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1、燃气机热泵供暖过程的计算与分析摘要：本文对驱动燃气机热泵的发动机余热产生规律进行了实验研究，并对燃气机热泵建立了一个计算模型。通过计算，分析了发动机余热对燃气热泵供暧过程的影响，着巫分析了部分负荷F燃气机热泵的供暖过程的特点。以上海地区的气候条件和能源价格为丛础，对燃气机热泵供暖的能耗和运行费川进行了分析比较。关键词：燃气机热泵余热能耗计算模型1引言天然气发动机驱动的热泵机组（GasEngine-DrivenHeatPump,以下简称燃气机热泵）Q经在FI本、美国和欧洲等国家得到了广泛的应用，然而在我国，
2、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H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吋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人的区别。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木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
3、燃气机热泵属空气一水热泵机组，可进行供腹和制冷循环。进行供暧循环吋，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，然后将热虽输送到热用户。由于燃气机的余热对热泵的供热影响较大，因此本文主耍讨论燃气机热泵的供暧循环。图1燃气机热泵的循环过程原理图2.1发动机余热计算模型山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讣算模型。一些文献"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。本文采川实验的办法得到实际应川的燃气
4、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。稳态工况发动机的工作状态同发动机的转速和转炬有关。当发动机的转速和转炉一定时,发动机的工作状态便确定。实验时，将发动机稳定在某•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。图2缸套余热随转速和转矩的变化关系图3废气流最随转速和扭矩的变化关系图4废气排气温度随转速和转矩的变化关系图5
5、缸体冷却水流量和转速的关系从实验结果可知，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冇关。对上述结果通过曲血插值和线性拟合的办法可以得到英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。在得到冇关发动机热力计算数据的革础上，可对发动机热回收系统建立热平衡关系，若不考虑热最损失，那么对缸套热冋收器来说，应满足第=%^4亠)(1)硼(2)心7甫』(3)式中，4b为缸套热回收器回收的热量(kW),c”为水的比热(k
6、j/kg・°C)，皿为供暖热水的流量(kg/s),仏、如分别为进出缸套热回收器的供暖热水温度(°C),仏为缸套热回收器的传热系数(kW/m2・°C),为缸套热回收器的对数平均温差(°C),〃厂为发动机冷却水的流量(kg/s),S、血创为进出缸套热回收器的发动机冷却水温度(°C)。同样对废气热回收器來说，应满足j=(5)式中，心为废气热回收器回收的热量(kW),如、切分别出废气热回收器的供暖热水温度(°C),总•为废气热回收器的传热系数(kW/m2・°C),ZT“为废气热回收器的对数平均温差(°C),加'
7、为废气的流量(kg/s),U恥如创为进岀废气热交换器的废气温度(°C)。发动机的功率和转速以及转矩之间存在如卜•关系P=M-m/9.55(7)式中"为发动机轴功率(kW),M为转矩(N・m),刀为转速(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42宀"⑻式中，G为一次能耗(kW),加/为天然气的流量(kg/s),厂为天然气的高热值(kj/kg)o2.2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
8、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。对压缩机来说，可以通过制造厂家提供的样本数据拟合得到压缩机的产冷最和排热最同冷凝温度，蒸发温度及压缩机转速Z间的关系。以下是根据某开卅式压缩机样木⑶拟合的出压缩机的计算公式式中，Q、、、Q分别为产冷量和排热量(kW),化、7；分别为蒸发温度和冷凝温度(°C),a为压缩机在标准工况下的制冷量(kW)。由
