【硕士论文】燃气发动机驱动复合空调系统的余热利用.pdf

摘要 随着经济的快速发展，电力负荷峰谷差日益增大，其主要原因是制冷空调的用电量增加， 目前9 0 的空调是电空调。促进天然气的应用，提高天然气在我国一次能源中的比重是我 国能源结构大调整的一个重要内容。节约建筑空调能耗，促进天然气空调的应崩乃当务之急。 燃气发动机驱动的复合式空调系统是当前形势下的理想选择。 燃气发动机驱动的复合式空调系统具有以下特点：发动机输出功南接驱动制冷压缩机， 减少轴功转化损失；发动机的转速调节和制冷压缩机固有能量调节方式相结合获得良好的部 分负荷特性；发动机的余热被回收，用作除湿转轮的再生能源，节约能源，提高系统的一次 能源利州率；采_ L j 转轮除湿代替冷却除湿，提高制冷机的工作温度，避免冷量和热量抵消。 燃气发动机驱动的复合式空调系统具有传统空调无法替代的优越性，但在我国仍处丁研 究开发的初步阶段，因此本文的研究对燃气发动机驱动的复合式空调系统的研究开发具有指 导意义。 本文以实验为基础，利用发动机的输出功驱动制冷压缩机，发动机的余热经同收后用于 加热除湿转轮的再生空气。对发动机余热回收系统的设计、复合式空调系统的热力学性能以 及复合式空涮系统的经济性进行了研究。 通过研究得出了：发动机余热回收循环水的流量和温度对余热回收总量的影响及余热回 收系统设计时须注意的问题：发动机驱动的复合式空调系统具有较高的能效率和娴效率， 即较合理的用能方式：对上海商场建筑夏季某日逐时耗费进行计算，与传统空调系统相 比，发动机驱动的复合式空调系统能够明显节省运行费用。 关键词：发动机余热利用复合式空调热力学分析转轮除湿经济性分析 A B S T R A C T W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ee l e c t r i c i t yp e a ki si n c r e a s i n g l y b e c o m i n gs h a r p ，o n em a i nr e a s o no f w h i c hi st h ei n c r e a s eu s eo fa i rc o n d i t i o n i n g I ti sa ni m p o r t a n tp o l i c yo fo u re n e r g yf r a m e w o r ka d j u s t m e n tt op r o m o t et h e u t i l i z a t i o no fn a t u r a lg a s T h e r e f o r ei t i s u r g e n tt o r e d u c et h eb u i l d i n ga i r c o n d i t i o n i n ge n e r g yc o n s u m i n ga n d t os p e e du pt h en a t u r a lg a sa p p l i c a t i o n G a s e n g i n e d r i v e nh y b r i da i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m ( E D H S ) i s a ni d e a lc h o i c e E D I - Sh a st h ef o l l o w i n g a d v a n t a g e s ：t h es h a f tw o r kf r O me n g i n ed r i v e s c o m p r e s s o rd i r e c t l y , r e d u c i n gw o r k - t r a n s f o r m i n gl o s s ；t h ev a p o r 。c o m p r e s s i o n c h i l l e rd r i v e n b y e n g i n e c a nr u ni nt h e r e g u l a t i v ep a t t e r n o f c h a n g i n g r o t a r y s p e e do fe n g i n ea n dc y l i n d e rn u m b e r o fc o m p r e s s o r ；t h ew a s t eh e a to f e n g i n ei sr e c o v e r e dt or e g e n e r a t ee n e r g yo fr o t a r yd e h u m i d i f i e r , s a v i n ge n e r g y a n di m p r o v i n ge f f i c i e n c y ；t h er o t a r yd e s i c c a n td e h u m i d i f i e ri si n c o r p o r a t e dt o r e d u c ea i r h u m i d i t y s ot h a tt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r ea n dC O Po fv a p o r c o m p r e s s i o nc h i l l e ri n c r e a s ea n d i ti sa v o i d e dt h a tap a r to fr e f r i g e r a t i o nl o a di s o f f s e tb yr e h e a t E D H Si sj u s ta tt h eb e g i n n i n gs t a t ei no u rc o u n t r y T h ea u t h o rh o p e st h a t s t u d yh e r e i nc a nb eu s e dt od i r e c tf u r t h e rw o r k Am o d i f i e d L 4 6 5 Q I g a s o l i n ee n g i n e i su s e dt od r i v e h y b r i ds y s t e m 。 I n v o l v e di nt h i s p a p e ra r et h ed e s i g n o fw a s t eh e a tr e c o v e r ys y s t e m ，t h e t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i sa n dt h ee c o n o m ya n a l y s i so fh y b r i da i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m 。 B a s e du p o nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ep a p e rd e t e r m i n e st h a t ：t h ee f f e c to f r e c o v e r yw a t e rf l o wa n dt e m p e r a t u r eu p o nt h et o t a lq u a n t i t yo fr e c o v e r a b l e h e a ta n da l s od i s c u s s e ss o m er e l a t e di s s u e s E D H Sh a sh i g h e r e n e r g ye f f i c i e n c y a n d h i g h e re x e r g ye f f i c i e n c y , n a m e l y m o r er e a s o n a b l e e n e r g y c o n s u m i n g m a n n e r ；f o rc o m m e r c i a lb u i l d i n gi ns h a n g h a i ，E D H Sc a ns a v eo p e r a t i o ne x p e n s e r e m a r k a b l yi nc o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a lv a p o r 。c o m p r e s s i o na i r - - c o n d i t i o n i n g s y s t e m K e yw o r d s ：E n g i n e tW a s t eh e a tu t i l i z a t i o nth y b r i da i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m | T h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i s ，r o t a r yd e s i c c a n td e h u m i d i f i e r , e c o n o m ya n a l y s i s 碳士学位论文 静六学 第一章绪论 第一章绪论 随着我国经济的不断增K 和人民生活水平的逐步提高，夏季空调需求的增挺给电网带米 了巨人压力。燃气空调是缓解上述压力的合理方案。提高能源利用效率是缓解能源短缺的另 一途径，最大限度地回收利用余热可以大大提高一次能源的利用效率。燃气压缩式空调与余 热回收相结合是本课题的主要特点。 第一节燃气空调的发展 国民经济的快速增长和人民生活的普遍提高，急剧增加了对能源的需求。我国的能源以 煤炭为主。在一次能源结构中，煤炭的比例约为7 3 ，石油约1 9 9 ，天然气约2 9 ，水电等约6 0 我国能源利用率低下，单位G D P 的能源消耗远高于发达国家，为日本的1 5 5 倍，法国的9 倍， 甚至比印度还要多l 倍。我国人均能源资源严重不足。虽然拥有世界第一位的水能资源、世 界第一位的煤炭探明储鹫、世界第十一位的石油探明可采储量，但人均能源资源拥有量以标 煤计只有1 3 5 n 屯，相当于世界平均拥有量( 2 6 4 吨) 的5 1 。煤炭人均探明储量1 4 7 1 1 屯，为世 界人均值( 2 0 8 N i ) 的7 0 ，石油人均探明储量2 9 吨，为世界人均值1 1 ，天然气为世界人 均数的4 。能源效率低下是与以煤为主的能源结构密切相关的，因为煤燃料的中间转换装 置效率低、以煤为燃料的终端能源利用装置效率低于液体或气体燃料，统计表明，煤燃料的 能源效率比液体、气体燃料的能源效率低8 1 0 。所以要缓解能源效率低下与资源不足的 矛盾，实现可持续发展，能源结构的调整也势在必行。 天然气作为清洁能源，其在我国次能源结构中所占比例远远低于工业发达国家( 约2 0 g ) 。近年来，我国探明的天然气储量已达 1 U 2 2 0 0 0 亿立方米，已具备了较快发展天然气的 基础。鉴于天然气勘探取得重大进展，国家发展与改革委员会提出了大力调整能源生产结构 利消费结构，加大础气在我国一次能源中的比重，争取在2 0 年内把天然气在一次能源结构 中的比例提高到1 0 菪“。 众所周知，随着我国经济的快速发展，电力负荷日与季节性峰谷差日益增大，严重影响 了电力供给的安全和电力工业的健康发展。众所周知夏季的用电调峰已经成为近年来电力 行业的一件大事。据国家标准化管理委员会主任殷明汉称。国内大面积缺电，其中空调”功 不可没”。据相关资料统计“1 ，上海1 9 9 0 年日用电的尖峰负荷为4 1 0 7 ) J 千瓦，用电峰谷差 为1 5 4 4 万千瓦，占最高用电负荷的3 5 4 ，j ! l J 2 0 0 1 年用电尖峰负荷为1 1 1 1 3 万千瓦，最大 峰谷差为4 8 0 3 ) 1 千瓦，占最高用电负荷的4 3 2 ，2 0 0 2 年用电尖峰负荷增) j i ：l l l J l 2 3 5 1 万千 瓦，日最大峰谷差为5 4 3 9 ) 千瓦，占最高用电负荷的4 4 0 。上海市区的季节负荷峰谷差 增长幅度比臼负荷峰谷差更大。引起用电峰谷差逐年剧增的主要原因是制冷空调的用电量增 加。由于人民生活水平的提高和办公环境与国际接轨，城市建筑广泛采用采暖和制冷设备。 建筑用能迅速上升。据统计2 0 0 0 年上海夏季电力最高负荷中空调用电负荷为3 9 0 万千瓦，占 3 7 2 ，2 0 0 3 年上海夏季用电最高负荷已突破1 3 6 0 万千瓦，其中空调用电负荷达5 0 0 多万千 硕r 学位论文 田席云学 第一章绪论 瓦，L V 2 0 0 2 年增加I o o 多万千瓦，占到全市用电负荷近一半，是造成当年用电持续攀升的主 要原因。为缓解供电压力，电力专家号召市民把空调温度提高1 ，减轻电网3 0 万千瓦左右 的负荷压力。因此可以认为上海电力的巨大压力主要来自空调用电，为了满足空凋高峰时期 州电，政府需为l 干瓦的家用空凋上投资3 - - 4 万元的电力设备。这足见寻找空调替代能源的 时代紧迫陛。 屯力和燃气的消费与季节和气温有明显的关系，夏季的用电量急剧增加，而燃气则相反， 夏季的用气量是全年的低估。上海市8 月份的用气量仅为1 月份的6 1 4 p 】【”。因此，电力 和煤气之间存在可相互削峰填谷的互补性，如1 1 图所示p j ，这一点，从日本大阪煤气公司 ( O s a k a g a s ) 的供气变化也可以看出，如图1 - 2 所示： 随着我国天然气“西气东输”工程的实现和东海天然气登陆l 受江三角洲，天然气作为一 种能源分担一定的空调负荷份额具有伟大的现实意义。 单位( 百万立方米 4567891 0 城市电力及煤气用量负荷年变化示意图“1 固1 2 日本O s a k aG a s1 9 9 8 1 9 9 9 年月燃气销售量示意图“1 2 卅川11 硕士学位论文 舟云学 第一章绪论 第二节燃气空调的分类 用燃气作为能源的空调方式概括起来有以下几种： 一以燃气作为能源的吸收式冷( 热) 水机组 以燃气作为能源的吸收式冷( 热) 水机组有以下几种 1 燃气锅炉+ 吸收式制冷机 在这种型式中，燃气锅炉产生蒸汽或者热水，驱动吸收式制冷机产生冷水。该型式可用 于大型建筑物或中小型区域制冷、供热工程，对于要求直接提供蒸汽或热水的旅馆建筑也较 适用。这种系统可提供冷水、蒸汽( 或热水) 。1 9 9 5 年建成的上海市政府大楼即采用这种方 式。燃气锅炉产生0 8 M p a ( 表) 的饱和蒸汽驱动蒸汽型双效吸收式冷水机。 2 燃气直燃型吸收式冷、热水机组 一般建筑物的采暖、供冷均可采用，大型建筑物和中、小型区域供冷、供热也可使用。 燃气直燃型吸收式冷、热水机可分为：制冷采暖专用机、制冷采暖兼用机、氨吸收式制冷机、 中小型吸收式冷热水机、燃气吸收式热泵。 3 以燃气为能源的热电联产系统( 全能系统) 废热利用的吸收式制冷机。 随着热电冷联产全能系统的发展，合理利_ I _ | 系统中的废热是提高系统性能系数的重要因 素。通过废熟锅炉( 余热锅炉) 产生蒸汽或热水。采用常规的蒸汽或热水型溴化锂吸收式冷 水机组制冷是常见的方式。这种制冷机有两种型式：第一种型式的一种方式是在吸收式制冷 机的溶液回路中串连废热利用换热器。利用废热加热进入高压发生器的溶液，减少机组的一 次能耗。吸收式制冷机运行时尽可能先利用废熟废热不够时再用燃气。这种型式的另一种 方式是在吸收式制冷机的高压发生器中增设废热换热器，并在废热换热器中增设冷剂蒸汽进 入低压发生器的通路。废热加热溶液后产生的冷剂蒸汽与燃气燃烧后产生的冷剂蒸汽一起进 入低压发生器。第二种型式是单双效结合型的吸收式冷、热水机这种制冷机可回收全能系 统中除排气外的其他排热，如将燃气发动机缸套排热水( 温度约8 0 C 9 0 C ) 用作单效发生 器的热源，可做到单、双效联合运行或各自单独运行。 二以燃气作为能源的压缩式空调机组 以燃气作为能源的驱动式冷( 热) 水机组根据采用的发动机种类可分为- - - T O ：燃气轮机、 内燃机和外燃机。由于各类发动机工作原理不同，各自的能量转换效率有所不同。这里主要 介绍内燃机驱动的冷( 熟) 水机组的特点。 燃气发动机驱动的压缩式制冷机组具有较高的C O P 值，因而在燃气空调中该机组得到了 发展。该机组与电动压缩机组比较，可无需考虑电力系统的发电效率、输配电效率及转换效 率因而具有较高的一次能源利用系数，是一种既以燃气为能源又具有较高一次能源利用系 数的制冷机组。 燃气发动机驱动空调机组的优势可概括如下： ( 1 ) 继承了“能源梯级综合梯级利用”的总能系统思想，因而系统一次能源利用率较 高。 ( 2 ) 同时又能有效地将余热利用与改善空气源热泵空调的低温制热性能结合起来解 同静六学 第一章结论 决，为实现空气源热泵空调独立承担采暖任务创造了条件( 但燃气驱动式空调系统本身并不 排斥辅助热源的使用，相反在应用于极严寒地区时系统要作相应的辅助热源设置) 。 ( 3 ) 能够在较人范围内通过调整发动机转速来改变系统供热供冷出力以适应服务对 象负荷的变化，从而保持系统的高效运行。即具有与变频E H P 相同的调节性能，而优_ = 传 统E H P 以压缩机启停控制来调整出力的策略，因为启停操作无疑会降低系统的效率，同时 对压缩机寿命有不良影u 向、对供电系统有干扰。 ( 4 ) 保留了分体空调、户式中央空调的分户独立性特点、适应了当前供暖行业止在进 行的分户计量改革需要，具有良好的用户可接受性。 ( 5 ) 可用发动机的余热进行除霜，减少热水的热最损失。 三燃气用于转轮再生的干燥空调方式 为满足室内的温湿度要求，可在机组中加入转轮除湿机，室外新风先进入转轮除湿机进 行除湿处理，除湿后的干空气再进入空调机进行空调处理，然后进入空调室完成制冷、采暖 过程转轮除湿机由吸湿转轮、传动机构、外壳、风机及再生用加热器等组成用来吸收室 外新风中水分的吸湿剂一般为硅胶或分子筛当吸湿剂达到含湿量的极限时会失去吸湿能 力，为重复使用需进行再生处理再生处理是用热空气加热吸湿剂，使其所含水份蒸发而 热空气就是通过在再生加热器中利用燃气燃烧后的排热与空气进行热交换获得的这种干燥 空调方式有F 列优点： 1 充分利用燃气燃烧后的排热，起到节能的作用 2 对空气分别进行湿度和温度的处理，能承担较火的冷负荷和湿负荷，且避免了为满足 湿度要求制冷机在低蒸发温度下运转，效率降低的弊端，节约了能耗，有较好的经济性 本课题所遘研究的燃气空调方式 由前述可知：燃气发动机驱动的压缩式冷水机组有较高的性能系数，系统在输山冷量的 同时有大掇的发动机余热输出；转轮再生的干燥空调方式可以就近利用余热，降低系统运行 能耗，提高处理空气的品质。鉴于以上两点，本实验系统采用将发动机驱动的压缩式冷水机 组与转轮除湿系统相结合，回收发动机的余热用作除湿转轮再生空气的热源，这样，两个系 统的优势都能得到充分发挥。 本文在燃气发动机驱动的复合式空调系统整体实验台基础上对系统的余热回收及系统 的经济性进行了研究。 4 坝士学位论文 p 拜么学 第章绪论 第三节燃气发动机空调的发展 一国外概况5 1 燃气发动机驱动式空凋技术的发展可以追溯到1 9 6 0 年。 当时，出于燃气制冷能够将空调带来的电力高峰转移的考虑开始了相关技术的研究，在 日本出现了1 5 台服务于建筑空调的燃气发动机驱动的大型离心式制冷机，紧接着吸收式制 冷技术吸引了更多的注意力。1 9 7 3 年石油危机使得日本入再次将注意力转移到燃气驱动式 空调上米，2 0 世纪8 0 年代制冷量在2 0 R T ( I R T = 3 5 2 k W ) 以上的燃气热泵被广泛使用( 大型G H P 在日本被称为G E H P ，区别于后来受到更多关注、得到更大发展的小型产品，现在G H P 专指制 冷綮在3 0 R T 以下的小型产品) 。日本国历来重视燃气制冷技术的研究与应用，其燃气驱动 式空调技术的强大优势绝不亚于溴冷技术在国际上的地位。8 0 年代- - 9 0 年代，日本“小型 燃气制冷技术研究计划”卓有成效，1 9 8 7 年9 月，三种型号的产品上市，到了1 9 9 2 年与 E H P ( E l e c t r i c d r i v e nH e a tP u m p ) 产品相对应的制冷量在i 3 R T 一2 3 5 R T 之间的2 3 种型号 的产品都己面世。近年来，为了进一步缩小燃气驱动式空调产品尺寸使其更适合家用空调 的需要，引擎制造业与空调制造业进行了有效的合作，在“增加引擎转速”、“缩减部件尺 寸。实现引擎与制冷压缩机的紧凑配合”、“采用稀薄燃烧技术降低N O x 排放”、“最大限 度的实现发动机废热的有效回收”等方面取得重大进展。 在美国，燃气驱动式空调技术主要受到G R I ( G a sR e s e a r c hI n s t i t u t e ) 雨l D 0 ，E ( D e p a r t m e n to fE n e r g y ) 的资助，引擎制造企业和冷机制造企业进行了有效的合作。 始于1 9 8 4 年1 0 月，由卧兀E L L E _ c 0 L U M 叫S 实验室主持的G H P 研究项目，有知名的高速引擎 制造企业B R I G G S T R A T T O N 、家用空调生产企业H O N E Y W E L L 、暖通行业压缩机著名生产商 C O P E L L A N D 参与合作，G H PY O R K3 0 是其标志性成果。 在日、荚之后欧洲国家也对燃气驱动式空调技术的研究给予了高度的重视，德国F & S 、 意犬利C L I M A V E N E T A 、西班牙J O H N S O NI B E R I C A 也都开发出相应的燃气驱动式空调产品。 二国内概况”1 在我国燃气空调的研究起步较晚。 1 9 9 9 年，同济大学燃气红外研究所开始从事发动机驱动空调的课题研究。在徐吉浣教授 和秦朝葵教授的指导r ，首先在柴油机性能及余热回收实验基础上对发动机余热回收特性及 复合式空调系统的适用性进行了研究，其后在天然气发动机驱动的压缩式制冷机组实验台基 础上对机组的能量调节及发动机余热回收进行了研究。 哈尔滨工业火学、天津大学及上海交通大学也曾做过相关的研究。 燃气发动机驱动的复合式空调系统在我国尚处于研究开发阶段。 硕十学位论文 曰街表学 第一章绪论 第四节发动机余热的利用 一余热分类 1 按存在状态 在社会中，余热以形形色色的状态存在着，我们能观察到的余热有气体余热、液体余热、 吲体余热、余潜热、余压和余动力六种。 气体余热以燃烧炉的烟气为代表，这种典型的余热回收装置是空气预热器。 液体余热是指冷却设备和产品使用的水，温度上升变成废热水等这类余热。热量非常多， 可是由于温度低，所以未达到实际应用的余热回收。 同体余热的分类很复杂，区分固体余热也很困难。例如，加工结束后的产品显热，虽然 最初是有效热，可是达到目的后也可作为固体余热对待。 余潜热是指在炉内发生化学反映时产生的可燃气体。 2 按温度水平 余热按温度水准可以分为：低温范围( 常温1 0 0 ) 、中温范围( 1 0 0 3 0 0 ) 和高温 范围( 3 0 0 6 0 0 。C ) ，每个范围都有自己有代表性的利用方法，简述如下： 1 ) 低温范围的应用方法 在所需能量的最终形式中以热能形式利用的约占6 0 以上，其中三分之一是在1 0 0 以F 使用即约相当于能量总需求的2 0 。 低温范围的热利用务必依靠余热回收进行供给，一般用于四个方面：在采暖上的应用， 在这个温度范用中需要鹫最大的是采暖；热水：游泳池、温泉；在农业和水产业上的利_ I = j 。 2 ) 中温范围的利用方法 在制冷机上的利用 利用这种温度的余热容易得到l O 2 0 k g c m 2 的蒸汽，这种低压蒸汽驱动制冷机是很合 适的。 在生产淡水方面的应用。 发电上的利用；达到这个温度水准时，就可能用发电进行回收，但是工作介质不只限于 水，低沸点也有效。巧妙选择工作介质是关系到这个温度范围的余热能否经济地发电的关键。 3 ) 高温范围的利用方法 温度水准提高到这个范围时，可以说这是高品味的热能，能用作工艺过程的干燥热源和发电 等。另外，这种高品味的能量用于发电和干燥之后，还可用在前述的低温热利用过程中，进 行所谓“串连式”的利用。从热利用角度来看，这是有效的方式。 二发动机余热的应用 发动机的余热分为冷却系余热和废气余热，冷却系余热( 约6 0 ( 2 7 0 C ) 属于低温余 热，尾气余热( 约5 0 0 ( 2 ) 属于中温余熟，这两部分一般约占5 0 ( 最大值约为5 5 ) ，由于 热平衡也同发动机大小、结构型式、是否增压有关，因此这里不作进一步细分。 冷却水的余热温度较低，主要用于供热水。发动机的尾气余热具有较高的温度利用价值 主要州途有： 1 用于供热给进水和出水温度分别为9 0 和7 0 C 的固有采暖设备； 2 用于供给生活用热水； 6 倾| “学位论文 目a - 击学 第一章绪论 3 在设置蓄热器时，由于废热用于制备高温热水，因此蓄热器的容积可以减小； 4 还可川米产生蒸汽( 例如用于空调装置增湿或供厨房和洗涤使用) 。 在车辆上，发动机的冷却水余热大多通过冷却水箱散至空气中，尾气则直接排至空气中， 实际上这造成了能量的极大浪费。也有少数车辆生产企业意识到这一点，已经开始考虑发动 机余热的回收利川。 余热在空调中的应用通常有作为吸收式制冷的热源和作为除湿转轮再生空气的热源两 种方式。吸收式制冷在我国发展已十分成熟，但有一些缺点限制了其推广、使用，如能源利 用率低( 一次能源利用系数为0 9 一1 2 ) 、节电不节能、设备庞大、不适合热负荷大、生活热水 用量人的建筑。除湿转轮可与多种空调系统组合使用，能够降低运行成本，同时提高空气品 质。带热同收的燃气发动机驱动制冷系统一次能源利用值接近1 ，9 ，这比吸收式的能源利用 率高许多。 在本课题实验中，追求余热回收利用最大化是目的之一嘲p l 。发动机的余热用来加热热 水，作为除湿转轮再生空气的热源。 第五节选题背景和研究内容 一选题背景 上海面I 临着能源结构调整的任务，此次调整旨在提高清沽能源的消费比例，大力鼓励天 然气的席川。燃气发动机驱动的空调系统顺应时代潮流，并具有削电峰填气谷的战略意义。 将燃气发动机驱动的压缩式空调系统与转轮除湿系统相结合，有利于提高系统一次能源利J 射 效率，从而提高系统的经济性能，同时改善室内空气品质。在这种社会背景和经济背景下， 本课题廊运而生。本论文来源于上海市科技发展基金项目“天燃气发动机复合式空调关键技 术及应用研究”。 二研究目的 本文在实验台基础上对燃气发动机驱动的复合式空调系统进行研究，目的在于： 1 确定发动机余热回收的影响因素，为发动机余热回收利用系统的设计提供依据。 2 对发动机驱动的复合式空调系统的能量利用过程进行热力学分析，确定该系统的一 次能源利用效率及用效率。 3 将发动机驱动的复合式空调系统与常规的冷水机组空调系统进行经济性比较，验证 发动机驱动的复合式空调系统的节能效果。 三主要研究内容 本文的主要研究内容： 1 对燃气发动机的余热回收利用系统进行设计，包括所使用的各个换热器的设计以及 这些换热器的连接方式的确定。 2 对实验数据进行处理，确定出影响发动机余热回收利用系统的因素以及各自的影响 程度。 3 通过对实验数据的分析得出发动机驱动的复合式空调系统的能量利用效率以及系 统的煳效率，并与冷水机组空调系统及直燃机作比较。 7 释六学 第一章绪论 4 将燃气发动机驱动的复合式空调系统应用于某建筑物，结合相关实验数据计算该建 筑物一天中的空调逐时能耗，并与冷水机组空调系统的逐时能耗进行对比，得出燃 气发动机驱动的复合式空调系统的节能效果。 四理论意义及实际应用价值 在国内，关于燃气发动机驱动的复合式空调系统的研究属于较先进的课题，而基丁整体 实验台的研究则是全新的。本文研究的系统不仅具有热电联产的特点( 一次能源利片J 率高) ， 而且提出了暖通空调界新的空气处理过程，该过程在明显节约运行费用的同时，可改善室内 的空气品质。 本课题的研究可以为上海地区乃至全国燃气发动机节能型空调提供理论及实验依据，为 减少空调能耗，降低运行费用和缓解夏季用电紧张作出贡献。 硕l j 学位论文 目府云学 第二章燃。C 发动机余热例收系统 第二章燃气发动机余热回收系统 从第一章介纠的燃气发动机驱动的复合式空调系统的主要特点可以得山，如何高效地同收发动 机的余热，并将其整合到系统中，对经济性的影响尤为重要。文献【4J 5 】已经从定性的角度对发动机 余热的回收情况做过探讨，本论文主要内容之一就是在此基础上定量地探讨发动机的余热回收利 圳，为发动机余热回收利用的研究向前推进一步。 余热回收系统主要包括发动机冷却系、套管换热段、热管换热和再生空气加热器。本章主要介 绍余热同收系统的设计。为了最大限度地回收利用发动机的余热，需合理选择和设计换热器并确定 较合理的连接方式。 本章介绍了各种常用换热器的换热机理和特点，针对各换热段的特点选择了换热设备在相关 文献【1 ”数据的基础上设计计算各段换热器，设计结果以图文相辅的形式表示。 本章通过s i m u l i n k 软件对各换热段进行建模计算比较，最终得出较优的换熟器连接方式，以及 相应的水撬、温度，对发动机驱动的复合式空调系统的余热系统的设计进行了一些探索工作。 另外，本章对实验系统的调试也做了详细介绍。 第一节概述 我国目前能源结构的人凋整为燃气发动机驱动空调提供了良好的发展契机。然而，在燃气发动 机驱动空调的市场化进程中，经济性的优劣是一个最关键的影响因素。根据文献f ”，按电价量地O 6 元K W h ，天然气价格2 1 元N m 3 计，天然气热值计3 7 0 0 0 K J N m 3 ，供冷量Nk W ，发动机效率为q ， 则有： 3 6 0 0 + 2 18 N0 6 2 + N C O P + ”+ 3 7 0 0 0C O P ，7 = 3 3 由此可知，只有当发动机效率达到3 3 以上时，燃气发动机驱动空调才具有经济优势，而目前 只有大功率的燃气发动机才能达到这样的效率。因此单从经济性来看，燃气发动机驱动的制冷机组 并不具有优势。 但是燃气发动机的余热占整个燃气输入能量的6 0 左右，如果发动机余热得到有效利用，燃气 发动机驱动的制冷机组的经济优势就可以凸现出来，从而增强燃气发动机驱动的制冷机组的竞争能 力。 本实验系统就是将燃气发动机的余热回收用作除湿转轮的再生空气热源。将燃气发动机驱动空 调与转轮除湿系统相结合的系统称为燃气发动机驱动的复合式空调系统，该系统具有以F 特点： 1 ) 系统采用吸附剂除湿，有利于改善室内空气品质。 常规空调系统采用冷冻拽湿除去空气中的湿负荷，利用低温冷冻水使空气降到露点以下、使空 气中的水分凝结、析出，达到降湿目的，整个过程处于潮湿状态，极易滋生霉菌。燃气发动机驱动 的复合式空调系统采用吸附荆除湿，整个处理过程中空气温度远离露点因此可以保证良好的空气 9 秘螽击学 第一章 燃气发动机余热I a I 收系统 品质。 2 ) 燃气发动机驱动的复台式空调系统冷水机组C O P 较高。 冷冻陈湿过程需低温冷冻水，普通表冷器进水温度为5 7 C ，低温送风系统甚至达到3 。C 。而 在燃气发动机驱动的复合式空调系统中，除湿与冷却单独进行，冷冻水的温度可以保持在较高水平， 如1 0 1 5 。C 。根据制冷原理与制冷机组性能参数( 详见第五章) ，制冷机组的c O P 随蒸发温度的升 高明显增大，因此可以提高冷水机组的C O P 。 3 ) 燃气发动机驱动的复合式空调系统具有良好的调节性能和很高的一次能源利j = j 效率。 基于上述分析，为了提高燃气发动机驱动的复合式空调系统的经济竞争力，须合理设计余热回 收利用系统，使得回收余热在满足转轮除湿再生空气加热温度要求前提下，总量达到最大。 文献f 4 】 5 1 1 2 1 曾经对发动机余热回收利用进行了实验测试，提供了部分数据，见表2 1 和幽2 - 1 ， 但人多停留在测试余热总量的阶段。众所周知，余热总量与余热的温度密切相关，温度越高，余热 总量越小，本章就是在文献【4 】【5 l 提供的数据基础上设计余热回收利用系统，为后面几章的探讨提供 实验基础。 轰2 一l 【4 发动机转速n ( r p m ) 2 8 0 02 6 0 02 4 0 02 2 0 02 0 0 01 8 0 01 6 0 01 4 0 0 Q ( K W ) 5 2 3 l4 76 54 6 5 84 55 34 t 2 83 6 4 93 48 33 0 l R 制冷量 Q Q o 1 0 0 0 9 1 1 8 9 1 8 70 7 89 6 98 6 66 5 77 燃气输八热量Q “K w ) 5 2 2 54 9 5 74 4 8 54 0 7 83 64 73 37 92 83 52 46 7 Q K W ) 1 3 6 71 2 4 51 12 61 0 0 586 87 5 263 953 7 轴功 Q Q b 2 62 2 5 1 2 5 1 2 4 7 2 3 8 2 23 2 25 2 l8 Q w ( K W ) 1 3 7 01 32 l1 2 _ 3 31 1 8 91 10 11 0 3 29 0 78 4 7 冷却水余热 Q Q b 2 62 2 6 6 2 7 5 2 92 3 0 2 3 05 3 2 3 43 Q ，( K W ) 1 91 71 80 0 1 6 1 21 4 3 31 24 5l l1 49 0 073 9 尾气余热 Q Q b 3 67 3 63 3 5 9 3 5 ，1 3 41 3 3 0 3 l7 3 00 嘣K W ) 57 l5 9 05 1 44 5 04 3 348 138 934 4 祭项损失 Q J Q b 1 09 1 1 9 1 l5 1 1 O 1 19 1 42 1 37 1 3 9 其中Q 0 表示制冷机组的名义制冷量 0 量 藿 嚣 发动机能置百分数分配与制冷负荷百分数的关系 J 茗气蘸换 ； 0叫， 一 M 、? o ，一 _ 一 、屯冷却球余热 k o 一：= = 卧 k 一七广l 骨 i 阿5 熨j 珏fT 功 o 系硕鬻失 电，一 d 蚺。 图2 2 一- l i 发动机能量分配 第二带发动机冷却系换热设计 2 2 ，1发动机冷却的必要性f 1 2 1 1 1 3 l 发动机的冷却阔题是个极其重要的问题，它真接影响着发动机的功率发挥、工作效事以及零 部件的健_ ； 寿命。 发动机是一种热能动力机械。驽发动机工作时，燃烧室内的燃气温度高达1 1 7 7 3 3 0 0 一- - 2 2 4 4 0 0 0 0 C ，会使 它的一些主耍零部件如气缸壁、气缸盏、活塞组、喷油器、气门等直接受到气缸中高温燃气的加热、 冲刷及腐蚀作用在高温下持久她承受帆城及热力负荷。在发动机的运转过程中，这些零件：有的会 因为工作温度太高导致材料的强度”F 降而失去工作能力，或因为温度的变化产生循环应力而导致热 疲劳破坏。这些零件温度的高低不仅影响其本身的寿命及工作可靠性，而且还影响发动机的性麓指 标，甚至成为发动机进一步强化或正常运转的障碍。 发动机是系统的动力源，它将燃料燃烧所释放出的热能转化成为机械能，其工作可靠性在很大 程度上决定着系统有效丽可靠的工作t 而影响发动机工作可靠性和耐久性的重要因素之一就是热负 荷。如果发动机受热零部件的温度过高，就可能发生烧蚀、变形、材料的硬度和强度急剧下降。以 及润滑油膜被破坏甚至结胶，从而失去二作能力；或者由于活塞顶、气缸盏底都和阀座等处的温度 梯度过大而引起大的热变形，使零部件产生破坏。 发动机的冷却散热问题，主要指的是受热零部件的适度冷却问题。冷却系统的功用，就是把发 动机和传动装置受热件所传导出来的热及时散发到环境中去便发动机和传动装置获得可靠和有效 工作的热状态n 因此，发动机受热零部件的适度冷却是极其必要的。 所谓“适度”冷却，是指发动机的主要受热零部件，如活塞、气缸盖、气缸套和气门阀座等经冷 向胁表学 第二章燃气发动机余热心收系统 却介质( 水、空气或润滑油) 冷却后，其温度维持在某个允许的范罔内，既不可高于此温度范围的 上限，也不可低与其F 限，以保证发动机有效和可靠的1 作。其中允许温度范嗣的确定应考虑r 列 阁素：( 1 ) 高温烧蚀，( 2 ) 高温腐蚀，( 3 ) 高温蠕变，( 4 ) 高温强度， ( 5 ) 润滑油高温结胶， ( 6 ) 低温腐蚀，( 7 ) 燃烧室壁面低温对于发动机性能的影响。 现代完善的冷却系统，可以使发动机和传动装置在各种不同环境温度年“运转工况下具有最佳的 热状态既不过热也不过冷：既有良好的动力性和经济性，又有良好的工作可靠性，使发动机受热 什的壁面温度保持在允许的温度范围内。由此可见，冷却系统是机车的一个重要组成部分。 冷却系统的功用和效能可用冷却系统的有效性来表示。冷却系统的有放性，用传热介质( 水、 空气或润滑油) 的温度t t 与周围环境温度t 。的差值t 米表征：t = tr - - t 。t 小，则系统有效性 就高，即冷却效果好。当环境温度为t 。，从发动机或传热装置流出的传热介质的温度达到允许极限 时，该环境温度就被认为是冷却系统效能的极限。当环境温度很低时，为了防I t 传热介质( 水、空 气或润滑油) 的温度过低，冷却系统中必须装有调节装置，以使传热介质的温度维持在规定的范围 内( 7 0 一8 0 ) 。 由此可见，冷却系统的有效性，影响到发动机的性能和工作可靠性。 2 2 2 发动机冷却回收热量对复合式空调系统的重要性 复合式空调系统中除湿部分的核心趋转轮除湿器，转轮除湿器是一种有效的除湿设备，在除湿 器T 作过程中，需要不断地加热再生除湿器，以达到连续除湿的目的。 在发动机系统中，大概有3 0 4 0 的燃料燃烧后的能量被冷却水带走，这部分的热量一余热 回收热揖的一半以上，冷却水的温度一般7 0 8 0 C 。应用换熟器回收这一部分热量作为除湿转轮运 转的热源，既回收了余热，又有利于除湿系统的运行，可谓是一举两得。 2 2 3 发动机的传热 发动机的传热过程 发动机的传热过程，就是指由活塞、气缸和缸盖组成的燃烧室的传热过程。一般地，我们可将 其划分为三个过程： 燃气向燃烧室内壁面传热 通过燃烧室壁内部的导热 燃烧室外壁面对冷却介质的换热。 一燃气与燃烧室内壁面间的换热 在发动机工作时，缸内燃气不断向周围机件表面传热，其大部分属于对流换热性质。因为缸【：l = | 的高温燃气四周零件表面的流体边界层向零件表面传热，这种通过流体边界层的传热在燃气燃烧时 会达到很高的数值。 参照管内流体对管壁的对流换热过程可知，通过壁面流体边界层传热的热流密度与燃气和壁面 间的温差成正比。在一个工作循环中，燃气传给燃烧室壁面的平均热流密度q 。可用下式计算，即： = 簪 嗨皤 其中，q 。为平均热流密度，即壁面单位面积在单位时间内由对流换热通过的热流量( w m 2 ) - 。为一个循环的周期( S ) ： a 。为燃气与壁面间的对流换热系数( w ( m 2 K ) ) ： 1 2 f 矽瓦 一 乙 ( g 口 h r J O ，一 静云学 第二章燃气发动机余热回收系统 L 为燃气温度( K ) ； T w 为晕面温度( K ) 。 在发动机的传热过程中，缸内的燃气温度T 。随曲轴转角呈周期性改变，而且在整个燃烧室及缸 内空间中，燃气的温度不均匀。许多试验表明，在稳定工况下，燃烧室壁面温度随时间变化的幅度 很小，可近似地看作恒定的壁温。因此，上式变为： 铲卜 00 由此得，燃气的平均放热系数为 口。( 珞一瓦) W m 2 a 。= p 。 w ( m 2 K ) 0 0 燃气的平均结果温度为： 7 j 口。f g d r 珞= 等一 ( K ) J 口g d v 0 式中下角字m 是指一个工作循环内的平均值。 平均等效换热系数乖I 平均等效燃气温度的求取过程为：采用燃烧分析仪测得一个循环内每个曲 轴转角的燃气温度，以及采川后面将要介绍的经验或半经验公式计算得到的瞬时换热系数积分首先 得到平均等效换热系数，然后再求取平均等效燃气温度。以此作为发动机受热部件传热分析的边界 条件。 决定燃气与壁面之间对流换热系数能力口。的最主要因素是壁面附近燃气气流的流动情况以及 壁面附近流体边界层的性质。由于活塞的往复运动，气缸内基本上不存在层流运动，都为湍流运动； 并且由于存在进气旋流和湍流缸内气流的流动极为复杂。总的来看可以认为发动机缸内各处燃 气与壁面间的对流换热是活塞运动造成的整体对流与各处壁面附近具体情况造成局部对流换热增 强值的总利。 当发动机工作时，燃气对壁面的辐射换热在数值上要比对流换热小的多。但在某些情况下，例 如存在火焰辐射时，辐射换热也将达到燃气对壁面总换热量的1 4 1 3 ，因此，辐射换热量也不能 忽略。从辐射的特性来看，火焰辐射由两部分组成：一部分是燃烧中产生高温气体，如c 0 、c o 圾H 。0 等，这些气体属于发光透明或不发光的火焰：另一部分是燃烧中析出碳粒子群，在燃烧时，火焰由 于圊体粒子群的辐射而光亮夺目，故也叫火焰辐射。 按照辐射的通用的规律，壁面由燃气接受的辐射热流密度与燃气和壁面绝对温度的四次方的差 值成正比： 旷v 。c 。儒4 嘲f 谴 、L，J ，w 一 沙一办 。k。p。 曰衙击学 第二章燃气发动机余热回收系统 式中，玑为辐射热流密度( w m 2 ) ： ，为气体黑度： g ：，为壁面的有效黑度，考虑了壁面反