基于天然气发动机与吸收式制冷机的冷热电联产系统研究

摘要

能源是人类社会生存与发展的物质基础，直接推动着人类文明和世界经济的发展，社会的每一次巨大变革都伴随着能源的改进与更替。当今世界资源与环境问题日益严峻，各国对节能减排问题都格外重视。在解决这个问题时，除了大力研发新能源外，如何节约常规能源，提高单个设备效率，特别是系统能源综合利用率也是当务之急。分布式能源系统由于在燃料的多元化、能量高效利用化、组成系统多样化等方面的优势，在世界范围内受到广泛重视。本文对联产系统中的各主要设备（天然气发动机、烟水换热器和溴化锂吸收式制冷机组）的性能进行实验研究和仿真分析，具体研究内容如下：
　　1）通过实验研究天然气发动机的热平衡，分析各余热能流特性及其回收潜力。发动机热效率的最大值出现在最大扭矩转速(1400r/min)附近，热效率接近40％，并且在整个转速范围内的中高负荷下，有效功的效率都高于30%。排气余热能量在标定转速的全负荷工况下达到最大值217.6kW，此时排气能量约占燃料总能量的28%。排气效率随发动机转速的增大而增大，在高转速高负荷情况下将近20%。发动机冷却水能量总体上随着发动机负荷的增加而增加，在标定转速的全负荷工况下，达到最大值约为189.9kW，约占燃料总能量的24%，整个工况下冷却水的?效率只有5%左右。发动机中冷器能量百分比随着转速的增加而增加，在标定转速下达到最大值，约为5.4%，整个工况下中冷器的效率均在2%以下。
　　2）计算不同工况下发动机烟气的热物理性质，然后建立烟水换热器的模型，用Fluent软件对其流场和温度场进行模拟分析。随着发动机转速和负荷率的提高，进出水温差与烟水换热器的换热量均逐渐增大。在2100r/min时，烟水换热器进出水温差与换热量最大，最高温差为7.3℃左右，换热量将近50kW。
　　3）利用计算机软件编程得到溴化锂水溶液以及水和水蒸汽的热物理性质方程。在此基础上，建立了溴化锂吸收式制冷机的模型，根据仿真结果分析热源水进口温度与冷却水进口温度变化对机组制冷性能的影响。随着热源水进口温度的增大，换热器的热负荷略微减小，其余部件的热负荷均呈线性增长，机组cop从0.65增大到0.75。随着冷却水进口温度的增大，各换热设备的热负荷趋势正好与上述趋势相反，机组cop从0.84减小到0.33。
　　4）建立分产系统和联产系统的热力学模型，在供应的冷、热、电相等情况下，分析冷热电系统的节能率及二氧化碳排放率。针对试验台架系统分析计算可以看出，同一转速下，系统的节能率基本随着发动机的负荷增加而升高。系统在不同转速的低负荷情况下都不节能，而且在低转速情况下节能效果好于高转速的工况。然而系统的二氧化碳减排率远远好于其节能率，全部工况都减排，这说明天然气冷热电联供系统在碳排放方面具有巨大的优势。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外发展与研究现状

1.3 内燃机热电冷联供介绍

1.4 本文主要研究内容

第 2 章 天然气发动机热平衡试验及余热能流分析

2.1 天然气发动机余热能流计算基本理论

2.2 天然气发动机热平衡试验平台搭建

2.3 天然气发动机热平衡试验方法与过程

2.4 天然气发动机热平衡试验结果及余热能流分析

2.5 本章小结

第 3 章 烟水换热器仿真与性能分析

3.1 内燃机排烟的热物理性质计算

3.2 烟水换热器仿真理论基础

3.3 烟水换热器模型建立与仿真分析

3.4 本章小结

第 4 章 单效溴化锂吸收式制冷机组的特性研究

4.1 溴化锂水溶液的热物理性质

4.2 饱和水和水蒸汽的热物理性质

4.3 单效热水型溴化锂吸收式制冷机的数学模型建立

4.4 单效热水型溴化锂吸收式制冷机设计参数确定

4.5 单效热水型溴化锂吸收式制冷机的仿真模型建立

4.6 单效热水型溴化锂吸收式制冷机变工况性能分析

4.7 本章小结

第 5 章 冷热电系统耦合及节能减排性评价

5.1 系统节能性评价模型

5.2 系统二氧化碳减排特性评价模型

5.3 试验台架冷热电系统的耦合分析

5.4本章小结

第 6 章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目