（制冷及低温工程专业论文）燃气机驱动热泵空调系统及其实验研究.pdf

燃气机驱动热泵空调系统及其实验研究 摘要 国家“西气东输”工程的实施以及从能源使用多元化的角度出发，开发使用燃气作为 空调能源的热泵空调技术具有积极意义，同时系统具有环保、节能以及调节电网峰谷负荷等 诸多优点，具有很好的研究和应用价值，本文在这方面对此进行了一些探索。 本文对系统流程进行了设计，对装置各个部件进行了选型和计算，对使用燃气作为空调 能源的可行性进行了评价，并且在此基础上搭建了一个用于实验分析的试验装置，对系统性 能参数、变转速部分负荷特性、发动机余热回收性能进行了理论分析和实验研究。 本文对系统在发动机不同转速下的工况进行了理论和实验研究。通过发动机性能曲线， 对发动机的功率、扭矩和燃料消耗量进行了模拟。在实验中通过改变负荷，实时调节发动机 转速，测试了燃气热泵系统的部分负荷值i p l v 。 通过设置热回收水系统，对发动机的缸套冷却水热量和排气熟量进行了回收，这两部分 热量是系统热泵运行的重要组成部分。通过对这两部分热量回收系统的分析，确定了系统在 不同工况下。回收余热量、冷凝热量与系统燃料消耗量之间的关系，提出了系统热泵运行时 总产能与总消耗之间的最佳经济性。 关键词；g h p ；燃气发动机；热泵；天然气；部分负荷性能：余热回收；空调 g a se n g i n ed r i v e n h e a tp u m pa n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a b s t r a c t w i t ht h ep r a c t i c eo f t h e p r o j e c t o f n a t u r a lg a st r a n s m i s s i o nf r o mw e s tt oe a s t a n dt h ed e m a n d o fm u l t i p l eu t i l i z a t i o no fe n e r g y , d e v e l o p i n gt h eg e h p ( g a se n g i n eh e a tp u m p ) t e c h n o l o g yi n a i r - c o n d i t i o n i n ga r e ah a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e a tt h es a m et i m e i t h a ss u c ha d v a n t a g e sa s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , e n e r g y s a v i n g ，a d j u s t m e n to ft h ee l e c t r i cn e t w o r kl o a da n ds oo n ，s oi t m a k e sm u c hs e n s et od os o m er e s a a r e hi nt h i sf i e l d t h ee x p l o r a t o r yd e v e l o p m e n to ni th a sb e e n m a d ei nt h i sp a p e r g e h ph a sm u c h p r e d o m i n a n c e t h a tt h et r a d i t i o n a le h p ( e l e c t r i c a lh e a tp u m p ) h a s h t ：f i r s t l y , g a si sa c l e a nr e s o l l u c ea n dg e h ph a sm u c hs u p e r i o r i t yi ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ；s e c o n d l y , a v o i d i n gt h ep r o c e s so f t h ee l e c t r i c a lg e n e r a t i o ni np o w e r p l a n ta n di t st r a n s m i s s i o nt ot h ee n d , g e h ph a sh i g h e rp e r ( p r i m a r ye n e r g yr a t i o ) t h a ne h p ；t h i r d l y ，g e h ps y s t e ma v o i d st h e “c o l d b l o w ”a s s o c i a t e dw i t he h p b yr e c o v e r i n ga n du s i n gw a s t eh e a tf r o me n g i n ej a c k e tc o o l a n ta n d e x h a u s t ；f i n a l l y , t h ee n g i n es p e e dc a nb ee a s i l ya d j u s t e dt om a t c hv a r y i n gh e a t i n ga n dc o o l i n g l o a d sa n dg e th i g h e ri p l v ( i n t e g r a t ep a r tl o a dv a l u e ) ag e h p s y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , o l lt h eb a s i so f w h i c h a ne x p e r i m e n tt a b l eh a sb e e n b u i l tt ot e s tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e a n dt h e nt h ec o po ft h es y s t e m ，v a r y i n gs p e e dp a r tl o a d p e r f o r m a n c e ，a n dt h er e c o v e r ye f f e c to f w a s t eh e a tf r o mt h ee n g i n ea r ea n a l y z e d t h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y t h es y s t e mp e r f o r m a n c ew i t hd i f f e r e n te n g i n es p e e di ss t u d i e di nt h ep a p e r , a n dt h ee n g i n e p o w e r ，e n g i n et o r q u ea n df u e lc o n s u m p t i o ni ss i m u l a t e dt h r o u g ht h ee n g i n ep e r f o r m a n c ec u l v e t h ei p l vo ft h eg e h pi sm e a s u r e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n tb yc h a n g i n gt h es y s t e ml o a da n d a d j u s t i n g t h ee n g i n es p e e da tr e a lt i m e i nt h ee x p e r i m e n t ，as e c o n d a r yw a t e rr e c o v e r y s y s t e m i ss e tt or e c l a i mw a s t eh e a tf r o m e n g i n ej a c k e tc o o l a n ta n de x h a u s t , w h i c hi sav e r yi m p o r t a n tp a r to fg e h p a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ef e c o v e r yh e a t c o n d e n s i n gh e a ta n ds y s t e mf u e lc o n s u m p t i o n u n d e rv a r y i n g w o r k i n g c o n d i t i o ni sd e t e r m i n e db ya n a l y z i n gt h er e c o v e r ys y s t e m ，a n dt h eo p t i m a le c o n o m i c a le f f i c i e n c y b e t w e e nt h eh e a tt h a tt h eg e h pp r o v i d e sa n d t h ef u e lc o n s u m p t i o ni sp u tf o r w a r du n d e rt h em o d e o f h e a t p u m p k e yw o r d s ：g h p ；g a se n g i n e ；h e a tp u m p ：n a t u r a lg a s ；p a r t l o a dp e r f o r m a n c e ；a i rc o n d i t i o n i n g ； w a s t eh e a tr e c o v e r y i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日 期：? 丝丝：多 关于学位论文使用授权的说明 中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸厦论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权研究生院办理。 签名：障翩虢睦巡日 期：b 毕毕参 英文字母 n 转速( 转，分钟) 温度( ) 焓值( k j k g ) 重力加速度( m s 2 ) 压力( p a ) 换热系数( k j ( m 2 k ) ) 比热( k j ( k g ) ) 面积( m 2 ) 长度( m ) 质量流量( k w h ) 单位质量制冷量( i o k g ) 雷诺数 热量( k j ) 扭矩( r l - m ) 功率( k w ) 传热系数( w ( m 2 k ) ) 当量直径( m ) 宽度( m ) 冷凝负荷系数 主要符号表 | v 希腊字母 口余热回收率 中 供热效率 u 粘度( i n 2 s ) p 密度( k g m 3 ) e能耗比 q效率 熟导率( w ( m k ) ) 0 对数平均温差 u 风速( m s ) 唧： g p h c a l m q 趾q w k d b c 第一章绪论 1 1 研究背景、国内外研究现状及意义 中国是世界上经济增长最快的国家，也是一个能源需求大国和环境污染大国，能源问题 和环境问题在经济高速增长的同时日益显现。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高， 空调已经成为人们生活环境的重要组成部分，促使我国商用中央空调机组和家用房问空调器 迅速发展，目前我国已经成为世界上第三大空调市场【l i o 空调能耗成为国民经济总能耗的重 要组成部分。在这些空调设备中使用的能源大部分是电能，这一方面造成了我国在夏季用电 高峰季节出现电网不堪负荷甚至出现拉闸限电：另一方面，我国发电的能源是以煤炭为主， 由此引起严重的环境污染。由于大城市中电力供应日益紧张，人们已经开始越来越多地考虑 用以代替电能的其他形式的能源。随着我国“西气东输”工程的实施，天然气作为一种清洁、 高效、低污染的能源以其作为空调驱动能源具有削减夏季高峰电力、填补夏季低谷燃气等 诸多优点，己越来越受到人们的关注。 我国能源利用中，煤占了很大的比例，大量燃煤造成严重的大气污染。”西气东输”工程的 实施将有效改善我国能源结构，提高能源利用率，改善大气环境，同时为发展燃气空调提供 了非常好的契机。从表1 1 可以看出，在环境保护方面，使用天然气作为能源具有其他资源 无法比拟的优势。以煤的各项污染指数作为参考值，天然气与之相比较而言，硫化物的污染 指数基本为零，氮化物的污染指数只有煤的4 0 ，温室效应指数只有煤的6 0 ，是一种相 对比较洁净的能源吼 表1 1 不同燃料燃烧后的污染物排救比较 在目前的燃气空调产品中。有直燃型溴化锂吸收式制冷机、燃气机直接驱动制冷机等多 种形式，前者由于制造、运行费用较低，在国内已研究多年，而后者尽管运行效率远高于吸 收式制冷机，但是因为它的运行维护费用和初投资较高而一度未得到广泛应用。随着制造业 和材料科学以及其他相关技术的发展，在成本、效率、可靠性和废气排放方面有了长足的进 步，燃气机直接驱动制冷机技术已越来越受到人们的关注。 日本旱就意识到了燃气空调有削减夏季高峰电力、填补夏季低谷燃气的益处，从上世纪 六十年代末就大力发展燃气热泵空调技术，其以燃气作为热泵空调驱动的应用从家用小型分 体机到大型中央空调均有系列产品。经过几十年的摸索和研究，在技术和产品方面都初具规 模。在上世纪末的十余年时间里，全日本燃气机热泵空调销售量由1 9 8 9 年的1 5 0 0 0 台猛增 到1 9 9 9 年的将近5 0 0 0 0 台，如图l l 所示pj 。美国早期电力基础设施雄厚，加之对天然气储 量抱悲观态度，燃气空调的发展受到了制约。但是从九十年代初也开始从事这方面的实验研 究，目前燃气空调产品也已进入市场。1 9 7 6 年美国推出1 ，6 l 四缸2 2 7 0 e 型燃气机作为热 泵动力，接着投资1 4 5 0 万美元用于发展8 8 - - 3 5 k w 的燃气机热泵。1 9 9 5 年北美安装的燃 气空调设备1 2 g w 中，燃气机热泵占1 0 1 4 j 。 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 嚣3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 9 i9 39 59 79 9 年份 图11 日本燃气机热泵年销售量 燃气机热泵由动力单元和制冷单元组成。动力单元包括燃气发动机和相应的热回收系 统；制冷单元是常规的热泵系统。其中燃气发动机的高效稳定运行和与环境负荷匹配运行、 缸套和排气废热的热回收性能、制冷系统换热器性能等方面是影响系统能源利用系数和节能 效果的关键因素，也是系统设计和试验研究的主要内容。美国的g r a y a n o w a k o w s k i 、g e r a l d m e r t e n 等多位学者经过数年的测试和完善，于1 9 9 4 年将一台3 冷吨制冷量的燃气机驱动热 泵首次投入商业运行，通过数次现场测试，在效率、节能和舒适度方面都优于传统的空调系 统 5 1 。f a n gc c h e n 在此基础上，提出了l o f 6 l ( l i q u i do v e r f e e d ) 循环，在压缩机入口处设计 一个a c c u m u l a t o rh e a t e x c h a n g e r ( a h e ) ，通过将从冷凝器与从蒸发器出来的制冷 剂之间的两相流体进行换热，使从冷凝器出来的制冷剂在其中过冷，然后通过节流阀进入蒸 发器，蒸发器出口可以是气液两相，遗留下来的液相将在a h e 中被加熟蒸发。通过设置a h e ， 可以使得蒸发器的换热面积得到充分的利用，同时可以保护压缩机的吸气状态，防止产生液 击。实验表明，l o f 循环有效提高蒸汽压缩单元的效率达到1 0 1 5 。在国内也有很多 学者进行了燃气机驱动热泵空调系统方面的研究。天津大学热能研究所马一太教授对燃气机 熟泵进行了热力学第一定律和能级平衡理论的分析，提出了与电热泵相比，前者具有较高的 热力完善性。并且通过c s d 方程，以热力学第一定律为衡量标准，对燃气机热泵选用何种 工质进行了探讨研究”。哈尔滨工，业大学的候根富教授进行了风冷燃气机驱动压缩式热泵冷 热水机组运行特性进行了试验研究，分析了机组冷热源温度对系统制热性能系数c o p 和能 源利用系数p e r 的影响“。同济大学热能工程系也对煤气发动机驱动空调制冷装置进行了 研究1 9 。 在燃气热泵的商品化方面，1 9 8 5 年美国燃气研究院开发3 冷吨的民用天然气发动机驱 动的蒸发吸收式热泵获得成功，并成为美国家用燃气空调的商业首选产品。该产品性能可靠， 效率离+ 耐用性强，预计使用寿命可达1 5 年：近年美国某公司推出的t r i a t h l o n 天然气发动机 供暖制冷系统，也是一种风冷式热泵分体空调系统，也分为室外机、室内机两部分。室外机 由1 台单缸四冲程发动机( 用煤气发动机代替了电动机) 驱动压缩机运转，按夏季制冷、冬季 制热工况运行。在室外机中，采用了热回收装置从发动机废气中回收热量，提高了供暖效率。 室内机装有变速风机，提供居室所需的气流，还有一辅助加热器，必要时可向室内补充热量。 用t r i a t h l o n 机组代替煤气炉供暖，可以节省高达5 0 的供暖费用，它的效率更高是因为它 靠热泵供暖而不是靠燃烧矿物燃料来直接取暖。此外，它还从本身的天然气发动机废气中回 收能量。同最高效的风冷电动热泵相比，供暖效率要高出4 0 。在夏季，能节约高达5 0 的制冷费用：1 9 8 1 年，日本建立了燃气机热泵联合研究体，设计和生产出更加紧凑的型式， 并具有更高的效率，同时2 2 k w 小型燃气机热泵可用于家庭，并采用r 4 0 7 c 工质，它除了 能提供热水外，还能用热水进行地板采暖。现在日本大、中、小型燃气机热泵( g e h p ) 己 商业化。在日本，燃气机热泵( g e hp ) 已经越来越受欢迎，从1 9 8 7 年的总装机容量3 5 m w 猛 2 增到1 9 9 5 年的i o o m w 。燃气机驱动的冷水机组如此受欢迎还因为它可以回收排气的热量， 根据需要制各热水和蒸汽，或用于驱动除湿冷却式空调机，也可以用来驱动单效吸收式冷水机 组提供附加的冷量。1 9 8 5 年日本大阪煤气公司开始销售l l k w 的燃气空调，走出了燃气空 调小型化的第一步，这种空调可以供应3 0 0 - 4 0 0 平方米的空间。前两年，我国青岛市引进了 日本东芝公司生产的小型户用燃气空调，这台燃气空调功率为5 k w ，变频一拖二结构，外 观看上去和普通的一拖二空调没有明显差别，只是室外机内增加了燃气装置，而室内机与普 通空调完全一样。这台空调使用电、燃气( 液化石油气、天然气) 两种能源，可满足8 0 平 方米左右家庭的供冷和采暖需求。 日本三菱重工与海尔在国内联合推出燃气热泵空调产品，并于= 月底开始与东南大学动 力工程系进行长期研发合作。作为合作项目之一，三菱重工海尔赠熟泵空调实验室一台1 6 匹的燃气热泵空调。秉承日本空调业长期以来的技术思路，该机为交冷媒一拖多v r v 型， 采用洁净、环保、高效的天然气( 液化石油气) 作为能源，大幅度降低了n o x 的排放量， 同时在热泵模式下，通过采用排热回收利用的“另置吸热交换器”，发动机排除的热能全部 被利用，实现了业内最高效的节能运行。由于该型机组中发动机的排热回收效率获得提高， 因此它的制热性能也显著增强。同时，它的制热使用范围也由原来的下限一i o c 扩大到一 1 5 ，从而显著提高了g e h p 的耐严寒性能。通过利用发动机排放的热能，机组开始运转后， 可以立即吹出温风。即使在寒冷冬季的早晨，也能发挥迅捷制热的优异一陛能。 1 2 燃气机热泵空调系统简介 燃气机热泵空调通过燃气发动机驱动制冷压缩机( 活塞式、螺杆式或离心式) ，同时回 收发动机缸套冷却水热量和尾气中的废热( 可用于吸收式制冷机或产生热水、蒸汽等) ，其 工作原理不同于般电驱动空调机。燃气发动机驱动空调技术有多种形式方面的应用： ( 1 ) 燃气发动机驱动小型家用空调。机组由燃气发动机、压缩机、室内机、室外换热器， 尾气回收装置、膨胀阀、换气机等组成。它以燃气发动机为动力来源，带动室外机内的压缩 机工作以达到制冷或采暖两用的空调器。通过制冷循环，在夏季高温季节将室内的热量吸收 送至室外，冬季，将室外的热量以及发动机排出热量送入室内提供热源。 ( 2 ) 燃气热泵冷热水机组。机组同时向用户提供热水和冷水，这种同时兼有制冷机与熟泵 功能的热力机称为联合循环机。以联合循环工作的热泵，能够获得更好的节能效果。机组提 供的高位热能包括三大部分：冷凝器放热，燃气机缸体冷却热的回收部分，排烟热回收器回 收的排烟余热。 国外早在七十年代就已研制成功类似的用燃气机驱动的空气源热泵机组。它可为住宅 供冷、采暖j 供应热水。目前，国外的燃气热泵已有了广泛的市场。民用燃气热泵在美国 也已经商业化a 燃气发动机具有调速性能好的优点，能在较大转速范围工作，通过燃气输 入量，可以方便地改变发动机的工作转速和输出功率，从而使压缩机的排气量和制冷量改 变，同时降低燃气的消耗。在冬季，随着环境温度的下降，一般热泵的制热量及供热系数 明显地下降，相反，环境温度的下降将引起采暖负荷的明显增加，燃气空调可以解决这一 矛盾，通过余热利用或直接蓄热来改善热泵的运行性能。燃气空调在效率、可靠性、舒适 性等方面有优势，并已证明结构临界寿命可达到1 5 年。 ( 3 ) 热电冷三联供系统：c c h p 系统( c o m b i n e d c o o l i n g h e a t i n g p o w e r ) 是以燃气为能 源在建筑物内进行热电冷三联产的供能系统。c c h p 涉及众多领域：先进的燃气涡轮机，微 型涡轮机，先进的内燃发动机，燃料电池，吸收式制冷机及热泵、干燥及能源回收系统、 引擎及电动驱动系统热能的储存及传输技术和控制及系统集成技术等。燃气发动机驱动发 电供应房间照明等用，同时，发动机水套产生的热水通过低温热交换器产生生活热水，可 应用于淋浴、游泳池等，另步 ，发动机产生的高温烟气可以用于吸收式制冷机，产生冷、 热水，用于房间的空气调节。它通常由各种原动机( 燃气机或燃气透平一燃气轮机) 以及 为利用其摊热而设置的废热锅炉、热交换器、吸收式制冷机等构成 热电冷三联供是- - n 综合利用能源技术，在发电的同时，有效地利用汽化潜热进行供 熟，合理地实现了热能由高到低的梯级利用，总的热效率可达n 9 0 以上a 它不仅提高了 能源利用率和设备利用率，还可以减少环境污染，增加电力供应和有利于削峰填谷。利用 供热式汽轮机排出的废气制冷，则可以生产电能、热能的同时，提供冷水用于空调和工艺。 当前无论考虑经济效益还是社会效益，热电冷联产是解决城市供热、供冷需求的有效途径。 在具各城市集中供热管网和集中燃烧供应的城市，可利用热网提供蒸汽或热水或利用燃气 供溴化锂吸收式制冷机对住宅小区的供冷在主要城市，以改造原小区供热系统为突破口， 加紧试点，积极推广。用于大型建筑的小型燃气热电冷联供系统亦是一发展方向。在一定意 义上讲，天然气的工业应用可以为热电联供增加新动力，更重要是为中小型发电设备提供 了一个很有生气的市场。 ( 4 ) 除湿蒸发冷却系统( d e c s ) 是在蒸发冷却研究基础上提出的一种不受环境影响的 制冷空调方式，因而具有十分良好的应用前景。但它也是利用热能作驱动能源实现空调制 冷的设备。该系统采用的除湿剂是溶液，它在除湿器中对新风进行除湿，吸收水分成为稀 溶液，必须在再生器中被再生热源加热，除去水分提高浓度才能恢复其除湿功效。以太阳 能、余热或其它低温热源会有很多不方便之处，影响其推广使用，而使用燃气加热是一个 比较理想的办法。可以说燃气除湿蒸发冷却系统是新型的节电、节能、经济的空调技术。 英国在控制空气湿度方面的研究也取得了关键陛进展，研制的燃气除湿轮被分为两个区段， 一个区段对对空气进行除湿处理，另一区段使用燃气对除湿剂进行再生，这种连续运转， 显著地降低了传统降低湿含量的运行费用。d e c s 系统不仅经济，而且相当灵活。不仅可以 在夏季用于空气的除湿来给人们的生活空间供应高品质的空气，又可以独立在高湿度季节 作为去湿之用，而在过渡季节则可以用于通风与除尘杀菌，改善人们的生活空气质量。由 于该系统从根本上改换了工质，因此完全不存在c f c 或h c f c 等问题，而且还可以减少h f c 等 温室气体的排放，对环境不产生污染，最终大大改善了空气的品质。 以上是对燃气机驱动空调系统各种应用形式韵介绍，通过以上综述，可以l 现燃气机热 泵技术是一种非常的灵活的空调系统，可以适合从小到大的各种场合，而且均具有较高的能 源利用效率。从目前我国的国情出发，使用燃气熟泵系统可以作为电能资源的有效补充，能 源使用多元化，平衡电网负荷，同时可以解决严寒地区热泵供热量不足的缺点。燃气空调可 减少环境污染。因为天然气不含硫，如l o o o 冷吨燃气制冷机比同等电制冷机将减少二氧化硫 排放l o o ，减少氧化氮6 0 ，减少二氧化碳4 0 ，减少其它微粒9 7 ；燃气空调可合理使 用能源，首先燃气空调可以充分利用地球上现有的各种资源，均衡燃气和电力的能源利用。 其次燃气空调的能源利用率高。对于天然气来说通常被传输到最终使用点时的效率为9 1 也就是说每1 0 0 站的天然气井的能源将得到9 1 轴韵最终使用效率。但是如果以燃煤电厂为能 源每l o ol ( j 的煤炭热量最终能利用的只有2 5k j 3 0k j 。所以从一次能源角度看燃气空调是非 常有竞争力的。燃气空调的另一个更大的优势就是可实现热、电、冷三联供。这种系统由于 充分利用了燃气发动机的余热，其效率可以提高4 0 以上。这种方式对独立的小区、住宅有 相当大的发展前景。可带来很大的经济价值和使用价值。燃气空调有利于调整燃气峰谷负荷。 随着我匡l 天然气工业的发展，更多的地方将用上天然气。但所有应用天然气的地区均面临同 一难题，即冬季用气高峰与夏季用气低谷对供气造成的压力。因此如何提高夏季用气量，提 高经济效益，成为人们关心的焦点。如果扩大燃气消费新领域，发展燃气空调，就可以弥补 城市在夏季燃气用量的低谷，能起到平衡调峰作用。燃气直燃机还为过去一直不便使用而放 空的低热值、低品位的燃料提供了良好的应用前景，起到节能增效的作用。燃气空凋可以 4 削减电力高峰。随着经济的发展，电力供应不足，尤其是在最炎热的夏季，会出现缺电现象 加之国内空调需求量连年剧增，空调用电给中国本来就匮乏的电力工业雪上加霜。而燃气空 调根据其工作原理可知用电量极少，另外天然气基础设施投资与同负荷的电力投资相比只有 1 0 ，因此发展和应用燃气空调不仅可以缓解电力紧张的局面，还可以提高电力负荷率，削 峰填谷，大幅度降低电力成本，减轻国民经济的负担。 1 3 本文主要工作 国家“西气东输”工程的实施以及从能源使用多元化的角度出发，开发使用燃气做 为能源输入的热泵空调技术势在必行，同时系统具有环保、节能以及调节电网峰谷负荷等诸 多优点，具有很好的研究和应用价值，本文将在这方面进行一些探索。 1 系统设计和部件的优化、选型和试验台的搭建。包括发动机的选型与采购，制冷系统 的设计，发动机余热回收水系统的设计等：燃料用量、转速与空调负荷的实对匹配； 通过测量设备( 温度、压力) 的测量，实时改变燃料输入量和发动机机转速的大小， 对燃气压缩式热泵的性能进行分析评价。 2 制冷剂的优化选择。选择单位容积制冷量大，粘度小，导热系数大的制冷剂，对于整 个系统的节能、优化都是十分重要的。 3 余热回收装置的最佳工况设计。通过热回收器回收燃气机缸套冷却水和废热排气中的 热量，用这部分热量既可以作为冬季生活卫生用水的热源，也可将其引入室外蒸发器， 使制冷系统蒸发温度得到提高，解决热泵在冬季供热不足的弊端。同时，通过水系统 回收热量，提高系统能源利用系数。 4 系统的部分负荷变转速运行特性进行相应的研究。燃气热泵系统的一个突出优点是可 以根据负荷的变化通过实时调节发动机的转速来达到控制压缩机转速的目的，同样实 现电空调系统中的“变频”控制。而且可以避免电熟泵变频所带来的高次谐波等诸多 问题。 5 ，发动机相关参数的数值模拟。在发动机特性参数模拟的基础上，对发动机部分负荷运行、 水系统从发动机缸套和排气废热中回收热量进行了数值模拟作为与实验分析的并行措 施，验证和优化系统设计。 第二章燃气驱动热泵空调试验装置设计 以燃气作为空调系统能源输入的燃气热泵系统在国外已经得到了充足的发展，相关的技 术也较国内成熟的多。在国内学术界对燃气驱动的热泵室调系统的理论探索已经有很长一段 时间，因为燃气热泵空调系统的节能、清洁、高效和广阔的市场前景，是很有发展潜力的空 调系统。因此在借鉴了国内外研究成果的基础上，同时根据本文的实际情况得出了以下的燃 气热泵空调装置的设计方案，探索燃气机热泵在部分负荷下的性能；研究发动机废热回收对 热泵系统的效益，为燃气机热泵的设计提供依据；研究燃气机热泵用于制冷采暖的可能性和 可行性。 2 1 装置流程设计与概述 所设计的系统装置流程图如所示 空气侧风冷换热器 压力测点 温度测点 质量流量测点 ( 1 i ) 发动机扭矩测点 发动机转速测点 发动机燃油量测点 图21 燃气热泵系统流程示意图 系统循环概述：燃气热泵空调系统可以做成冷水机组形式，亦可以做成冷媒直接蒸发 6 的多联机形式。系统由室外机( 主机) 和多个室内机( 末端) 组成。主机部分( 室外机) 为 动力和制冷单元，包括压缩机、燃气发动机以及其他相关热交换器和制冷辅助设备。燃气发 动机带动压缩机驱动热泵系统，发动机以天然气( 或其他燃料) 作为燃料。由于国内企业在 小功率燃气发动机领域的技术还不成熟，在国内目前还很难找到匹配本实验的燃气发动机， 假如从国外进口。价格会很高，而且目美等国在这项产品和技术上对我国有技术出口限制， 所以本实验用一台水冷的摩托车发动机模拟。发动机与压缩机采用皮带轮传动连接。循环水 从发动机缸套内回收缸套热量后与生活用水一次换热，生活用水然后在气一液熟交换器中进 一步回收发动机高温排气放出的热量，进行二次换热，使生活用水达到可以使用的要求。水 系统作为燃气熟泵户式中央空调的重要组成部分，一方面使系统具有更高的能源利用效率， 另一方面为业主提供生活用水，而且当机组在严寒地区恶劣的自然条件下工作时，这部分热 量可以作为辅助热源解决热泵系统冬季供热不足甚至无法启动的缺点。机组的末端可以是多 个制冷荆直接蒸发式热交换器。以三个末端为例，在三个房间内，通过制冷剂布液器按各房 间具体的负荷要求分配制冷剂流量。在本实验中，机组末端部分由两个壳管式水一制冷剂换 热器代替，模拟两个末端装置的同时可以确定系统的制冷量，然后测试在不同工况下，整个 系统的运行特性。 ee ： ! 阁瞄 驴m ； 伊 弘 ： ： ： ： ： = 一7 ( “ = ： ： ： | = ：骨： _ = 1 j l 1 l 一 _ 一 - 一 图2 2 燃气机热泵空调的室内单元示意图 2 2 系统主要部件设计 在本系统中t 整个燃气热泵是由动力系统、制冷系统以及余热回收系统组成的。动力系 统的主要部件是发动机，如前所述，由于客观原因和条件限制，本实验采用水冷摩托车汽油 发动机模拟燃气发动机：制冷系统部分由蒸发器、冷凝器、节流阎、四通换向阀、压缩机以 及其他制冷辅助部件构成，在发动机的动力驱动下完成制冷热泵循环；为了充分提高系统性 能系数和一次能源利用率，废热回收系统以水作为介质首先从发动机缸套回收发动机的部分 余热，然后经过废热摊烟热回收器进步回收热量，作为生活卫生用水，另一方面，当机组 在严寒地区恶劣的条件下工作时，这部分热量可以作为辅助热源解决热泵冬季供热不足的缺 点。以上三个单元组成燃气热泵系统的基本框架，在发动机和压缩机之间采用皮带轮连接， 废热回收部分的设计以尽可能的回收发动机废热为依据，同时兼顾技术经济性要求。 2 2 1 制冷剂的选择 热泵机组目前广泛使用的制冷剂p , 2 2 属h c f c 制冷剂，根据1 9 9 2 年“蒙特利尔协定书” 的规定，发展中国家到2 0 3 0 年要全部淘汰，而实际上禁用期限还在提前，尤其我国有大量 的空调制冷产品行销欧美等国家，因此空调行业面临着寻找替代制冷工质的严峻形势 从环保的角度出发，在系统工质选取过程中，遇到了制冷工质的选择问题t 合适的燃气 热泵工质应该首先具有安全性，其次是环境可接受性和装置适合性。安全性包括制冷剂的燃 烧性、爆炸性和毒性；环境可接受性主要考察制冷剂对臭氧层的危害程度( 臭氧衰减指数 o d p ) 和造成温室效应的危害程度( 温室指数g w p ) ；装置适台性主要考察制冷剂对系统运 行可靠性和各个部件的影响。为此所选工质应具备： 1 、热力学稳定性好，对环境影响小，无毒且不燃； 2 、具有与原有工质相近的蒸汽压力，以防止过高的冷凝压力； 3 、具有与原有工质相近的单位容积制冷量，避免压缩机的重新设计； 4 、冷凝器与蒸发器之间的压差尽可能小，以防设备的机械超载； 5 、压缩机排气温度不要过高，防止变工况运行时材料的蜗变。 6 、较高的性能系数，变工况运行时不严重影响系统的工作性能； 7 、有合适的润滑油，工质化学性质与材料相容。 表2 1 为各种对环境影响较小的几种热泵工质的性能参数。 表2 i 几种工质的比较 工质沸点分子量可燃性t cg w p0 d p r 2 24 0 8 48 6 4 8无9 6 1 30 3 50 0 5 r 1 3 4 a一2 6 21 0 2 0 无 1 0 1 10 2 70 0 r 1 5 2 a一2 4 26 6 0 5 微燃 1 1 3 30 0 30 0 r 6 0 03 06 1徽燃1 3 5o0 r 2 9 0一4 2 1 74 4 1微燃9 6 8 200 从表2 1 的选择、比较，同时考虑到可操作性要求，压缩机选用汽车空调斜盘式压缩机， 选择采用r 1 3 4 a 作为系统制冷剂，需要注意的是其具有较强的吸水性，要注意系统的水分。 另外，r 1 3 4 a 较高的价格成本和温室效应指标也是其较大的弱点”】。 2 1 2 蒸发器的选型设计 ( a ) 形式：壳管式干式蒸发器 ( b ) 制冷量( 标况下) ：1 2 k w ( c ) 管型，由o1 6 m i n x1 5 r a m 的紫铜坯管轧制而成的低翅片管。 图23 低翅片管结构参数图 3 表2 2 所选低翅片管结构参数 坯管规格 直径x 壁厚 s |6 td f d 4 h m m m i l lm mni i ni mm m m i l l 中1 6 151 20 41 3 51 0 ，41 2 41 5 1 每米管长翅顶面积钆( 单位小2 m ) = ：r d ，4 s ，= 0 0 1 5 8 每米管长翅侧面积d ，( - 靴m 2 i m ) 口，= 型堡妻 查l = 。，z 每米管长翅间管面面积( 单位肌2 m ) = 碱( 5 ，4 ) 5 = o 0 2 6 所以，每米管长管外总面积口矿( 单位m 2 m ) 口0 ，= + d ，+ = o 1 3 9 ( d ) 估计传热管总长 假定按管外计算热流密度吼= 8 0 0 0 w m 2 【1 1 】，则应布置传热面积( m 2 ) ： 如：旦：1 5 。 吼 应布置的有效管长( 聊) ： 三：生：l o 8 口矿 ( e ) 假定冷却水进口温度f ，l = 1 2 c ，出口水温f 。2 = 7 ( 设计前的假定值，实验时由进、 出口温度计测得) 查水物性表：在r 平均59 时，p = 9 9 8 6 7k g m 3 ，c 。= 4 1 7 9 j ( 妇彪) ，则所需水量( m 3 s ) ： 9 ，：- ：0 0 0 0 4 3 pc p ( f 一t w 2 ) 对流程数n 、总根数n z 、有效单管长，进行组合计算，如表所示 考虑到机 流程数 总根数n 2 有效单管长1 2 1 6 o 7 5 4 3 2 0 3 8 为使传热管排列有序及左右对称，共布置1 6 根管，每流程平均管数z ：8 根。传热管有 效管长，2 0 7 5 米。传热管按照正三角形排列，管板上相邻管孔中心距为2 1 5 ，管数最 多的一排管不在壳体中心线上。考虑最靠近壳体的传热管与壳体的距离不小于5 m ，则所 需最小壳体内径为1 4 2 r a m 根据无缝钢管规格，选用中1 6 8 m m x 6 m m 的无缝钢管作为壳磊 9 材料。传热管的布置排列及主体结构如图2 3 所示。 壳管式莲垄墨堑丝室：_ ：= _ 一 叁墼塞堡 篁墨 设计压力( m p a ) l0 2 8 设计温度( ) 5 06 0 最高工作压力( m p a ) 1 0 2 8 最高工作温度( ) c o p e h p ( 3 1 4 ) c o p 虽然可表达热泵的制热性能，但不能反映热泵原动机转化效率等因素，因而不能 全面反映热泵系统的能源利用率。所以我们采用一次能源利用率p e r 指标来比较不同形式 热泵的性能。任何形式热泵系统的p e r 可表示为： p e r = 蓑雾鬻淼 下面比较一f 多种形式热泵的一次能源利用系数p e r ： ( 1 ) 对于电动压缩机制冷机或热泵，不考虑冷却系统的能耗时，它们的一次能源利用率 p e r 为： p e r = 鲁r l f r l r l y = ，0 9 0 。鲫= o 8 0 式中： q o 一一制冷机的制冷量，k w w 一一输入制冷机的电量，k w ，一一电厂的供电效率，取3 0 口。一一电网的输送效率，取9 0 ( 供电线损失为1 0 ) 口。一一压缩机的电机效率，取9 0 ( 2 ) 对于直燃型吸收式制冷机，由丁 燃气属于一次能源，故它的一次能源利用率p e r 为： 尸职：里0 _ 厂 ( 3 1 6 ) g ，q 。+ l r f r j y 式中： q 0 一一直燃型吸收式制冷机的制冷量，娴 g ，一一单位时间内燃料的耗量，七g ，s 或m 3 s 8 g 。一一使用燃料的热值，k j 培或村m w , b 一一直燃型吸收式制冷机的溶液泵、冷剂泵、等附属设备的耗电，k w 分母的第二项为直燃型吸收式制冷机的燃烧器、溶液泵、冷剂泵、等附属设备耗电转换 为一次能源的情况。对于直燃式双效机，次能源利用率为高压发生器中的燃烧效率，即取 p e r = o 8 5 ；对以锅炉为热源的溴冷机，一次能源利用率为锅炉效率，即取p e r = 0 5 5 。 ( 3 ) 燃气发动机驱动的热泵，不考虑回收发动机缸套热量和废热排气热量，一次能源利用 率p e r 为： p e r = c o p + r 1 9 2 0 9 式中：c o p 一一燃气热泵的性能系数，取3 ； q g 一一发动机效率，取0 3 ； 如果合理利用发动机缸套冷却水热量和高温排气中地热量，则燃气热泵系统的一次能源 利用率p e r 为： p e r 2 c o p r l g + ( 1 一_ g ) 口2 1 - 4 6 式中：a 一一发动机废热回收效率，取0 8 ； ( 4 ) 电锅炉，其一次能源利用率p e r 为： p e r = _ 口。_ ，= o3 2 式中：_ 电锅炉的效率，取为0 9 8 ； 7 ，一一电厂的供电效率，取3 0 ； 基于以上分析可以看出，燃气热泵系统是很有前途的一种热泵运行模式。从能源利用角 度来看，具有颇高的能源使用价值。然而经济因素是决定用户消费行为的主要因素，在当前 天然气价格2 2 元m 3 和电价0 5 元k w h 的条件下，燃气制冷的普及还有待时日，但是随着 我国“西气东输”工程的实施、电网分时计费举措的推广以及政府行政调控举措，将会使燃 气热泵技术得到广泛推广和应用。 3 l2 经济性评价 4 空调形式的经济性问题比能耗问题更为复杂，它取决于系统自身的经济特性和外界条件 两个方面。就系统自身特性而言，主要包括系统投资、各能源转换环节的效率、设备使用年 限、系统维护费用以及人员工资等等，但主要是前三项。一般情况下，系统效率越高，投资 也就越大，两者对经济性的影响正好相反，其中存在着一个最佳值的问题。在外界条件方面， 主要影响因素包括能源价格、供需状况等，如天然气价格、电价等，以及系统承担的供暧负 荷特性，如最大供暖负荷小时数。 对于燃气锅炉和燃气热泵，单位供热容量的年运行成本：为： z = r 1 v + crb h 式中： v ：单位供热容量的系统投资，元k w r ：折旧率，为系统使用年限的倒数 1 9 b ：系统一次能耗率 h ：为最大年供热小时数 c ，：天然气价格，元，m 3 以下对天然气供热系统进行简单的经济分析，其中燃气锅炉以家用燃气炉为例。燃气热 泵以压缩式热泵为侧，燃气热电联产则以单循环为例。燃气炉投资取为3 0 0 元k w ，燃气热 泵投资取为1 4 0 0 元服w 。燃气热电联产投资为3 5 0 0 元w ，其中热电联产熟源投资为2 7 0 0 元瓜w f 相当于单位k w 发电容量投资为4 5 0 0 元) ，热网投资为8 0 0 元k