(tái)灣海峽到東南沿海燕山期造山帶,降為60~100MW/m2,到江漢盆地?zé)崃髦抵挥?7~69MW/m2。(1)沉積盆地傳導(dǎo)型中低溫地?zé)豳Y源分布于華北平原、汾渭盆地、松遼平原、淮河盆地、蘇北盆地、江漢盆地、四川盆地、銀川平原、河套平原、準(zhǔn)格爾盆地等地區(qū),主要熱儲(chǔ)層為厚度數(shù)百米至數(shù)千米第三系砂巖、砂礫巖。鄂爾多斯盆地的三疊系和侏羅系砂巖賦存低鹽度熱水。四川盆地三疊系、侏羅系為熱鹵水富集層。(2)隆起山地對(duì)流型地?zé)豳Y源高溫地?zé)豳Y源主要分布于藏南-川西-滇西和臺(tái)灣地區(qū),中低溫地?zé)豳Y源主要分布于東南沿海地區(qū)和膠東、遼東半島。1)喜馬拉雅碰撞帶為新生代陸內(nèi)強(qiáng)烈變形帶,現(xiàn)代水熱活動(dòng)北弱南強(qiáng)。西藏的地?zé)犸@示664處,包括溫泉、熱泉、沸泉、沸噴泉、水熱爆炸、間歇噴泉等。羊八井鉆孔揭露的最高溫度超過250℃。云南滇西地區(qū)出露的溫泉有296處,其中高溫?zé)崛?8處,沸泉7處,水溫為23~104℃。2)臺(tái)灣島作為西太平洋島孤系的一部分,為現(xiàn)代的高溫?zé)醿?chǔ)區(qū)。大多屬于碳酸鹽泉,少數(shù)屬于硫酸鹽泉和氯化物泉。在火山巖區(qū),絕大多數(shù)為酸性硫酸鹽泉,其它為中、堿性碳酸鹽泉,少數(shù)為氯化物泉。3)東南沿海分屬于揚(yáng)子斷塊和華南斷褶,分布著不同時(shí)期的花崗巖和中生代的火山巖,其分布主要受北東向斷裂控制,巖漿巖為脆性物質(zhì),深斷裂帶成為熱水運(yùn)移的通道。74%的溫泉出露于巖漿巖斷裂帶或接觸帶之中。該區(qū)溫泉為中低溫?zé)崴?,熱?chǔ)溫度一般為110~130℃,熱水循環(huán)深度不超過4km,熱田面積最大不超過10km2。4)膠東半島已發(fā)現(xiàn)水溫大于49℃的溫泉14處,出露于復(fù)背斜核部斷裂構(gòu)成的X型構(gòu)造交匯處,溫度大于60℃溫泉7處,溫度大于80℃有2處,其余的在49~56℃之間。遼東半島溫泉有19處,水溫28~72℃。3.我國地?zé)豳Y源的開發(fā)前景我國年利用地?zé)崮芗s4.45億立方米,居世界第一位,而且每年以近10%的速度增長。全國地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量88%集中在西藏。其中,羊八井地?zé)犭娬疽逊€(wěn)定運(yùn)行了近30年。滇藏地?zé)釒У陌l(fā)電潛力為5817.65MW。截至2006年年底,我國除青海、云南、貴州等少數(shù)省區(qū)外,其他省區(qū)都在不同程度地推廣地源熱泵技術(shù)。目前,全國已安裝地源熱泵系統(tǒng)的建筑面積超過3000萬平方米。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國地源熱泵市場年銷售額已超過億元,并以每年20%的速度增長。(南方:空氣源熱泵;北方:地源熱泵)4.2地?zé)豳Y源的直接利用地?zé)崮艿睦每煞譃榈責(zé)岚l(fā)電和直接利用兩大類,而對(duì)于不同溫度的地?zé)崃黧w可能利用的范圍如下:(1)200~400℃直接發(fā)電及綜合利用;(2)150~200℃雙循環(huán)發(fā)電、制冷、工業(yè)干燥、工業(yè)熱加工;(3)100~150℃雙循環(huán)發(fā)電、供暖,制冷、工業(yè)干燥、脫水加工、回收鹽類、罐頭食品;(4)50~100℃供暖、溫室、家庭用熱水、工業(yè)干燥;(5)20~50℃沐浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、飼養(yǎng)牲畜、土壤加溫、脫水加工。4.2.1地源熱泵 地下水源熱泵系統(tǒng)是一種新興的淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù),最早源于歐美等發(fā)達(dá)國家,它的歷史可以追溯到1912年,瑞士Zoelly首先提出了“地?zé)嵩礋岜谩钡母拍睢?946年美國開始對(duì)地源熱泵進(jìn)行系統(tǒng)的研究,在俄勒岡州成功的建成了第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代,歐洲開始了研究地源熱泵的第一次高潮,但由于當(dāng)時(shí)的能源價(jià)格低,這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì),因而未得到推廣。直到20世紀(jì)70年代初世界上出現(xiàn)了第一次能源危機(jī),它才開始受到重視,許多公司開始了地源熱泵的研究、生產(chǎn)和安裝。20世紀(jì)80年代后期,地源熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,更多的科學(xué)家致力于地下系統(tǒng)的研究,努力提高熱吸收和熱傳導(dǎo)效率,同時(shí)越來越重視環(huán)境的影響問題。地源熱泵生產(chǎn)呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì),瑞士和瑞典的年遞增率超過10%。美國的地源熱泵生產(chǎn)和推廣速度很快,技術(shù)產(chǎn)生了飛速的發(fā)展,成為世界上地源熱泵生產(chǎn)和使用的頭號(hào)大國。我國的情況我國淺層地溫能的開發(fā)利用起步較晚,20世紀(jì)90年代開始推廣和研究地源熱泵系統(tǒng)淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用技術(shù)。2001年,國家建設(shè)部在《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中專門作了推薦。從2006年開始,國家分別將三個(gè)城市作為地源熱泵試點(diǎn)城市,分別是北京、天津、沈陽,大力發(fā)展地源熱泵。國家努力引導(dǎo)發(fā)展地源熱泵,國家的一些政府部門的建筑、學(xué)校、醫(yī)院等都進(jìn)行了地源熱泵改造。2008年奧運(yùn)會(huì)羽毛球及藝術(shù)體操比賽場館的北京工業(yè)大學(xué)體育館2.地源熱泵的定義及工作原理地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源(也稱地能,包括地下水、土壤或地表水等)的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)主要由四部分組成:淺層地能采集系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組、室內(nèi)采暖空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。所謂淺層地能采集系統(tǒng)是指通過水或防凍液的水溶液將巖土體或地下水、地表水中的熱量采集出來并輸送給水源熱泵系統(tǒng)。室內(nèi)采暖空調(diào)系統(tǒng)主要有風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、地板輻射采暖系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)等。地源熱泵工作原理圖熱泵是將熱能從低溫物系(如環(huán)境大氣)向加熱對(duì)象(高溫?zé)嵩?,如室?nèi)空氣)輸送的裝置。其工作原理與制冷機(jī)相同,都是按照逆卡諾循環(huán)工作的,所不同的只是工作溫度范圍不一樣。最基本的熱泵由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥四大部件組成。其中,壓縮機(jī)起著壓縮和輸送制冷劑的作用,是熱泵的系統(tǒng)心臟;冷凝器是熱量輸出設(shè)備,它將蒸發(fā)器吸收的熱量連同壓縮機(jī)所消耗的電功一起輸送給供熱對(duì)象;膨脹閥對(duì)制冷劑起到節(jié)流降壓和調(diào)節(jié)循環(huán)流量的作用;蒸發(fā)器是熱量輸入設(shè)備,在此制冷劑通過吸收低溫?zé)嵩吹臒崃慷舭l(fā)。 3.地源熱泵的類型根據(jù)利用地?zé)嵩吹姆N類和方式不同,可以分為以下3類:土壤源熱泵或稱土壤耦合熱泵、地下水熱泵、地表水熱泵。(1)土壤源熱泵土壤源熱泵以大地作為熱源和熱匯,其換熱器埋于地下,與大地進(jìn)行冷熱交換。土壤源熱泵系統(tǒng)主機(jī)通常采用水-水熱泵機(jī)組或水-氣熱泵機(jī)組。根據(jù)地下熱交換器的布置形式,主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管3類。垂直埋管換熱器熱泵系統(tǒng) 垂直埋管式地源熱泵優(yōu)勢(shì)在于:①占地面積小;②土壤的溫度和熱特性變化?。虎坌枰墓懿淖钌?,泵能耗低;④能效比很高。劣勢(shì)主要在于:由于缺乏相應(yīng)的施工設(shè)備和施工人員,造價(jià)偏高。水平埋管式地源熱泵水平埋管式地源熱泵優(yōu)勢(shì):由于施工設(shè)備廣泛使用而且施工容易,再加上許多家庭有足夠大的施工場地,因此造價(jià)就可以降低。劣勢(shì):需要較大場地;運(yùn)行不穩(wěn)定(由于淺層大地的溫度和熱特性隨著季節(jié)、降雨以及埋深而變化);泵能耗較高;系統(tǒng)效率較低。蛇形埋管式地源熱泵蛇形埋管式地源熱泵(2)地下水熱泵系統(tǒng)圖5-7 地下水熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢(shì):造價(jià)要比土壤源熱泵系統(tǒng)低,另外水井很緊湊,不占太多場地,技術(shù)也相對(duì)比較成熟,水井承包商容易找。劣勢(shì):①有些地方法規(guī)禁止抽取或回灌地下水;②可供的地下水有限;③如水質(zhì)不好或打井不合格要注意水處理問題;④如泵選擇過大、控制不良或水井與建筑偏遠(yuǎn),泵能耗就會(huì)過大。(3)地表水熱泵系統(tǒng)地表水熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢(shì):地表水熱泵系統(tǒng)具有造價(jià)低、泵能耗低、維修率低以及運(yùn)行費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。劣勢(shì):在公用河水中的設(shè)備容易受到損害。另外,如果湖泊過小或過淺,湖泊的溫度會(huì)隨著室外氣候發(fā)生較大的變化,就會(huì)使效率降低,制冷或供熱能力下降。4.地源熱泵的優(yōu)越性(1)節(jié)能、高效性地源熱泵系統(tǒng)在提供100單位能量時(shí),70%的能量來源于土壤,30%的能量來自電力,電能的消耗主要用于壓縮機(jī)的做功和使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行,即將土壤中的熱量“搬運(yùn)”至室內(nèi)。它要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能,比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量;由于土壤的溫度全年較為穩(wěn)定,一般為10℃~20℃之間,其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5~4.7,與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比,能效要高出40%以上。(2)環(huán)保無污染地源熱泵的污染物排放,與空氣源熱泵相比,相當(dāng)于減少40%以上,與電供暖相比,相當(dāng)于減少70%以上,如果結(jié)合其它節(jié)能措施,節(jié)能減排效果會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑,但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量;屬自含式系統(tǒng),即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好,因此,制冷劑泄漏幾率大為減少。該裝置的運(yùn)行沒有任何污染,可以建造在居民區(qū)內(nèi)。4.地源熱泵的優(yōu)越性(3)屬可再生能源利用技術(shù)地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400m深)作為冷熱源,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能量,比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制,真正是量大面廣、無處不在。這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無限的可再生能源,使得地能也成為清潔的可再生能源的一種形式。(4)低運(yùn)行費(fèi)用地源熱泵系統(tǒng)的高效節(jié)能特點(diǎn),決定了它的運(yùn)行費(fèi)用低,比其它各種采暖和制冷設(shè)備節(jié)能30%~70%;使用壽命50年以上,折舊費(fèi)和維修費(fèi)也都大大低于傳統(tǒng)空調(diào)。(5)應(yīng)用靈活、安全可靠、用途廣泛靈活性強(qiáng),可用于新建工程或擴(kuò)建、改建工程,可逐步分期施工,熱泵機(jī)組可靈活地安置在任何地方,節(jié)約空間。無儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油罐等衛(wèi)生及安全隱患。從嚴(yán)寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用??蔀楦黝惤ㄖ锾峁├渑瘍捎每照{(diào)系統(tǒng),同時(shí)提供生活熱水。4.2.2地?zé)岣稍锖娓蓤鲞B續(xù)脫水裝置示意圖4.2.3地?zé)豳Y源的其它利用 1.溫泉(1)溫泉的形成和類型溫泉是一種溫?zé)峄驖L燙的泉水。目前科學(xué)界認(rèn)為,溫泉的最低溫度不得少于20℃,否則不能稱為溫泉。德國和英國的標(biāo)準(zhǔn)為高于20℃,日本則為25℃,我國一般也將25℃作為溫泉的下限溫度。溫泉的形成,一般而言可分為兩種:一種是地殼內(nèi)部的巖漿作用所形成,或?yàn)榛鹕絿姲l(fā)所伴隨產(chǎn)生,火山活動(dòng)過的死火山地形區(qū),因地殼板塊運(yùn)動(dòng)隆起的地表,其地底下還有未冷卻的巖漿,均會(huì)不斷地釋放出大量的熱能。溫泉的形成需具備下列三個(gè)條件:①地下必須有熱水存在;②必須有靜水壓力差導(dǎo)致熱水上涌;③巖石中必須有深長裂隙供熱水通達(dá)地面。1)按溫度分①沸泉泉水溫度等于或高于當(dāng)?shù)厮姆悬c(diǎn),海拔高的地區(qū),水的沸點(diǎn)低于100℃,一般地區(qū)水的沸點(diǎn)就是100℃。②熱泉泉水溫度在沸點(diǎn)以下,45℃以上。③中溫泉泉水溫度在45℃以下,年平均氣溫以上。世界上的溫泉,水溫多為熱泉和中溫泉。我國的熱泉和中溫泉占溫泉的90%以上,分布也十分廣泛。大多數(shù)溫泉療養(yǎng)院都在熱泉和中溫泉附近修建。2)按成分分根據(jù)泉水中溶解物質(zhì)的不同,溫泉可劃分為單純?nèi)⑻妓崛?、重碳酸鹽泉、硫酸鹽泉、食鹽泉、硫磺泉、放射性泉和鐵泉等。①單純?nèi)疁囟嘣?5℃以上,水中所含礦物質(zhì)很少,每升水中含有各種礦物質(zhì)的總量低于100毫克。這種溫泉在我國分布廣泛,著名的西安華清池就是此類溫泉。②碳酸泉在1升水中含游離二氧化碳達(dá)750毫克的泉水。我國大地上碳酸泉很多。根據(jù)溫度的不同又分低溫碳酸泉和高溫碳酸泉。我國遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古、甘肅以低溫碳酸泉為主,泉溫在25℃以下,泉水清涼甘甜,很像汽水,所以又稱天然汽水泉;在云南、四川、西藏、廣東、臺(tái)灣及新疆等地,以中、高溫碳酸泉為主,泉溫在25℃以上。③重碳酸鹽泉每升水中含重碳酸鹽多達(dá)1000毫克以上。④硫酸鹽泉每升水中含硫酸鹽在1000毫克以上。這類泉多出現(xiàn)在火山地區(qū)。⑤食鹽泉即氯化鈉型溫泉,每升含氯化鈉在1000毫克以上。⑥硫磺泉水中含有硫磺成分的泉水,一般每升水中含量在1毫克以上。3)按形態(tài)分①噴泉顧名思義,是水、氣以噴射的方式?jīng)_出地面,噴出高度由幾米到十幾米以上。我國西藏念青唐古拉山南麓、拉布藏布河右岸的南木林、畢畢龍高溫噴泉,其主泉口泉水噴出高度達(dá)10m,氣勢(shì)磅礴,非常壯觀。這里噴泉的水溫多在沸點(diǎn)以上,只有少數(shù)噴泉水溫低于沸點(diǎn)。間歇噴泉和爆炸噴泉是極為罕見的顯示類型。在美國黃石公園內(nèi),約有200個(gè)間歇噴泉,其中最著名的間歇泉就是老實(shí)泉(OldFaithfulGeyser)了。老實(shí)泉噴發(fā)出來的泉水溫度均高達(dá)90.4℃,噴高約在40~70m之間。②沸泥泉是由于高溫?zé)崃鲗⑼ǖ乐車膸r石蝕變成黏土,然后與水汽一起涌出地面而形成的一種高溫泥水泉。有的泉沖擊力較小,黏土被帶到泉口后,堵塞在泉口四周,而水汽流量又難以沖開這些黏土,只是由于水汽的沖力,使黏土呈上下鼓動(dòng)狀態(tài),好似沸騰的面糊。這些沸泥泉在我國西藏的措美縣布雄朗谷,薩迦縣的卡烏地區(qū)都有。③熱水河、熱水湖、熱水塘、熱水沼澤實(shí)際上都是由眾多密集的泉眼涌出大量泉水后匯集而成,這在我國的西藏比較多見。以熱水湖為例,羊八井熱水湖面積達(dá)7350m2,最深為16.1m,水溫在45~57℃,是少見的大型熱水湖。(2)溫泉的利用溫泉的利用是從洗澡開始的。醫(yī)用價(jià)值,即可以治愈某些病痛。溫泉把地?zé)醾鞯降孛娴耐瑫r(shí),也把所含的各種礦物鹽類、少量的活性離子、一定的微量元素?cái)y帶出來了。這些物質(zhì)對(duì)人體有一定的醫(yī)療作用。溫泉用以治病的方法,包括浴療、飲療、蒸療、拔罐、沙浴療法、吸入法和腸浴療法等。我國許多溫泉區(qū)既是療養(yǎng)地,又是旅游觀光區(qū)。一些溫泉區(qū)在歷史上就建有專供王室游樂之地。如北京小湯山建有供慈禧專用的亭池,陜西的臨潼建有華清宮,河南林如溫泉建有供武則天專用的武后池、八卦樓等。北京小湯山地?zé)釡厝本┬降責(zé)釡厝缭颇鲜◎v沖是我國大陸唯一的一處保存完好的火山溫泉區(qū),擁有罕見的火山、地?zé)峋坝^及珍貴的醫(yī)療礦泉水價(jià)值;臺(tái)灣省的大屯火山溫泉區(qū)也是溫泉療養(yǎng)和旅游觀光勝地。云南省騰沖2.農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖(1)農(nóng)業(yè)溫室種植和灌溉(2)養(yǎng)殖4.3地?zé)岚l(fā)電技術(shù)及應(yīng)用地?zé)岚l(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動(dòng)力源的一種新型發(fā)電技術(shù),它涉及地質(zhì)學(xué)、地球物理、地球化學(xué)、鉆探技術(shù)、材料科學(xué)和發(fā)電工程等多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。地?zé)岚l(fā)電和火力發(fā)電的基本原理是一樣的,都是將蒸汽的熱能經(jīng)過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。所不同的是,地?zé)岚l(fā)電不像火力發(fā)電那樣要備有龐大的鍋爐,也不需要消耗燃料,它所用的能源就是地?zé)崮?,地?zé)岚l(fā)電的過程,就是把地下熱能首先轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。針對(duì)溫度不同的地?zé)豳Y源,地?zé)岚l(fā)電有4種基本發(fā)電方式,即直接蒸汽發(fā)電法、擴(kuò)容(閃蒸法)發(fā)電法、中間介質(zhì)(雙循環(huán)式)發(fā)電法和全流循環(huán)式發(fā)電法。 地?zé)岚l(fā)電示意圖1-地?zé)嵴羝?-地?zé)嵴羝?/p>
3-汽輪機(jī);4-發(fā)電機(jī) 冰島的奈斯亞威里爾地?zé)岚l(fā)電站兩種主要的地?zé)岚l(fā)電形式◆蒸汽型地?zé)岚l(fā)電 蒸汽型地?zé)岚l(fā)電是把高溫地?zé)崽镏械母烧羝苯右似啺l(fā)電機(jī)組發(fā)電。在引入發(fā)電機(jī)組前先要把蒸汽中所含的巖屑、礦粒和水滴分離出去。蒸汽型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的類型有:-背壓式汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)-凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)◆熱水型地?zé)岚l(fā)電適用于中低溫地?zé)豳Y源。低溫?zé)崴驖裾羝荒苤苯铀腿肫啓C(jī),需經(jīng)一定手段,把熱水變成蒸汽或利用其熱量產(chǎn)生別的蒸汽,才能用于發(fā)電。 熱水型地?zé)岚l(fā)電,主要有兩種方式:-閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)-雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)4.3.1地?zé)嵴羝l(fā)電 1.地?zé)岣烧羝l(fā)電◆最簡單的地?zé)岣烧羝l(fā)電,是采用背壓式汽輪機(jī)地?zé)嵴羝l(fā)電系統(tǒng)工作原理:首先把干蒸汽從蒸汽井中引出,先加以凈化,經(jīng)過分離器分離出所含的固體雜質(zhì),然后就可把蒸汽通入汽輪機(jī)做功,驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的蒸汽,可直接排入大氣;也可用于工業(yè)生產(chǎn)中的加熱過程。應(yīng)用:這種系統(tǒng)大多用于地?zé)嵴羝胁荒Y(jié)氣體含量很高的場合,或者綜合利用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的場合?!硥菏狡啓C(jī)1.地?zé)岣烧羝l(fā)電——凝氣式汽輪機(jī)◆為提高地?zé)犭娬镜臋C(jī)組出力和發(fā)電效率,通常采用凝汽式汽輪機(jī)地?zé)嵴羝l(fā)電系統(tǒng)在該系統(tǒng)中,由于蒸汽在汽輪機(jī)中能膨脹到很低的壓力,因而能做出更多的功。做功后的蒸汽排入混合式凝汽器,并在其中被循環(huán)水泵打入冷卻水所冷卻而凝結(jié)成水,然后排走?!粼谀髦?,為保持很低的冷凝壓力,即真空狀態(tài),設(shè)有兩臺(tái)帶有冷卻器的射汽抽氣器來抽氣,把由地?zé)嵴羝麕淼母鞣N不凝結(jié)氣體和外界漏入系統(tǒng)中的空氣從凝汽器中抽走。◆該系統(tǒng)適用于高溫(160℃以上)地?zé)崽锏陌l(fā)電,系統(tǒng)簡單。 2.地?zé)釢裾羝l(fā)電(1)單級(jí)閃蒸地?zé)釢裾羝l(fā)電系統(tǒng)單級(jí)閃蒸地?zé)釢裾羝l(fā)電系統(tǒng)簡圖2.地?zé)釢裾羝l(fā)電(2)兩級(jí)閃蒸地?zé)釢裾羝l(fā)電系統(tǒng)兩級(jí)閃蒸地?zé)釢裾羝l(fā)電系統(tǒng)簡圖——閃蒸地?zé)岚l(fā)電◆閃蒸法也叫“減壓擴(kuò)容法”,就是把低溫地?zé)崴朊芊馊萜髦校ㄟ^抽氣降低容器內(nèi)的氣壓,使地?zé)崴谳^低的溫度下沸騰生產(chǎn)蒸汽,體積膨脹的蒸汽做功推動(dòng)輪發(fā)電機(jī)。適合于地?zé)崴|(zhì)較好且不凝氣體含量較少的地?zé)豳Y源?!羧绻黧w是濕蒸汽,則先進(jìn)入汽水分離器,分離出的蒸汽送往汽輪機(jī),分離下來的水進(jìn)入閃蒸器。◆閃蒸可以分為:1)單級(jí)閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)(又包括濕蒸汽型和熱水型兩種);2)兩級(jí)閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng);3)全流法地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng);4.3.2地?zé)崴l(fā)電 4.3.2地?zé)崴l(fā)電 1.閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)單級(jí)閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)1-熱水井;2-地下熱水;3-除氣器;4-閃蒸器;5-排水泵;6-旁通閥;7-汽輪發(fā)電機(jī)組;8-凝汽器;9-凝結(jié)泵;10-循環(huán)水泵;11-抽氣器;12-射水泵;13-冷卻水源兩級(jí)閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)1-蒸汽井;2-蒸汽;3-熱水;4-汽水分離器;5-一次蒸汽;6-汽輪發(fā)電機(jī)組;7-二次蒸汽;8-閃蒸器;9-熱水;10-抽氣;11-混合式凝汽器;12-循環(huán)水泵采用閃蒸法的地?zé)犭娬?,熱水溫度低?00℃時(shí),全熱力系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)。這種電站,設(shè)備簡單,易于制造,可以采用混合式熱交換器。缺點(diǎn)是,設(shè)備尺寸大,容易腐蝕結(jié)垢,熱效率較低。由于系直接以地下熱水蒸汽為工質(zhì),因而對(duì)于地下熱水的溫度、礦化度以及不凝氣體含量等有較高的要求。 為提高地?zé)崮艿睦寐?,還可采用兩級(jí)或多級(jí)閃蒸系統(tǒng)。發(fā)電量可增加。 當(dāng)?shù)責(zé)峋诘娜苛黧w,不經(jīng)處理直接送進(jìn)全流膨脹器中做功,充分地利用地?zé)崃黧w的全部能量。這種系統(tǒng)稱為全流法地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。 全流法比系統(tǒng)的單位凈輸出功率可分別提高60%和30%左右。全流發(fā)電系統(tǒng)就是試圖將來自地?zé)峋牡責(zé)崃黧w(不論是水或是濕蒸汽)通過一臺(tái)特殊設(shè)計(jì)的膨脹機(jī),使其一邊膨脹一邊做功,最后以汽體的形式從膨脹機(jī)的排汽口排出.為了適應(yīng)不同化學(xué)成分范圍的地?zé)崴?,特別是高溫高鹽的地?zé)崴蛎洐C(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具備這種適應(yīng)能力。不過,這種系統(tǒng)的設(shè)備尺寸大,容易結(jié)垢、受腐蝕,對(duì)地下熱水的溫度、礦化度以及不凝氣體含量等有較高的要求,雖然從這一概念的提出到現(xiàn)在已有20多年的時(shí)間,全流地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)仍未進(jìn)人商業(yè)應(yīng)用階段。全流法地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)1-高壓氣室;2、3、4-嚙合螺旋轉(zhuǎn)子;5-排出口;6-全流膨脹器;7-汽輪發(fā)電機(jī)組;8-凝汽器;9-熱水排放螺桿膨脹機(jī)按螺桿壓縮機(jī)的逆原理工作,其基本構(gòu)造與螺桿壓縮機(jī)相似,工作過程相反。但其制造工藝和控制系統(tǒng)要比螺桿壓縮機(jī)復(fù)雜得多。 螺桿膨脹機(jī)工作大致可分為: 1、進(jìn)氣過程:高壓介質(zhì)經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入轉(zhuǎn)子的齒間容積后,將推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),并使齒間容積不斷擴(kuò)大,當(dāng)齒間容積完全與進(jìn)氣口脫離時(shí),進(jìn)氣過程結(jié)束。 2、膨脹過程:隨著齒間容積繼續(xù)增大,高壓介質(zhì)體積膨脹溫度降低,同時(shí)輸出動(dòng)力到轉(zhuǎn)子的伸出軸處。 3、排氣過程:當(dāng)齒間容積與排氣口相通時(shí),便開始排氣過程,直至齒間容積減少為零,完成一個(gè)工作循環(huán)為止。螺桿膨脹機(jī)間隙密封,從而具有透平膨脹機(jī)和活塞膨脹機(jī)均不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),即對(duì)進(jìn)氣為含有液滴的濕蒸汽有良好的適應(yīng)性。當(dāng)進(jìn)氣為濕蒸汽時(shí),液滴有助于密封。螺桿膨脹機(jī)可作為全流膨脹機(jī)使用,即工作介質(zhì)的進(jìn)氣口狀態(tài)不僅可為干蒸汽,也可為二相流體或全液體。在螺桿膨脹機(jī)中,高壓介質(zhì)直接作用在轉(zhuǎn)子齒面上,因而有近似于直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性,即能進(jìn)行重負(fù)荷啟動(dòng)。螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速較低,一般約為同容量透平膨脹機(jī)的1/10左右,因而可不通過減速裝置而直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其它低速耗能機(jī)械,且軸封效果好,壽命長。2.雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電也叫做低沸點(diǎn)工質(zhì)地?zé)岚l(fā)電或中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電,又叫做熱交換法地?zé)岚l(fā)電。這是20世紀(jì)60年代以來在國際上興起的一種地?zé)岚l(fā)電新技術(shù)。這種發(fā)電方式,不是直接利用地下熱水所產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功,而是通過熱交換器利用地下熱水來加熱某種低沸點(diǎn)的工質(zhì),使之變?yōu)檎羝?,然后以此蒸汽去推?dòng)汽輪機(jī),并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電;汽輪機(jī)排出的乏汽經(jīng)凝汽器冷凝成液體,使工質(zhì)再回到蒸發(fā)器重新受熱,循環(huán)使用。在這種發(fā)電系統(tǒng)中,低沸點(diǎn)介質(zhì)常采用兩種流體:一種是采用地?zé)崃黧w作熱源;另一種是采用低沸點(diǎn)工質(zhì)流體作為一種工作介質(zhì)來完成將地下熱水的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。常用的低沸點(diǎn)工質(zhì)有氯乙烷、正丁烷、異丁烷、氟利昂-11、氟利昂-12等。表2常用低沸點(diǎn)工質(zhì)的沸點(diǎn)與壓力之間關(guān)系工質(zhì)壓力(kPa)沸點(diǎn)(℃)工質(zhì)壓力(kPa)沸點(diǎn)(℃)水101.325100異丁烷101.325-11.7氯乙烷101.32512.4425.56532162.1225911.92560.9354.63850氟利昂-11101.32524445.8360氟利昂-12101.325-29.8正丁烷101.325-0.5雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):①蒸汽壓力高,設(shè)
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