劉煥衛(wèi)

（煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

燃?xì)鉄岜弥评湫阅茉囼?yàn)及余熱利用分析

劉煥衛(wèi)

（煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

為進(jìn)一步提高能源利用率和提升低品位余熱的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用，針對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)開(kāi)展了制冷性能實(shí)驗(yàn)及余熱驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)理論仿真研究。結(jié)果表明：燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)制冷量、發(fā)動(dòng)機(jī)余熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗均隨燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大；性能系數(shù)(COP)及一次能源利用率(PER)隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的升高而增大，但隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而降低。COP和PER分別高于6.0和1.1。在蒸發(fā)溫度60～86℃范圍內(nèi)，以R245fa作為有機(jī)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)第一定律熱力效率為 7.39%～10.95%，熱力學(xué)第二定律?效率為 42.65%～52.25%。

燃?xì)鈾C(jī)熱泵；有機(jī)朗肯循環(huán)；余熱回收；熱力學(xué)；性能試驗(yàn)；計(jì)算機(jī)模擬

引 言

燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)采用清潔能源天然氣（或其他潔凈能源，如沼氣）為一次能源輸入，為建筑物提供冷、熱及生活熱水的節(jié)能環(huán)保型設(shè)備。因有效回收和利用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的缸套和廢氣余熱，其性能系數(shù)COP（coefficient of performance）和一次能源利用率PER（primary energy ratio）較電驅(qū)動(dòng)熱泵有了大幅提高。其中，缸套余熱以冷卻水為介質(zhì)，水溫一般為70～90℃，廢氣余熱以煙氣為介質(zhì)，溫度為 450～700℃[1-5]。目前，針對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵余熱的研究發(fā)現(xiàn)，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的大量的余熱（缸套余熱和廢氣余熱）主要用于輔助供暖或者提供生活熱水，其低品位能源的品質(zhì)沒(méi)有得到進(jìn)一步的提升[6-8]。

Ji等[9]對(duì)采用 LiFePO4電池的燃?xì)鈾C(jī)熱泵與常規(guī)燃?xì)鈾C(jī)熱泵進(jìn)行了性能分析；Wu等[10]對(duì)采用沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，最大性能系數(shù)COP和一次能源利用率PER分別為4.2和1.4。Liu等[11]對(duì)采用蒸發(fā)式冷凝器的燃?xì)鈾C(jī)熱泵制冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比傳統(tǒng)風(fēng)冷冷凝器，應(yīng)用蒸發(fā)式冷凝器的燃?xì)鉄岜眯阅艿玫酱蠓岣摺?/p>

有機(jī)朗肯循環(huán)ORC（organic Rankine cycle）具有效率高、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)低品位熱能品質(zhì)提升的方法和途徑之一[12-14]。Wang等[15]通過(guò)Matlab和REFPORP建立相關(guān)模型對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)的工作流體進(jìn)行了研究；Zhang等[16]對(duì)亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)和超臨界發(fā)電的性能進(jìn)行對(duì)比并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析；Yamada等[17]對(duì)新型制冷劑HFO-1234yf作為循環(huán)工質(zhì)對(duì)低品位能源的有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了熱效率的研究；張紅光等[18]基于有機(jī)工質(zhì)R245fa和單螺桿膨脹劑作為動(dòng)力輸出裝置，采用有機(jī)朗肯循環(huán)ORC對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱回收研究。

如前所述，燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)制冷和制熱功能。燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)回收缸套和廢氣余熱可用于輔助供熱和生活熱水。但是，其回收低品位余熱的品質(zhì)沒(méi)有進(jìn)一步提升，某種程度上限制了其廣泛應(yīng)用。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉄岜媚芰康奶菁?jí)利用，本文將低品位余熱通過(guò) ORC循環(huán)轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的電能，實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉄岜媚芰康奶菁?jí)利用?；诖耍疚膶?duì)燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)進(jìn)行了制冷性能實(shí)驗(yàn)研究和發(fā)動(dòng)機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的 ORC計(jì)算機(jī)建模，重點(diǎn)分析了燃?xì)鉄岜弥评淞?、發(fā)動(dòng)機(jī)余熱、發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗、性能系數(shù)以及一次能源利用率隨燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的變化規(guī)律；R245fa作為有機(jī)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)第一定律熱力效率和熱力學(xué)第二定律?效率。

1 燃?xì)鈾C(jī)熱泵實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為燃?xì)鈾C(jī)熱泵及余熱驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。本系統(tǒng)是由燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)及其余熱 ORC發(fā)電系統(tǒng)組成。主機(jī)是由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一套壓縮式熱泵系統(tǒng)，向用戶供冷或者供暖，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的缸套和廢氣余熱通過(guò)換熱器進(jìn)行回收，并作為ORC循環(huán)的低溫?zé)嵩催M(jìn)行發(fā)電。

圖1 燃?xì)鈾C(jī)熱泵及ORC系統(tǒng)原理Fig. 1 Schematic diagram of gas engine heat pump and ORC system

燃?xì)鈾C(jī)熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖2所示。

該系統(tǒng)包括兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的循環(huán)：發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵循環(huán)及發(fā)動(dòng)機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的 ORC循環(huán)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵循環(huán)工作原理為：制冷劑（R134a）在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱汽化，經(jīng)四通換向閥后進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口，制冷劑氣體在壓縮機(jī)被壓縮，其壓力升高后，排入冷凝器。被冷凝為液體的制冷劑經(jīng)膨脹閥后再循環(huán)回到蒸發(fā)器。其中，蒸發(fā)器冷凍水側(cè)進(jìn)出口溫度及流量被實(shí)時(shí)記錄。發(fā)動(dòng)機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的ORC循環(huán)系統(tǒng)工作原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)缸套和廢氣余熱通過(guò)缸套換熱器和廢氣余熱換熱器進(jìn)行回收，作為ORC循環(huán)的驅(qū)動(dòng)熱源。ORC系統(tǒng)包括工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、儲(chǔ)液罐、透平機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器等。有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)定壓與燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的缸套和廢氣余熱進(jìn)行換熱；高溫高壓的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入透平機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電；透平機(jī)尾部排出的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器并定壓冷凝；有機(jī)工質(zhì)冷凝器出口為液態(tài)進(jìn)入儲(chǔ)液罐；再由工質(zhì)泵送入蒸發(fā)器完成一次發(fā)電循環(huán)。

圖2 燃?xì)鈾C(jī)熱泵實(shí)物照片F(xiàn)ig. 2 Photo of gas engine heat pump system

燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 燃?xì)鉄岜迷O(shè)備規(guī)格參數(shù)Table 1 Equipment specification parameters of gas engine heat pump system

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩保持不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工況。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的一次能耗由天然氣的流量以及其低位熱值通過(guò)式（1）計(jì)算可得

式中，Qgas為發(fā)動(dòng)機(jī)的一次能耗, kW；mgas為天然氣流量，m3·s?1；LFL為天然氣低位熱值，kJ·m?3。

燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)制冷量，在忽略蒸發(fā)器熱損失情況下，系統(tǒng)制冷量如下

式中，Qe為系統(tǒng)制冷量，kW；mw為冷卻水質(zhì)量流量，kg·s?1；tout和 tin分別為蒸發(fā)器出、進(jìn)水溫度，K。

系統(tǒng)余熱包括缸套余熱和煙氣余熱。發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在某一工況時(shí)，基于能量守恒原理，通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流量、進(jìn)出口溫度、煙換熱器水流量和進(jìn)出口溫度，根據(jù)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，可得到缸套和廢氣余熱。

燃?xì)鈾C(jī)熱泵缸套余熱量

燃?xì)鈾C(jī)熱泵廢氣余熱量

式中，mcj和mexh分別為缸套換熱器和廢氣換熱器冷卻水流量，kg·s?1；cpw為水的比熱容，kJ·kg?1·K?1；Tcj,in和Tcj,out分別為冷卻水進(jìn)、出缸套換熱器溫度，K；Texh,in、Texh,out分別為冷卻水進(jìn)、出廢氣換熱器溫度，K。

壓縮機(jī)軸功率可根據(jù)制冷系統(tǒng)制冷劑流量、壓縮機(jī)吸氣和排氣口比焓值計(jì)算

式中，mr為熱泵系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量，kg·s?1；hin和 hout分別為制冷劑在壓縮機(jī)吸氣和排氣比焓值，kJ·kg?1；ηm為壓縮機(jī)軸效率，0.9。

與常規(guī)電動(dòng)熱泵相比，由于回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，對(duì)整個(gè)燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)，定義系統(tǒng)的性能系數(shù)COPt如（6）式所示，一次能源利用率PERt通過(guò)式（7）求解。

通過(guò)上位機(jī)采集的數(shù)據(jù)，聯(lián)立式(5)可對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 燃?xì)鉄岜弥评湫阅芙Y(jié)果

在環(huán)境溫度32.0℃的條件下，實(shí)驗(yàn)研究了燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)性能參數(shù)（制冷量、缸套和廢氣余熱、發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗、性能系數(shù)以及一次能源利用率）隨燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（1200～1800 r·min?1）和蒸發(fā)器進(jìn)水溫度（12～24℃）的變化規(guī)律。

圖3為制冷量隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

圖3 制冷量隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Fig.3 Variation of cooling capacity versus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

隨著蒸發(fā)器進(jìn)水溫度從 24℃變化到 12℃，蒸發(fā)器冷凍水和制冷劑之間的溫度差將減小。因此，蒸發(fā)溫度和壓力也會(huì)隨之降低，導(dǎo)致燃?xì)鉄岜弥评淞肯陆怠ｋS著蒸發(fā)器水入口溫度從 24℃變化到 12℃，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r·min?1時(shí)，系統(tǒng)制冷量由34.48 kW下降到23.76 kW。由此可知，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵制冷量影響較為明顯。

當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度為 12℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?200 r·min?1升高到1800 r·min?1，制冷量由23.76 kW增加到35.94 kW，增幅達(dá)到51.3%。其原因是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高，制冷系統(tǒng)中制冷劑體積流量增大，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量升高。

圖4和圖5分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗及發(fā)動(dòng)機(jī)余熱隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Fig.4 Variation of gas engine energy consumption versus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)余熱隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Fig.5 Variation of waste heat versus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

由圖4可知，發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大，而受蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的影響較小。由發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線可知，發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率均隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大。蒸發(fā)器進(jìn)水溫度升高，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力升高，相同冷凝壓力時(shí)，壓縮機(jī)單位功耗減小，與此同時(shí)，壓縮機(jī)吸入口處的制冷劑比體積減小，相同工況下，制冷劑質(zhì)量流量增大，制冷量增大。而壓縮機(jī)功耗變化幅度較小。

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱由缸套換熱器余熱和廢氣換熱器余熱兩部分組成。由圖5可知，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱受蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的影響較小。隨著蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的升高，余熱量變化呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但變化幅度較小。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱量顯著升高。進(jìn)一步分析可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1600 r·min?1，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度 12℃工況下，燃?xì)鉄岜弥评淞繛?0.56 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱為26.8 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗為47.9 kW?；厥盏陌l(fā)動(dòng)機(jī)余熱占發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗的比例為55.9%。

圖6為性能系數(shù)COPt隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

蒸發(fā)器進(jìn)水溫度從 12℃升高到 24℃時(shí)，系統(tǒng)COP逐漸增大。這是因?yàn)椋舭l(fā)溫度升高，單位質(zhì)量制冷量增大，系統(tǒng)制冷量大大增加，而壓縮機(jī)軸功率隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的變化而增幅較小。

COP隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加而降低，分析原因?yàn)橹评淞亢陀酂崃康脑黾臃缺葔嚎s機(jī)軸功率和發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗的增加幅度小。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1400 r·min?1時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度12℃工況下，系統(tǒng)性能系數(shù)COPt約為7.06。

圖6 COPt隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Fig.6 Variation of COPtversus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

圖7為一次能源利用率PERt隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

圖7 PERt隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Fig.7 Variation of PERtversus evaporator water inlet temperature and gas engine speed

燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)制冷量隨著蒸發(fā)器進(jìn)水流量的增大而升高，而發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗變化幅度較小，因此，一次能源利用率隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的升高而增大。相同蒸發(fā)器進(jìn)水溫度工況下，系統(tǒng)制冷量和發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗均隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大。但發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高的增幅更大。所以，系統(tǒng)一次能源利用率PERt隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而減小。

3.2 燃?xì)鈾C(jī)余熱驅(qū)動(dòng)ORC循環(huán)

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的缸套和廢氣余熱通過(guò)換熱器進(jìn)行回收，并作為 ORC循環(huán)的低溫?zé)嵩础Ｈ細(xì)鈾C(jī)熱泵余熱ORC系統(tǒng)T-S圖如圖8所示。根據(jù)熱力學(xué)第一和第二定律，對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵余熱 ORC系統(tǒng)建立能量和?計(jì)算機(jī)仿真模型。在熱力學(xué)計(jì)算過(guò)程中，做如下假設(shè)：忽略系統(tǒng)管路、蒸發(fā)器和冷凝器中工質(zhì)的壓降；每一組成部件認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)。

圖8中，1-2為工質(zhì)在透平內(nèi)實(shí)際膨脹做功過(guò)程，1-2s為工質(zhì)在透平等熵膨脹做功過(guò)程；2(2s)-3-4在冷凝器中冷凝的過(guò)程；4-5為工質(zhì)在工質(zhì)泵中實(shí)際壓縮過(guò)程，4-5s為等熵壓縮過(guò)程；5(5s)-6-1為工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)加熱到飽和狀態(tài)過(guò)程。

圖8 ORC系統(tǒng)T-S圖Fig.8 T-S diagram of ORC system

熱力學(xué)第一定律效率

熱力學(xué)第二定律效率

式中，Wt為膨脹機(jī)輸出功，kW；Wp為工質(zhì)泵功耗，kW；eQ′為ORC循環(huán)的工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱量，kW；TL為冷源的平均溫度，K；TH為熱源的平均溫度，K。

燃?xì)鈾C(jī)熱泵余熱 ORC系統(tǒng)熱力計(jì)算過(guò)程中，膨脹機(jī)等熵效率、機(jī)械效率以及膨脹比分別為0.88、0.98和5.5；泵的等熵效率為0.8；冷凝溫度為299 K；環(huán)境溫度為298 K；針對(duì)R245fa和R123兩種有機(jī)工質(zhì)，分析了蒸發(fā)溫度對(duì)熱力學(xué)第一定律熱效率和熱力學(xué)第二定律?效率的關(guān)系。

圖9為系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。由圖可知，熱力學(xué)第一定律熱效率隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高。在蒸發(fā)溫度 60℃時(shí)，有機(jī)工質(zhì) R245fa和R123的熱效率分別為7.39%和7.89%，而當(dāng)蒸發(fā)溫度為86℃，熱效率升高至10.95%和11.31%，增幅分別為48.2%和43.3%。

系統(tǒng)?效率是基于熱力學(xué)第二定律的一種性能表示，圖10為在冷凝溫度299K條件下，系統(tǒng)?效率隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。由圖可知，熱力學(xué)第二定律?效率隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高。在圖示蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，有機(jī)工質(zhì)R245fa和R123的系統(tǒng)?效率范圍為 42.65%～52.25%和 43.26%～54.24%，提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度可使有機(jī)朗肯循環(huán)?效率升高。

圖9 系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)溫度的關(guān)系Fig.9 Variation of system thermal efficiency with evaporative temperature

圖10 系統(tǒng)?效率隨蒸發(fā)溫度的關(guān)系Fig.10 Variation of system exergy efficiency with evaporative temperature

4 結(jié) 論

為進(jìn)一步提高能源利用率和提升低品位余熱的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用。本文針對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)開(kāi)展了制冷性能實(shí)驗(yàn)及余熱驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)理論仿真研究。對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵制冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并針對(duì) ORC循環(huán)分析了熱力學(xué)第一定律熱效率和熱力學(xué)第二定律?效率。主要結(jié)論如下。

（1）提出了一種燃?xì)鈾C(jī)熱泵與余熱驅(qū)動(dòng)的ORC系統(tǒng)。燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)制冷量、發(fā)動(dòng)機(jī)余熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗均隨燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大，性能系數(shù)及一次能源利用率隨蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的升高而增大，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而降低。

（2）燃?xì)鉄岜眯阅芟禂?shù) COP和一次能源利用率PER在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)分別高于6.0和1.1。與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱占發(fā)動(dòng)機(jī)一次能耗的55%左右。

（3）在蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，有機(jī)工質(zhì) R245fa的熱力學(xué)第一定律熱力效率為7.39%～10.95%，熱力學(xué)第二定律?效率為42.65%～52.25%。

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Cooling performances of gas engine heat pump system and analysis of waste heat utilization

LIU Huanwei
(School of Ocean, Yantai University, Yantai 264005, Shandong, China)

In order to improve the energy efficiency, convert the low-grade waste heat into the high-grade electricity and achieve the purpose of energy cascade utilization, the experiments on cooling performance of gas engine heat pump system (GHEP) and theoretical simulation of organic Rankine cycle (ORC) were investigated. The results showed that the cooling capacity, gas engine waste heat and gas engine energy consumption were increased with the increasing of gas engine speed, the coefficient of performance (COP) and primary energy ratio (PER) were increased with the increasing of evaporator water inlet temperature, but decreased with the increasing of gas engine speed. On the other hand, the energy and exergy of the first and the second laws of thermodynamics with R245fa as working fluid were 7.39%—10.95% and 42.65%—52.25%, respectively in the range of evaporating temperature 60—86℃.

gas engine heat pump; organic Rankine cycle; waste heat recovery; thermodynamics；performance testing; computer simulation

LIU Huanwei, hwliu@ytu.edu.cn

TK 11

：A

：0438—1157（2017）01—0050—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160763

2016-06-02收到初稿，2016-07-26收到修改稿。

聯(lián)系人：劉煥衛(wèi)（1982—），男，博士，講師。

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2015EL033，ZR2014EL029）。

Received date: 2016-06-02.

Foundation item: supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2015EL033, ZR2014EL029).