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飞速发展的燃气技术

时间: 2013-08-27 20:07:09 分类: 科学技术 
摘要:尽管由燃气吸收加热泵所产生的最初设备成本远远高于传统的电子设备,但这种设计可提供加热和制冷的双重能力,并提高了加热效率,仅需最小的电气需求,便具有可作为大型设备的模块系统的组装能力。另外,由此附加的充分利用空间技术对室内设备空间无任何要求,因为其所有燃烧部分位于室外。同时,每个单元可连接多个风扇线圈或空气处理器进行分布式管理。 虽然气体加热泵技术并未被广泛所知,但到目前为止,此技术的应用已有近两年的时间了。

尽管由燃气吸收加热泵所产生的最初设备成本远远高于传统的电子设备,但这种设计可提供加热和制冷的双重能力,并提高了加热效率,仅需最小的电气需求,便具有可作为大型设备的模块系统的组装能力。另外,由此附加的充分利用空间技术对室内设备空间无任何要求,因为其所有燃烧部分位于室外。同时,每个单元可连接多个风扇线圈或空气处理器进行分布式管理。 

虽然气体加热泵技术并未被广泛所知,但到目前为止,此技术的应用已有近两年的时间了。2004年3月,这项技术在欧洲得到首次应用。而在其初始阶段之前,仅是燃气吸收制冷技术有所应用。这些被日益广泛接受的装置是在上世纪六十年代由Arkla公司、Bryant公司以及Whirlpool公司合作生产出来的。那时,燃气吸收加热泵还没有被广泛应用,因为当时制造商还没有生产转换流至六个线路的阀门的能力。Rabour S.p.A,Zingonia(Bergamo) — 一个意大利的公司设计开发并制造出天然气与丙烷气体加热制冷系统。也就是说,直至5年前才生产出可以达到上述功能的阀门。 

蒸汽压缩 

当燃气加热泵在进行一个吸收循环的时候,它们相应的电气部分要同时进行一个蒸汽压缩循环。这两个循环具有相似的原理,但却有不同的机械结构。蒸汽压缩系统应用一个马达驱动的压缩机,此压缩机包含了多个可移动部件。相比较而言,吸收系统则应用加热换热器并仅有几个可移动部件。更少的移动部件减小了设备故障的风险,同时延长了设备寿命。 

既然蒸汽压缩循环与吸收制冷循环都具有将高压向低压流动与转变的功能,那么,它们应具有许多相似之处。 

在一个蒸汽压缩循环中,压缩机的任务是将低压制冷蒸汽压缩成为高压气体。高压气体被传送到称之为冷凝器的盘管区域,冷凝器位于室外机部分。如图1所示。

 
图1 在一个蒸汽压缩循环中,压缩机的任务是 
将低压制冷蒸汽压缩成为高压气体。高压气体被 
传送到称之为冷凝器的盘管区域,冷凝器位于室外机部分。

风扇部分将室外空气流过冷凝器,从而带走制冷剂的热量,导致制冷剂压缩并转变为液体。液体通过整流设备流到被称之为蒸发器的低压区域。它具有暴露于室内空气中的盘形管,因为较热的室内空气流过管体表面,所以当它带走空气中的热量时,制冷剂就开始沸腾了。这样室内空气被冷却,而制冷剂再一次变为蒸汽。随后,制冷蒸汽流回至压缩机,从而一个新的循环开始了。 

可供选择的制冷剂 

在蒸汽压缩循环与吸收循环之间一个最大的不同在于制冷剂的选择。蒸汽压缩循环使用碳氟化合物制冷剂。氟氯碳化物制冷剂已经被逐渐淘汰,它们的转换替代品氯氟碳氢化合物也将逐渐淡出市场。目前,绝大多数的蒸汽压缩设备使用无氯的氢氟碳化物制冷剂,如R-410A。 

相比较而言,吸收循环设备更加典型的使用由水与吸收剂组成的制冷剂,这些吸收剂包括锂溴化物与氨水等等。由于锂溴化物对水的亲和力及其无毒性的特点应用更为普遍。较小的吸收冷却器有时会将水作为吸收剂,而将氨水作为冷却剂。水与氨水都是自然界的天然要素,它们对环境是无任何危害的。这两个循环之间唯一的不同在于锂溴化物循环工作在真空环境中,而氨水循环则不是,其中溶液是必须使用的。

 
图2 通过应用以下四个简单的原理,吸收循环进行工作并产生冷却 
水:1.加热并使溶液沸腾 2.压缩 3.气体 4.吸收

通过应用以下四个简单的原理,吸收循环进行工作并产生冷却水(如图2): 

1、加热并使溶液沸腾; 
2、压缩; 
3、气化; 
4、吸收。 

在循环过程中,制冷剂被吸收或被稀释成溶液。循环在发生器中开始,发生器中装有溶液,同时火炉对其加热。这种加热会导致吸收剂从制冷剂中分离出来,并生成制冷剂蒸汽与一个高压区域。然后蒸汽流入到压缩机里面。 

室外空气流经压缩机并带走制冷剂蒸汽的热量,同时制冷剂变为液体。液态的制冷剂流过节气门(计量仪器),相对于在发生器中降低了自身的压力和温度。在蒸发器中时,制冷剂冷却了带有来自室内空间热量的水循环系统。制冷剂带走水中的热量,冷却了水,自身变回到低压的蒸汽。而后被冷却的水通过室内的制冷管道进行循环。 

蒸汽冷却剂含带来自条件空间的热量,重新流回到吸收器中,在那里与在发生器中从氨水中分离出来的水重新结合。水吸收制冷剂后再一次形成溶液,并被泵回到发生器,一个新的循环将重新开始。在加热模式下,此循环可以仅借助于一个阀门的帮助即可向相反方向进行。 

目前,吸收冷却器有以下两种类型可供选择: 

1、单一功效(步骤)单元,它使用低压(20磅/平方英寸或更低)作为驱动力。这些单元一般具有0.7的性能指数,在ARI标准的额定条件下,发生器边缘(在控制阀之后)需要18pph/每吨的9磅/平方英寸的蒸汽。 

2、作为燃气(可以是直接的燃气过程,也可以是来自气动涡轮及发动机的高温废气)或高压蒸汽驱动(40-140磅/平方英寸)的双重功效(步骤)单元是可以得到的。这些单元的典型性能指数是1~1.2。蒸汽驱动单元在ARI标准的额定条件下,需要大约9~10pph/每吨的114磅/平方英寸的蒸汽。燃气单元在ARI标准的额定条件下,冷却每吨需要高热值达10000~12000 Btuh (Btuh — 英制热量单位:即每小时将一磅水升高一华氏度所需的热量 — 译注)。为了获得这种经过改善的性能,需要在循环中放置第二个发生器以得到更高温度的能量源。

 
图3 燃气加热泵将加热效率提高到150%。当周围的环境温度降至4 华氏度时,其效率可至100%。外加的单元仅有最小的电气需求—大约为一个等价的电气压缩机驱动单元20%的大小。

加热与制冷 

新型的燃气吸收加热泵技术由Robur,Evansville公司研发。他们应用一个单一功效(步骤)气态氧循环与对环境无害的水或氨水吸收循环。加热泵使用一个发生器取代了机械的压缩机或发动机。天然气或丙烷气体被用来作为主要的能量源,而最小电控设备通过操作控制泵的动作而执行一个支持的角色。在相反的模式下,整个单元可使用来自于空气、大地以及水的热量。 

“这已经变成一种真正的液体循环加热或制冷设备,它目前的装置与锅炉系统十分相似”,Rabur,Evansville公司销售主管Rick Halbig说。Rabur,Evansville公司是Robur S.p.A公司的姊妹公司,它率先将燃气加热泵推向市场。术语“液体循环加热或冷却”显示该产品是促进液体循环的。“一个室外加热泵可以连接几个室内风扇或空气控制器进行分区管理并可在有条件的空间中得到更舒适的控制”。在一些应用中,对于令人生厌的管道系统来说,运行水路更为容易一些。 

如同众多的气动空气炉一样,过去的燃气吸收空气调节装置依靠一系列独立的低压控制器与安全装置彼此相互独立工作完成的。今天的系统使用微处理器完成这些工作,使得整个单元的全部性能更为高效、可靠以及更容易维护。 

今年3月份投放市场的GAHP-AR可逆空气源与GAHP-W水源燃气加热泵(由Rabur公司生产)通过先进的微处理器控制,使得燃气加热泵的吸收循环更加切实可行(如图4、图5)。

 
图4 Robur公司的GAHP-AR热力学循环,气体源加热泵实现加热与制冷

 
图5 Robur公司的GAHP-W热力学循环,水源加热泵实现加热与制冷

燃气加热泵将加热效率提高到150%。当周围的环境温度降至4华氏度时,其效率可至100%。外加的单元仅有最小的电气需求 — 大约为一个等价的电气压缩机驱动单元20%的大小(如图3)。由于加热泵产生了冷水和热水,它们将提供很好的应用灵活性 — 热水被泵到传统的风扇线圈或用来辐射地板加热,甚至是融化积雪。“在加热方面的高效会对制冷进行补偿”,Halbig先生说。 

尽管由燃气吸收加热泵产生的最初设备成本要远远高于传统的电子设备,但是燃气加热泵技术并不是作为一种传统的技术推向市场的。相反,这些单元的目标则是朝向更大的、家庭定制与分区管理的轻型商用设备以及所期望的舒适程度的方向迈进。 

燃气加热泵的市场化面临着以下几个挑战,其中最主要的是客户对它的认知程度。在燃气吸收制冷技术已经市场化多年的时候,燃气吸收加热泵技术与在与HVAC行业中的加热与制冷并不是同义的。 

“非常不幸的是,它并不是一种日用品,我们没有像Nike或Coke那么多的广告资源”,Halbig先生说,“燃气加热泵技术最初是应用在一个专业产品的特殊领域,Robur公司的工作是推动其为整个行业所共知 — 包括工程群体、机械设备的订约人、HVAC经销商,以及那些想要为自己的客户提供一些与众不同的产品的人。”

 
作者:Mary Lowe