余热直接利用型燃气机热泵变转速特性实验研究

Experim ent on W aste Heat Utilization Type Heat Pump Drivenby Gas Engine at Varied SpeedsZHANG W ei ， PENG Xueyuan ，YOU Lichao。，W ANG Tao(1.School of Energy and Power Engineering，Xian Jiaotong University，Xian 710049.China2.Danfoss Tia in Co.，Ltd.，Tianjin 301700，China)Abstract：The experiment was conducted on an apparatus with the gas engine speeds of 1 400-2 000r/min to obtain the performance of the waste heat utilization type heat pump driven by a gas engine atvarious speeds.The results show that the average primary energy ratio(PER)rose slowly first and thendecreased rapidly as the engine speed increased.The system PER was higher than 1.34 in the test rangeand its maximum change amplitude was only 2.3% when the speed increased from 1 400 r/min tO 1 800r/rain，indicating that the system was more efficient in this speed range provided the required load wasmet.The average waste heat recovery ratio of the system reached 83.5 and the ratio of waste heat toheating capacity increased with an increase in the speed in the test range. Although the proportion ofwaste heat dropped at the lower speeds， the increased coefficient of performance (COP) madecompensation for the drop，resulting in the highest PER at about 1 400 r/min。

Keywords：gas engine heat pump；waste heat utilization；varied speed燃气机热泵是燃气发动机驱动的蒸汽压缩式热泵(GEHP)，在 日本和欧美研究 比较成熟 ↑十年间，高效节能的燃气机热泵技术受到了国内外研究者们的重视，如研究了燃气机热泵发动机的转速为 1 3002 000 r/rain时转速 、水流量 、水温对系统性能参数的影响 ，R134a燃气机热泵系统在压缩机转速为 2 000～4 400 r/min时的系统-次能源利用率(PER) ，转速及环境温度对燃气机热泵系统各性能参数的影响 ，转速为 1 300、1 750 r/min时冷凝器进水温度对系统性能参数 的影响啪，以及收稿 日期 ：2013～04-25。 作者简介：张薇(1974-)，女，博士生，讲师；彭学院(通信作者)，男，教授，博士生导师。

西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷燃气机热泵系统的运行特性 等 。

现有的燃气机热泵的系统特性研究多侧重于系统的余热回收性能，对回收的余热直接作为低温热源的研究很少涉及 ，因此本文对带有余热直接利用装置的燃气 机热泵 系统 开展发动 机变转速实验研究，并为此搭建了以环保混合工质 R407C为制冷剂的余热直接利用型燃气机热泵实验台。

发动机采用 日本尼桑的天然气发动机 ，发动机转速调节范围为 800～2 000 r/min，压缩机为滑片式压缩机 ，工质为非剐环保工质 R407C。该系统主要由 3部分组成 ：热泵系统、发动机冷却水循环系统、天然气供气系统 。

热泵系统循环流程如图 1所示。发动机冷却水循环系统的作用是冷却发动机气缸 ，将 回收的发动机余热通过余热换热器交换给热泵系统。散热器的作用是辅助发动机散热。在发动机冷却水循环系统中，余热换热器 、烟气换热器和缸套换热器的进 、出水管上均加设 了温度测点及流量测点 ，由此得到 3个换热器的水流量及水的进 出口温度差 ，进而得到烟气换热器和缸套换热器的余热 回收量 ，以及热泵系统通过余热换热器的余热利用量。

- 发动机水 工质制热⑦ 温度测点⑦ 压力测点### 流量测点进水管- 出水管- 1：发动机 ；2：压缩机 ；3：冷凝器 ；4：调节 阀；5：储液器；6：节流 阀7：蒸发器；8：散热器；9：风扇；10：四通阀；11：余热换热器；12：气液分离器；13：三通阀；14：烟气换热器；15：缸套换热器；16：皮带轮；1 7：扭矩仪；18：减压阀；19：天然气气瓶组图 1 余热直接利用型燃气机热泵系统流程图2 实验方法当室外 温度保 持在 3℃、蒸发 器风机 风量 为18 000 m。/h、冷凝器水流量为 8.5 m。/h、发动机冷却水循环流量为 2.95 m。/h、余热换热器水流量为0.75 m。/h时 ，调整发动机转速至设定转速，系统运行稳定后采集系统参数，主要参数如表 1所示。

表 1 实验 系统主要参数值表实验系统参数 变化范围蒸发压力/MPa冷凝压力/MPa冷凝器水侧进 口温度/℃蒸 发器风侧进风温度/℃余 热换 热器水侧进 口温度/℃缸套换热器燃气侧尾气出 口温度/℃烟气换 热器尾气侧出 口温度/℃0.36～ 0.442.O4～ 2.134071.7～ 72.9165.8～ 185.949.0～ 51.3实验中系统的制热量Qh- qwp CP (T - T )/3 600 (1)式 中：q 为载热水的体积流量 ；10 为载热水的密度 ；C 为载热水的比定压热容 ；T 、T 分别为载热水进 、出冷凝器的温度。

烟气余热回收量Q 、缸套余热回收量 Q 及通过余热回收换热器传递给热泵系统的余热利用量的计算式与式(1)相似，由测量获得的换热器的水流量及进出口温差得到。系统中发动机余热总回收量Q 为烟气 余 热 回收量 和缸套 余热 回收量 之 和。

PER表达式为rPER- Qh/E (2)式中：E 为系统消耗的燃气热能。

热泵系统的效率由性能系数 C ， 定义 ，即CcoP- Qh/N (3)式中：N。为压缩机的轴功率 。

表 2 实验测量仪器与精度岳 统 3 实验结果及分析和质量流量计组成。由发动机稳定运行时的天然气 、- 、 耗气量可计算获得发动机的耗能。 本文中余热直接利用型燃气机热泵系统的发动http：//WWW.jdxb.en http：/zkxb.xjtu.edu.crl第 8期 张薇 ，等 ：余热直接利用型燃气机热泵变转速特性实验研究 143机转速在 800～2 000 r/min范 围内可调 ，压缩机 由发动机通过皮带驱动 ，转速在 1 100～2 900 r/min范围内变化 。由于低转速时系统性能不太稳定 ，故取发动机转速在 1 4002 000 r/min范围内进行系统变转速实验。发动机转速对燃气耗量的影响如图2所示。由图 2可见，随着发动机转速的升高，燃气耗量迅速增加 ，但增加的幅值逐渐减小 。

；蠢肇发动机转速对燃气机热泵余热回收性能的影响如图 3所示 。由图 3可见 ，在实验转速范 围内，Q 。

和 Q 均随着发动机转速的升高而增加 ，Q ，增加 了37.6 ，Q 增加 了 60.0 ，Q 。 增加 了 43.2 。这是因为发动机转速升高强化了气缸 内的燃烧过程，使得燃烧温度提升 ，烟气温度随之升高 ，导致发动机冷却水与气缸和烟气的换热温差增大，该结果有利于余热回收中的换热过程。发动机气缸内燃气温度高，换热温差大 ，虽然烟气余热回收量增加迅速，但增幅逐渐减 小 ，所 以 Q 。 中 Q 。仍 占主导 ，平均 占67.5 9/6发动机转速/10 r.rain图 3 转速对燃气机热泵余热回收性能的影响发动机转速对燃气机热泵余热利用性能的影响如图 4所示 。由图 4可见 ，随着转速的升高 ，制热量和余热板换换热量明显增加，其 中制热量增加了28.4 ，但增幅逐渐减小，而余热板换换热量增加了56.8 ，且增幅逐渐增大 。

发动机转速对燃气机热泵余热回收和利用效率的影响如图 5所示。由图 5可见：燃气热能 中总回收余热量占比a 随转速的升高而增大，但增幅逐渐减小；总回收余热量中余热利用量 占比(余热利用率)a 及制热量中余热占比 。随转速的升高而增大，且增幅逐渐变大。实验范围内总回收余热量中余热利用量占比的平均值达到了 83.5 ，最大值为88.5 9/5，说明系统能较为充分地利用余热制热。实验范围内余热占制热量的比值的平均值为 46 ，最大值为 51.7 ，显然余热对制热量贡献显著。

响发动机转速对发动机热效率及燃气机热泵系统效率的影响如图 6所示 。由图 6可见，转速从 1 800r/rain降到1 400 r/min时，发动机的热效率降低了14.2 ，转速在 1 800～2 000 r/min之间，发动机的热效率变化很校当发动机转速降低时，发动机余热回收利用率降低，但热泵从外界吸收了更多的热量，使得制热量中外界环境热量占比增大，增幅大于发动机余热回收利用率的降幅，由此压缩机功率相对降低，燃气机热泵系统的 c oP增大，实验工况范围内 C oP增加了 13.3 。

发动机转速对燃气机热泵的PER影响如图 7所示。综合图6、图7分析可知：在低转速下，虽然发动机的热效率较低，但燃气机热泵从外界吸收的热量较多且拥有较高的 Cc呻，使得燃气机热泵系统的 PERhttp：/ http：//zkxb.xjtu.edu.cn144 西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷槲较赛幅发动机转速/1O r.min-。

图 6 转速对发动机及燃气机热泵系统效 率的影 响(3)随着转速的升高，余热 回收量持续增加 ，烟气余热回收量迅速增加，但在总余热回收量中发动机缸套余热 回收量居主导，在实验工况范 围内平均占 67.5 。