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燃气机热泵供暖过程的计算与分析

燃气机热泵供暖过程的计算与分析   
1 引言
天然气发动机驱动的热泵机组(Gas Engine-Driven Heat Pump,以下简称燃气机热泵)已经在日本、美国和欧洲等国家得到了广泛的应用,然而在我国,这类热泵尚未开始推广应用。随着西气东输工程的顺利进行,以及电力峰谷差日益严重,以天然气作为制冷空调设备能源的燃气机热泵的应用开始受到重视。由于燃气机热泵冬季供暖时引入了天然气发动机的缸套和废气的余热,因此,在供暖模式下燃气机热泵与普通的电驱动热泵有较大的区别。本文对一台天然气发动机的余热产生规律进行了实验研究,并运用能量守恒的原理建立了燃气机热泵系统的稳态计算的模型。通过计算,分析了燃气机热泵冬季供暖过程的特点及运行能耗。
2 燃气机热泵供暖过程的计算模型
本文所讨论的燃气机热泵原理和系统循环过程如图1所示,该燃气机热泵属空气-水热泵机组,可进行供暖和制冷循环。进行供暖循环时,三通阀1和2均切换到余热回收的位置,热水吸收板式换热器热量后继续吸收发动机余热,然后将热量输送到热用户。由于燃气机的余热对热泵的供热影响较大,因此本文主要讨论燃气机热泵的供暖循环。
燃气机热泵的循环过程原理图
2.1 发动机余热计算模型
由于发动机工作过程比较复杂,很难用纯粹的数学关系推导出发动机的余热计算模型。一些文献[1,2]提供了发动机余热的计算公式,但这些计算公式的通用性较差,仅适合于某一型式的发动机。本文采用实验的办法得到实际应用的燃气机热泵系统模型中所需的发动机余热数据。通过测出有关物理量,可以间接地计算出发动机的余热量。
稳态工况下,发动机的工作状态同发动机的转速和转矩有关。当发动机的转速和转矩一定时,发动机的工作状态便确定。实验时,将发动机稳定在某一工作状态,然后测出发动机冷却水流量,冷却水进出口温度,废气排气温度,天然气流量,过量空气系数等数据。根据这些数据可以计算得到发动机的余热数据。图2~5为实验数据经过换算后得到的结果。 从实验结果可知,发动机的缸体的余热量、废气流量和排气温度随着转速和扭矩的增加而增加。由于发动机冷却水循环泵由发动机带动,因此冷却水的流量仅同转速有关。对上述结果通过曲面插值和线性拟合的办法可以得到其它非测试状态点下的物理量,从而得到发动机余热计算所需的数据。
在得到有关发动机热力计算数据的基础上,可对发动机热回收系统建立热平衡关系,若不考虑热量损失,那么对缸套热回收器来说,应满足式中,Qcj为缸套热回收器回收的热量(kW),cpw为水的比热(kJ/kg·℃),mw为供暖热水的流量(kg/s),tw2、tw3分别为进出缸套热回收器的供暖热水温度(℃),Kcj为缸套热回收器的传热系数(kW/m2·℃),△Tm,,cj为缸套热回收器的对数平均温差(℃),mcj为发动机冷却水的流量(kg/s),tcj,in、tcj,out为进出缸套热回收器的发动机冷却水温度(℃)。
同样对废气热回收器来说,应满足 式中,Qeg为废气热回收器回收的热量(kW),tw3、
tw4分别出废气热回收器的供暖热水温度(℃),Keg为废气热回收器的传热系数(kW/m2·℃),△Tm,eg为废气热回收器的对数平均温差(℃),meg为废气的流量(kg/s),teg,in、teg,out为进出废气热交换器的废气温度(℃)。
发动机的功率和转速以及转矩之间存在如下关系 式中,P为发动机轴功率(kW),M为转矩(N·m),n为转速(kr/min)。
燃料的一次能消耗可以通过燃料的消耗量和燃料的高热值来计算 式中,Qp为一次能耗(kW),mfuel为天然气的流量(kg/s),r为天然气的高热值(kJ/kg)。
2.2 热泵系统计算模型
热泵系统的热力模型主要考虑压缩机、蒸发器、冷凝器三大部件的能量平衡关系,节流过程认为是绝热过程。若忽略系统的热损失,那么压缩机的排热量、冷凝器的换热量和热水的吸热量应该相等,同样压缩机的产冷量、蒸发器的换热量和室外空气的放热量也应该相等。

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