燃气机热泵余热的回收利用

燃气机热泵余热的回收利用燃气机热泵可高效利用天然气，降低环境污染，有效平衡冬、夏季燃气季节负荷差，削减夏季电力负荷高峰，实现优质能源的高效利用[1～5]。燃气机热泵具有较高的一次能源利用率，主要得益于对燃气发动机余热的充分利用，因此分析如何合理回收利用燃气发动机的余热对提高燃气机热泵的一次能源利用率有着十分重要的意义。本文对燃气机热泵的余热组成、余热利用的限制条件及余热利用方式进行分析。1燃气发动机余热组成燃气发动机余热主要由缸套冷却水余热、烟气余热及发动机对周围环境的辐射余热3部分组成[6]。燃气燃烧放出的热量以100％计，则驱动热泵压缩机的有用功约占33％，缸套冷却水余热约占30％，可利用的烟气余热约占20％，辐射余热约占6％，其余为不可利用的烟气余热。燃气发动机的余热中，可回收的余热包括缸套冷却水余热和部分烟气余热，而辐射余热一般不能直接回收利用。2余热利用的限制条件燃气发动机冷却水温度影响着发动机的冷却效率、高温零件的热负荷、发动机的热量分配和能量利用。燃气发动机在冷却水温低于65℃下运行为过冷运行，过冷运转将导致燃料燃烧过程的恶化和缸套的磨损加剧。燃气发动机在冷却水温高于95℃下运行为过热运行，此时发动机工作温度过高，也会带来一系列的危害。因此，回收利用缸套冷却水余热时，必须适当调节冷却水流量，严格控制缸套的进出水温度，避免发动机过冷或过热运行。可利用烟气换热器回收烟气余热，但应控制换热器出口烟气温度，使其高于烟气露点，防止烟气中凝结水与二氧化硫形成硫酸，而导致对换热器的腐蚀。由于烟气换热器安装在燃气发动机的排气管路中，会改变燃气发动机排气背压，从而影响燃气发动机的性能。因此，在设计烟气余热回收装置时应控制压力损失。3余热回收方式3．1制热工况下的余热直接回收①单回路余热回收燃气机热泵在制热工况下，最简单的余热回收方式为单回路余热回收直接供应热水(见图1)。图1单回路余热回收方式Fig．1Recoverymodeofresidualheatwithsinglewatercircuit该余热回收方式中热泵冷凝器、缸套冷却水换热器及烟气换热器串联。单回路余热回收方式遵循尽量提高热泵的制热性能系数和热水温度的原则。由于燃气发动机的缸套冷却水和烟气温度较高，而热泵本身的冷凝温度一般较低，即使将缸套冷却水换热器、烟气换热器放在热泵冷凝器之后，仍可保证热水和缸套冷却水及烟气之间的温差，不会影响余热回收率。在给定热水温度下，由于缸套冷却水换热器、烟气换热器可使热水温度进一步提高，因此可降低热泵冷凝器的冷凝温度，这样可提高热泵的制热性能系数[7]。②双回路余热回收双回路余热回收方式考虑了热泵冷凝器冷凝温度和缸套冷却水、烟气温度的不同，采用双回路加热热水(见图2)。热泵冷凝器回路为低温热水回路，缸套冷却水换热器、烟气换热器组成了高温热水回路。在高温热水回路与低温热水回路之间设置连通管和调节阀，在低温热水出水温度较低时，引入高温热水进行调节，高温热水出水温度过高时，也可以引入低温热水进行调节[8]。Fig．2Recoverymodeofresidualheatwithdoublewatercircuit燃气机热泵的总制热量为低温热水制热量和高温热水制热量(即回收的燃气发动机余热)之和，回收的燃气发动机余热与燃气机热泵的总制热量之比的计算式为：式中：Φh——回收的燃气发动机余热，wΦ——燃气机热泵的总制热量，wΦL——低温热水制热量，wICOP——热泵制热性能系数η——燃气发动机的效率，取0.33α——余热回收率，回收的燃气发动机余热与其消耗的一次能源热量的比Φh／Φ随α、ICOP，的变化见图3。在d相同时，随着，ICOP的增大，Φh占Φ的比例减小。在ICOP相同时，随着α的增大，Φh占Φ的比例增加。因此，在尽力提高ICOP的同时，也要尽量提高α，使燃气机热泵的整体性能达到最佳。Fig．3VariationofΦh／ΦwithαandICOP3．2制冷工况下的余热联合回收单、双回路余热回收方式仅在燃气机热泵制热工况下充分回收缸套冷却水余热和烟气余热，其一次能源利用率高于常规的供热空调装置(锅炉或电驱动压缩式热泵)。但当燃气机热泵夏季制冷时，燃气发动机的余热往往得不到充分利用就直接排放到环境中。为了有效利用燃气机输出功及余热，在燃气机热泵制冷运行时引入以氨一水作为工质对的吸收式制冷循环，组成压缩吸收联合制冷循环，利用燃气发动机的余热，有效提高燃气机热泵在制冷运行时的一次能源利用率，余热联合回收方式见图4。Fig．4Combinedrecoverymodeofresidualheat压缩式制冷循环与吸收式制冷循环共用一台蒸发器和一台冷凝器，燃气发动机的烟气余热与缸套冷却水余热被用作发生器的热源。由于余热联合回收方式能有效利用燃气发动机输出功及余热进行制冷，因此燃气机热泵的一次能源利用率得到了提高[9]。能够同时利用燃气发动机输出功和余热的联合循环还有多种配置方式[10、11]。4结论燃气发动机的余热量大，品位高，余热利用是否充分对燃气机热泵的性能有着重大的影响，应采取各种可行的方法充分回收燃气发动机的余热。提高燃气机热泵的一次能源利用率。在回收利用发动机余热时必须注意限制条件，不能影响燃气发动机的正常运行，余热利用必须着眼于燃气机热泵整体性能的优化。燃气机热泵余热回收利用的方式各异，应该根据实际用途，选择合适的余热回收方式。参考文献：[1]杨昭，赵义，李丽新，等．五种供热空调系统的技术经济分析及建议[J]．制冷学报，2004，(4)：43—48．[2]谢英柏．燃气机热泵总能系统的理论分析与试验研究(博士学位论文)[D]．保定：华北电力大学，2002．[3]焦文玲，胥杰．燃气机热泵技术及其应用[J]．煤气与热力，1998，18(4)：54—55．[4]凌云，程惠尔，李明辉．天然气发动机驱动热泵装置利用效率的分析[J]．煤气与热力，2003，23(1)：11—14．[5]马一太，梁兆惠，谢英柏．燃气机热泵一次能源利用率的分析[J]．煤气与热力，2004，24(3)：133—136．[6]蒋德明．内燃机原理[M]．北京：机械工业出版社，1988．[7]马一太，杨昭，谢英柏．燃气机热泵在我国的应用前景[J]．流体机械，2002，30(1)：55—58．[8](德)尤特曼赫(著)，耿惠彬(译)．热泵[M]．北京：机械工业出版社，1989．[9]张世钢．燃气机热泵仿真与优化匹配研究(博士学位论文)[D]．天津：天津大学，2003．[10]GoktunS．Optimalperformanceofanirreversible，heatengine-driven，combinedvaporcompressionandabsorptionrefrigerator[J]．AppliedEnergy，1999，62(2)：67—79．[11]HoweLA，HeroldKE．Combinedcyclesforenginedrivenheatpumps[J]．InternationalJournalofRefrigeration，1989，12(1)：21—28．