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煤气发动机驱动空调制冷装置概述

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:380
1 概 况
早在本世纪六十年代,由于煤气工业的迅速发展,使得煤气在空调方面得到了广泛的应用。主要有蒸汽吸收式制冷机、煤气发动机驱动往复式制冷压缩机、蒸汽透平驱动离心式制冷压缩机。吸收式制冷机由于制造、运行费用较低而占据着空调市场。煤气发动机驱动的制冷机尽管运行效率远高于吸收式制冷机,但是它的运行维护费用较高而未能得到广泛的应用。
近年来,能源危机、燃料价格上涨不断地困扰着世界各国经济的发展,为了提高一次能源的利用率,减轻燃料对环境的污染。使得煤气发动机驱动空调技术日益受到人们的关注。
煤气发动机驱动空调是通过煤气发动机驱动制冷压缩机(活塞式、螺杆式或离心式压缩
机),同时回收发动机水夹套中和尾气中的废热(可用于吸收式制冷机或产生热水、蒸汽等),其工作原理不同于一般电驱动空调机,因此这就决定了煤气发动机驱动空调相对于电驱动空调机有其显著的特点。
(1) 污染物排放量低 对于单位制冷量,煤气空调所产生的污染物是发电设备的一半左右(见表1)。
表1 煤气空调污染物排放减少百分数
 co2soxnox尘粒
煤气吸收式制冷机相对于油发电制冷571006897
煤气吸收式制冷机相对于煤发电制冷5710050
煤气发动机驱动制冷机相对于煤发电制冷6510098
煤气发动机驱动空调的co2的排放量减少65%,尾气中几乎不含有sox,nox的含量。
(2) 效率高 通常煤气发动机的效率为30%,由于充分利用发动机水夹套中和发动机尾气中的废热,直接用来提高离开冷凝器的被加热气体的温度,因此可使总效率达到80%左右。
(3) 煤气发动机驱动空调的负荷能随建筑物负荷的变化而进行调节,避免了能量的浪费。当建筑物的负荷小于50%时,由制冷压缩机实现负荷的调节;随着建筑物负荷的增加,当超过50%时,调节煤气发动机的运行转数;当发动机达到最高运行转数,还不能满足建筑物的负荷时,可利用废热来补偿。
(4) 煤气发动机驱动空调不仅可缓解夏季电量的相对不足,而且还可解决煤气在夏季过剩的问题。
2 煤气发动机驱动空调技术的应用
煤气发动机驱动空调技术在各方面都得到了广泛的应用,由于其用途不同,结构及工作原理也各不相同。下面分别介绍煤气发动机驱动空调技术在几个方面的应用。
2.1 煤气发动机驱动热泵
(1) 煤气发动机驱动热泵的结构及原理
煤气发动机驱动热泵由煤气发动机、压缩机、室内机、室外换热器、尾气回收装置、膨胀阀、四通阀、换气机等组成。它是以煤气发动机为动力、带动室外机内的压缩机工作以达到制冷或采暖两用的空调器。夏季,煤气发动机带动压缩机工作,将室内的热量吸收,放散于室外;冬季,将室外的热量以及发动机排出的热量送到室内(见图1)。

图1 煤气发动机驱动热泵制冷(右)与采暖(左)原理
2.2 煤气发动机驱动热泵的优点
(1) 煤气发动机驱动热泵利用发动机带动压缩机运转,可迅速使房间达到适宜的温度。同时,热泵内的电脑程序还可以根据室内温度的变化自动地控制煤气发动机以最高的效率运转,达到快速制冷和节能的目的。
(2) 煤气发动机驱动热泵在供暖基础上还可将发动机的尾气废热回收利用,在启动瞬间即可制出暖风。煤气发动机废热利用不仅提高供暖能力,同时循环热水也可防止结霜,避免除霜(见图2)。

图2 煤气发动机驱动热泵与电空调供暖能力(左)及供热时间(右)的比较
(3) 耗电小。煤气发动机驱动热泵除换气机等辅助设备外,一律不耗电。功率为5马力的空调也仅使用0.7 kw的电。
(4) 运行效率高。图3是煤气发动机驱动热泵与普通电驱动热泵的能耗分析比较。从图3可以看出,100的总热量通过煤气发动机热泵可获得146的利用热;而对于普通电驱动的热泵,要获得同样的利用热则需要的总热量为314,其中223的热量在发电的时候作为废热被浪费掉了。

图3 煤气发动机驱动热泵(右)与普通电驱动热泵(左)能耗分析
2.3 煤气发动机驱动技术在汽车空调上的应用
下面介绍一种应用在汽车上的空调系统-旋转吸收/再压缩式空调系统,该系统使用libr/ h2o工质对。
(1) 旋转吸收/再压缩式空调系统工作原理
低温、高压的液态制冷剂(h2o)通过膨胀阀4节流后(见图4),产生低温、低压的液体直接进入蒸发器,吸收被处理空气的热量而气化,同时,空气被冷却而温度降低。气化后的气态制冷剂进入吸收器,被libr溶液吸收,产生吸收热。吸收后的libr溶液浓度降低,同时温度升高。稀释后的libr稀溶液由溶液泵通过热交换器送到发生器。稀libr溶液由发生器的中心沿圆盘向四周扩散,同时制冷剂被加热蒸发,产生的蒸汽通过中间冷却器进入制冷压缩机,产生高温、高压蒸汽,进入冷凝器释放其潜热后,凝结成低温、高压的液态制冷剂,经过节流装置进入蒸发器,由此循环下去。冷凝器产生的热量用于加热发生器的稀libr溶液,制冷剂被蒸发后的libr浓溶液通过热交换器,节流后回到吸收器的中心,用于吸收制冷剂气体。同时,在热交换器回收其热量,加热进入发生器的libr稀溶液。另外,汽车发动机产生的高温烟气可直接加热发生器,增加发生器中蒸汽的生成量,提高整个空调系统的效率。

图4 旋转吸收/再压缩式空调系统流程图
(2) 旋转吸收/再压缩式空调系统的优点
1) 效率高。由于该空调系统利用汽车发动机高温烟气以及冷凝器放热量加热发生器,充分利用了发动机的尾气显热和冷凝器的放热量,显著的提高了燃料的利用效率。当发生器、吸收器中的libr溶液的浓度分别为58 %和54 %,发生器的温度为60 ℃和120 ℃时的cop分别为4.84和5.63。
2) 该系统利用libr/ h2o工质对代替了氟立昂cfc制冷剂,从而避免了因氟立昂泄漏而造成的环境污染。目前人们还对h2o/naoh-koh-csoh、ch3oh/libr-znbr2、h2o/nh3、ch2nh3/libr-h2o等工质对在汽车空调上的应用进行了广泛的研究。
2.4 煤气发动机驱动技术在发电及吸收制冷应用
煤气发动机带动发电机及吸收式制冷机装置的流程如图5所示。

图5 天然气发动机带动发电机及吸收式制冷机流程图
煤气发动机驱动发电机发电,供民间照明等用。同时,发动机水夹套产生的热水通过低温热交换器产生生活用水,可用于淋浴、游泳池等。另外,发动机产生的高温烟气可用于吸收式制冷机,产生冷、热水,用于房间的空气调节。
利用煤气发动机尾气的吸收式制冷机,最适宜的烟气温度为300~400 ℃,余热回收系统的工作原理如图6所示。其特点如下:
(1) 发动机烟气进入高温发生器,所产生的蒸汽一部分进入温水器,可向用户提供温水;另一部分进入低温发生器,用于制冷。所以这是一个既可制冷,又可供热的具有双效发生器的系统。
(2) 高温发生器实际上是一个烟管锅筒式废热锅炉,烟气在管内流动。此外,为了调节余热负荷与制冷量的变化,除了在高温发生器上设置温水器之外,还设有一台放热器,使多余的热量通过冷却水循环从冷却塔散去。

1-冷却塔;2-放热器; 3-温水器; 4-高温发生器;
5-低温发生器; 6-冷凝器; 7-吸收器; 8-蒸发器;
9-煤气发动机; 10-发电机
图6 利用发电机尾气余热的吸收式制冷机
(3) 可以根据需要调节制冷量和供热量。当要求达到最大制冷量时,将烟气导入高温发生器,关闭温水器的控制阀和放热器的控制阀,使高温发生器中产生的蒸汽全部用于制冷;当要求部分制冷负荷时,根据所要求的冷水出口温度,可关小温水器的控制阀和放热器的控制阀,使多余的热量通过放热器由冷却水带走;当只要求提供热水时,可切断高温部与低温部之间切换阀门,只让高温发生器工作,即只起一个废热锅炉的作用,通过调节温水器的控制阀和放热器的控制阀的开度来调节供热的负荷。
4 结 语
煤气发动机驱动制冷压缩机的空调制冷系统作为一种高效、节能的技术,为解决中国目前城市建筑物大楼中存在的能耗大,污染严重等问题提供了一个有效的方法。 上海是一个经济迅速发展的大城市,用电非常紧张,特别是夏季高峰用电尚不能完全满足需要;相反地,夏季燃气的需求呈现低谷,出现了供过于求的现象。因此,可考虑利用燃气制冷,即可以解决电力供应不足,燃气相对过剩的现象,特别是东海天然气即将进入上海,在上海发展以天然气为能源的空调系统,经济上的合理性是显而易见的。
作者单位:刘 军 徐吉浣 同济大学热能工程系,上海,200092
杨世宏 上海燃气设计院,上海,200070
沈巧练 浙江城建煤气热电设计院,杭州,310007
参考文献
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