1、烟台大学毕业设计 1 分类号 编号 烟 台 大 学 毕 业 设 计 水 -水燃气机热泵系统设计及性能分析 System Design and Performance Analysis of the Water Source Gas Engine Driven Heat Pump 申请学位： 工学学士 院 系： 烟台大学 专 业： 热能与动力工程 姓 名 : 学 号： 200977504203 指导老师： 2013 年 5 月 26 日 烟台大学海洋学院 烟台大学毕业设计 2 水 -水燃气机热泵系统设计及性能分析 姓 名： 导 师： 2013 年 5 月 26 日 烟台大学海洋学院 烟台大学毕业
2、设计 3 摘要 燃气热泵空调系统与传统的电动热泵系统相比，具有更高的一次能源利用率，可以提高冬季的制热效果， 同时还能辅助提供生活热水。燃气机热泵可通过改变燃气发动机转速实现良好的部分负荷特性，是一种很有应用前景的空调 热泵 产品。本文针对水 水燃气机热泵系统进行了设计，该系统主要包括燃气发动机子系统、制冷系统、余热回收系统以及冷热源子系统。通过余热回收系统，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，大大提高了系统的一次能源利用率。与此同时，对装置各个部件进行了计算和选型，获得高效环保水水人燃气机热泵系统，并对使用天然气作为空调能源的可行性进行了评
3、价。 关键词 :燃气机热泵 系统；系统设计；余热回收；性能评价 烟台大学毕业设计 1 AbstractCompared with the system of traditional electric driven heat pump, the gas heat pump has a higher energy utilization rate. And it improves the heating effect in winter, at the same time, it provides domestic hot water. The gas engine driven heat pum
4、p can achieve part of load characteristic by changing its engine speed. It is a kind of promising air conditioning products. This paper aims at the design of water gas engine driven heat pump system, mainly including gas engine subsystem, the refrigerating system, the heat recovery system, and the c
5、old and hot source subsystem. By setting the heat recovery water system, the engine cylinder liner cooling water heat and exhaust heat is recovered. The two part of the heat is an important part of the operation of heat pump system. The calculation and type selection of machinery was done. Through t
6、his, we get a highly efficient and environmental friendly system. At the same time, the use of natural gas as the feasibility of air-conditioning energy is evaluated. Key Words: the system of Gas engine heat pump； system design ； the recovery of waste heat ；performance evaluation 烟台大学毕业设计 2 目 录 第一章
7、绪 论 . 1 一、 燃气机热泵研究背景 . 1 二、 燃气热泵空调的发展综述 . 2 三、 本文研究的主要内容 . 5 四、 小结 . 6 第二章 水 -水燃气机热泵的装置设计 . 7 一、 水 -水燃气热泵系统的工作原理和特点 . 7 （一） 水 -水燃 气机热泵系统的工作原理 . 7 （二） 水 -水燃气热泵系统的特点 . 8 二、 系统的主要部件设计 . 8 （一） 制冷剂的选择 . 9 （二） 压缩机的选型计算 . 10 （三） 燃气发动机的选型 . 13 （四） 蒸发器、冷凝器选型计算 . 14 （五） 电子膨胀阀的选型 . 17 （六） 系统其他配件的选型 . 20 （七） 燃气
8、机热泵系统设计 . 21 三、 本章小结 . 22 第三章 水 -水燃气机热泵系统的经济性能分析 . 23 一、 系统的经济性能分析 . 23 （一） 燃气机热泵寿命周期的成本分析 . 23 （二） 燃气机热泵年维护费用的分析 . 24 （三） 用户运行费用的分析 . 24 （四） 能源资源的消耗率分析 和能源转换效率的比较 . 24 二、 系统环保性能分析 . 27 （一） 天然气的使用减轻了大气污染 . 27 （二） 能源消耗污染治理消费低 . 28 三、 小结 . 29 第四章 冷、热、电三联供实现技术手段和方法 . 30 一、 冷热电三联供系统 . 30 二、 燃气机热泵的三联供系统
9、. 30 （一） 发电机系统 . 31 （二） 余热利用系统 . 31 三、 燃气机热泵系统的冷热电三联供流程 . 31 四、 小结 . 32 烟台大学毕业设计 3 结 论 . 33 致 谢 . 34 参考文献 . 35 烟台大学毕业设计 1 第一章 绪 论 一、 燃气机热泵研究背景 随着我国经济的快速发展，人民的生活水平不断提高，同时我国的能源需求不断加大，环境污染日益严重，能源问题和环境问题在经济高速增长的同时日益显现。因我国国民经济的高速发展，人民生活水平普遍提高，空调已经成为人们生活环境不可或缺的组成部分，从而促使我国的家用房间空调器和商 业中央空调的迅速发展，中国是世界上继美国和日本
10、后的第三大空调市场，而且中国在家用房间空调器方面产量居世界第一位。 近年 来，空调能耗也慢慢成为我国国民经济总能耗的不可忽视的一部分。这些空调设备是以电能为主要能源的，故而造成多方面不利影响。一方面，煤炭是我国发电的主要能源，故而导致全球气候变暖和严重的环境污染；另一方面，由于大型用电量电器的过度使用，造成了我国在夏季用电高峰季节时出现电网不堪负荷。近来在大城市中电力供应越来越紧张，国家和有关部门已经逐渐开始用其他形式的能源来代替电能的 1。近年来，由于我国 “西气 东输 ”等大型燃气工程的全面建设，全国各个城市燃气事业得以持续高速发展，进而加快了我国城市燃料结构调整的步伐，致使天然气将慢慢取
11、代人工煤气和液化石油气而成为城市的主导气源。但是在北方大部分地区，夏天天然气的使用量相对较少，夏天三个月的天然气使用量只占冬季三个月用气量的 1/3 左右，致使夏季大量的燃气供应设施闲置，从而浪费了资源。在炎热的夏季（ 7、 8、 9 月），由于大量电动空调器的使用，使电力负荷率出现越来越大的不平衡。以上海市为例， 1999 年夏季用电尖峰负荷达到 901.3 万 kW,其中空调用电325kW，占 36%； 2000 年夏季用电尖峰负荷达到 1047.6 万 kW，其中空调用电 390 万 kW,占 38.5%； 2003 年夏季上海遭遇到数十年未遇的酷暑天气，用电尖峰负荷已达 1300 万
12、kW,其中空调用电负荷猛增至 600 多 kW,占 46%左右。 燃气的峰谷和电力的峰谷恰恰相反，但是由于夏季的环境温度比较高，以供热和采暖为主要目的的城市燃气用量日趋下降。在 1月份上海市城市煤气最高日平均用气量为 629万立方米 m3，但是用气量最低是 8月份，日平均用气量仅 470万 m3，夏季用气仅为冬季的 0.68倍。 天然气是世界上仅次于煤和石油的第 三大天然能源。目前为止，地球上己经探知的天然气储量大于 140万亿立方米，如果按每年的开采量为 2万多亿立方米来计算，则可持续开采 68年。随着科学技术的高速发展，天然气的探明量增长很快，据科学家预测，天然气的探明量将会在未来十至二十
13、年内超过石油，成为 21世纪的主导能源。在 2000年，我国每年的天然气勘探、开采量已达到 250亿立方米。据有关专家预测我国天然气地质资源量目前已超过 38万亿 m3，具有良好的可采储量前景，按国际通用口径计算，预计可以开采 95年，可见我国是世界上拥有丰富的天然气资源的国家之一。目前，国外石 油产量和天然气的产量比为 1.37:1 左右，而我国为 10:1左右，可见在天然气产量方面我国潜力比较大，故而在资源方面为推广使用我国燃气机热泵创造了良好的条件。 热泵是靠高位能的拖动，将热量从低位热源传递给高位热源，由于在转移过程中吸取烟台大学毕业设计 2 了低位热能的热量，以致提高了热能的利用率。
14、在获取当量热能时，节约了大量燃料。供暖热泵与电加热方式比较可知，利用热泵可以提供消耗电力 4倍多的热量；或者说，在提供相同热量时，可以节省 76.5%的电力。热泵供暖比锅炉供暖在理论上是先进的。同时天然气是清洁能源，燃烧后的排放物较少，可以 减少温室气体的排放总量及其他导致大气污染的污染物。燃 气热泵使用清洁能源燃气，每万平米建筑面积年可减排约 200多吨 CO2，同时可减少 NOx、 SO2排放。 发展燃气机热泵，将燃气由传统的取暖、供热用于空调制冷，既节省了夏季大量的电力消耗，改善了电力负荷率，充分利用夏季过剩的燃气，平衡了燃气的峰谷，从而实现了燃气与电力企业双赢最佳效果。 图 1.1 相
15、同发热量燃料排出率 如图 1.1所示，与石油、煤炭等黑色能源相比，天然气在燃烧过程中，几乎不产生二氧化硫，可吸入悬浮微粒、氮氧化物、一氧化碳等影响人类 呼吸系统健康的物质极少，而产生的二氧化碳的排放仅是煤的 0.4倍，并且天然气燃烧之后也没有废水、废渣的排出。因此，燃气机热泵有利于保护大气环境，减少地球的温室效应和其他污染物对大气环境的影响。尤其在当今世界，人们对人类生存环境愈来愈关注，愈来愈重视对环境的保护，这使得燃气机热泵得到了较大的发展空间 2。 燃气机热泵在技术上的可行性 :众所周知，人们对内燃发动机的探索研究已有百余年，现今，内燃发动机一直作为各类交通运输工具、农业机械、武器平台、工
16、程机械等可移动设备的主要动力，也是是目前已知应用最广的非电 能动力。内燃机制造工艺先进、技术成熟、性能稳定可靠、使用寿命长、工作效率高、维修方便、零部件互换性高、生产成本低、产品质量稳定、价格相对低廉，因而如果把内燃机引进制冷空调领域，用以替代电能动力，必将会使制冷设备的应用范畴得以扩展。目前为止 ,除少数公路、铁路冷藏运输车辆使用的小型制冷设备之外，尚无内燃式制冷机组用于集中空调系统和大中型制冷的先例。因为内燃机是固定运行的，从而大大延长了其使用寿命。目前已知燃气机的运行寿命可达到 20000 60000小时，以美国普通用户为例，燃气机每年平均运转约 2000 4000小时，因而燃气压缩式热
17、泵的服务寿命可达 10 20年。今后，如果进一步将国外的多种新技术与国内自己的独特创新技术相结合，必将促进多种形式的燃气空调系统迅速发展 3。 二、 燃气热泵空调的发展综述 燃气热泵空调机组，简称 GHP（ Gas Heat Pump），就是以燃气为动力驱动空调压缩机，从而实现制冷和制热。它是以管道天然气和瓶装液化气为能源，通过高性能的燃气发动机相同发热量值情况下各种燃料 CO 2 、 NO X 、 SO X 的排出率：CO 2石油 天然气100%NO X100%煤炭SO X100% CO 280%NO X70%SO X70%CO 260% NO X40%SO X0%、 、天然气煤炭烟台大学毕
18、业设计 3 组驱动空调压缩机，达到制热制冷目的。 EHP中央空调室内机部分完全和 GHP中央空调相同，但是 GHP中央空调的室外机是以燃气为能源，相对于一般 EHP的价格 GHP的初投资费用要略高，但减少了 30% 40%运行费用。除此之外，与电力空调机相比，燃气热泵节省电能，启动快，而且尤耐严寒。燃气机热泵利用天然气热值高的特点，系统运转后可即刻吹出暖风，即使是在恶劣的寒冬，也能在零下 20度迅速制热。并且，燃气机热泵的耗电量仅为电力空调的 1/10，既节约了用户电能费用，又缓解冬两季的用电高峰压力 。燃气机热泵的第一台样机是在 1945年由美国开利公司在原吸收式制冷机基础上研制出的 523
19、kW制冷量、双筒体的单效溴化锂燃气机热泵，从而使燃气机热泵正式登上了空调制冷的舞台。由于该 样机还有许多技术上的不完善和经济上的问题，加之美国电力资源充足，燃气机热泵仅作为技术储备，并没有得到充分的发展和运用。直到近年来，受氟利昂限制使用的影响，电驱动压缩式制冷机市场不断减小，而燃气机热泵则获得较大发展。专家预测在 19962010年期间，电驱动压缩式制冷机将占有美国中央空调市场的 70%，燃气空调增至 30%。倘若新型燃气空调的开发取得决定性成功，燃气空调可能会占 60%，压缩式制冷剂则降至40%。家用燃气机热泵在美国也有长足发展。 1985年美国燃气研究院开发 3冷吨的家用燃气空调。该产品
20、性能可靠，效率 高，耐用性强，预计使用寿命可达 15年，其 COP制冷时为 1.05，制热时为 1.27。 1997年，以南加州天然气公司为首的几个燃气公司合成了一个大型联合体，他们联手致力推广使用 GAX家用燃气空调。 1999年，由于得到了克林顿总统的支持，美国能源部负责的名为 “绿村 ”的环保示范项目，采用了的 GAX家用燃气空调。同时美国能源部也支持 Robur公司开发一种商业化的燃气热泵，进而使空调市场得以彻底改革，增强了燃气空调对电动空调的竞争力 4。 在 20世纪 60年代末，日本在其经济腾飞时期，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，从政府到民间一致推动
21、燃气空调的发展。 1968年川崎重工成功的开发了燃气空调。日本政府颁布了 “燃气政策法 ”，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。日本主要开展小型家用燃气机热泵方面的研究，并最早实现 GHP的商业化。在 1981年 5月由通产省(International Trade and Industry， MITI1)和十二个生产厂家 (其中 5个为发动机厂商， 7个为HVAC厂家 )和三个燃气公司 (Tokyo gas， Toho gas和 Osaka gas)组成小型 GEHP技术研究协作组。并在 1984年完成压缩机部分、驱动部分和系统
22、部分的有关研究。 1985年 l0月 Sanyo电气公司推出一个 46.5kW冷却能力的 GEHP5。 1987年 9月 GEHP正式上市，当时有三个品种，Yamaha Motor公司的 4 7kW 的 GEHP， Yanmar Diesel Engine公司的 13kW 的 GEHPAisin Seiki公司的 17 4kW 的 GEHP。到 1989年 4月就有 14个室内机种 57种正研发。目前己生产了 3HP SHP。 7 SHP 10HP 15BHP等系列燃气机热泵，并已经商业化。经过几十年的探索研究 ，在产品和技术 方面都日渐成熟。在上世纪末，经过十余年的时间的发展，日本燃气机热泵
23、空调市场发生了翻天覆地的变化，在销售量方面由 1989年的 15000台猛增到1999年的将近 50000台，如图 1.2所示。美国由于早期电力基础配套设施非常齐全，又因为长期对天然气的储量持以悲观态度，进而限制美国在燃气空调方面的发展。由于世界燃气空调市场发展迅猛，九十年代初美国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。在 1976年，美国成功 推出 1.6L四缸 2270E型燃气机作为热泵动力，并且又投资烟台大学毕业设计 4 1450万美元用于发展 8.8 35kW的燃气机热泵。 1995年北美安装的燃气空调设备 1.2GW中，燃气机热泵占 10 6。 图 1.2 日本燃气
24、机热泵年销售量 在 20世纪 80年代，我国的燃气机热泵研究才刚刚开始。其中天津大学热能研究所的杨昭、吕灿仁、马一太等教授率先开展研究，对燃气机热泵的应用做了可行性分析，并做了比较基础性的试验研究工作，为此后燃气机热泵技术在国内的发展奠定了基础。浙江大学刘芬宁等教授对柴油机热泵在杭州丝绸印 染联合厂的应用进行了研究，选用 R12作为工质，柴油机功率为 20马力 (14 7kW)，获得出水温度为 71 ,计及泵功的 COP为 3.48， PER为 1.08。并与燃煤锅炉进行技术经济性比较，得出 GEHP节煤率为 80 ,投资回收期为 4年左右。哈尔滨工业大学的焦文玲等教授对燃气空调的技术和发展作
25、了探讨 7。 2002年初大连三洋推出了国内第一台 GHP， SGPH280J1，冷房能力 28 0kW，暖房能力 33.5kW。重量 670kg，外形尺寸为长 高 宽为： 1000 1290 2206mm。 自 2004年燃气机热泵引 入中国市场以来，尽管有许多企业陆续涉足，但是从市场行情来看，燃气机热泵发展速度比较缓慢，而国外燃气机的发展恰恰相反，尤其是日本、韩国等国家，燃气热泵空调在中央空调市场的占有率已超过 85%。在国内，经过五年多时间的发展，涉足燃气机热泵的企业前后还不足十家，根据市场统计，涉足燃气机热泵产品的企业有三菱重工海尔、三洋、林内、 LS、洋马、春兰等。在近几年来的中国制
26、冷展上，洋马与林内都展示过燃气机热泵产品，但是效果却不理想，尤其是在广州举办的制冷展后，林内公司已表示在明年中国制冷展上不再将燃气热泵空调产品进行展示。自 2004年将燃气机热泵引进中国市场以来，林内一直由日本爱信精机株式会社 GHP空调中国的总代理 上海林友工贸有限公司（这个公司由日本林内株式会社和上海燃气集团公司共同投资组建）负责，所销售的 GHP是由日本爱信精机株式会社所生产的原装进口品，价格昂贵，日本洋马和林内 ,GHP也是从日本原装进口，大连三洋销售的 GHP虽然也引进了日本的产品技术 ,但他们的 GHP空调是在国内组装的，价格相对比较低廉，容易销售。据 2007年日本市场的统计，日
27、本自从 1987年 10月实现燃气热泵空调（ GHP）商品化以来 ,电热泵空调（ EHP）所 占市场比例为 65%，而 GHP已占到市场比例的 35%了。目前，我国的中央空调市场主以 EHP为主，而 GHP市场销售极不景气，从涉足该产品的企业中来看，占市场比例较大是大连三洋和上海林内两大品牌，其次是日本洋马，这三大品牌几乎垄断了整个燃气热泵空调市场，这与电力空调的繁荣景象相比逊色了许多。从燃气热泵在中国发展的目前现状来看，它在国内发展缓慢有以下两个方面：首先，燃气热泵空调在国内的起步较晚，从 2004年发展至今仅有九年多的时间，这与电力空调在中国的发展周期时间相差很多，而且政府在这方面的扶持力度明显不够，这与燃 气热泵空调在日本等
